一种基于STM32的智能准同期装置的研制

高建民

(天津同阳科技发展有限公司 天津 300384)

0 引 言

发电站执行并网的主要设备为同期装置。随着我国电力工业持续快速发展，发电站装机容量不断增大，机组自动化控制系统技术日益提高，一些新技术不断涌现。最初同期操作采用手动，而后出现模拟技术自动同期设备，现在则是微处理器控制自动同期设备比较常见。现有许多微机自动同期装置的 CPU为16位甚至 8位单片机，性能较低，功能也比较单一。STM32F407是高性能 32位 ARM 芯片，采用了Cortex-M4内核。M4内核同时具有 32位处理器和DSP硬核，具有非常高的运算速度和数据处理能力。同时，该芯片还具有丰富的外部接口和应用库函数，应用十分方便。将 STM32F407用于自动准同期装置中，将使装置的性能得到极大提升。

1 设计原理

电站并网过程被称为同期过程[1]。并网时，电网和发电机两端需要满足 3个条件：频率相等、电压相等、相位相等[2]。同期过程就是由同期装置对机端和系统端的电压、频率和相位三者进行测量、比较，然后调节发电机，使其满足同期操作的前 2个要素，并进而预测相位差为0的时刻，并使发电机和系统端在这一时刻合闸并网。

对于断路器，有一个重要参数叫合闸时间[3]，是指对其发出脉冲执行合闸操作，由分断切换到闭合之间所需的时间。因为断路器的工艺以及具体构造不尽相同，每个断路器的合闸时间也是不同的，所以合闸时间不能一概而论。因此，执行合闸指令的时刻需要比预测的同期时刻提前一段时间，这段时间被称为导前时间[3]。

在整个并网过程中，同期装置会实时计算该数据，计算得出当前的理想ϕK。在相位差φ=ϕK时刻，装置发出合闸指令。

图1 滑差波形示意图Fig.1 Diagram of slip waveform

2 硬件设计

2.1 STM32F407芯片

STM32F407是 ST公司的 Cortex-M4内核的高性能 MCU芯片，具有丰富的接口和强大的功能。因为内部含有 DSP硬核，强大的运算能力和速度保证了测量的精度和实时性。同时，该芯片还具有丰富的外部接口和应用库函数，应用十分方便。

2.2 系统原理

图2为系统原理图。采用交流采样的方式来测量电网侧和发电机侧的电压。先使用互感器对电网侧和发电机侧的交流信号进行降压，然后进行信号调理和滤波，得到稳定的 5V半边正弦模拟波形，分别输入到STM32F407的2路模拟量输入端口中进行AD采样和转换，测量两侧电压值。12位 ADC可以得到较高的信号转换精度。交流采样每周期得到32个电压瞬态数值，用傅立叶变换计算得出电压有效值。当系统侧和发电机侧电压和频率不符合预设条件时，发出降压、升压、减速或加速指令，对发电机进行调整，直至符合限定条件。

图2 系统原理图Fig.2 System principle diagram

同时，互感器输出电压电流信号经有源滤波处理，使波形更干净。再用比较器电路整形为方波，此方波通过锁相环电路(图3)进行32倍频次，输出AD采样触发脉冲。触发脉冲每周期为32次。STM32F407的输入捕获分别对两路方波进行测量和计时，两者之差即为所需相位差。通过预测相位差为 0的时刻，在合适时刻发出合闸指令。

图3 锁相环电路Fig.3 Schematic diagram of phase-locked loop

在通信电路设计上，设计了RS485，CAN和以太网3种通信方式。

CAN通信电路采用了ADI公司的Adum1201作为隔离器件；RS485通信电路采用了 ADI公司的Adum1301作为隔离器件。电路中设计了数据线和电源的双隔离，保证通信的可靠性。

STM32F407通过 SPI接口与网络芯片连接，连线少，PCB板占位小、成本低。以太网通信部分电路如图4所示。

图4 以太网电路Fig.4 Schematic diagram of Ethernet

另外，装置带有触摸显示屏，用来显示菜单、数据和进行相应的设置操作。设置、控制和监测都是通过主机人机界面实现。液晶模块不仅可以显示单一的图形和文本，而且可以实现多图层的合成显示效果。STM32F407通过 SPI口和显示模块进行连接。STM32 F407将数据和控制命令写到 Flash中，使之产生状态和显示的变化。

本方案中，对比度可以通过触摸屏操作进行分档调节。STM32 F407通过3个I/O口调节数字电位器的阻值，进而通过模拟放大电路对显示屏的对比度调节电压进行调节，达到调节液晶对比度的作用。液晶对比度调节电路如图5所示。

图5 液晶对比度调节电路Fig.5 Schematic diagram of LCD contrast control

3 软件设计

编写了设备的嵌入式程序。RS485通信协议采用了 MODBUS-RTU 协议，波特率为 9600kbps，采用偶校验。以太网采用了标准TCP/IP协议。CAN采用了 CANopen协议，波特率为 500kbps。另外，同期算法部分是软件的核心和难点之一。同期程序流程如图6所示。接到执行同期操作的指令之后，主控先从固定存储空间中读出预设的参数，并作为执行操作过程中的判断依据。实时采集双侧的电压、频率、相位数据，并向靠近预设参数的方向进行调速或调压调整。调整过程中，如果△U和△ f不符合条件，将持续进行数据采集和调整；如果△U和△f数据接近预设条件，则进入相位差预测程序，根据△φ相位差的变化规律来智能预测导前时间。在合适的时机，发出信号执行合闸操作。如果合闸执行过程中，相位差或其他参数发生异常，将中止合闸操作，返回重新进行调整。通过智能预测，使合闸时机最优化。

图6 程序流程图Fig.6 Program flow chart

4 结 语

目前，基于 STM32的智能准同期装置产品已经量产，并在众多电站安装和使用，效果良好。32位CPU及 DSP内核的使用，使一些复杂和更有效的算法得到实施，将同期过程的合闸角预测精度大大提高。经验证，该自动准同期装置能够满足功能和性能要求，并且同期速度快、通讯功能完善、精度高，和现有自动准同期装置相比，具有明显优势。