基于STM32 的低壓饋電開關(guān)保護器的設(shè)計

陳 富，周梓發(fā)，涂 虬

（上饒師范學院物理與電子信息學院，江西上饒 334001）

隨著煤礦井下自動化程度的不斷提升，對煤礦井下供電設(shè)備的要求也越來越高。作為煤礦井下供電系統(tǒng)使用量最多的低壓饋電開關(guān)，其綜合保護器需要具有高性能、強實時性、高可靠性的特點，并具備一定的可擴展性，這就對硬件設(shè)計和軟件設(shè)計同時提出了更高的要求[1-2]。該文設(shè)計了一種以STM32處理器為控制核心，移植μC/OS-III 實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，并加入各種抗干擾硬件設(shè)計的礦用綜合保護器。保護器可配套380 V、660 V、1 140 V、3 300 V 等電壓等級，最大額定電流可達到1 000A 的各類型低壓饋電開關(guān)使用[3]，對煤礦井下供電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進行實時精確測量與實時數(shù)據(jù)傳輸，并提供完善、穩(wěn)定的實時保護。

1 綜合保護器的硬件設(shè)計

1.1 綜合保護器硬件框架

綜合保護器接收到包括三相交流電壓（UA、UB、UC）、三相交流電流(IA、IB、IC)、零序電壓（U0）、零序電流（I0）以及附加直流漏電電路檢測到的直流信號等現(xiàn)場側(cè)一級變換的信號，通過模擬量輸入調(diào)理電路處理后，SMT32F103 通過DMA 方式，由內(nèi)部集成的ADC 進行信息采集并計算參數(shù)?，F(xiàn)場數(shù)字量輸入信號經(jīng)過輸入通道隔離濾波并由SMT32F103 進行采集。根據(jù)采集到的相關(guān)信息及保護器的相關(guān)設(shè)置，經(jīng)過各種保護功能算法，通過數(shù)字量輸出電路控制現(xiàn)場設(shè)備，完成相關(guān)保護功能。同時STM32F103 以標準Modbus 協(xié)議與屏幕控制芯片STM32F101 以及上位機進行通信，將現(xiàn)場信息傳送給STM32F101 與上位機，接收并保存本地按鍵與上位機傳遞的用戶參數(shù)設(shè)定，實現(xiàn)上位機、保護器、顯示屏三者數(shù)據(jù)的實時同步[4]。其硬件框架如圖1 所示。

圖1 硬件框架

1.2 數(shù)字量輸入電路

數(shù)字量輸入電路包括合/分閘狀態(tài)電路、遠方分勵電路、瓦斯開關(guān)量電路、風電閉鎖電路、2 備用電路共6 路開關(guān)量電路，現(xiàn)場開關(guān)量信號采用內(nèi)部直流24 V 電壓信號，經(jīng)信號端子、24 V 電源端輸入，通過適當?shù)姆謮?、HCPL-354 光耦隔離、RC 濾波、反相驅(qū)動送至MCU 作進一步處理。其電路原理圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)字量輸入電路圖

1.3 數(shù)字量輸出電路

數(shù)字量輸出信號由MCU 輸出，經(jīng)達林頓管ULN2003ADR 將鎖存器SN74HCT273 輸出的5 V 電壓轉(zhuǎn)化為適應繼電器的24 V 驅(qū)動電壓，從而達到對繼電器輸出信號的控制。通過信號回讀到MCU 和鎖存器電路，以確保硬件電路在MCU 重啟時，輸出電路能夠保持原有的正確狀態(tài)。其等效電路原理如圖3 所示。

圖3 數(shù)字量輸出等效電路原理

1.4 交流信號量調(diào)理電路

現(xiàn)場的交流信號通過外部的變壓器和電流互感器將相關(guān)的交流模擬量信號進行合適比例的變壓、緩沖以及電氣隔離，轉(zhuǎn)化成適當大小的交流電壓信號后進入保護器的端子[5]。通過兩級RC 濾波，濾除雜波信號，之后通過幅值調(diào)整電路，加入1.5 V 的電壓偏移量，以得到0～3 V 范圍的MCU 可檢測到的電壓，經(jīng)跟隨電路后送至MCU 的A/D 引腳進行采樣。同時在端口處加入防止瞬時過電壓，在輸入MCU 引腳前加入BAV99LT 箝位電路以確保輸入MCU 引腳的電壓值不會超過3.3 V，防止過大的電壓對MCU 的引腳造成破壞。交流信號量調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 交流信號量調(diào)理電路

1.5 RS485通信電路

保護器可以通過RS485 接口與上位機相連接，通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)定值的調(diào)整、各種保護試驗測試、現(xiàn)場信息的實時查詢等功能。同時可以通過RS485 串口對系統(tǒng)的固件進行在線升級，極大方便了用戶對系統(tǒng)的升級維護[6]。采用SN65HVD06D芯片，并通過磁耦合隔離芯片ADUM1411 進行隔離，其中SN65HVD06D 是一款低功耗、高速通信、高抗干擾的RS485 收發(fā)器，最高可承受的靜電干擾電壓達到16 kV。同時在端口處加入SMBJ10CA，防止瞬時過電壓，并采用F2、F3 保險管，以滿足煤礦安全的需求。其原理圖如圖5 所示。

