李軍政, 王雅

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基于STM32F103的交流綜保測(cè)量算法和保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)

李軍政1, 王雅2

（1.海裝駐武漢712所軍事代表室 ，武漢430064；2. 武漢船用電力裝置研究所，武漢430064）

本文基于STM32F103，實(shí)現(xiàn)了交流綜保的測(cè)量算法和保護(hù)邏輯。運(yùn)用ARM（STM32F103）的內(nèi)部AD采集交流模擬量，通過測(cè)量算法計(jì)算獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的有效值，完成分析計(jì)算和比較判斷來實(shí)現(xiàn)交流綜保各種繼電保護(hù)功能。

STM32F103 交流綜保 測(cè)量算法 保護(hù)邏輯

0 引言

基于交流綜保的研究項(xiàng)目背景，本文選用具有18通道12位內(nèi)部AD的STM32F103。

文中采用交流采樣技術(shù)，通過計(jì)算獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的有效值，在測(cè)量算法中，主要考慮計(jì)算的精度和速度，速度又包括兩個(gè)方面：算法所要求的點(diǎn)數(shù)；算法的運(yùn)算工作量。精度和速度是矛盾的，若要求精度高，則要利用更多的采樣點(diǎn)，也增加了計(jì)算的動(dòng)作量，降低了計(jì)算的速度。對(duì)算法還有數(shù)字濾波功能的要求，即濾除影響精度計(jì)算的高次諧波分量，有的算法本身具有數(shù)字濾波功能，有的沒有，必須采用模擬的濾波器或采用專用的數(shù)字濾波算法。

在電網(wǎng)頻率為50 Hz，每周波采樣12點(diǎn)。對(duì)測(cè)量和保護(hù)分別采用不同的算法進(jìn)行處理。測(cè)量采用積分算法，保護(hù)采用具有濾波富里葉算法。

1 AD采集

1.1 AD主要特征[1]

1)12-位分辨率；

2)轉(zhuǎn)換結(jié)束，注入轉(zhuǎn)換結(jié)束和發(fā)生模擬看門狗事件時(shí)產(chǎn)生中斷；

3)單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式；

4)從通道0到通道的自動(dòng)掃描模式；

5)自校準(zhǔn)；

6)帶內(nèi)嵌數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)對(duì)齊；

7)通道之間采樣間隔可編程；

8)規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換均有外部觸發(fā)選項(xiàng)；

9)間斷模式；

10)雙重模式(帶2個(gè)或以上ADC的器件)；

11)ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs(ADC時(shí)鐘為72 MHz為1.17 μs) ；

12)ADC供電要求：2.4 V到3.6 V；

13)ADC輸入范圍：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+ ；

14)規(guī)則通道轉(zhuǎn)換期間有DMA請(qǐng)求產(chǎn)生。

1.2 AD采集硬件設(shè)計(jì)

在交流綜保研制中，采集的物理量主要有測(cè)量電壓、測(cè)量電流和保護(hù)電流。如圖1 模擬量信號(hào)處理電路中，針對(duì)測(cè)量電壓T1選擇的是電壓互感器LXYA 100V/3.53 V，針對(duì)測(cè)量電流T1選擇的是電流互感器LXLA 5A/3.53 V，針對(duì)保護(hù)電流T1選擇的是電流互感器WGSLA 100A/3.53 V。處理完的信號(hào)經(jīng)圖2 STM32F103內(nèi)部AD采集電路后進(jìn)入軟件處理。

1.3 內(nèi)部AD寄存器配置和采集

寄存器配置（略）。

2 測(cè)量算法

測(cè)量部分的計(jì)算需完成三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、頻率、有功電能、無功電能的計(jì)算和測(cè)量。篇幅有限，本文只簡(jiǎn)單介紹一下電壓電流和頻率的算法。

2.1 電壓電流測(cè)量算法

電壓、電流是周期變化的交流量，有效值的表示可用（1）與（2）式表示：

將連續(xù)的函數(shù)離散化，可以得到電壓、電流的有效值公式如（3）與（4）式。

在計(jì)算電流、電壓的有效值后，在實(shí)際的輸入信號(hào)與負(fù)載中，存在微小的波動(dòng)或者存在干擾，因此，必須對(duì)測(cè)量的值進(jìn)行濾波，提高測(cè)量的精度，減少干擾的影響。

