基于STM32F103R8T6的數字式量度繼電器設計與應用
景沈鋒1 姚 波2 湯建軍2
（1中煤西安設計工程有限責任公司 陜西西安 710054）
（2上海安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）
摘 要：數字式量度繼電器具有測量精確、設定簡單、保護功能多、速度快等優點，是傳統的電磁、靜態繼電器理想的替代產品。本文詳細介紹了基于STM32F103R8T6的數字式量度繼電器的總體設計方案。該產品能針對不同的對象在實際使用中遇到的多種故障進行保護，使被保護的對象在故障狀態下不會產生損壞，提高可靠性，減少損失。
0 引言
在電力及工業自動化控制系統中，常用各種類型的繼電器應用于需要進行狀態監控的場合，作為保護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繼電器，完全采用模擬電路設計，參數設置、整定值設定都采用旋鈕調節，采用此方式設置精度低、誤差大、保護功能單一，不帶有顯示裝置，用戶無法從繼電器上得知當前各種電參量，且無法組網實現智能化網絡化。
另有一類為多功能綜合性保護型繼電器，如南京因泰萊的PA100系列綜合數字繼電器、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裝置，此類型的繼電器功能強大，集保護、測量、控制、監測、通訊等多種功能于一體，是高端的電力系統自動化硬件裝置，但在許多要求簡單的應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字式量度繼電器（ASJ系列數字式量度繼電器）的設計和應用，該繼電器功能上除了具有傳統靜態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，實時測量并顯示當前電參量的值，相當于在智能電測儀表的基礎上增加了保護繼電器的功能。
1 繼電器的硬件設計
本數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）。
圖1 硬件電路框圖
1.1 主控CPU
本量度繼電器的CPU采用ST公司的基于ARM最新Cortex-M3架構內核的32位處理器STM32F103R8T6，時鐘頻率最高可達72MHz，內置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，具有極高的性價比。
1.2 電源
電源是一臺設備能否正常、穩定、可靠工作的關鍵部分，該繼電器采用本公司常用的通用開關電源模塊。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。輸出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％。具有過壓、過流保護。該模塊經實際現場使用，具有很高的穩定性、可靠性和抗干擾能力。
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、電壓等電量信號進行隔離，提高系統的安全性和可靠性。采樣信號經放大電路放大后進行A/D轉換。圖2。
圖2 信號采集電路
1.4 人機交互單元
人機交互單元采用LED顯示和按鍵輸入，系統采用單排四位LED數碼管顯示各種信息。用戶可根據實際需要進行設置。在編程狀態下顯示菜單及參數。數碼管顯示采用動態掃描方式，其驅動電路使用一片74HC595加三極管構成。
1.5 RS485通訊接口
通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規約，能實現遙測、遙控、遙信等功能，見圖3。
圖3 通訊電路原理圖
1.6 繼電器輸出接口
繼電器輸出接口（圖4）是動作的執行機構，當出現故障時，繼電器便會產生動作，發出報警或脫扣信號。
圖4 繼電器輸出原理圖
2 軟件設計
由于本量度繼電器采用數字電路，核心元件采用的是32位單片機，運算速度快（時鐘頻率72MHz），保護算法都由軟件實現，因此，由同一電參量引申而出的保護功能可集成于一體（如測量三相電流可實現過載、欠載、不平衡、斷相、相序等多種保護），不像靜態繼電器那樣，不同的保護功能需要不同的模擬電路來實現，導致單個靜態繼電器往往只有一種保護功能。
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