圖5 RS485通信電路圖

2 綜合保護器的軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)任務(wù)劃分

保護器MCU采用ST公司的32位STM32F103 芯片，其最高工作頻率可以達到72 MHz[7]。在基于具有豐富外設(shè)資源的高速Cortex-M3 下，運行μC/OS-III 多任務(wù)操作系統(tǒng)。作為全新一代的實時內(nèi)核，μC/OS-III具有可擴展、可固化、搶占式的特點，可在運行時配置實時操作系統(tǒng)，允許有多個任務(wù)處于就緒狀態(tài)[8]。在綜合保護器中引入μC/OS-III 實時操作系統(tǒng)，既可改善保護器的軟件架構(gòu)，又可保證保護功能的實時性，更能對保護器進行軟件自檢，提高系統(tǒng)可靠性[9]。

系統(tǒng)BSP 初始化設(shè)置包括對STM32F103 的片上相關(guān)資源以及外圍設(shè)備初始化，對系統(tǒng)設(shè)置進行讀取和初始化，接著創(chuàng)建系統(tǒng)任務(wù)，并通過多種內(nèi)核對象實現(xiàn)任務(wù)的通信、同步以及資源管理[10]。按功能的要求，對相關(guān)任務(wù)進行協(xié)調(diào)管理[11]。其軟件系統(tǒng)框架圖如圖6 所示。

圖6 軟件系統(tǒng)框架圖

2.2 數(shù)據(jù)采集處理功能

STM32F103VCTR6 芯片內(nèi)部集成了兩個12 位逐次逼近型高速ADC，每一個ADC 均可提供多達18個通道，可以同時測量16 個外部和兩個內(nèi)部信號源。ADC 的采樣速率最高可配置為14 MHz，每個采樣信號的采樣時間最短可達1 μs[12]。

該保護器需要同時對9 路模擬信號量進行采樣并處理。為了減小MCU 內(nèi)核資源的占用，提高數(shù)據(jù)處理能力，采用DMA 方式對ADC 采集到的數(shù)據(jù)進行批量傳輸。使用定時器進行833 μs 定時，每20 ms進行24 個點的采樣，達到對交流信號進行全周期采樣的目的。當計數(shù)器達到累加值時，便觸發(fā)ADC 采樣；在所有ADC 通道采樣完畢后，采樣值通過DMA通道傳遞給內(nèi)存；DMA 通道數(shù)據(jù)傳遞完畢后便觸發(fā)DMA 通道中斷，此時需讀出內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，否則在下一次DMA 通道中斷時便會覆蓋數(shù)據(jù)。

保護器需計算出相關(guān)模擬量的有效值和相位角、有功功率、無功功率、總功率等，用于相關(guān)參數(shù)的顯示以及保護動作的判斷。MCU 通過DFT（離散傅里葉變換）算法提高參數(shù)精度，將DFT 算法需要的正弦值和余弦值進行列表，MCU 在通過基于DFT 算法設(shè)計的程序計算相應的模擬量參數(shù)時，可以通過查表法節(jié)省計算時間[13]。

2.3 保護功能

按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，低壓饋電開關(guān)保護器在系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過載、欠壓、過壓、缺相、不平衡、漏電等故障時，需要保證開關(guān)的可靠動作，以切除故障[14]。保護器具備短路速斷、欠過壓保護、反時限過載保護、三相不平衡保護、總開關(guān)漏電保護、分開關(guān)漏電保護、瓦斯閉鎖、風電閉鎖、漏電閉鎖等相關(guān)保護功能[15-16]。

保護器通過對越定值標志位、越定值次數(shù)、故障標志位進行相關(guān)邏輯判斷，實現(xiàn)濾波次數(shù)可調(diào)、延時時間可調(diào)等功能，并確保不會產(chǎn)生誤動作[17-18]。其流程如圖7 所示。

圖7 保護功能流程

3 實驗測試

3.1 性能測試

智能低壓保護器集繼電保護、綜合測控、數(shù)據(jù)通信功能為一體。通過測試，其模擬量信號精度小于1%FS，數(shù)字量信號輸入響應時間小于10 ms，短路速動保護時間小于50 ms，漏電速動保護時間小于30 ms，其他速動保護時間均小于100 ms，所有保護功能的時間都可調(diào)，滿足煤礦安全的要求[19-20]。性能測試圖如圖8 所示。

圖8 性能測試圖

3.2 EMC抗干擾測試

在EMC 抗干擾測試過程中：

1）屏幕顯示、電源燈、運行燈及通信指示燈狀態(tài)正常；

2）電壓、電流輸入以及電阻輸入功能正常且滿足精度要求；

3）開關(guān)量無誤動作；

4）RS485 通信功能正常。

測試結(jié)果要高于符合煤礦安全要求的抗干擾標準。其測試結(jié)果如表1 所示。

表1 EMC抗干擾測試結(jié)果

4 結(jié)論

基于STM32 的綜合保護器，是專門為煤礦井下環(huán)境設(shè)計的集繼電保護、綜合測控、實時通信于一體的低壓饋電開關(guān)綜合保護裝置。該保護器對現(xiàn)場信號進行實時采集與數(shù)據(jù)處理，具有完善的保護功能和各種抗干擾設(shè)計等特點。通過實驗數(shù)據(jù)和實時運行結(jié)果表明，該保護器精度高、實時性強、可靠性高，能有效推動煤礦自動化的發(fā)展，提升煤礦井下供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保煤礦作業(yè)的安全性。