2.2 采樣頻率的自動(dòng)跟蹤

在采樣的過程中，電網(wǎng)的頻率時(shí)刻都在發(fā)生變化，而很多的算法是建立在采樣頻率與電力系統(tǒng)的工頻頻率成整數(shù)倍數(shù)的基礎(chǔ)上的。如每工頻周期采樣12點(diǎn)、16點(diǎn)、24點(diǎn)等。當(dāng)采樣頻率不能嚴(yán)格保持與電網(wǎng)頻率的同步，采樣計(jì)算的數(shù)據(jù)將出現(xiàn)偏差。

常規(guī)的模擬式保護(hù)也具有這種情況，如負(fù)序?yàn)V過器是由電阻、電容、電感等元件構(gòu)成，而容抗、感抗等都與頻率有關(guān)。采樣頻率自動(dòng)跟蹤的方法很多，最基本的方法是測(cè)量工頻的實(shí)時(shí)頻率，然后除以要求的采樣頻率對(duì)工頻的比值，就可以得到采樣的間隔時(shí)間。但這種方法的硬件、軟件實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜。

本文采用了根據(jù)采樣點(diǎn)計(jì)算的方法，在正弦函數(shù)過零點(diǎn)前后取采樣點(diǎn)的1i一個(gè)周波過零點(diǎn)前后的12。

在過零點(diǎn)前后，正弦函數(shù)很接近直線，在作線性處理時(shí)，有下列關(guān)系，如圖和公式（5）和公式（6）。

用這種方法，每一工頻周期可以調(diào)節(jié)一次采樣頻率，基本滿足了綜合裝置中的測(cè)量、保護(hù)應(yīng)用。

3 保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)

在交流綜保微機(jī)保護(hù)[2]中，對(duì)連續(xù)型的電壓、電流量模擬量進(jìn)行離散采樣和A/D轉(zhuǎn)換后，才能變換為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字量，計(jì)算機(jī)對(duì)這些采樣值進(jìn)行計(jì)算、分析，得出計(jì)算結(jié)果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和保護(hù)的動(dòng)作方程、定值，通過比較、判斷、決定保護(hù)裝置的動(dòng)作行為。保護(hù)算法就是完成分析計(jì)算和比較判斷來實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)功能的方法。

本交流綜保實(shí)現(xiàn)了中低壓系統(tǒng)中的多數(shù)保護(hù)，各種保護(hù)的動(dòng)作邏輯相同，以下列舉典型的保護(hù)動(dòng)作邏輯。

3.1 三段電流保護(hù)

如圖4所示。

此功能是基于三相電流的定時(shí)限過電流保護(hù)。

3.2 方向性電流保護(hù)

本保護(hù)反應(yīng)相間短路故障。

本單元的方向元件采用90°接線，按相起動(dòng)，各相電流僅受如表1所示相應(yīng)電壓的控制。

通過電流方向地顯示，只有當(dāng)>0時(shí)過流元件才會(huì)動(dòng)作。其中=××COS（-30°），為和夾角。

方向元件最大靈敏角為-30°，相間方向元件動(dòng)作特性動(dòng)作區(qū)域如圖5所示。

注：圖中Izd為電流保護(hù)整定值。

3.3 反時(shí)限電流保護(hù)

設(shè)備的不正常工作狀態(tài)主要是過負(fù)荷運(yùn)行。考慮到一般設(shè)備都有一定的過載能力，通過的過載電流越小，允許的時(shí)間越長(zhǎng)，過載電流與允許工作時(shí)間為反時(shí)限特性。可以采用的IEC四種反時(shí)限特性方程

4 結(jié)論

本文基于STM32F103平臺(tái)研究，實(shí)現(xiàn)了交流綜保的測(cè)量算法和保護(hù)邏輯，并得到了樣機(jī)驗(yàn)證，可控性和穩(wěn)定性良好，具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] STM32F10x微控制器參考手冊(cè).2008.

[2] 羅士萍. 微機(jī)保護(hù)實(shí)現(xiàn)原理及裝置[M]. 北京：中國電力出版社，2001.

Implementation for Measurement Algorithms and Protection Logic of AC Relay Based on STM32F103

Li Junzheng1, Wang Ya2

(1. Naval Representatives Office in Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China )

TN710

A

1003-4862（2015）01-0073-04

2014-11-18

李軍政(1977)，男，工程師。研究方向：電器控制。