基于stm32f103r8t6的數(shù)字式量度繼電器設(shè)計(jì)與應(yīng)用
摘要：數(shù)字式量度繼電器具有測(cè)量、設(shè)定簡(jiǎn)單、保護(hù)功能多、速度快等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的電磁、靜態(tài)繼電器理想的替代產(chǎn)品。本文詳細(xì)介紹了基于stm32f103r8t6的數(shù)字式量度繼電器的總體設(shè)計(jì)方案。該產(chǎn)品能針對(duì)不同的對(duì)象在實(shí)際使用中遇到的多種故障進(jìn)行保護(hù)，使被保護(hù)的對(duì)象在故障狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生損壞，提高可靠性，減少損失。
關(guān)鍵字：數(shù)字式、量度繼電器、保護(hù)
0引言
在電力及工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，常用各種類型的繼電器應(yīng)用于需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控的場(chǎng)合，作為保護(hù)的閉鎖動(dòng)作元件或啟動(dòng)元件。目前，大部分用于此類場(chǎng)合的繼電器都為靜態(tài)繼電器，*采用模擬電路設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)置、整定值設(shè)定都采用旋鈕調(diào)節(jié)，采用此方式設(shè)置精度低、誤差大、保護(hù)功能單一，不帶有顯示裝置，用戶無法從繼電器上得知當(dāng)前各種電參量，且無法組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)化。
另有一類為多功能綜合性保護(hù)型繼電器，如南京因泰萊的pa100系列綜合數(shù)字繼電器、abb的615系列繼電器，此類型繼電器名稱上為繼電器，其實(shí)為多功能繼電保護(hù)裝置，此類型的繼電器功能強(qiáng)大，集保護(hù)、測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、通訊等多種功能于一體，是的電力系統(tǒng)自動(dòng)化硬件裝置，但在許多要求簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合使用此類繼電器則存在使用成本高，功能浪費(fèi)等缺點(diǎn)。
本文將要介紹的是一款數(shù)字式量度繼電器（asj系列數(shù)字式量度繼電器）的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，該繼電器功能上除了具有傳統(tǒng)靜態(tài)繼電器具有的特點(diǎn)外，還兼具了方便靈活和智能的特點(diǎn)，具有保護(hù)功能較多，靈敏度高，動(dòng)作時(shí)間整定靈活，過欠模式同機(jī)整定，實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示當(dāng)前電參量的值，相當(dāng)于在智能電測(cè)儀表的基礎(chǔ)上增加了保護(hù)繼電器的功能。
1 繼電器的硬件設(shè)計(jì)
本數(shù)字式量度繼電器的硬件電路包括主cpu芯片、電源、信號(hào)采集電路、人機(jī)交互單元、rs485通訊接口及繼電器輸出接口（圖1）。
圖 1 硬件電路框圖
1.1 主控cpu
本量度繼電器的cpu采用st公司的基于armcortex-m3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器stm32f103r8t6，時(shí)鐘頻率zui高可達(dá)72mhz，內(nèi)置64k的flash、20k的ram、12位ad、4個(gè)16位定時(shí)器、3路usart通訊口等多種資源，具有*的性價(jià)比。
1.2 電源
電源是一臺(tái)設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分，該繼電器采用本公司常用的通用開關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為ac85v～265v，輸入頻率45hz～60hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對(duì)不同供電電壓的要求。輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％。具有過壓、過流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗*力。
1.3 信號(hào)采集電路
信號(hào)采集電路采用互感器隔離輸入，將電流、電壓等電量信號(hào)進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。采樣信號(hào)經(jīng)放大電路放大后進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。圖2。
圖2 信號(hào)采集電路
1.4 人機(jī)交互單元
人機(jī)交互單元采用led顯示和按鍵輸入，系統(tǒng)采用單排四位led數(shù)碼管顯示各種信息。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)。數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，其驅(qū)動(dòng)電路使用一片74hc595加三極管構(gòu)成。
