基于STM32F103VE單片機的AT自耦變壓器保護裝置設計

摘 要：文章設計了一種基于STM32F103VE單片機的AT自耦變壓器保護裝置。文章首先介紹了裝置的功能和保護原理，對電流速斷保護、AT自耦變壓器差動保護、斷路器失靈保護、本體保護、失壓保護等進行了描述。之后介紹了裝置的硬件設計，包括交流量采集電路、開入開出電路、電源電路、核心電路，并介紹了如何使用光電耦合器等來提高系統的抗干擾能力和可靠性。最后，介紹了裝置的軟件設計和RTX實時操作系統，并對軟件任務管理進行了描述。

關鍵詞：裝置；STM32；保護

1 功能與保護原理

文章所述的保護裝置是集保護，遙測，通信和遙控為一體的AT自耦變壓器保護裝置，采集接觸網電壓，正饋線電壓，接觸網電流，正饋線電流等模擬量，將這些模擬量數據計算后和各種保護功能整定信息進行比較，當符合保護動作條件時，驅動繼電器輸出，從而達到保護AT自耦變壓器的目的。裝置有以下保護。

1.1 電流速斷保護

1.5.1差動速斷保護

差動速斷（簡稱差速斷）保護用于變壓器差動保護范圍內發生嚴重故障時，快速切除故障。差速斷不經制動判別，只要差電流大于差速斷定值，保護動作出口跳閘。

1.5.2 差動保護

差動保護采用了比例制動及二次諧波閉鎖原理。

（2）二次諧波閉鎖

當空載變壓器投入電網或區外故障切除后的電壓恢復時，將產生很大的勵磁涌流，為了防止在此情況下差動保護誤動，設有二次諧波閉鎖。采用差動電流中二次諧波含量與基波的比值為勵磁涌流閉鎖判據，閉鎖判據如下：

Id2x？叟KBS×Id1x

式中：Id2x：每相差電流中的二次諧波；Id1x：對應的差流中的基波；KBS：二次諧波閉鎖比定值。

1.6 斷路器失靈保護

出現以下兩種情況中任一種時，啟動斷路器失靈保護延時，當延時滿足后保護動作出口。（1）電流型保護動作后，裝置檢測到電流大于斷路器失靈啟動電流定值，同時斷路器處于合位，失靈啟動開入=1。（2）本體保護動作，同時斷路器處于合位，失靈啟動開入=1。

1.7 重合閘

重合閘啟動方式有兩種：保護啟動及跳位（斷路器偷跳）啟動。跳位啟動可經控制字投退。重合閘脈沖寬度為200ms。當啟動重合閘的保護動作未返回時，重合閘不會啟動延時。裝置以軟件模擬傳統的重合閘充放電過程，充電時間為20s。人機界面液晶可顯示重合閘充放電狀態。

本裝置設置的重合閘放電（閉鎖）條件（當下述任一條件滿足時放電）

（1）手動跳閘開入為高電平；（2）重合閘發合閘脈沖；（3）遠方操作跳閘。

當斷路器偷跳或保護跳閘后，如果滿足重合閘條件，啟動重合閘延時，當延時滿足后，重合閘。重合閘合閘或手動合閘3秒內，如果滿足過電流保護或接地過電流保護條件，則過電流加速跳閘或接地過電流加速跳閘。

1.8 本體保護

該裝置本體保護包括重瓦斯保護、輕瓦斯保護、溫度Ⅰ段保護、溫度Ⅱ段保護、壓力釋放保護。其中重瓦斯保護、溫度Ⅰ段保護、溫度Ⅱ段保護、壓力釋放保護可整定為跳閘或告警。重瓦斯保護、輕瓦斯保護、溫度Ⅰ段保護、溫度Ⅱ段保護、壓力釋放保護直接將現場的動作觸點接到裝置的開入回路，裝置發跳閘、告警信號

