基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器設(shè)計(jì)與應(yīng)用
景沈鋒1 姚 波2 湯建軍2
（1中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 陜西西安 710054）
（2上海安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）
摘 要：數(shù)字式量度繼電器具有測(cè)量精確、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。
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(lèi)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(lèi)場(chǎng)合的繼電器都為靜態(tài)繼電器，完全采用模擬電路設(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(hù)無(wú)法從繼電器上得知當(dāng)前各種電參量，且無(wú)法組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)化。
另有一類(lèi)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(lèi)型繼電器名稱(chēng)上為繼電器，其實(shí)為多功能繼電保護(hù)裝置，此類(lèi)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，是高端的電力系統(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(lèi)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(guò)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ARM最新Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F103R8T6，時(shí)鐘頻率最高可達(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，具有極高的性?xún)r(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(kāi)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(mǎn)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(guò)壓、過(guò)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、可靠性和抗干擾能力。
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(hù)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(jiàn)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(guò)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(lái)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。
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