基于STM32 的低壓饋電開關保護器的設計

陳 富，周梓發，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，對煤礦井下供電設備的要求也越來越高。作為煤礦井下供電系統使用量最多的低壓饋電開關，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，這就對硬件設計和軟件設計同時提出了更高的要求[1-2]。該文設計了一種以STM32處理器為控制核心，移植μC/OS-III 實時多任務操作系統，并加入各種抗干擾硬件設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使用[3]，對煤礦井下供電系統的現場參數進行實時精確測量與實時數據傳輸，并提供完善、穩定的實時保護。

1 綜合保護器的硬件設計

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場側一級變換的信號，通過模擬量輸入調理電路處理后，SMT32F103 通過DMA 方式，由內部集成的ADC 進行信息采集并計算參數。現場數字量輸入信號經過輸入通道隔離濾波并由SMT32F103 進行采集。根據采集到的相關信息及保護器的相關設置，經過各種保護功能算法，通過數字量輸出電路控制現場設備，完成相關保護功能。同時STM32F103 以標準Modbus 協議與屏幕控制芯片STM32F101 以及上位機進行通信，將現場信息傳送給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設定，實現上位機、保護器、顯示屏三者數據的實時同步[4]。其硬件框架如圖1 所示。

圖1 硬件框架

1.2 數字量輸入電路

數字量輸入電路包括合/分閘狀態電路、遠方分勵電路、瓦斯開關量電路、風電閉鎖電路、2 備用電路共6 路開關量電路，現場開關量信號采用內部直流24 V 電壓信號，經信號端子、24 V 電源端輸入，通過適當的分壓、HCPL-354 光耦隔離、RC 濾波、反相驅動送至MCU 作進一步處理。其電路原理圖如圖2 所示。

圖2 數字量輸入電路圖

1.3 數字量輸出電路

數字量輸出信號由MCU 輸出，經達林頓管ULN2003ADR 將鎖存器SN74HCT273 輸出的5 V 電壓轉化為適應繼電器的24 V 驅動電壓，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。其等效電路原理如圖3 所示。

圖3 數字量輸出等效電路原理

1.4 交流信號量調理電路

現場的交流信號通過外部的變壓器和電流互感器將相關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。交流信號量調理電路如圖4所示。

圖4 交流信號量調理電路

1.5 RS485通信電路

保護器可以通過RS485 接口與上位機相連接，通過后臺監控系統實現設定值的調整、各種保護試驗測試、現場信息的實時查詢等功能。同時可以通過RS485 串口對系統的固件進行在線升級，極大方便了用戶對系統的升級維護[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計

2.1 系統任務劃分

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資源的高速Cortex-M3 下，運行μC/OS-III 多任務操作系統。作為全新一代的實時內核，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，允許有多個任務處于就緒狀態[8]。在綜合保護器中引入μC/OS-III 實時操作系統，既可改善保護器的軟件架構，又可保證保護功能的實時性，更能對保護器進行軟件自檢，提高系統可靠性[9]。

系統BSP 初始化設置包括對STM32F103 的片上相關資源以及外圍設備初始化，對系統設置進行讀取和初始化，接著創建系統任務，并通過多種內核對象實現任務的通信、同步以及資源管理[10]。按功能的要求，對相關任務進行協調管理[11]。其軟件系統框架圖如圖6 所示。

圖6 軟件系統框架圖

2.2 數據采集處理功能

STM32F103VCTR6 芯片內部集成了兩個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 內核資源的占用，提高數據處理能力，采用DMA 方式對ADC 采集到的數據進行批量傳輸。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。當計數器達到累加值時，便觸發ADC 采樣；在所有ADC 通道采樣完畢后，采樣值通過DMA通道傳遞給內存；DMA 通道數據傳遞完畢后便觸發DMA 通道中斷，此時需讀出內存緩沖區的數據，否則在下一次DMA 通道中斷時便會覆蓋數據。

保護器需計算出相關模擬量的有效值和相位角、有功功率、無功功率、總功率等，用于相關參數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 算法設計的程序計算相應的模擬量參數時，可以通過查表法節省計算時間[13]。

2.3 保護功能

按照《煤礦安全規程》規定，低壓饋電開關保護器在系統出現短路、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、總開關漏電保護、分開關漏電保護、瓦斯閉鎖、風電閉鎖、漏電閉鎖等相關保護功能[15-16]。

保護器通過對越定值標志位、越定值次數、故障標志位進行相關邏輯判斷，實現濾波次數可調、延時時間可調等功能，并確保不會產生誤動作[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、數據通信功能為一體。通過測試，其模擬量信號精度小于1%FS，數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，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）開關量無誤動作；

4）RS485 通信功能正常。

測試結果要高于符合煤礦安全要求的抗干擾標準。其測試結果如表1 所示。

表1 EMC抗干擾測試結果

4 結論

基于STM32 的綜合保護器，是專門為煤礦井下環境設計的集繼電保護、綜合測控、實時通信于一體的低壓饋電開關綜合保護裝置。該保護器對現場信號進行實時采集與數據處理，具有完善的保護功能和各種抗干擾設計等特點。通過實驗數據和實時運行結果表明，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展，提升煤礦井下供電系統的穩定性，確保煤礦作業的安全性。