基于STM32F103的交流綜保測量算法和保護(hù)邏輯實現(xiàn)

李軍政, 王雅

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基于STM32F103的交流綜保測量算法和保護(hù)邏輯實現(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，實現(xiàn)了交流綜保的測量算法和保護(hù)邏輯。運用ARM（STM32F103）的內(nèi)部AD采集交流模擬量，通過測量算法計算獲取實時數(shù)據(jù)的有效值，完成分析計算和比較判斷來實現(xiàn)交流綜保各種繼電保護(hù)功能。

STM32F103 交流綜保 測量算法 保護(hù)邏輯

0 引言

基于交流綜保的研究項目背景，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)，通過計算獲取實時數(shù)據(jù)的有效值，在測量算法中，主要考慮計算的精度和速度，速度又包括兩個方面：算法所要求的點數(shù)；算法的運算工作量。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，也增加了計算的動作量，降低了計算的速度。對算法還有數(shù)字濾波功能的要求，即濾除影響精度計算的高次諧波分量，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。對測量和保護(hù)分別采用不同的算法進(jìn)行處理。測量采用積分算法，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；

9)間斷模式；

10)雙重模式(帶2個或以上ADC的器件)；

11)ADC轉(zhuǎn)換時間為1 μs(ADC時鐘為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請求產(chǎn)生。

1.2 AD采集硬件設(shè)計

在交流綜保研制中，采集的物理量主要有測量電壓、測量電流和保護(hù)電流。如圖1 模擬量信號處理電路中，針對測量電壓T1選擇的是電壓互感器LXYA 100V/3.53 V，針對測量電流T1選擇的是電流互感器LXLA 5A/3.53 V，針對保護(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 測量算法

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

2.1 電壓電流測量算法

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。

在計算電流、電壓的有效值后，在實際的輸入信號與負(fù)載中，存在微小的波動或者存在干擾，因此，必須對測量的值進(jìn)行濾波，提高測量的精度，減少干擾的影響。

2.2 采樣頻率的自動跟蹤

在采樣的過程中，電網(wǎng)的頻率時刻都在發(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、16點、24點等。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)序濾過器是由電阻、電容、電感等元件構(gòu)成，而容抗、感抗等都與頻率有關(guān)。采樣頻率自動跟蹤的方法很多，最基本的方法是測量工頻的實時頻率，然后除以要求的采樣頻率對工頻的比值，就可以得到采樣的間隔時間。但這種方法的硬件、軟件實現(xiàn)方法復(fù)雜。

本文采用了根據(jù)采樣點計算的方法，在正弦函數(shù)過零點前后取采樣點的1i一個周波過零點前后的12。

在過零點前后，正弦函數(shù)很接近直線，在作線性處理時，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量、保護(hù)應(yīng)用。

3 保護(hù)邏輯實現(xiàn)

在交流綜保微機(jī)保護(hù)[2]中，對連續(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，才能變換為計算機(jī)可處理的數(shù)字量，計算機(jī)對這些采樣值進(jìn)行計算、分析，得出計算結(jié)果，根據(jù)計算結(jié)果和保護(hù)的動作方程、定值，通過比較、判斷、決定保護(hù)裝置的動作行為。保護(hù)算法就是完成分析計算和比較判斷來實現(xiàn)各種繼電保護(hù)功能的方法。

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

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，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時過流元件才會動作。其中=××COS（-30°），為和夾角。

方向元件最大靈敏角為-30°，相間方向元件動作特性動作區(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，允許的時間越長，過載電流與允許工作時間為反時限特性?？梢圆捎玫腎EC四種反時限特性方程

4 結(jié)論

本文基于STM32F103平臺研究，實現(xiàn)了交流綜保的測量算法和保護(hù)邏輯，并得到了樣機(jī)驗證，可控性和穩(wěn)定性良好，具有重大的工程應(yīng)用價值。

[1] STM32F10x微控制器參考手冊.2008.

[2] 羅士萍. 微機(jī)保護(hù)實現(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。