根据STM32F103R8T6的数字测量继电器的规划

导言

在电力及工业自动化操控体系中，常用各种类型的继电器运用于需求进行状况监控的场合，作为维护的闭锁动作元件或发动元件。现在，大部分用于此类场合的继电器都为静态继电器，彻底选用模仿电路规划，参数设置、整定值设定都选用旋钮调理，选用此办法设置精度低、差错大、维护功用单一，不带有显现设备，用户无法从继电器上得知当时各种电参量，且无法组网完成智能化网络化。

还有一类为多功用归纳性维护型继电器，如南京因泰莱的PA100系列归纳数字继电器、ABB的615系列继电器，此类型继电器称号上为继电器，其实为多功用继电维护设备，此类型的继电器功用强大，集维护、丈量、操控、监测、通讯等多种功用于一体，是高端的电力体系自动化硬件设备，但在许多要求简略的运用场合运用此类继电器则存在运用本钱高，功用糟蹋等缺陷。

本文行将介绍的是一款数字式丈量继电器（ASJ系列数字式丈量继电器）的规划和运用，该继电器功用上除了具有传统静态继电器具有的特色外，还兼具了便利灵敏和智能的特色，具有维护功用较多，灵敏度高，动作时刻整定灵敏，过欠形式同机整定，实时丈量并显现当时电参量的值，相当于在智能电测外表的基础上添加了维护继电器的功用。

1　 继电器的硬件规划

本数字式丈量继电器的硬件电路包含主CPU芯片、电源、信号收集电路、人机交互单元、RS485通讯接口及继电器输出接口（图1）。

图1　硬件电路框图

1.1 主控CPU

本丈量继电器的CPU选用ST公司的依据ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器STM32F103R8T6，时钟频率最高可达72MHz，内置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源，具有极高的性价比。

1.2 电源

电源是一台设备能否正常、安稳、牢靠作业的要害部分，该继电器选用本公司常用的通用开关电源模块。该电源模块输入电压为AC85V～265V，输入频率45Hz～60Hz，具有多路阻隔电压输出，满意多种功用对不同供电电压的要求。输出电压安稳、毛病率小，输出纹波 <1％。具有过压、过流维护。该模块经实践现场运用，具有很高的安稳性、牢靠性和抗干扰才能。 1.3 信号收集电路 信号收集电路选用互感器阻隔输入，将电流、电压等电量信号进行阻隔，进步体系的安全性和牢靠性。采样信号经扩大电路扩大后进行A/D转化。图2。

图2　信号收集电路

1.4 人机交互单元

人机交互单元选用LED显现和按键输入，体系选用单排四位LED数码管显现各种信息。用户可依据实践需求进行设置。在编程状况下显现菜单及参数。数码管显现选用动态扫描办法，其驱动电路运用一片74HC595加三极管构成。

1.5 RS485通讯接口

通讯接口模块选用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约，能完成遥测、遥控、遥信等功用，见图3。

图3　通讯电路原理图

1.6 继电器输出接口

继电器输出接口（图4）是动作的执行机构，当呈现毛病时，继电器便会发生动作，宣布报警或脱扣信号。

图4　继电器输出原理图

2　 软件规划

因为本丈量继电器选用数字电路，中心元件选用的是32位单片机，运算速度快（时钟频率72MHz），维护算法都由软件完成，因而，由同一电参量引申而出的维护功用可集成于一体（如丈量三相电流可完成过载、欠载、不平衡、断相、相序等多种维护），不像静态继电器那样，不同的维护功用需求不同的模仿电路来完成，导致单个静态继电器往往只要一种维护功用。

2.1 程序规划

本继电器的软件规划首要包含核算、维护、显现、按键、通讯等各种功用子程序。其间核算子程序首要用于进行信号的收集和运算，实时丈量维护目标的电参量；维护子程序首要集成有各种维护算法，将丈量得到的各种参数与预先设定的值来进行比照，来确认是否有毛病呈现，及时进行维护；显现、按键子程序用于人机交互；通讯子程序则用于将各种参量经过通讯接口远传给后台操控体系。

因为程序内容较多，现给出主程序流程（图5）和维护子程序流程图（图6）。

图5　主程序流程图

图6　维护子程序流程图

2.2 过采样

在本产品规划时，便定坐落既可作为维护继电器运用，又可作为低压电测外表运用，因而要求本产品的丈量精度要高，但出于本钱上的考虑，选用主控芯片STM32F103R8T6内部自带的12位AD，为完成高精度的丈量，需求在采样上运用过采样的技能。依据奈奎斯特定理可得，每添加一位分辨率，信号有必要被以4倍的速率过采样：fos=4w×fs 。其间，w是期望添加的分辨率位数，fs是初始采样频率要求，fos是过采样频率。依据此公式，在采样时将采样频率进步256倍，行将分辨率位数进步4位，到达了16位的分辨率。选用此办法后，本产品的丈量精度到达0.5级，彻底可以满意作为丈量型外表的要求。因为CPU的速度很快，因而不会因为选用过采样后，采样点和运算量的添加而导致维护速度不行。

