基于STM32 的低压馈电开关保护器的设计

陈 富，周梓发，涂 虬

（上饶师范学院物理与电子信息学院，江西上饶 334001）

随着煤矿井下自动化程度的不断提升，对煤矿井下供电设备的要求也越来越高。作为煤矿井下供电系统使用量最多的低压馈电开关，其综合保护器需要具有高性能、强实时性、高可靠性的特点，并具备一定的可扩展性，这就对硬件设计和软件设计同时提出了更高的要求[1-2]。该文设计了一种以STM32处理器为控制核心，移植μC/OS-III 实时多任务操作系统，并加入各种抗干扰硬件设计的矿用综合保护器。保护器可配套380 V、660 V、1 140 V、3 300 V 等电压等级，最大额定电流可达到1 000A 的各类型低压馈电开关使用[3]，对煤矿井下供电系统的现场参数进行实时精确测量与实时数据传输，并提供完善、稳定的实时保护。

1 综合保护器的硬件设计

1.1 综合保护器硬件框架

综合保护器接收到包括三相交流电压（UA、UB、UC）、三相交流电流(IA、IB、IC)、零序电压（U0）、零序电流（I0）以及附加直流漏电电路检测到的直流信号等现场侧一级变换的信号，通过模拟量输入调理电路处理后，SMT32F103 通过DMA 方式，由内部集成的ADC 进行信息采集并计算参数。现场数字量输入信号经过输入通道隔离滤波并由SMT32F103 进行采集。根据采集到的相关信息及保护器的相关设置，经过各种保护功能算法，通过数字量输出电路控制现场设备，完成相关保护功能。同时STM32F103 以标准Modbus 协议与屏幕控制芯片STM32F101 以及上位机进行通信，将现场信息传送给STM32F101 与上位机，接收并保存本地按键与上位机传递的用户参数设定，实现上位机、保护器、显示屏三者数据的实时同步[4]。其硬件框架如图1 所示。

图1 硬件框架

1.2 数字量输入电路

数字量输入电路包括合/分闸状态电路、远方分励电路、瓦斯开关量电路、风电闭锁电路、2 备用电路共6 路开关量电路，现场开关量信号采用内部直流24 V 电压信号，经信号端子、24 V 电源端输入，通过适当的分压、HCPL-354 光耦隔离、RC 滤波、反相驱动送至MCU 作进一步处理。其电路原理图如图2 所示。

图2 数字量输入电路图

1.3 数字量输出电路

数字量输出信号由MCU 输出，经达林顿管ULN2003ADR 将锁存器SN74HCT273 输出的5 V 电压转化为适应继电器的24 V 驱动电压，从而达到对继电器输出信号的控制。通过信号回读到MCU 和锁存器电路，以确保硬件电路在MCU 重启时，输出电路能够保持原有的正确状态。其等效电路原理如图3 所示。

图3 数字量输出等效电路原理

1.4 交流信号量调理电路

现场的交流信号通过外部的变压器和电流互感器将相关的交流模拟量信号进行合适比例的变压、缓冲以及电气隔离，转化成适当大小的交流电压信号后进入保护器的端子[5]。通过两级RC 滤波，滤除杂波信号，之后通过幅值调整电路，加入1.5 V 的电压偏移量，以得到0～3 V 范围的MCU 可检测到的电压，经跟随电路后送至MCU 的A/D 引脚进行采样。同时在端口处加入防止瞬时过电压，在输入MCU 引脚前加入BAV99LT 箝位电路以确保输入MCU 引脚的电压值不会超过3.3 V，防止过大的电压对MCU 的引脚造成破坏。交流信号量调理电路如图4所示。

图4 交流信号量调理电路

1.5 RS485通信电路

保护器可以通过RS485 接口与上位机相连接，通过后台监控系统实现设定值的调整、各种保护试验测试、现场信息的实时查询等功能。同时可以通过RS485 串口对系统的固件进行在线升级，极大方便了用户对系统的升级维护[6]。采用SN65HVD06D芯片，并通过磁耦合隔离芯片ADUM1411 进行隔离，其中SN65HVD06D 是一款低功耗、高速通信、高抗干扰的RS485 收发器，最高可承受的静电干扰电压达到16 kV。同时在端口处加入SMBJ10CA，防止瞬时过电压，并采用F2、F3 保险管，以满足煤矿安全的需求。其原理图如图5 所示。

