基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

摘    要：数字式量度继电器具有测量精确、设定简单、保护功能多、速度快等优点，是传统的电磁、静态继电器理想的替代产品。本文详细介绍了基于STM32F103R8T6的数字式量度继电器的总体设计方案。该产品能针对不同的对象在实际使用中遇到的多种故障进行保护，使被保护的对象在故障状态下不会产生损坏，提高可靠性，减少损失。
关键字：数字式、量度继电器、保护

0　 引言
　　在电力及工业自动化控制系统中，常用各种类型的继电器应用于需要进行状态监控的场合，作为保护的闭锁动作元件或启动元件。目前，大部分用于此类场合的继电器都为静态继电器，完全采用模拟电路设计，参数设置、整定值设定都采用旋钮调节，采用此方式设置精度低、误差大、保护功能单一，不带有显示装置，用户无法从继电器上得知当前各种电参量，且无法组网实现智能化网络化。
　　另有一类为多功能综合性保护型继电器，如南京因泰莱的PA100系列综合数字继电器、ABB的615系列继电器，此类型继电器名称上为继电器，其实为多功能继电保护装置，此类型的继电器功能强大，集保护、测量、控制、监测、通讯等多种功能于一体，是高端的电力系统自动化硬件装置，但在许多要求简单的应用场合使用此类继电器则存在使用成本高，功能浪费等缺点。
　　本文将要介绍的是一款数字式量度继电器（ASJ系列数字式量度继电器）的设计和应用，该继电器功能上除了具有传统静态继电器具有的特点外，还兼具了方便灵活和智能的特点，具有保护功能较多，灵敏度高，动作时间整定灵活，过欠模式同机整定，实时测量并显示当前电参量的值，相当于在智能电测仪表的基础上增加了保护继电器的功能。

1　 继电器的硬件设计
　　本数字式量度继电器的硬件电路包括主CPU芯片、电源、信号采集电路、人机交互单元、RS485通讯接口及继电器输出接口（图1）。

图1　硬件电路框图

1.1  主控CPU
　　本量度继电器的CPU采用ST公司的基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器STM32F103R8T6，时钟频率最高可达72MHz，内置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源，具有极高的性价比。
1.2  电源    
　　电源是一台设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分，该继电器采用本公司常用的通用开关电源模块。该电源模块输入电压为AC85V～265V，输入频率45Hz～60Hz，具有多路隔离电压输出，满足多种功能对不同供电电压的要求。输出电压稳定、故障率小，输出纹波 <1％。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。
1.3  信号采集电路
　　信号采集电路采用互感器隔离输入，将电流、电压等电量信号进行隔离，提高系统的安全性和可靠性。采样信号经放大电路放大后进行A/D转换。图2。 

图2　信号采集电路

1.4  人机交互单元
　　人机交互单元采用LED显示和按键输入，系统采用单排四位LED数码管显示各种信息。用户可根据实际需要进行设置。在编程状态下显示菜单及参数。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成。
1.5  RS485通讯接口
　　通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能，见图3。

图3　通讯电路原理图[page]

1.6  继电器输出接口
　　继电器输出接口（图4）是动作的执行机构，当出现故障时，继电器便会产生动作，发出报警或脱扣信号。

图4　继电器输出原理图

2　 软件设计
　　由于本量度继电器采用数字电路，核心元件采用的是32位单片机，运算速度快（时钟频率72MHz），保护算法都由软件实现，因此，由同一电参量引申而出的保护功能可集成于一体（如测量三相电流可实现过载、欠载、不平衡、断相、相序等多种保护），不像静态继电器那样，不同的保护功能需要不同的模拟电路来实现，导致单个静态继电器往往只有一种保护功能。
2.1  程序设计
　　本继电器的软件设计主要包括计算、保护、显示、按键、通讯等各种功能子程序。其中计算子程序主要用于进行信号的采集和运算，实时测量保护对象的电参量；保护子程序主要集成有各种保护算法，将测量得到的各种参数与预先设定的值来进行对比，来确定是否有故障出现，及时进行保护；显示、按键子程序用于人机交互；通讯子程序则用于将各种参量通过通讯接口远传给后台控制系统。
　　由于程序内容较多，现给出主程序流程（图5）和保护子程序流程图（图6）。

图5　主程序流程图

图6　保护子程序流程图

2.2  过采样
　　在本产品设计时，便定位于既可作为保护继电器使用，又可作为低压电测仪表使用，因此要求本产品的测量精度要高，但出于成本上的考虑，采用主控芯片STM32F103R8T6内部自带的12位AD，为实现高精度的测量，需要在采样上使用过采样的技术。根据奈奎斯特定理可得，每增加一位分辨率，信号必须被以4倍的速率过采样：f_os=4^w×f_s  。其中，w是希望增加的分辨率位数，f_s是初始采样频率要求，f_os是过采样频率。根据此公式，在采样时将采样频率提高256倍，即将分辨率位数提高4位，达到了16位的分辨率。采用此方法后，本产品的测量精度达到0.5级，完全可以满足作为测量型仪表的要求。由于CPU的速度很快，因此不会因为采用过采样后，采样点和运算量的增加而导致保护速度不够。

3　 性能测试
3.1  测量精度的测试（电流型）

图7

　　试验装置由图7所示，信号发生源采用深圳科陆公司的RTU检定装置CL301V2-R，精度等级0.05。由CL301V2-R输出三相交流电流来测试ASJ的测量精度，测试结果见表1。

表1

　　由GB/T22264.1-200《安装式数字显示电测量仪表》第1部分：定义和通用要求中5.2 基本误差的计算方法，结合表1测量数据可得，精度等级能够满足0.5级。
　　计算公式如下：
　　仪表的基本误差不应超过公式（1）表示的测量值的绝对误差△。

　　式中： U_x－被测量的读数值；
　　　　　 U_m－被测量的满度值；
　　　　　 a－与读数值有关的误差系数；
　　　　　 b－与满度值有关的误差系数；

　　公式（1）中应满足如下关系：a≥4b

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