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行業(yè)產(chǎn)品

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江蘇安科瑞電器制造有限公司


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商鋪產(chǎn)品:496條

所在地區(qū):江蘇無錫市

聯(lián)系人:蔣超萍 (銷售工程師)

技術(shù)文章

基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器設(shè)計與應(yīng)用

閱讀:454發(fā)布時間:2016-1-14

安科瑞 邱紅

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇 江陰 214405

0 引言

在電力及工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中,常用各種類型的繼電器應(yīng)用于需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控的場合,作為保護(hù)的閉鎖動作元件或啟動元件。目前,大部分用于此類場合的繼電器都為靜態(tài)繼電器,*采用模擬電路設(shè)計,參數(shù)設(shè)置、整定值設(shè)定都采用旋鈕調(diào)節(jié),采用此方式設(shè)置精度低、誤差大、保護(hù)功能單一,不帶有顯示裝置,用戶無法從繼電器上得知當(dāng)前各種電參量,且無法組網(wǎng)實現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)化。

另有一類為多功能綜合性保護(hù)型繼電器,如南京因泰萊的PA100系列綜合數(shù)字繼電器、ABB的615系列繼電器,此類型繼電器名稱上為繼電器,其實為多功能繼電保護(hù)裝置,此類型的繼電器功能強大,集保護(hù)、測量、控制、監(jiān)測、通訊等多種功能于一體,是的電力系統(tǒng)自動化硬件裝置,但在許多要求簡單的應(yīng)用場合使用此類繼電器則存在使用成本高,功能浪費等缺點。

本文將要介紹的是一款數(shù)字式量度繼電器(ASJ系列數(shù)字式量度繼電器)的設(shè)計和應(yīng)用,該繼電器功能上除了具有傳統(tǒng)靜態(tài)繼電器具有的特點外,還兼具了方便靈活和智能的特點,具有保護(hù)功能較多,靈敏度高,動作時間整定靈活,過欠模式同機整定,實時測量并顯示當(dāng)前電參量的值,相當(dāng)于在智能電測儀表的基礎(chǔ)上增加了保護(hù)繼電器的功能。

1 繼電器的硬件設(shè)計

本數(shù)字式量度繼電器的硬件電路包括主CPU芯片、電源、信號采集電路、人機交互單元、RS485通訊接口及繼電器輸出接口(圖1)。

1.1 主控CPU

本量度繼電器的CPU采用ST公司的基于ARMCortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F103R8T6,時鐘頻率zui高可達(dá)72MHz,內(nèi)置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個16位定時器、3路USART通訊口等多種資源,具有*的性價比。

1.2 電源

電源是一臺設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分,該繼電器采用本公司常用的通用開關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC85V~265V,輸入頻率45Hz~60Hz,具有多路隔離電壓輸出,滿足多種功能對不同供電電壓的要求。輸出電壓穩(wěn)定、故障率小,輸出紋波 <1%。具有過壓、過流保護(hù)。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用,具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗*力。

1.3 信號采集電路

信號采集電路采用互感器隔離輸入,將電流、電壓等電量信號進(jìn)行隔離,提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。采樣信號經(jīng)放大電路放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖2。

1.4 人機交互單元

人機交互單元采用LED顯示和按鍵輸入,系統(tǒng)采用單排四位LED數(shù)碼管顯示各種信息。用戶可根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)置。在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)。數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式,其驅(qū)動電路使用一片74HC595加三極管構(gòu)成。

1.5 RS485通訊接口

通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規(guī)約,能實現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能,見圖3。

