摘 要：文章設(shè)計了一種基于STM32F103VE單片機的AT自耦變壓器保護裝置。文章首先介紹了裝置的功能和保護原理，對電流速斷保護、AT自耦變壓器差動保護、斷路器失靈保護、本體保護、失壓保護等進行了描述。之后介紹了裝置的硬件設(shè)計，包括交流量采集電路、開入開出電路、電源電路、核心電路，并介紹了如何使用光電耦合器等來提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。最后，介紹了裝置的軟件設(shè)計和RTX實時操作系統(tǒng)，并對軟件任務(wù)管理進行了描述。

關(guān)鍵詞：裝置；STM32；保護

1 功能與保護原理

文章所述的保護裝置是集保護，遙測，通信和遙控為一體的AT自耦變壓器保護裝置，采集接觸網(wǎng)電壓，正饋線電壓，接觸網(wǎng)電流，正饋線電流等模擬量，將這些模擬量數(shù)據(jù)計算后和各種保護功能整定信息進行比較，當(dāng)符合保護動作條件時，驅(qū)動繼電器輸出，從而達到保護AT自耦變壓器的目的。裝置有以下保護。

1.1 電流速斷保護

1.5.1差動速斷保護

差動速斷（簡稱差速斷）保護用于變壓器差動保護范圍內(nèi)發(fā)生嚴重故障時，快速切除故障。差速斷不經(jīng)制動判別，只要差電流大于差速斷定值，保護動作出口跳閘。

1.5.2 差動保護

差動保護采用了比例制動及二次諧波閉鎖原理。

（2）二次諧波閉鎖

當(dāng)空載變壓器投入電網(wǎng)或區(qū)外故障切除后的電壓恢復(fù)時，將產(chǎn)生很大的勵磁涌流，為了防止在此情況下差動保護誤動，設(shè)有二次諧波閉鎖。采用差動電流中二次諧波含量與基波的比值為勵磁涌流閉鎖判據(jù)，閉鎖判據(jù)如下：

Id2x？叟KBS×Id1x

式中：Id2x：每相差電流中的二次諧波；Id1x：對應(yīng)的差流中的基波；KBS：二次諧波閉鎖比定值。

1.6 斷路器失靈保護

出現(xiàn)以下兩種情況中任一種時，啟動斷路器失靈保護延時，當(dāng)延時滿足后保護動作出口。（1）電流型保護動作后，裝置檢測到電流大于斷路器失靈啟動電流定值，同時斷路器處于合位，失靈啟動開入=1。（2）本體保護動作，同時斷路器處于合位，失靈啟動開入=1。

1.7 重合閘

重合閘啟動方式有兩種：保護啟動及跳位（斷路器偷跳）啟動。跳位啟動可經(jīng)控制字投退。重合閘脈沖寬度為200ms。當(dāng)啟動重合閘的保護動作未返回時，重合閘不會啟動延時。裝置以軟件模擬傳統(tǒng)的重合閘充放電過程，充電時間為20s。人機界面液晶可顯示重合閘充放電狀態(tài)。

本裝置設(shè)置的重合閘放電（閉鎖）條件（當(dāng)下述任一條件滿足時放電）

（1）手動跳閘開入為高電平；（2）重合閘發(fā)合閘脈沖；（3）遠方操作跳閘。

當(dāng)斷路器偷跳或保護跳閘后，如果滿足重合閘條件，啟動重合閘延時，當(dāng)延時滿足后，重合閘。重合閘合閘或手動合閘3秒內(nèi)，如果滿足過電流保護或接地過電流保護條件，則過電流加速跳閘或接地過電流加速跳閘。

1.8 本體保護

該裝置本體保護包括重瓦斯保護、輕瓦斯保護、溫度Ⅰ段保護、溫度Ⅱ段保護、壓力釋放保護。其中重瓦斯保護、溫度Ⅰ段保護、溫度Ⅱ段保護、壓力釋放保護可整定為跳閘或告警。重瓦斯保護、輕瓦斯保護、溫度Ⅰ段保護、溫度Ⅱ段保護、壓力釋放保護直接將現(xiàn)場的動作觸點接到裝置的開入回路，裝置發(fā)跳閘、告警信號

1.9 失壓保護

當(dāng)斷路器處于合位，接觸網(wǎng)電壓和正饋線電壓均小于失壓保護低電壓定值時，啟動低電壓延時，當(dāng)延時滿足后保護動作跳閘。

2 硬件設(shè)計

STM32F103VE單片機是意法半導(dǎo)體基于ARM CORTEX-M3內(nèi)核開發(fā)出來的一款低成本，高性能的32位單片機。Cortex-M3是一個32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲器接口也是32位的。CM3采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖[1]。單片機核心主頻為72MHz，90DMIPS，擁有單周期乘法器和硬件除法器，擁有64M隨機存儲器和256M閃存。單片機擁有豐富和外設(shè)資源，集成了I2C總線，SPI總線，32位定時器，DMA，USART，12位A/D轉(zhuǎn)換器，USB2.0接口，CAN接口[2]等，為電動機裝置的設(shè)計提供了豐富的硬件資源。

