一種基于STM32的智能準同期裝置的研制

高建民

(天津同陽科技發展有限公司 天津 300384)

0 引 言

發電站執行并網的主要設備為同期裝置。隨著我國電力工業持續快速發展，發電站裝機容量不斷增大，機組自動化控制系統技術日益提高，一些新技術不斷涌現。最初同期操作采用手動，而后出現模擬技術自動同期設備，現在則是微處理器控制自動同期設備比較常見。現有許多微機自動同期裝置的 CPU為16位甚至 8位單片機，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內核。M4內核同時具有 32位處理器和DSP硬核，具有非常高的運算速度和數據處理能力。同時，該芯片還具有豐富的外部接口和應用庫函數，應用十分方便。將 STM32F407用于自動準同期裝置中，將使裝置的性能得到極大提升。

1 設計原理

電站并網過程被稱為同期過程[1]。并網時，電網和發電機兩端需要滿足 3個條件：頻率相等、電壓相等、相位相等[2]。同期過程就是由同期裝置對機端和系統端的電壓、頻率和相位三者進行測量、比較，然后調節發電機，使其滿足同期操作的前 2個要素，并進而預測相位差為0的時刻，并使發電機和系統端在這一時刻合閘并網。

對于斷路器，有一個重要參數叫合閘時間[3]，是指對其發出脈沖執行合閘操作，由分斷切換到閉合之間所需的時間。因為斷路器的工藝以及具體構造不盡相同，每個斷路器的合閘時間也是不同的，所以合閘時間不能一概而論。因此，執行合閘指令的時刻需要比預測的同期時刻提前一段時間，這段時間被稱為導前時間[3]。

在整個并網過程中，同期裝置會實時計算該數據，計算得出當前的理想?K。在相位差φ=?K時刻，裝置發出合閘指令。

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

2 硬件設計

2.1 STM32F407芯片

STM32F407是 ST公司的 Cortex-M4內核的高性能 MCU芯片，具有豐富的接口和強大的功能。因為內部含有 DSP硬核，強大的運算能力和速度保證了測量的精度和實時性。同時，該芯片還具有豐富的外部接口和應用庫函數，應用十分方便。

2.2 系統原理

圖2為系統原理圖。采用交流采樣的方式來測量電網側和發電機側的電壓。先使用互感器對電網側和發電機側的交流信號進行降壓，然后進行信號調理和濾波，得到穩定的 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行AD采樣和轉換，測量兩側電壓值。12位 ADC可以得到較高的信號轉換精度。交流采樣每周期得到32個電壓瞬態數值，用傅立葉變換計算得出電壓有效值。當系統側和發電機側電壓和頻率不符合預設條件時，發出降壓、升壓、減速或加速指令，對發電機進行調整，直至符合限定條件。

圖2 系統原理圖Fig.2 System principle diagram

同時，互感器輸出電壓電流信號經有源濾波處理，使波形更干凈。再用比較器電路整形為方波，此方波通過鎖相環電路(圖3)進行32倍頻次，輸出AD采樣觸發脈沖。觸發脈沖每周期為32次。STM32F407的輸入捕獲分別對兩路方波進行測量和計時，兩者之差即為所需相位差。通過預測相位差為 0的時刻，在合適時刻發出合閘指令。

圖3 鎖相環電路Fig.3 Schematic diagram of phase-locked loop

在通信電路設計上，設計了RS485，CAN和以太網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。電路中設計了數據線和電源的雙隔離，保證通信的可靠性。

STM32F407通過 SPI接口與網絡芯片連接，連線少，PCB板占位小、成本低。以太網通信部分電路如圖4所示。

圖4 以太網電路Fig.4 Schematic diagram of Ethernet

另外，裝置帶有觸摸顯示屏，用來顯示菜單、數據和進行相應的設置操作。設置、控制和監測都是通過主機人機界面實現。液晶模塊不僅可以顯示單一的圖形和文本，而且可以實現多圖層的合成顯示效果。STM32F407通過 SPI口和顯示模塊進行連接。STM32 F407將數據和控制命令寫到 Flash中，使之產生狀態和顯示的變化。

本方案中，對比度可以通過觸摸屏操作進行分檔調節。STM32 F407通過3個I/O口調節數字電位器的阻值，進而通過模擬放大電路對顯示屏的對比度調節電壓進行調節，達到調節液晶對比度的作用。液晶對比度調節電路如圖5所示。

圖5 液晶對比度調節電路Fig.5 Schematic diagram of LCD contrast control

3 軟件設計

編寫了設備的嵌入式程序。RS485通信協議采用了 MODBUS-RTU 協議，波特率為 9600kbps，采用偶校驗。以太網采用了標準TCP/IP協議。CAN采用了 CANopen協議，波特率為 500kbps。另外，同期算法部分是軟件的核心和難點之一。同期程序流程如圖6所示。接到執行同期操作的指令之后，主控先從固定存儲空間中讀出預設的參數，并作為執行操作過程中的判斷依據。實時采集雙側的電壓、頻率、相位數據，并向靠近預設參數的方向進行調速或調壓調整。調整過程中，如果△U和△ f不符合條件，將持續進行數據采集和調整；如果△U和△f數據接近預設條件，則進入相位差預測程序，根據△φ相位差的變化規律來智能預測導前時間。在合適的時機，發出信號執行合閘操作。如果合閘執行過程中，相位差或其他參數發生異常，將中止合閘操作，返回重新進行調整。通過智能預測，使合閘時機最優化。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart

4 結 語

目前，基于 STM32的智能準同期裝置產品已經量產，并在眾多電站安裝和使用，效果良好。32位CPU及 DSP內核的使用，使一些復雜和更有效的算法得到實施，將同期過程的合閘角預測精度大大提高。經驗證，該自動準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，和現有自動準同期裝置相比，具有明顯優勢。