一種基于STM32的智能準(zhǔn)同期裝置的研制

高建民

(天津同陽(yáng)科技發(fā)展有限公司 天津 300384)

0 引 言

發(fā)電站執(zhí)行并網(wǎng)的主要設(shè)備為同期裝置。隨著我國(guó)電力工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，發(fā)電站裝機(jī)容量不斷增大，機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)日益提高，一些新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。最初同期操作采用手動(dòng)，而后出現(xiàn)模擬技術(shù)自動(dòng)同期設(shè)備，現(xiàn)在則是微處理器控制自動(dòng)同期設(shè)備比較常見(jiàn)。現(xiàn)有許多微機(jī)自動(dòng)同期裝置的 CPU為16位甚至 8位單片機(jī)，性能較低，功能也比較單一。STM32F407是高性能 32位 ARM 芯片，采用了Cortex-M4內(nèi)核。M4內(nèi)核同時(shí)具有 32位處理器和DSP硬核，具有非常高的運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)，該芯片還具有豐富的外部接口和應(yīng)用庫(kù)函數(shù)，應(yīng)用十分方便。將 STM32F407用于自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置中，將使裝置的性能得到極大提升。

1 設(shè)計(jì)原理

電站并網(wǎng)過(guò)程被稱為同期過(guò)程[1]。并網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)兩端需要滿足 3個(gè)條件：頻率相等、電壓相等、相位相等[2]。同期過(guò)程就是由同期裝置對(duì)機(jī)端和系統(tǒng)端的電壓、頻率和相位三者進(jìn)行測(cè)量、比較，然后調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)，使其滿足同期操作的前 2個(gè)要素，并進(jìn)而預(yù)測(cè)相位差為0的時(shí)刻，并使發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)端在這一時(shí)刻合閘并網(wǎng)。

對(duì)于斷路器，有一個(gè)重要參數(shù)叫合閘時(shí)間[3]，是指對(duì)其發(fā)出脈沖執(zhí)行合閘操作，由分?jǐn)嗲袚Q到閉合之間所需的時(shí)間。因?yàn)閿嗦菲鞯墓に囈约熬唧w構(gòu)造不盡相同，每個(gè)斷路器的合閘時(shí)間也是不同的，所以合閘時(shí)間不能一概而論。因此，執(zhí)行合閘指令的時(shí)刻需要比預(yù)測(cè)的同期時(shí)刻提前一段時(shí)間，這段時(shí)間被稱為導(dǎo)前時(shí)間[3]。

在整個(gè)并網(wǎng)過(guò)程中，同期裝置會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算該數(shù)據(jù)，計(jì)算得出當(dāng)前的理想?K。在相位差φ=?K時(shí)刻，裝置發(fā)出合閘指令。

圖1 滑差波形示意圖Fig.1 Diagram of slip waveform

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F407芯片

STM32F407是 ST公司的 Cortex-M4內(nèi)核的高性能 MCU芯片，具有豐富的接口和強(qiáng)大的功能。因?yàn)閮?nèi)部含有 DSP硬核，強(qiáng)大的運(yùn)算能力和速度保證了測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性。同時(shí)，該芯片還具有豐富的外部接口和應(yīng)用庫(kù)函數(shù)，應(yīng)用十分方便。

2.2 系統(tǒng)原理

圖2為系統(tǒng)原理圖。采用交流采樣的方式來(lái)測(cè)量電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓。先使用互感器對(duì)電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)的交流信號(hào)進(jìn)行降壓，然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和濾波，得到穩(wěn)定的 5V半邊正弦模擬波形，分別輸入到STM32F407的2路模擬量輸入端口中進(jìn)行AD采樣和轉(zhuǎn)換，測(cè)量?jī)蓚?cè)電壓值。12位 ADC可以得到較高的信號(hào)轉(zhuǎn)換精度。交流采樣每周期得到32個(gè)電壓瞬態(tài)數(shù)值，用傅立葉變換計(jì)算得出電壓有效值。當(dāng)系統(tǒng)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)電壓和頻率不符合預(yù)設(shè)條件時(shí)，發(fā)出降壓、升壓、減速或加速指令，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，直至符合限定條件。