1.6 繼電器輸出接口

繼電器輸出接口(圖4)是動作的執(zhí)行機構(gòu),當(dāng)出現(xiàn)故障時,繼電器便會產(chǎn)生動作,發(fā)出報警或脫扣信號。

2 軟件設(shè)計

2.1程序設(shè)計

由于本量度繼電器采用數(shù)字電路,核心元件采用的是32位單片機,運算速度快(時鐘頻率72MHz),保護(hù)算法都由軟件實現(xiàn),因此,由同一電參量引申而出的保護(hù)功能可集成于一體(如測量三相電流可實現(xiàn)過載、欠載、不平衡、斷相、相序等多種保護(hù)),不像靜態(tài)繼電器那樣,不同的保護(hù)功能需要不同的模擬電路來實現(xiàn),導(dǎo)致單個靜態(tài)繼電器往往只有一種保護(hù)功能。

本繼電器的軟件設(shè)計主要包括計算、保護(hù)、顯示、按鍵、通訊等各種功能子程序。其中計算子程序主要用于進(jìn)行信號的采集和運算,實時測量保護(hù)對象的電參量;保護(hù)子程序主要集成有各種保護(hù)算法,將測量得到的各種參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的值來進(jìn)行對比,來確定是否有故障出現(xiàn),及時進(jìn)行保護(hù);顯示、按鍵子程序用于人機交互;通訊子程序則用于將各種參量通過通訊接口遠(yuǎn)傳給后臺控制系統(tǒng)。

由于程序內(nèi)容較多,現(xiàn)給出主程序流程(圖5)和保護(hù)子程序流程圖(圖6)。

2.2 過采樣

在本產(chǎn)品設(shè)計時,便定位于既可作為保護(hù)繼電器使用,又可作為低壓電測儀表使用,因此要求本產(chǎn)品的測量精度要高,但出于成本上的考慮,采用主控芯片STM32F103R8T6內(nèi)部自帶的12位AD,為實現(xiàn)高精度的測量,需要在采樣上使用過采樣的技術(shù)。根據(jù)奈奎斯特定理可得,每增加一位分辨率,信號必須被以4倍的速率過采樣: 其中,w是希望增加的分辨率位數(shù), 是初始采樣頻率要求, 是過采樣頻率。根據(jù)此公式,在采樣時將采樣頻率提高256倍,即將分辨率位數(shù)提高4位,達(dá)到了16位的分辨率。采用此方法后,本產(chǎn)品的測量精度達(dá)到0.5級,*可以滿足作為測量型儀表的要求。由于CPU的速度很快,因此不會因為采用過采樣后,采樣點和運算量的增加而導(dǎo)致保護(hù)速度不夠。

3 性能測試

3.1 測量精度的測試(電流型)

試驗裝置由圖7所示,信號發(fā)生源采用深圳科陸公司的RTU檢定裝置CL301V2-R,精度等級0.05。由CL301V2-R輸出三相交流電流來測試ASJ的測量精度,測試結(jié)果見表1。

由GB/T22264.1-200《安裝式數(shù)字顯示電測量儀表》第1部分:定義和通用要求中5.2 基本誤差的計算方法,結(jié)合表1測量數(shù)據(jù)可得,精度等級能夠滿足0.5級。

計算公式如下:

儀表的基本誤差不應(yīng)超過公式(1)表示的測量值的誤差 。

(1)

式中: -被測量的讀數(shù)值;

-被測量的滿度值;

-與讀數(shù)值有關(guān)的誤差系數(shù);

-與滿度值有關(guān)的誤差系數(shù);

公式(1)中應(yīng)滿足如下關(guān)系:

3.2動作誤差測試(電流型)

