基于STM32的智能高压综合保护器的设计

陈富，周梓发， 涂虬 ，徐小倩

(上饶师范学院 物理与电子信息学院，江西 上饶 334001)

随着煤矿现代化和自动化程度的不断提高, 对煤矿供电系统自动化、智能化的要求也越来越高。高压防爆开关综合保护是煤矿井下高压供电系统终端的主保护[1]，目前井下高压馈电开关保护器的方案比较多，但其存在的不足之处是灵敏度、可靠性和准确性易受到外部条件的影响，难以适应复杂的井下工作环境，且整体性能不高, 特别是操作不方便、升级改进也比较困难， 这些都不能满足井下高压供电系统自动化发展的需求[2]。因此要求综合保护具有强的实时性、高的可靠性、可扩展性、更强的网络通信能力及更友好的人机交互界面。这不仅对硬件要求高, 而且对软件设计要求也不断增加[3]。本文介绍一种基于STM32为控制核心，采用模块化硬件设计，移植uC/OS-III实时操作系统的智能高压综合保护器。实践证明：该保护器高精度，高实时性，高可靠性，能大大提升高压供电系统的稳定性，确保煤矿作业的安全性。

1 智能高压综合保护器的硬件设计

1.1 智能高压综合保护器模块框架

智能高压综合保护器为了方便安装以及模块的灵活性，将保护器分为：电源模块，端子模块，控制模块，显示模块。其中电源模块，端子模块，控制模块通过内部引线封装在一个壳体中为主控模块，主控模块通过一个4芯(通讯口)，一个4芯(显示屏接口)，一个26芯(电源，信号接口)航空连接器与外部连接。显示模块通过四芯连接器(显示屏接口)与主控模块连接，同时使用端子接收外部DI(按键信号)输入。其模块框架图如图1所示。

图1 智能高压综合保护器框架图

1.2 电源模块原理框图

电源模块采用插装AC-DC模块电源，将输入信号为110 V交流电源的A相和B相，生成+24 V电源并将其通过电源转换芯片产生+5 V电压。同时备用电源采用9个相同的电路串联，对插装电容充电产生备用电源，供继电器输出-分励输出使用。其原理框架图如图2所示。

1.3 端子模块原理框图

端子模块接收来自壳体上26芯连接器的信号。包括均值为0-130 VAC的三相电压，均值为0-100 VAC的零序电压。保护电流输入0-60 A，测量电流输入0-6 A的信号。通过不同的互感器转化为小信号，以提供给控制模块进行测量。其原理框架图如图3所示。

1.4 控制模块原理框图

控制模块采用STM32F103VCT6处理芯片，接收三个线电压(UAB、UBC、UCA)、零序电压(U0)、零序电流(I0)、保护电流(IA1、IC1)、测量电流(IA2、IC2)，附加直流漏电测量信号，热电阻测量信号(温度测量，热电阻和温度传感器可选)、电度芯片CS5463的电度信号。接收6路开关量信号输入(包括2备用)，输出6路继电器(包括2备用，继电器具有输出回读功能，复位继电器状态不变)。同时通过RS485与外部进行通信，通过RS232与液晶模块通信。

1.5 显示模块原理框图(图5)

液晶模块采用独立的STM32F101芯片和一块通用128×64的LCD显示屏，可以完成更好的人机图形交互功能。通过四路DI通道来接收上移下移复位确认指令，对屏幕进行操作。从控制模块上引入+24 V电源，并通过RS232接口与控制模块上的STM32F103芯片通信和对LCD灯进行显示。采用标准Modbus RTU协议保证通信的准确性和稳定性。

图4 控制模块原理框图 图5 显示模块原理框图

为了操作的简易，配备红红外接收模块接收红外发射二极管发出的信号，发送串行数据到STM32F101。由STM32F101对数据进行解析。可通过遥控器对模块进行操控，大大提高了了人机交互的简易性。

2 软件系统设计

智能高压综合保护器中主控模块的STM32F103芯片通过DMA方式进行A/D采集现场的模拟信号,经过FFT计算得到所要的模拟信号，IO口采集现场DI数字量输入信号经过滤波得外部输入信号实现监控现场信息并保存相关参数；根据现场的信息，经过各种保护功能算法，控制DO输出继电器执行相关的保护功能。同时STM32F103通过DMA方式，以标准MODBUS RTU协议完成RS232与STM32F101，RS485与上位机的通讯，将现场信息传送给STM32F101与上位机，接受并保存STM32F101与上位机传递下来的用户参数设定。

为了满足保护器多任务的稳定运行，在支持丰富外设的高速STM32的Cortex-M3内核下，保护器采用基于uC/OS-III操作系统，由系统内核按优先级负责对每个任务进行管理和调度，实现对系统软件高效运行的合理管理。其软件结构设计图如图6所示[4]。

图6 软件系统设计框架

系统任务运行之前需要通过对STM32F103芯片的片上相关资源以及外围设备进行初始化，为系统软件的运行提供硬件基础。在系统初始化、系统任务创建之后，操作系统就通过信号量、互斥信号量、事件标志组和消息队列等4 种内核对象实现任务的通信、同步以及资源管理[5]。按照功能要求，操作系统对模拟量数据采集、串口通信数据的刷新和传输、数字量信号的采集、保护逻辑的判断、保护动作的执行、模拟量数据的处理、数据校准、读取电度和RTC时钟数据、保存设置和数据等任务进行协调管理，以确保相关保护的灵敏度，准确性，稳定性，同时实现数据测量的实时性和精准性。

3 实验结果

智能高压综合保护器具有过压、欠压、失压、过载、短路、漏电、绝缘/回路监视、温度、开关闭锁等保护功能，可模拟漏电和绝缘故障试验。并能测量和计算三相线电压、A和C相电流、零序电压和电流、有功和无功功率、功率因数，电度等值。同时可以通过液晶模块和RS485通信与外部进行参数的查看与设置。通过测试，其主要参数如表1所示。

表1 指标参数

4 结语

基于STM32的智能高压综合保护器适用于交流50 Hz、额定电压10 kV及以下电压等级的中性点不接地配、变电系统中，是为各系列矿用隔爆型高压配电装置设计的集保护、测控、通信为一体的装置。通过最后的实验数据和实时运行表明，该设备能有效提高保护的灵敏度，准确性，稳定性，同时实现了数据测量的实时性和精准性，推动煤矿用电设备向智能化，数字化，网络化的方向发展，提升了煤矿生产的安全可靠性。