3　 功用测验

3.1 丈量精度的测验（电流型）

图7
试验设备由图7所示，信号发生源选用深圳科陆公司的RTU检定设备CL301V2-R，精度等级0.05。由CL301V2-R输出三相沟通电流来测验ASJ的丈量精度，测验成果见表1。
表1

　　由GB/T22264.1-200《设备式数字显现电丈量外表》第1部分：界说和通用要求中5.2 根本差错的核算办法，结合表1丈量数据可得，精度等级可以满意0.5级。
核算公式如下：

外表的根本差错不该超越公式（1）表明的丈量值的绝对差错△。

式中： Ux－被丈量的读数值；
Um－被丈量的满度值；
a－与读数值有关的差错系数；
b－与满度值有关的差错系数；
公式（1）中应满意如下联系：a≥4b

3.2 动作差错测验（电流型）

继电器的动作差错是一项重要的目标，因而，需求运用专用的继保测验仪来对ASJ的动作时刻差错进行测验。
这儿运用“ZS-740微机继电维护校验仪”来测验ASJ的动作差错时刻，测验成果见表2。
表2

　　其间各项功用的延时时刻是可任意设定的，报警和脱扣是2个独立的继电器输出。由上图可以看出，动作时刻的差错都在±50ms以内。

4　 产品特色

ASJ系列数字式丈量继电器在结构上选用DIN35mm导轨设备式和96mm×48mm外型嵌入设备式两种办法。该为数字式继电器，实时采样三相沟通电量、选用真有效值的核算办法，在较宽的频率规模内完成了较高精度的丈量。集成有多种维护功用，仅需简略挑选即可完成维护的投入或退出、报警或跳闸；精度高、功耗小、动作快、回来系数高、无颤动。 本产品集低压电测外表功用和丈量继电器功用于一体，是传统的静态继电器的抱负代替计划。产品契合GB/T 14598丈量继电器的相关规范和GB/T 22264设备式数字显现电丈量外表中的相关规范。
按功用可分为电流、电压、频率等多种类型，首要技能目标见表3。
表3

5　 运用事例

ASJ系列丈量继电器因其具有很宽的频率丈量规模(20Hz～70Hz内都能精确丈量)，较高的丈量精度及多种维护功用集于一体的特色，现已广泛运用于多种场合。

图8为本产品运用于某柴油发电机上用于对柴油发电机的欠、过压进行维护的图。因为柴油发电机的输出电压与其转速有关，因而要求丈量柴油发电机输出电压的设备具有较宽的频率丈量规模，在本运用事例中，柴油发电机的欠压点为230VAC（对应23Hz），额外460VAC（对应50Hz），过压点530VAC（对应55Hz），而选用的ASJ10-AV3电压型丈量继电器的丈量频率规模为20Hz～70Hz，在此频率规模内，可以精确丈量出电压值，彻底可以满意此场合的运用要求。其作业流程为：ASJ10-AV3丈量柴油发电机组的输出电压，并将此电压与预先设定的欠压、过压值进行比较，一旦呈现丈量值超出限值，则进入毛病延时，延时时刻到但毛病状况未免除则报警或脱扣继电器动作，宣布告警信号或直接停掉柴油发电机，然后起到维护柴油发电机安稳运转的效果。

图8　电压型运用图

图9为本产品运用于电动机上用于对电动机运转过程中呈现的各种毛病进行维护的图。在电动机运转中，常呈现的毛病首要有过载和断相，而对过载的维护又分为定时限、反时限、速断等多种。在本运用事例中，ASJ10-AI3可以供给欠载、过载（定时限、反时限、速断）、不平衡、断持平多种维护功用。其作业流程为：ASJ10-AI3丈量电动机供电电路中的电流值，并将此电流值与预先设定的值进行比较，一旦呈现丈量值超出限值，则进入毛病延时，延时时刻到但毛病状况未免除则报警或脱扣继电器动作，宣布告警信号或断开接触器KM使电动机中止运转，然后起到维护电动机的效果。

图9　电流型运用图

6　 结语

ASJ系列数字式丈量继电器选用先进的规划计划，可以针对不同的运用场合供给多种维护办法，产品安稳牢靠，是静态模仿继电器的抱负代替产品。