基于STM32F103VE單片機(jī)的AT自耦變壓器保護(hù)的問(wèn)題和方法

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1、基于STM32F103VE單片機(jī)的AT自耦變壓器保護(hù)的問(wèn)題和方法1 功能與保護(hù)原理文章所述的保護(hù)裝置是集保護(hù)，遙測(cè)，通信和遙控為一體的AT自耦變壓器保護(hù)裝置，采集接觸網(wǎng)電壓，正饋線(xiàn)電壓，接觸網(wǎng)電流，正饋線(xiàn)電流等模擬量，將這些模擬量數(shù)據(jù)計(jì)算后和各種保護(hù)功能整定信息進(jìn)行比較，當(dāng)符合保護(hù)動(dòng)作條件時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器輸出，從而達(dá)到保護(hù)AT自耦變壓器的目的。裝置有以下保護(hù)。1.1 電流速斷保護(hù)1.5.1差動(dòng)速斷保護(hù)差動(dòng)速斷（簡(jiǎn)稱(chēng)差速斷）保護(hù)用于變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，快速切除故障。差速斷不經(jīng)制動(dòng)判別，只要差電流大于差速斷定值，保護(hù)動(dòng)作出口跳閘。1.5.2 差動(dòng)保護(hù)差動(dòng)保護(hù)采用了比例制動(dòng)及二次諧波閉

2、鎖原理。（2）二次諧波閉鎖當(dāng)空載變壓器投入電網(wǎng)或區(qū)外故障切除后的電壓恢復(fù)時(shí)，將產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，為了防止在此情況下差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，設(shè)有二次諧波閉鎖。采用差動(dòng)電流中二次諧波含量與基波的比值為勵(lì)磁涌流閉鎖判據(jù)，閉鎖判據(jù)如下：Id2x？叟KBSxId1x式中：Id2x：每相差電流中的二次諧波；Id1x：對(duì)應(yīng)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(hù)出現(xiàn)以下兩種情況中任一種時(shí)，啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)延時(shí)，當(dāng)延時(shí)滿(mǎn)足后保護(hù)動(dòng)作出口。（1）電流型保護(hù)動(dòng)作后，裝置檢測(cè)到電流大于斷路器失靈啟動(dòng)電流定值，同時(shí)斷路器處于合位，失靈啟動(dòng)開(kāi)入=1。（2）本體保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)斷路器處于合位，失靈啟動(dòng)開(kāi)

3、入=1。1.7 重合閘重合閘啟動(dòng)方式有兩種：保護(hù)啟動(dòng)及跳位（斷路器偷跳）啟動(dòng)。跳位啟動(dòng)可經(jīng)控制字投退。重合閘脈沖寬度為200ms。當(dāng)啟動(dòng)重合閘的保護(hù)動(dòng)作未返回時(shí)，重合閘不會(huì)啟動(dòng)延時(shí)。裝置以軟件模擬傳統(tǒng)的重合閘充放電過(guò)程，充電時(shí)間為20s。人機(jī)界面液晶可顯示重合閘充放電狀態(tài)。本裝置設(shè)置的重合閘放電（閉鎖）條件（當(dāng)下述任一條件滿(mǎn)足時(shí)放電）（1）手動(dòng)跳閘開(kāi)入為高電平；（2）重合閘發(fā)合閘脈沖；（3）遠(yuǎn)方操作跳閘。當(dāng)斷路器偷跳或保護(hù)跳閘后，如果滿(mǎn)足重合閘條件，啟動(dòng)重合閘延時(shí)，當(dāng)延時(shí)滿(mǎn)足后，重合閘。重合閘合閘或手動(dòng)合閘3秒內(nèi)，如果滿(mǎn)足過(guò)電流保護(hù)或接地過(guò)電流保護(hù)條件，則過(guò)電流加速跳閘或接地過(guò)電流加速跳閘。1

4、.8 本體保護(hù)該裝置本體保護(hù)包括重瓦斯保護(hù)、輕瓦斯保護(hù)、溫度段保護(hù)、溫度段保護(hù)、壓力釋放保護(hù)。其中重瓦斯保護(hù)、溫度段保護(hù)、溫度段保護(hù)、壓力釋放保護(hù)可整定為跳閘或告警。重瓦斯保護(hù)、輕瓦斯保護(hù)、溫度段保護(hù)、溫度段保護(hù)、壓力釋放保護(hù)直接將現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)作觸點(diǎn)接到裝置的開(kāi)入回路，裝置發(fā)跳閘、告警信號(hào)1.9 失壓保護(hù)當(dāng)斷路器處于合位，接觸網(wǎng)電壓和正饋線(xiàn)電壓均小于失壓保護(hù)低電壓定值時(shí)，啟動(dòng)低電壓延時(shí)，當(dāng)延時(shí)滿(mǎn)足后保護(hù)動(dòng)作跳閘。2 硬件設(shè)計(jì)STM32F103VE單片機(jī)是意法半導(dǎo)體基于ARM CORTEX-M3內(nèi)核開(kāi)發(fā)出來(lái)的一款低成本，高性能的32位單片機(jī)。Cortex-M3是一個(gè)32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是

