基于STM32電網短路故障指示器的設計

李志宏，劉　浩，裴承芝，吳子瑕

(1.武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070； 2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430070)

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基于STM32電網短路故障指示器的設計

李志宏1，劉浩1，裴承芝1，吳子瑕2

(1.武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070； 2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430070)

摘要：基于STM32嵌入式系統(tǒng)的電網短路故障指示器設計方案，通過測量數(shù)據(jù)能準確指示故障發(fā)生的局域，并通過CAN總線發(fā)送到監(jiān)測中心，使電網得到及時的保護。方案中選用了STM32系列微控制器和ATT7022E/26E/28E系列多功能高精度三相電能專用計量芯片，在傳統(tǒng)故障指示器的基礎上，提高了系統(tǒng)的集成度和檢測數(shù)據(jù)的速度。指示器具有體積小、重量輕、報警迅速和使用壽命長等特點。

關鍵詞：STM32;ATT7022E/26E/28E;故障指示器;電網短路

故障指示器在各種配電網中應用廣泛，用于指示電網短路和單相接地等故障。傳統(tǒng)的故障指示器安裝有報警器，并通過翻牌和閃光來指示巡線員有故障發(fā)生，而后通過故障點判斷原理來判斷故障發(fā)生地。即沿著發(fā)出警報的故障線路一直查尋，直至沒有發(fā)現(xiàn)發(fā)出警報的故障器為止。這樣就可以確定故障發(fā)生的區(qū)間，也就是最后一個動作的故障器到最后一個發(fā)生故障的指示器之間的線段發(fā)生了故障。巡線員就可以及時采取相應措施，保護配電線路[1-4]。

故障器的制作原理和制作原料各不相同，因此故障指示器的種類繁多。其不僅可以準確地判斷故障類型和故障區(qū)間，還可以迅速地把故障信號發(fā)送到檢測中心，從而提高配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[5]。

1故障指示判據(jù)

筆者的研究主要是針對船舶上配電網發(fā)生的短路故障，所用電力是由發(fā)電機提供，因此設計中主要考慮相間短路所引起的短路故障。

當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，故障指示器中流過的電流和電壓會通過CAN總線傳送到PC上，而后會發(fā)出相應的命令去執(zhí)行，相應的開關會閉合，以達到保護電路的目的。

如圖1所示為功率方向判斷原理圖，當在發(fā)電機M側，功率方向為線路B至母線A，在發(fā)電機N側，功率方向為母線C至線路B，則可以判斷短路在k1附近；當在發(fā)電機M側，功率方向為母線A至線路B，在發(fā)電機N側，功率方向為線路B至母線C，則可以判斷短路在k2附近。

圖1　功率方向判斷原理圖

2硬件設計

2.1計量芯片電路設計

ATT7022E/26E/28E系列多功能高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。ATT內部集成有多種電力參數(shù)的數(shù)字信號處理電路，這也就是其最大的優(yōu)點。對于一些需要的數(shù)據(jù)，可以直接從ATT中讀取到，例如各相的電流電壓、有功功率、無功功率及功率方向等。ATT中數(shù)據(jù)的讀取也較方便，ATT中提供了一個SPI接口，用來把數(shù)據(jù)傳遞給外部的MCU。筆者設計中采用的STM32芯片，就是通過讀取接口中的數(shù)據(jù)，來判斷故障是否發(fā)生[6]。

ATT中緩存存儲區(qū)的長度為1 024×16 bit，存儲區(qū)中存儲的都是實時數(shù)據(jù)，用戶可以通過這些數(shù)據(jù)來做進一步分析。只要命令發(fā)出，ADC數(shù)據(jù)就會被保存到存儲區(qū)，且這些數(shù)據(jù)會周期性地進行存儲，直至儲存區(qū)緩存滿。此外，這些數(shù)據(jù)會被保存到下個命令發(fā)出之前，期間不會發(fā)生改變。ADC采樣數(shù)據(jù)為19位補碼數(shù)據(jù)，高6位為符號位，實時存儲ADC采樣數(shù)據(jù)，可配合中斷得到ADC實時采樣數(shù)據(jù)。其中REVP引腳是判斷功率方向引腳。當REVP輸出為高電平時，說明任一相的有功功率為負。當REVP恢復為低電平時，說明所有的有功功率均為正。

筆者設計中需要讀取SPI中各相的電流電壓及功率方向，這些參數(shù)是故障判斷的標準，將讀取的數(shù)據(jù)與設定值進行比較，來判斷其是否發(fā)生故障。在計量芯片的模式配置寄存器中，對應的Bit12如果等于1，則有效值和功率的更新速率選擇為慢速(1.76 Hz)；若其等于0，則有效值和功率的更新速率選擇為快速(14.4 Hz)。為了在最短時間內采集到短路數(shù)據(jù)，筆者選用的是快速模式，以能夠有效進行保護電路。