1.5 rs485通訊接口
通訊接口模塊采用通用的rs-485、modbus rtu通訊規(guī)約，能實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信等功能，見圖3。
圖 3 通訊電路原理圖
1.6 繼電器輸出接口
繼電器輸出接口（圖4）是動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，繼電器便會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警或脫扣信號(hào)。
圖 4 繼電器輸出原理圖
2 軟件設(shè)計(jì)
由于本量度繼電器采用數(shù)字電路，核心元件采用的是32位單片機(jī)，運(yùn)算速度快（時(shí)鐘頻率72mhz），保護(hù)算法都由軟件實(shí)現(xiàn)，因此，由同一電參量引申而出的保護(hù)功能可集成于一體（如測(cè)量三相電流可實(shí)現(xiàn)過載、欠載、不平衡、斷相、相序等多種保護(hù)），不像靜態(tài)繼電器那樣，不同的保護(hù)功能需要不同的模擬電路來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致單個(gè)靜態(tài)繼電器往往只有一種保護(hù)功能。
2.1程序設(shè)計(jì)
本繼電器的軟件設(shè)計(jì)主要包括計(jì)算、保護(hù)、顯示、按鍵、通訊等各種功能子程序。其中計(jì)算子程序主要用于進(jìn)行信號(hào)的采集和運(yùn)算，實(shí)時(shí)測(cè)量保護(hù)對(duì)象的電參量；保護(hù)子程序主要集成有各種保護(hù)算法，將測(cè)量得到的各種參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的值來進(jìn)行對(duì)比，來確定是否有故障出現(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行保護(hù)；顯示、按鍵子程序用于人機(jī)交互；通訊子程序則用于將各種參量通過通訊接口遠(yuǎn)傳給后臺(tái)控制系統(tǒng)。
由于程序內(nèi)容較多，現(xiàn)給出主程序流程（圖5）和保護(hù)子程序流程圖（圖6）。
圖 5 主程序流程圖
圖 6 保護(hù)子程序流程圖
2.2 過采樣
在本產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，便定位于既可作為保護(hù)繼電器使用，又可作為低壓電測(cè)儀表使用，因此要求本產(chǎn)品的測(cè)量精度要高，但出于成本上的考慮，采用主控芯片stm32f103r8t6內(nèi)部自帶的12位ad，為實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，需要在采樣上使用過采樣的技術(shù)。根據(jù)奈奎斯特定理可得，每增加一位分辨率，信號(hào)必須被以4倍的速率過采樣：其中，w是希望增加的分辨率位數(shù)，是初始采樣頻率要求，是過采樣頻率。根據(jù)此公式，在采樣時(shí)將采樣頻率提高256倍，即將分辨率位數(shù)提高4位，達(dá)到了16位的分辨率。采用此方法后，本產(chǎn)品的測(cè)量精度達(dá)到0.5級(jí)，*可以滿足作為測(cè)量型儀表的要求。由于cpu的速度很快，因此不會(huì)因?yàn)椴捎眠^采樣后，采樣點(diǎn)和運(yùn)算量的增加而導(dǎo)致保護(hù)速度不夠。
3 性能測(cè)試
3.1 測(cè)量精度的測(cè)試（電流型）
信號(hào)發(fā)生源
asj數(shù)字式量度繼電器
圖7
試驗(yàn)裝置由圖7所示，信號(hào)發(fā)生源采用深圳科陸公司的rtu檢定裝置cl301v2-r，精度等級(jí)0.05。由cl301v2-r輸出三相交流電流來測(cè)試asj的測(cè)量精度，測(cè)試結(jié)果見表1。
表1
dk輸出值
asj顯示值
0.100a
0.099a
1.000a
0.999a
5.000a
4.999a
10.000a
9.999a
由gb/t22264.1-200《安裝式數(shù)字顯示電測(cè)量?jī)x表》第1部分：定義和通用要求中5.2 基本誤差的計(jì)算方法，結(jié)合表1測(cè)量數(shù)據(jù)可得，精度等級(jí)能夠滿足0.5級(jí)。
計(jì)算公式如下：
儀表的基本誤差不應(yīng)超過公式（1）表示的測(cè)量值的誤差。
（1）
式中：－被測(cè)量的讀數(shù)值；
－被測(cè)量的滿度值；
－與讀數(shù)值有關(guān)的誤差系數(shù)；
－與滿度值有關(guān)的誤差系數(shù)；
公式（1）中應(yīng)滿足如下關(guān)系：
3.2動(dòng)作誤差測(cè)試（電流型）
繼電器的動(dòng)作誤差是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，因此，需要使用的繼保測(cè)試儀來對(duì)asj的動(dòng)作時(shí)間誤差進(jìn)行測(cè)試。
這里使用“zs-740微機(jī)繼電保護(hù)校驗(yàn)儀”來測(cè)試asj的動(dòng)作誤差時(shí)間，測(cè)試結(jié)果見表2。
表2
功能
設(shè)定值
是否準(zhǔn)確動(dòng)作
動(dòng)作時(shí)間ms
域值
延時(shí)時(shí)間s
起動(dòng)超時(shí)
----
2.0
√
2036
欠載報(bào)警
70％
2.0
√
2041
欠載脫扣
50％
5.0
√
5049
阻塞報(bào)警