基于STM32F103VE单片机的AT自耦变压器保护的问题和方法

基于STM32F103VE单片机的AT自耦变压器保护的问题和方法1 功能与保护原理文章所述的保护装置是集保护，遥测，通信和遥控为一体的AT自耦变压器保护装置，采集接触网电压，正馈线电压，接触网电流，正馈线电流等模拟量，将这些模拟量数据计算后和各种保护功能整定信息进行比较，当符合保护动作条件时，驱动继电器输出，从而达到保护AT自耦变压器的目的。装置有以下保护。1.1 电流速断保护1.5.1差动速断保护差动速断（简称差速断）保护用于变压器差动保护范围内发生严重故障时，快速切除故障。差速断不经制动判别，只要差电流大于差速断定值，保护动作出口跳闸。1.5.2 差动保护差动保护采用了比例制动及二次谐波闭锁原理。（2）二次谐波闭锁当空载变压器投入电网或区外故障切除后的电压恢复时，将产生很大的励磁涌流，为了防止在此情况下差动保护误动，设有二次谐波闭锁。采用差动电流中二次谐波含量与基波的比值为励磁涌流闭锁判据，闭锁判据如下：Id2x？叟KBSxId1x式中：Id2x：每相差电流中的二次谐波；Id1x：对应的差流中的基波；KBS：二次谐波闭锁比定值。1.6 断路器失灵保护出现以下两种情况中任一种时，启动断路器失灵保护延时，当延时满足后保护动作出口。（1）电流型保护动作后，装置检测到电流大于断路器失灵启动电流定值，同时断路器处于合位，失灵启动开入=1。（2）本体保护动作，同时断路器处于合位，失灵启动开入=1。1.7 重合闸重合闸启动方式有两种：保护启动及跳位（断路器偷跳）启动。跳位启动可经控制字投退。重合闸脉冲宽度为200ms。当启动重合闸的保护动作未返回时，重合闸不会启动延时。装置以软件模拟传统的重合闸充放电过程，充电时间为20s。人机界面液晶可显示重合闸充放电状态。本装置设置的重合闸放电（闭锁）条件（当下述任一条件满足时放电）（1）手动跳闸开入为高电平；（2）重合闸发合闸脉冲；（3）远方操作跳闸。当断路器偷跳或保护跳闸后，如果满足重合闸条件，启动重合闸延时，当延时满足后，重合闸。重合闸合闸或手动合闸3秒内，如果满足过电流保护或接地过电流保护条件，则过电流加速跳闸或接地过电流加速跳闸。1.8 本体保护该装置本体保护包括重瓦斯保护、轻瓦斯保护、温度段保护、温度段保护、压力释放保护。其中重瓦斯保护、温度段保护、温度段保护、压力释放保护可整定为跳闸或告警。重瓦斯保护、轻瓦斯保护、温度段保护、温度段保护、压力释放保护直接将现场的动作触点接到装置的开入回路，装置发跳闸、告警信号1.9 失压保护当断路器处于合位，接触网电压和正馈线电压均小于失压保护低电压定值时，启动低电压延时，当延时满足后保护动作跳闸。2 硬件设计STM32F103VE单片机是意法半导体基于ARM CORTEX-M3内核开发出来的一款低成本，高性能的32位单片机。Cortex-M3是一个32位处理器内核。内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32位的。CM3采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖【1】。单片机核心主频为72MHz，90DMIPS，拥有单周期乘法器和硬件除法器，拥有64M随机存储器和256M闪存。单片机拥有丰富和外设资源，集成了I2C总线，SPI总线，32位定时器，DMA，USART，12位A/D转换器，USB2.0接口，CAN接口【2】等，为电动机装置的设计提供了丰富的硬件资源。硬件电路包括以下几个部分：交流量采集电路：交流电压经分压电阻降压后接入LM224运算放大器的输入端，运算放大器的输出端直接连入单片机的A/D转换器。交流电流经转换电路转换成电压，接入LM224运算放大器的输入端，运算放大器的输出端直接连入单片机的A/D转换器。开入开出电路：外部开入量经过分压电阻降压，然后通过光电耦合器接入单片机，光电耦合器将单片机和外部电路隔离开来，提高了装置的可靠性和抗干扰性。单片机的开出信号采用了双信号控制方式，即用两个管脚控制一个出口，当一个管脚置1，另一个管脚置0时，出口继电器才会动作，降低了干扰造成误动的几率。开出电路同样采用了光电耦合器，以提高装置的可靠性和抗干扰性。电源电路：电源电路主要包括变压，整流，稳压，滤波等回路，为其他电路提供稳定的24V，5V，3.3V等电压等级的电压。核心电路：核心电路主要包括单片机、晶振、通讯、显示等部分。单片机接收交流采集量和开入量，驱动继电器动作，并负责装置的各种控制，计算功能。8MHz主晶振为单片机提供时钟信号，32.768KHz辅助晶振为RTC实时时钟提供时钟信号。通讯部分包含2路RS485通讯，采用SN75176BD芯片将单片机输出的串行信号转化为RS485电平信号。液晶显示部分采用HB12864M2A串行液晶，通过串行接口与单片机相连，用来显示装置的定值，模拟量，动作信息等。3 软件设计软件的主要功能有：（1）实时多任务操作系统RTX内核调用；（2）基本输入/输出接口驱动；（3）开入扫描处理管理；（4）保护监控出口管理；（5）定值参数管理任务；（6）非易失RAM存储数据管理；（7）软件时钟管理；（8）事件记录管理； （9）通讯协议：MODBUS协议；（10）双RS485总线通讯链路管理任务；（11）硬件上电自检和实时在线自检；（12）常用基本保护算法函数库；（13）人机会话管理功能；（14）独立片内看门狗管理；（15）保护任务管理。对于比较大型的或者是有高性能指标的嵌入式系统，往往需要两个堆栈（主堆栈和进程堆栈）配合使用【3】。因此，软件使用了一个主堆栈和一个进程堆栈分别用于中断程序和任务程序。软件基于RTX实时多任务操作系统，设计中采用模块化和通用化的原则，提供一些输入输出接口、算法、任务模块、通用管理模块和RTX内核。每个任务模块负责完成某个特定功能的任务，RTX内核负责CPU在各个任务之间进行调度和切换，每个任务都可看成一个线程，独立占有CPU的所有资源，任务之间通过消息、标志、信号量等进行交换信息和同步。任务模块相对比较独立，这种软件制作方法更适合代码比较大、功能比较复杂的系统，它对将来系统升级和维护也更方便和容易。4 结束语文章阐述了一种基于STM32F103VE单片机的AT自耦变压器保护装置的设计，并从功能与保护原理，硬件设计和软件设计三个方面进行了叙述。该保护期具有接地过电流保护、AT自耦变压器差动保护、断路器失灵保护等多种保护，并拥有低成本，高可靠性等特点。参考文献【1】Joseph Yiu.宋岩译.CORTEX-M3权威指南.北京航空航天大学出版社.【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：/www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00191185.pdf.【3】周立功.ARM嵌入式系统基础教程.北京航空航天大学出版社.