基于STM32F103的交流综保测量算法和保护逻辑实现

李军政, 王雅



基于STM32F103的交流综保测量算法和保护逻辑实现

李军政1, 王雅2

（1.海装驻武汉712所军事代表室 ，武汉430064；2. 武汉船用电力装置研究所，武汉430064）

本文基于STM32F103，实现了交流综保的测量算法和保护逻辑。运用ARM（STM32F103）的内部AD采集交流模拟量，通过测量算法计算获取实时数据的有效值，完成分析计算和比较判断来实现交流综保各种继电保护功能。

STM32F103 交流综保 测量算法 保护逻辑

0 引言

基于交流综保的研究项目背景，本文选用具有18通道12位内部AD的STM32F103。

文中采用交流采样技术，通过计算获取实时数据的有效值，在测量算法中，主要考虑计算的精度和速度，速度又包括两个方面：算法所要求的点数；算法的运算工作量。精度和速度是矛盾的，若要求精度高，则要利用更多的采样点，也增加了计算的动作量，降低了计算的速度。对算法还有数字滤波功能的要求，即滤除影响精度计算的高次谐波分量，有的算法本身具有数字滤波功能，有的没有，必须采用模拟的滤波器或采用专用的数字滤波算法。

在电网频率为50 Hz，每周波采样12点。对测量和保护分别采用不同的算法进行处理。测量采用积分算法，保护采用具有滤波富里叶算法。

1 AD采集

1.1 AD主要特征[1]

1)12-位分辨率；

2)转换结束，注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断；

3)单次和连续转换模式；

4)从通道0到通道的自动扫描模式；

5)自校准；

6)带内嵌数据一致的数据对齐；

7)通道之间采样间隔可编程；

8)规则转换和注入转换均有外部触发选项；

9)间断模式；

10)双重模式(带2个或以上ADC的器件)；

11)ADC转换时间为1 μs(ADC时钟为72 MHz为1.17 μs) ；

12)ADC供电要求：2.4 V到3.6 V；

13)ADC输入范围：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+ ；

14)规则通道转换期间有DMA请求产生。

1.2 AD采集硬件设计

在交流综保研制中，采集的物理量主要有测量电压、测量电流和保护电流。如图1 模拟量信号处理电路中，针对测量电压T1选择的是电压互感器LXYA 100V/3.53 V，针对测量电流T1选择的是电流互感器LXLA 5A/3.53 V，针对保护电流T1选择的是电流互感器WGSLA 100A/3.53 V。处理完的信号经图2 STM32F103内部AD采集电路后进入软件处理。

1.3 内部AD寄存器配置和采集

寄存器配置（略）。

2 测量算法

测量部分的计算需完成三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、频率、有功电能、无功电能的计算和测量。篇幅有限，本文只简单介绍一下电压电流和频率的算法。

2.1 电压电流测量算法

电压、电流是周期变化的交流量，有效值的表示可用（1）与（2）式表示：

将连续的函数离散化，可以得到电压、电流的有效值公式如（3）与（4）式。

在计算电流、电压的有效值后，在实际的输入信号与负载中，存在微小的波动或者存在干扰，因此，必须对测量的值进行滤波，提高测量的精度，减少干扰的影响。

2.2 采样频率的自动跟踪

在采样的过程中，电网的频率时刻都在发生变化，而很多的算法是建立在采样频率与电力系统的工频频率成整数倍数的基础上的。如每工频周期采样12点、16点、24点等。当采样频率不能严格保持与电网频率的同步，采样计算的数据将出现偏差。

常规的模拟式保护也具有这种情况，如负序滤过器是由电阻、电容、电感等元件构成，而容抗、感抗等都与频率有关。采样频率自动跟踪的方法很多，最基本的方法是测量工频的实时频率，然后除以要求的采样频率对工频的比值，就可以得到采样的间隔时间。但这种方法的硬件、软件实现方法复杂。

本文采用了根据采样点计算的方法，在正弦函数过零点前后取采样点的1i一个周波过零点前后的12。

在过零点前后，正弦函数很接近直线，在作线性处理时，有下列关系，如图和公式（5）和公式（6）。

用这种方法，每一工频周期可以调节一次采样频率，基本满足了综合装置中的测量、保护应用。

3 保护逻辑实现

在交流综保微机保护[2]中，对连续型的电压、电流量模拟量进行离散采样和A/D转换后，才能变换为计算机可处理的数字量，计算机对这些采样值进行计算、分析，得出计算结果，根据计算结果和保护的动作方程、定值，通过比较、判断、决定保护装置的动作行为。保护算法就是完成分析计算和比较判断来实现各种继电保护功能的方法。

本交流综保实现了中低压系统中的多数保护，各种保护的动作逻辑相同，以下列举典型的保护动作逻辑。

3.1 三段电流保护

如图4所示。

此功能是基于三相电流的定时限过电流保护。

3.2 方向性电流保护

本保护反应相间短路故障。

本单元的方向元件采用90°接线，按相起动，各相电流仅受如表1所示相应电压的控制。

通过电流方向地显示，只有当>0时过流元件才会动作。其中=××COS（-30°），为和夹角。

方向元件最大灵敏角为-30°，相间方向元件动作特性动作区域如图5所示。

注：图中Izd为电流保护整定值。

3.3 反时限电流保护

设备的不正常工作状态主要是过负荷运行。考虑到一般设备都有一定的过载能力，通过的过载电流越小，允许的时间越长，过载电流与允许工作时间为反时限特性。可以采用的IEC四种反时限特性方程

4 结论

本文基于STM32F103平台研究，实现了交流综保的测量算法和保护逻辑，并得到了样机验证，可控性和稳定性良好，具有重大的工程应用价值。

[1] STM32F10x微控制器参考手册.2008.

[2] 罗士萍. 微机保护实现原理及装置[M]. 北京：中国电力出版社，2001.

Implementation for Measurement Algorithms and Protection Logic of AC Relay Based on STM32F103

Li Junzheng1, Wang Ya2

(1. Naval Representatives Office in Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China )

TN710

A

1003-4862（2015）01-0073-04

2014-11-18

李军政(1977)，男，工程师。研究方向：电器控制。