1.9 失壓保護

當斷路器處于合位，接觸網電壓和正饋線電壓均小于失壓保護低電壓定值時，啟動低電壓延時，當延時滿足后保護動作跳閘。

2 硬件設計

STM32F103VE單片機是意法半導體基于ARM CORTEX-M3內核開發出來的一款低成本，高性能的32位單片機。Cortex-M3是一個32位處理器內核。內部的數據路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲器接口也是32位的。CM3采用了哈佛結構，擁有獨立的指令總線和數據總線，可以讓取指與數據訪問并行不悖[1]。單片機核心主頻為72MHz，90DMIPS，擁有單周期乘法器和硬件除法器，擁有64M隨機存儲器和256M閃存。單片機擁有豐富和外設資源，集成了I2C總線，SPI總線，32位定時器，DMA，USART，12位A/D轉換器，USB2.0接口，CAN接口[2]等，為電動機裝置的設計提供了豐富的硬件資源。

硬件電路包括以下幾個部分：

交流量采集電路：交流電壓經分壓電阻降壓后接入LM224運算放大器的輸入端，運算放大器的輸出端直接連入單片機的A/D轉換器。交流電流經轉換電路轉換成電壓，接入LM224運算放大器的輸入端，運算放大器的輸出端直接連入單片機的A/D轉換器。

開入開出電路：外部開入量經過分壓電阻降壓，然后通過光電耦合器接入單片機，光電耦合器將單片機和外部電路隔離開來，提高了裝置的可靠性和抗干擾性。單片機的開出信號采用了雙信號控制方式，即用兩個管腳控制一個出口，當一個管腳置1，另一個管腳置0時，出口繼電器才會動作，降低了干擾造成誤動的幾率。開出電路同樣采用了光電耦合器，以提高裝置的可靠性和抗干擾性。

電源電路：電源電路主要包括變壓，整流，穩壓，濾波等回路，為其他電路提供穩定的24V，5V，3.3V等電壓等級的電壓。

核心電路：核心電路主要包括單片機、晶振、通訊、顯示等部分。單片機接收交流采集量和開入量，驅動繼電器動作，并負責裝置的各種控制，計算功能。8MHz主晶振為單片機提供時鐘信號，32.768KHz輔助晶振為RTC實時時鐘提供時鐘信號。通訊部分包含2路RS485通訊，采用SN75176BD芯片將單片機輸出的串行信號轉化為RS485電平信號。液晶顯示部分采用HB12864M2A串行液晶，通過串行接口與單片機相連，用來顯示裝置的定值，模擬量，動作信息等。

3 軟件設計

軟件的主要功能有：（1）實時多任務操作系統RTX內核調用；（2）基本輸入/輸出接口驅動；（3）開入掃描處理管理；（4）保護監控出口管理；（5）定值參數管理任務；（6）非易失RAM存儲數據管理；（7）軟件時鐘管理；（8）事件記錄管理； （9）通訊協議：MODBUS協議；（10）雙RS485總線通訊鏈路管理任務；（11）硬件上電自檢和實時在線自檢；（12）常用基本保護算法函數庫；（13）人機會話管理功能；（14）獨立片內看門狗管理；（15）保護任務管理。

對于比較大型的或者是有高性能指標的嵌入式系統，往往需要兩個堆棧（主堆棧和進程堆棧）配合使用[3]。因此，軟件使用了一個主堆棧和一個進程堆棧分別用于中斷程序和任務程序。軟件基于RTX實時多任務操作系統，設計中采用模塊化和通用化的原則，提供一些輸入輸出接口、算法、任務模塊、通用管理模塊和RTX內核。每個任務模塊負責完成某個特定功能的任務，RTX內核負責CPU在各個任務之間進行調度和切換，每個任務都可看成一個線程，獨立占有CPU的所有資源，任務之間通過消息、標志、信號量等進行交換信息和同步。任務模塊相對比較獨立，這種軟件制作方法更適合代碼比較大、功能比較復雜的系統，它對將來系統升級和維護也更方便和容易。

4 結束語

文章闡述了一種基于STM32F103VE單片機的AT自耦變壓器保護裝置的設計，并從功能與保護原理，硬件設計和軟件設計三個方面進行了敘述。該保護期具有接地過電流保護、AT自耦變壓器差動保護、斷路器失靈保護等多種保護，并擁有低成本，高可靠性等特點。

參考文獻

[1]Joseph Yiu.宋巖譯.CORTEX-M3權威指南[M].北京航空航天大學出版社.

[2]High-density performance line ARM -based 32-bit MCU with 256 to 512KB Flash， USB， CAN， 11 timers， 3 ADCs， 13 communication interfaces[EB/OL].http：//www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00191185.pdf.

[3]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京航空航天大學出版社.