图5 RS485通信电路图

2 综合保护器的软件设计

2.1 系统任务划分

保护器MCU采用ST公司的32位STM32F103 芯片，其最高工作频率可以达到72 MHz[7]。在基于具有丰富外设资源的高速Cortex-M3 下，运行μC/OS-III 多任务操作系统。作为全新一代的实时内核，μC/OS-III具有可扩展、可固化、抢占式的特点，可在运行时配置实时操作系统，允许有多个任务处于就绪状态[8]。在综合保护器中引入μC/OS-III 实时操作系统，既可改善保护器的软件架构，又可保证保护功能的实时性，更能对保护器进行软件自检，提高系统可靠性[9]。

系统BSP 初始化设置包括对STM32F103 的片上相关资源以及外围设备初始化，对系统设置进行读取和初始化，接着创建系统任务，并通过多种内核对象实现任务的通信、同步以及资源管理[10]。按功能的要求，对相关任务进行协调管理[11]。其软件系统框架图如图6 所示。

图6 软件系统框架图

2.2 数据采集处理功能

STM32F103VCTR6 芯片内部集成了两个12 位逐次逼近型高速ADC，每一个ADC 均可提供多达18个通道，可以同时测量16 个外部和两个内部信号源。ADC 的采样速率最高可配置为14 MHz，每个采样信号的采样时间最短可达1 μs[12]。

该保护器需要同时对9 路模拟信号量进行采样并处理。为了减小MCU 内核资源的占用，提高数据处理能力，采用DMA 方式对ADC 采集到的数据进行批量传输。使用定时器进行833 μs 定时，每20 ms进行24 个点的采样，达到对交流信号进行全周期采样的目的。当计数器达到累加值时，便触发ADC 采样；在所有ADC 通道采样完毕后，采样值通过DMA通道传递给内存；DMA 通道数据传递完毕后便触发DMA 通道中断，此时需读出内存缓冲区的数据，否则在下一次DMA 通道中断时便会覆盖数据。

保护器需计算出相关模拟量的有效值和相位角、有功功率、无功功率、总功率等，用于相关参数的显示以及保护动作的判断。MCU 通过DFT（离散傅里叶变换）算法提高参数精度，将DFT 算法需要的正弦值和余弦值进行列表，MCU 在通过基于DFT 算法设计的程序计算相应的模拟量参数时，可以通过查表法节省计算时间[13]。

2.3 保护功能

按照《煤矿安全规程》规定，低压馈电开关保护器在系统出现短路、过载、欠压、过压、缺相、不平衡、漏电等故障时，需要保证开关的可靠动作，以切除故障[14]。保护器具备短路速断、欠过压保护、反时限过载保护、三相不平衡保护、总开关漏电保护、分开关漏电保护、瓦斯闭锁、风电闭锁、漏电闭锁等相关保护功能[15-16]。

保护器通过对越定值标志位、越定值次数、故障标志位进行相关逻辑判断，实现滤波次数可调、延时时间可调等功能，并确保不会产生误动作[17-18]。其流程如图7 所示。

图7 保护功能流程

3 实验测试

3.1 性能测试

智能低压保护器集继电保护、综合测控、数据通信功能为一体。通过测试，其模拟量信号精度小于1%FS，数字量信号输入响应时间小于10 ms，短路速动保护时间小于50 ms，漏电速动保护时间小于30 ms，其他速动保护时间均小于100 ms，所有保护功能的时间都可调，满足煤矿安全的要求[19-20]。性能测试图如图8 所示。

图8 性能测试图

3.2 EMC抗干扰测试

在EMC 抗干扰测试过程中：

1）屏幕显示、电源灯、运行灯及通信指示灯状态正常；

2）电压、电流输入以及电阻输入功能正常且满足精度要求；

3）开关量无误动作；

4）RS485 通信功能正常。

测试结果要高于符合煤矿安全要求的抗干扰标准。其测试结果如表1 所示。

表1 EMC抗干扰测试结果

4 结论

基于STM32 的综合保护器，是专门为煤矿井下环境设计的集继电保护、综合测控、实时通信于一体的低压馈电开关综合保护装置。该保护器对现场信号进行实时采集与数据处理，具有完善的保护功能和各种抗干扰设计等特点。通过实验数据和实时运行结果表明，该保护器精度高、实时性强、可靠性高，能有效推动煤矿自动化的发展，提升煤矿井下供电系统的稳定性，确保煤矿作业的安全性。