硬件電路包括以下幾個部分：

交流量采集電路：交流電壓經(jīng)分壓電阻降壓后接入LM224運算放大器的輸入端，運算放大器的輸出端直接連入單片機的A/D轉(zhuǎn)換器。交流電流經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓，接入LM224運算放大器的輸入端，運算放大器的輸出端直接連入單片機的A/D轉(zhuǎn)換器。

開入開出電路：外部開入量經(jīng)過分壓電阻降壓，然后通過光電耦合器接入單片機，光電耦合器將單片機和外部電路隔離開來，提高了裝置的可靠性和抗干擾性。單片機的開出信號采用了雙信號控制方式，即用兩個管腳控制一個出口，當(dāng)一個管腳置1，另一個管腳置0時，出口繼電器才會動作，降低了干擾造成誤動的幾率。開出電路同樣采用了光電耦合器，以提高裝置的可靠性和抗干擾性。

電源電路：電源電路主要包括變壓，整流，穩(wěn)壓，濾波等回路，為其他電路提供穩(wěn)定的24V，5V，3.3V等電壓等級的電壓。

核心電路：核心電路主要包括單片機、晶振、通訊、顯示等部分。單片機接收交流采集量和開入量，驅(qū)動繼電器動作，并負責(zé)裝置的各種控制，計算功能。8MHz主晶振為單片機提供時鐘信號，32.768KHz輔助晶振為RTC實時時鐘提供時鐘信號。通訊部分包含2路RS485通訊，采用SN75176BD芯片將單片機輸出的串行信號轉(zhuǎn)化為RS485電平信號。液晶顯示部分采用HB12864M2A串行液晶，通過串行接口與單片機相連，用來顯示裝置的定值，模擬量，動作信息等。

3 軟件設(shè)計

軟件的主要功能有：（1）實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTX內(nèi)核調(diào)用；（2）基本輸入/輸出接口驅(qū)動；（3）開入掃描處理管理；（4）保護監(jiān)控出口管理；（5）定值參數(shù)管理任務(wù)；（6）非易失RAM存儲數(shù)據(jù)管理；（7）軟件時鐘管理；（8）事件記錄管理； （9）通訊協(xié)議：MODBUS協(xié)議；（10）雙RS485總線通訊鏈路管理任務(wù)；（11）硬件上電自檢和實時在線自檢；（12）常用基本保護算法函數(shù)庫；（13）人機會話管理功能；（14）獨立片內(nèi)看門狗管理；（15）保護任務(wù)管理。

對于比較大型的或者是有高性能指標的嵌入式系統(tǒng)，往往需要兩個堆棧（主堆棧和進程堆棧）配合使用[3]。因此，軟件使用了一個主堆棧和一個進程堆棧分別用于中斷程序和任務(wù)程序。軟件基于RTX實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，設(shè)計中采用模塊化和通用化的原則，提供一些輸入輸出接口、算法、任務(wù)模塊、通用管理模塊和RTX內(nèi)核。每個任務(wù)模塊負責(zé)完成某個特定功能的任務(wù)，RTX內(nèi)核負責(zé)CPU在各個任務(wù)之間進行調(diào)度和切換，每個任務(wù)都可看成一個線程，獨立占有CPU的所有資源，任務(wù)之間通過消息、標志、信號量等進行交換信息和同步。任務(wù)模塊相對比較獨立，這種軟件制作方法更適合代碼比較大、功能比較復(fù)雜的系統(tǒng)，它對將來系統(tǒng)升級和維護也更方便和容易。

4 結(jié)束語

文章闡述了一種基于STM32F103VE單片機的AT自耦變壓器保護裝置的設(shè)計，并從功能與保護原理，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計三個方面進行了敘述。該保護期具有接地過電流保護、AT自耦變壓器差動保護、斷路器失靈保護等多種保護，并擁有低成本，高可靠性等特點。

參考文獻

[1]Joseph Yiu.宋巖譯.CORTEX-M3權(quán)威指南[M].北京航空航天大學(xué)出版社.

[2]High-density performance line ARM -based 32-bit MCU with 256 to 512KB Flash， USB， CAN， 11 timers， 3 ADCs， 13 communication interfaces[EB/OL].http：//www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00191185.pdf.

[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社.