圖2 系統(tǒng)原理圖Fig.2 System principle diagram

同時(shí)，互感器輸出電壓電流信號(hào)經(jīng)有源濾波處理，使波形更干凈。再用比較器電路整形為方波，此方波通過(guò)鎖相環(huán)電路(圖3)進(jìn)行32倍頻次，輸出AD采樣觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖每周期為32次。STM32F407的輸入捕獲分別對(duì)兩路方波進(jìn)行測(cè)量和計(jì)時(shí)，兩者之差即為所需相位差。通過(guò)預(yù)測(cè)相位差為 0的時(shí)刻，在合適時(shí)刻發(fā)出合閘指令。

圖3 鎖相環(huán)電路Fig.3 Schematic diagram of phase-locked loop

在通信電路設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)了RS485，CAN和以太網(wǎng)3種通信方式。

CAN通信電路采用了ADI公司的Adum1201作為隔離器件；RS485通信電路采用了 ADI公司的Adum1301作為隔離器件。電路中設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)線和電源的雙隔離，保證通信的可靠性。

STM32F407通過(guò) SPI接口與網(wǎng)絡(luò)芯片連接，連線少，PCB板占位小、成本低。以太網(wǎng)通信部分電路如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)電路Fig.4 Schematic diagram of Ethernet

另外，裝置帶有觸摸顯示屏，用來(lái)顯示菜單、數(shù)據(jù)和進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置操作。設(shè)置、控制和監(jiān)測(cè)都是通過(guò)主機(jī)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)。液晶模塊不僅可以顯示單一的圖形和文本，而且可以實(shí)現(xiàn)多圖層的合成顯示效果。STM32F407通過(guò) SPI口和顯示模塊進(jìn)行連接。STM32 F407將數(shù)據(jù)和控制命令寫(xiě)到 Flash中，使之產(chǎn)生狀態(tài)和顯示的變化。

本方案中，對(duì)比度可以通過(guò)觸摸屏操作進(jìn)行分檔調(diào)節(jié)。STM32 F407通過(guò)3個(gè)I/O口調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值，進(jìn)而通過(guò)模擬放大電路對(duì)顯示屏的對(duì)比度調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)液晶對(duì)比度的作用。液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)電路如圖5所示。

圖5 液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)電路Fig.5 Schematic diagram of LCD contrast control

3 軟件設(shè)計(jì)

編寫(xiě)了設(shè)備的嵌入式程序。RS485通信協(xié)議采用了 MODBUS-RTU 協(xié)議，波特率為 9600kbps，采用偶校驗(yàn)。以太網(wǎng)采用了標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議。CAN采用了 CANopen協(xié)議，波特率為 500kbps。另外，同期算法部分是軟件的核心和難點(diǎn)之一。同期程序流程如圖6所示。接到執(zhí)行同期操作的指令之后，主控先從固定存儲(chǔ)空間中讀出預(yù)設(shè)的參數(shù)，并作為執(zhí)行操作過(guò)程中的判斷依據(jù)。實(shí)時(shí)采集雙側(cè)的電壓、頻率、相位數(shù)據(jù)，并向靠近預(yù)設(shè)參數(shù)的方向進(jìn)行調(diào)速或調(diào)壓調(diào)整。調(diào)整過(guò)程中，如果△U和△ f不符合條件，將持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和調(diào)整；如果△U和△f數(shù)據(jù)接近預(yù)設(shè)條件，則進(jìn)入相位差預(yù)測(cè)程序，根據(jù)△φ相位差的變化規(guī)律來(lái)智能預(yù)測(cè)導(dǎo)前時(shí)間。在合適的時(shí)機(jī)，發(fā)出信號(hào)執(zhí)行合閘操作。如果合閘執(zhí)行過(guò)程中，相位差或其他參數(shù)發(fā)生異常，將中止合閘操作，返回重新進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)智能預(yù)測(cè)，使合閘時(shí)機(jī)最優(yōu)化。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，基于 STM32的智能準(zhǔn)同期裝置產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，并在眾多電站安裝和使用，效果良好。32位CPU及 DSP內(nèi)核的使用，使一些復(fù)雜和更有效的算法得到實(shí)施，將同期過(guò)程的合閘角預(yù)測(cè)精度大大提高。經(jīng)驗(yàn)證，該自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置能夠滿足功能和性能要求，并且同期速度快、通訊功能完善、精度高，和現(xiàn)有自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)。