繼電器的動作誤差是一項重要的指標(biāo),因此,需要使用的繼保測試儀來對ASJ的動作時間誤差進(jìn)行測試。

這里使用“ZS-740微機繼電保護(hù)校驗儀”來測試ASJ的動作誤差時間,測試結(jié)果見表2。

表2

其中各項功能的延時時間是可任意設(shè)定的,報警和脫扣是2個獨立的繼電器輸出。由上圖可以看出,動作時間的誤差都在±50ms以內(nèi)。

4 產(chǎn)品特點

ASJ系列數(shù)字式量度繼電器在結(jié)構(gòu)上采用DIN35mm導(dǎo)軌安裝式和96mm×48mm外型嵌入安裝式兩種方式。該為數(shù)字式繼電器,實時采樣三相交流電量、采用真有效值的計算方法,在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了較高精度的測量。集成有多種保護(hù)功能,僅需簡單選擇即可實現(xiàn)保護(hù)的投入或退出、報警或跳閘;精度高、功耗小、動作快、返回系數(shù)高、無抖動。本產(chǎn)品集低壓電測儀表功能和量度繼電器功能于一體,是傳統(tǒng)的靜態(tài)繼電器的理想替代方案。產(chǎn)品符合GB/T14598量度繼電器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和GB/T22264安裝式數(shù)字顯示電測量儀表中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

按功能可分為電流、電壓、頻率等多種類型,主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3

5應(yīng)用案例

ASJ系列量度繼電器因其具有很寬的頻率測量范圍(20Hz~70Hz內(nèi)都能準(zhǔn)確測量),較高的測量精度及多種保護(hù)功能集于一體的特點,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種場合。

圖8為本產(chǎn)品應(yīng)用于某柴油發(fā)電機上用于對柴油發(fā)電機的欠、過壓進(jìn)行保護(hù)的圖。由于柴油發(fā)電機的輸出電壓與其轉(zhuǎn)速有關(guān),因此要求測量柴油發(fā)電機輸出電壓的裝置具有較寬的頻率測量范圍,在本應(yīng)用案例中,柴油發(fā)電機的欠壓點為230VAC(對應(yīng)23Hz),額定460VAC(對應(yīng)50Hz),過壓點530VAC(對應(yīng)55Hz),而采用的ASJ10-AV3電壓型量度繼電器的測量頻率范圍為20Hz~70Hz,在此頻率范圍內(nèi),能夠準(zhǔn)確測量出電壓值,完夠滿足此場合的使用要求。其工作流程為:ASJ10-AV3測量柴油發(fā)電機組的輸出電壓,并將此電壓與預(yù)先設(shè)定的欠壓、過壓值進(jìn)行比較,一旦出現(xiàn)測量值超出限值,則進(jìn)入故障延時,延時時間到但故障狀態(tài)未解除則報警或脫扣繼電器動作,發(fā)出告警信號或直接停掉柴油發(fā)電機,從而起到保護(hù)柴油發(fā)電機穩(wěn)定運行的作用。

圖9為本產(chǎn)品應(yīng)用于電動機上用于對電動機運行過程中出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行保護(hù)的圖。在電動機運行中,常出現(xiàn)的故障主要有過載和斷相,而對過載的保護(hù)又分為定時限、反時限、速斷等多種。在本應(yīng)用案例中,ASJ10-AI3能夠提供欠載、過載(定時限、反時限、速斷)、不平衡、斷相等多種保護(hù)功能。其工作流程為:ASJ10-AI3測量電動機供電電路中的電流值,并將此電流值與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較,一旦出現(xiàn)測量值超出限值,則進(jìn)入故障延時,延時時間到但故障狀態(tài)未解除則報警或脫扣繼電器動作,發(fā)出告警信號或斷開接觸器KM使電動機停止運行,從而起到保護(hù)電動機的作用。

6結(jié)語

ASJ系列數(shù)字式量度繼電器采用*的設(shè)計方案,能夠針對不同的使用場合提供多種保護(hù)方式,產(chǎn)品穩(wěn)定可靠,是靜態(tài)模擬繼電器的理想替代產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 江蘇安科瑞電器制造有限公司,ASJ系列量度繼電器選型手冊,2012。

[2] 中國電力出版社,電工與電子技術(shù),1999。

[3] 任志程,周中,電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南,中國電力出版社,2007

作者簡介:

邱紅(1990-),女,漢族,工程師,主要研究方向為智能建筑供配電監(jiān)控系統(tǒng)


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