如圖2所示為計量芯片的線路圖，其主要分為3部分，一部分主要是引腳接線圖，另外兩個部分是三相電壓電流SPI接口，且配有插槽，可以與CPU通過插針連接在一起，大大縮減了故障器的體積，外觀設計也更美觀，如圖3和圖4所示。

圖2　計量芯片線路圖

2.2嵌入式控制裝置

設計中的CPU引入了STM32微控制器，利用其高性能、低成本和低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M內核。 STM32F103xx增強型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器。所有型號的器件都包含兩個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器；還包含標準、先進的通信接口：多達兩個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。微控制器系統(tǒng)圖如圖5所示。兩個引腳OSC_IN與OSC_OUT之間跨接8 MHz晶振,作為微控制器的系統(tǒng)時鐘來源,可以使MCU的UART獲得準確的波特率[7-8]。

筆者設計的故障器一直處于工作狀態(tài)，STM32通過對計量芯片所采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，再將連接的CAN總線把數(shù)據(jù)傳送給PC，該操作是一個無限循環(huán)的過程，不管發(fā)生故障與否，STM32都會讀取計量芯片中的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到控制中心。當發(fā)生故障時，還會發(fā)送相應的命令給執(zhí)行機構來執(zhí)行相應的操作。

2.3CAN總線通信模塊設計

為了更直觀地監(jiān)控實時數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)需要把采集到的數(shù)據(jù)上傳到控制中心的PC,由控制中心來判斷是否執(zhí)行相應的操作。設計中采用的通信方式為CAN總線，因其具有成本低、使用簡便、通訊速率快等特點，符合設計要求[9-10]。筆者選用了最高傳輸速率可達1Mb/s的隔離型CAN總線通信芯片CTM1050，所設計的CAN總線通信電路如圖6所示。在芯片中集成有多種隔離器和收發(fā)器。芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并且具有DC2500V電氣隔離的功能及ESD保護作用。

圖3　電壓SPI接口線路圖

圖4　電流SPI接口線路圖

圖5　微控制器系統(tǒng)圖

圖6　CAN總線通信電路

3軟件設計

主程序流程圖如圖7所示，主程序部分主要包括3部分，①讀取各相電流，與設定值進行比較，并置標志位1；②讀取各相電壓，與設定值進行比較，并置標志位2；③讀取功率方向，若正向發(fā)送01，反向則發(fā)送02。并且只有當前兩部分數(shù)據(jù)比較都滿足條件，才會進行功率方向讀取操作。數(shù)據(jù)的讀取是一個無限循環(huán)的過程，程序是在不斷進行中，也就是不斷讀取、比較、發(fā)送的過程。

圖7　主程序流程圖

4結論

筆者設計的故障指示器不僅具備傳統(tǒng)故障指示器的性能，而且還提高了檢測的速度，在捕捉數(shù)據(jù)的速度方面有其獨特優(yōu)勢。經過測試，獲取一次數(shù)據(jù)的時間在100 ms左右，完全達到設計需求，從而對配電網起到了很好的保護作用。為了進一步測試設計的可行性，筆者利用DSP開發(fā)板接受故障器發(fā)來的數(shù)據(jù)，再通過網口發(fā)送給利用VB編寫的模擬船舶上配電線路的仿真界面，在一條輸電線路上設置了6個故障點，安置了7臺故障指示器。在測試過程中7臺指示器一共有18種組合指示狀態(tài)，每種指示狀態(tài)對應著一個故障點。通過對這18種指示狀態(tài)的測試，判斷故障點是否判斷準確。為了增強可靠性，在DSP的程序中增加了自糾錯功能，對于那些不正常的指示狀態(tài)，可以進行自我修正。最后經過測試，這18種組合指示狀態(tài)對應的故障點指示正確，完全達到要求。該設計具有較好的整體外觀，體積小，且安裝方便，便于使用。

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LI Zhihong:Prof.; School of Automation, WUT, Wuhan 430070, China.

文章編號：2095-3852(2016)02-0263-04

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-10-29.

作者簡介：李志宏(1965-)，男，湖北武漢人，武漢理工大學自動化學院教授.

中圖分類號：TP274

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.02.027

Design for Shorted Fault Indicator of Electric Grid Based on STM32

LIZhihong,LIUHao,PEIChengzhi,WUZixia

Abstract：This paper presents a new design of shorted fault indicator based on STM32. The indicator can accurately indicate the fault location correctly. It sends fault message to the monitoring center of electrical grid wireless through the CAN bus to control the distribution network. The program selected Embedded MPU-STM32and ATT7022E/26E/28E , based on the traditional fault indicator on increasing the speed of the system integration and test data. Based on the traditional fault indicator, it increases the speed of data integration and testing of the system. Indicator has small size, light weight, quick alarm, long service life.

Key words：STM32;ATT7022E/26E/28E;fault indicator;electrical grid