基于STM32F103的交流綜保測量算法和保護邏輯實現

李軍政, 王雅

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基于STM32F103的交流綜保測量算法和保護邏輯實現

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，實現了交流綜保的測量算法和保護邏輯。運用ARM（STM32F103）的內部AD采集交流模擬量，通過測量算法計算獲取實時數據的有效值，完成分析計算和比較判斷來實現交流綜保各種繼電保護功能。

STM32F103 交流綜保 測量算法 保護邏輯

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位內部AD的STM32F103。

文中采用交流采樣技術，通過計算獲取實時數據的有效值，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；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字濾波算法。

在電網頻率為50 Hz，每周波采樣12點。對測量和保護分別采用不同的算法進行處理。測量采用積分算法，保護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)轉換結束，注入轉換結束和發生模擬看門狗事件時產生中斷；

3)單次和連續轉換模式；

4)從通道0到通道的自動掃描模式；

5)自校準；

6)帶內嵌數據一致的數據對齊；

7)通道之間采樣間隔可編程；

8)規則轉換和注入轉換均有外部觸發選項；

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)規則通道轉換期間有DMA請求產生。

1.2 AD采集硬件設計

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，針對保護電流T1選擇的是電流互感器WGSLA 100A/3.53 V。處理完的信號經圖2 STM32F103內部AD采集電路后進入軟件處理。

1.3 內部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：

將連續的函數離散化，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，電網的頻率時刻都在發生變化，而很多的算法是建立在采樣頻率與電力系統的工頻頻率成整數倍數的基礎上的。如每工頻周期采樣12點、16點、24點等。當采樣頻率不能嚴格保持與電網頻率的同步，采樣計算的數據將出現偏差。

常規的模擬式保護也具有這種情況，如負序濾過器是由電阻、電容、電感等元件構成，而容抗、感抗等都與頻率有關。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、軟件實現方法復雜。

本文采用了根據采樣點計算的方法，在正弦函數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，正弦函數很接近直線，在作線性處理時，有下列關系，如圖和公式（5）和公式（6）。

用這種方法，每一工頻周期可以調節一次采樣頻率，基本滿足了綜合裝置中的測量、保護應用。

3 保護邏輯實現

在交流綜保微機保護[2]中，對連續型的電壓、電流量模擬量進行離散采樣和A/D轉換后，才能變換為計算機可處理的數字量，計算機對這些采樣值進行計算、分析，得出計算結果，根據計算結果和保護的動作方程、定值，通過比較、判斷、決定保護裝置的動作行為。保護算法就是完成分析計算和比較判斷來實現各種繼電保護功能的方法。

本交流綜保實現了中低壓系統中的多數保護，各種保護的動作邏輯相同，以下列舉典型的保護動作邏輯。

3.1 三段電流保護

如圖4所示。

此功能是基于三相電流的定時限過電流保護。

3.2 方向性電流保護

本保護反應相間短路故障。

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所示相應電壓的控制。

通過電流方向地顯示，只有當>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域如圖5所示。

注：圖中Izd為電流保護整定值。

3.3 反時限電流保護

設備的不正常工作狀態主要是過負荷運行?？紤]到一般設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。可以采用的IEC四種反時限特性方程

4 結論

本文基于STM32F103平臺研究，實現了交流綜保的測量算法和保護邏輯，并得到了樣機驗證，可控性和穩定性良好，具有重大的工程應用價值。

[1] STM32F10x微控制器參考手冊.2008.

[2] 羅士萍. 微機保護實現原理及裝置[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。