5、32位的，寄存器是32位的，存儲(chǔ)器接口也是32位的。CM3采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)并行不?！?】。單片機(jī)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(jī)存儲(chǔ)器和256M閃存。單片機(jī)擁有豐富和外設(shè)資源，集成了I2C總線(xiàn)，SPI總線(xiàn)，32位定時(shí)器，DMA，USART，12位A/D轉(zhuǎn)換器，USB2.0接口，CAN接口【2】等，為電動(dòng)機(jī)裝置的設(shè)計(jì)提供了豐富的硬件資源。硬件電路包括以下幾個(gè)部分：交流量采集電路：交流電壓經(jīng)分壓電阻降壓后接入LM224運(yùn)算放大器的輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端直接連入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器。交流電流經(jīng)轉(zhuǎn)換

6、電路轉(zhuǎn)換成電壓，接入LM224運(yùn)算放大器的輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端直接連入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器。開(kāi)入開(kāi)出電路：外部開(kāi)入量經(jīng)過(guò)分壓電阻降壓，然后通過(guò)光電耦合器接入單片機(jī)，光電耦合器將單片機(jī)和外部電路隔離開(kāi)來(lái)，提高了裝置的可靠性和抗干擾性。單片機(jī)的開(kāi)出信號(hào)采用了雙信號(hào)控制方式，即用兩個(gè)管腳控制一個(gè)出口，當(dāng)一個(gè)管腳置1，另一個(gè)管腳置0時(shí)，出口繼電器才會(huì)動(dòng)作，降低了干擾造成誤動(dòng)的幾率。開(kāi)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(wěn)壓，濾波等回路，為其他電路提供穩(wěn)定的24V，5V，3.3V等電壓等級(jí)的電壓。核心電路：核心電路主要包括單片機(jī)、晶振、通

7、訊、顯示等部分。單片機(jī)接收交流采集量和開(kāi)入量，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，并負(fù)責(zé)裝置的各種控制，計(jì)算功能。8MHz主晶振為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，32.768KHz輔助晶振為RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供時(shí)鐘信號(hào)。通訊部分包含2路RS485通訊，采用SN75176BD芯片將單片機(jī)輸出的串行信號(hào)轉(zhuǎn)化為RS485電平信號(hào)。液晶顯示部分采用HB12864M2A串行液晶，通過(guò)串行接口與單片機(jī)相連，用來(lái)顯示裝置的定值，模擬量，動(dòng)作信息等。3 軟件設(shè)計(jì)軟件的主要功能有：（1）實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTX內(nèi)核調(diào)用；（2）基本輸入/輸出接口驅(qū)動(dòng)；（3）開(kāi)入掃描處理管理；（4）保護(hù)監(jiān)控出口管理；（5）定值參數(shù)管理任務(wù)；（6）非易失RAM存儲(chǔ)數(shù)

8、據(jù)管理；（7）軟件時(shí)鐘管理；（8）事件記錄管理； （9）通訊協(xié)議：MODBUS協(xié)議；（10）雙RS485總線(xiàn)通訊鏈路管理任務(wù)；（11）硬件上電自檢和實(shí)時(shí)在線(xiàn)自檢；（12）常用基本保護(hù)算法函數(shù)庫(kù)；（13）人機(jī)會(huì)話(huà)管理功能；（14）獨(dú)立片內(nèi)看門(mén)狗管理；（15）保護(hù)任務(wù)管理。對(duì)于比較大型的或者是有高性能指標(biāo)的嵌入式系統(tǒng)，往往需要兩個(gè)堆棧（主堆棧和進(jìn)程堆棧）配合使用【3】。因此，軟件使用了一個(gè)主堆棧和一個(gè)進(jìn)程堆棧分別用于中斷程序和任務(wù)程序。軟件基于RTX實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(wù)模塊、通用管理模塊和RTX內(nèi)核。每個(gè)任務(wù)模塊負(fù)責(zé)完成某個(gè)特定功能的

9、任務(wù)，RTX內(nèi)核負(fù)責(zé)CPU在各個(gè)任務(wù)之間進(jìn)行調(diào)度和切換，每個(gè)任務(wù)都可看成一個(gè)線(xiàn)程，獨(dú)立占有CPU的所有資源，任務(wù)之間通過(guò)消息、標(biāo)志、信號(hào)量等進(jìn)行交換信息和同步。任務(wù)模塊相對(duì)比較獨(dú)立，這種軟件制作方法更適合代碼比較大、功能比較復(fù)雜的系統(tǒng)，它對(duì)將來(lái)系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)也更方便和容易。4 結(jié)束語(yǔ)文章闡述了一種基于STM32F103VE單片機(jī)的AT自耦變壓器保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，并從功能與保護(hù)原理，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了敘述。該保護(hù)期具有接地過(guò)電流保護(hù)、AT自耦變壓器差動(dòng)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)等多種保護(hù)，并擁有低成本，高可靠性等特點(diǎn)。參考文獻(xiàn)【1】Joseph Yiu.宋巖譯.CORTEX-M3權(quán)威指南.北京航空航天大學(xué)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.http：/