STM32的微機(jī)保護(hù)測(cè)控一體化裝置的研究

馮 帆王文博（.國網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000；.鄭州華力信息技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

STM32的微機(jī)保護(hù)測(cè)控一體化裝置的研究

馮 帆1王文博2
（1.國網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州華力信息技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種微機(jī)保護(hù)測(cè)控一體化裝置，以STM32F103ZE作為主控芯片，與16位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片AD7606配合，設(shè)計(jì)了微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的硬件構(gòu)成和軟件程序，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)控一體化裝置的功能。該設(shè)計(jì)具有功能完善、運(yùn)行可靠、測(cè)量精度高、硬件通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性高的優(yōu)點(diǎn)，并具有串口和網(wǎng)口多種類型通訊接口接入系統(tǒng)主站或子站，有著廣闊的應(yīng)用前景和較強(qiáng)的市場(chǎng)競爭力。

STM32；AD7606；微機(jī)繼電保護(hù)；測(cè)控一體化

1 前言

微機(jī)保護(hù)裝置是保障電網(wǎng)可靠運(yùn)行的重要組成部分，廣泛使用在變配電站和斷路器上。將STM32F增強(qiáng)型微控制器豐富的外設(shè)功能和AD706的高精度采集功能相結(jié)合，應(yīng)用到微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的設(shè)計(jì)中，簡化裝置外圍硬件設(shè)計(jì)，提高裝置測(cè)量精度和保護(hù)功能運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微機(jī)保護(hù)測(cè)控一體化裝置采用4U 1/2后插拔式鋁合金機(jī)箱。整體功能分為以下幾個(gè)功能模塊單元：電源模塊、人機(jī)接口模塊、總線處理模塊、控制回路處理模塊、CPU主控模塊、交流采樣模塊。各功能模塊通過總線處理模塊與CPU主控模塊進(jìn)行信息交互。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

采用經(jīng)EMC檢測(cè)合格的開關(guān)電源；

電源輸入：AC/DC 85-265V；

電源輸出：DC 5V，DC ±12V，DC 24V。

3.2 CPU主控模塊

整個(gè)裝置的核心處理單元，采用STM32F103ZE作為主控芯片，利用其豐富外設(shè)實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換和計(jì)算、開入開出控制、定值及故障存儲(chǔ)、時(shí)鐘處理、串口通訊和網(wǎng)口通訊等功能。

3.2.1 STM32F103ZE主控芯片

STM32F103ZE是一款由意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)的高性能的ARM? Cortex?-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM），并具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和外設(shè)。

3.2.2 AD采樣處理

AD采樣處理部分采用兩片AD7606轉(zhuǎn)換芯片，通過SPI接口與STM32進(jìn)行通信，由主芯片控制AD采樣過程，每周波采集64點(diǎn)。

3.2.3 開入開出控制

STM32F103ZE具有112個(gè)增強(qiáng)型通用IO端口，且所有IO端口均兼容CMOS和TTL電平。每個(gè)IO可隨意配置為輸入或輸出，輸出電流高達(dá)8mA且可吸收20mA以上輸入電流。

3.2.4 通訊功能

采用STM32F103ZE的2路USART接口輔以串口轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成2路RS485通信通道實(shí)現(xiàn)串口通訊功能；利用SPI接口擴(kuò)展以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60，輔以HR901170A實(shí)現(xiàn)1路以太網(wǎng)通訊功能。

3.3 總線處理模塊

采用歐品接插件實(shí)現(xiàn)各功能模塊單元間的信號(hào)接口，對(duì)不同等級(jí)電壓進(jìn)行隔離處理，強(qiáng)弱電分開。

3.4 控制回路處理模塊

實(shí)現(xiàn)斷路器控制回路基本功能，如保護(hù)分合閘、手動(dòng)分合閘、遙控分合閘、電氣防跳等；同時(shí)實(shí)現(xiàn)跳閘、告警等不同類型的信號(hào)輸出功能。采用啟動(dòng)繼電器和動(dòng)作繼電器結(jié)合設(shè)計(jì)，提高裝置可靠性。

3.5 交流采樣模塊

采用隔離電抗變換器對(duì)交流輸入信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5V交流信號(hào)經(jīng)總線處理模塊接入AD處理單元，設(shè)計(jì)采樣路數(shù)為16路。

3.6 人機(jī)接口模塊

由一片小容量STM32F控制器與CPU主控芯片經(jīng)串口通訊進(jìn)行信息交互，利用其外設(shè)擴(kuò)展外圍電路，實(shí)現(xiàn)6個(gè)按鍵輸入、128*64液晶顯示和8個(gè)LED信號(hào)指示。

4 軟件設(shè)計(jì)

交流采樣算法有多種多樣，裝置采用快速傅氏變換（FFT）。傅氏算法對(duì)諧波具有良好的濾波作用，基波的計(jì)算精度也相當(dāng)高，并且在STM32中集成了硬件乘法器，相乘累加在重復(fù)命令下都是單周期指令，因此，本設(shè)計(jì)采用STM32實(shí)現(xiàn)FFT。

（1）初始化程序

完成裝置功能所需要的硬件外設(shè)初始化和軟件數(shù)據(jù)的初始化，主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、IO端口初始化、I2C/ USART/SPI接口初始化、中斷配置、定值及重要變量初始化等。

（2）采樣中斷服務(wù)程序

通過STM32F103ZE內(nèi)部定時(shí)器圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中斷啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)定初始采樣頻率3.2kHz，即312.5us啟動(dòng)一次A/D。AD7606的A/D轉(zhuǎn)換完成后，由SPI接口經(jīng)DMA通道讀取采樣數(shù)據(jù)。采樣中斷服務(wù)程序主要完成AD采樣控制和采樣數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)。

（3）保護(hù)測(cè)量計(jì)算程序

采用快速傅里葉變換（FFT）對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得出當(dāng)前實(shí)時(shí)電量信息，作為保護(hù)處理的依據(jù)。

（4）保護(hù)功能處理程序

根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)電量和狀態(tài)信息，按預(yù)定邏輯實(shí)現(xiàn)不同類型的保護(hù)功能處理，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行狀態(tài)更新和故障信息處理。

（5）裝置通訊中斷服務(wù)程序

按照預(yù)定通訊協(xié)議（Modbus/101/ 104）處理與主站后臺(tái)系統(tǒng)通訊信息，完成與后臺(tái)系統(tǒng)信息交互。

結(jié)語

設(shè)計(jì)中采用STM32F系列ARM內(nèi)核32位高性能微控制器和16位高精度AD轉(zhuǎn)換器，大大簡化了微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的外圍硬件電路設(shè)計(jì)，縮短了開發(fā)周期，提高了裝置測(cè)量精度和運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。采用模塊化設(shè)計(jì)，考慮到各種類型保護(hù)裝置的配置要求，硬件通用性好，互換性強(qiáng)，便于維護(hù)和檢修。

[1]羅鈺玲.電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]張舉.微型機(jī)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[3]ST.STM32F系列ARM內(nèi)核32位高性能微控制器參考手冊(cè)V10_1[Z].

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