冯 帆王文博（.国网郑州供电公司，河南 郑州 450000；.郑州华力信息技术有限公司，河南 郑州 450000）

STM32的微机保护测控一体化装置的研究

冯 帆1王文博2
（1.国网郑州供电公司，河南 郑州 450000；2.郑州华力信息技术有限公司，河南 郑州 450000）

本文设计并实现了一种微机保护测控一体化装置，以STM32F103ZE作为主控芯片，与16位高精度AD转换芯片AD7606配合，设计了微机保护测控装置的硬件构成和软件程序，实现了微机继电保护测控一体化装置的功能。该设计具有功能完善、运行可靠、测量精度高、硬件通用性强、可扩展性高的优点，并具有串口和网口多种类型通讯接口接入系统主站或子站，有着广阔的应用前景和较强的市场竞争力。

STM32；AD7606；微机继电保护；测控一体化

1 前言

微机保护装置是保障电网可靠运行的重要组成部分，广泛使用在变配电站和断路器上。将STM32F增强型微控制器丰富的外设功能和AD706的高精度采集功能相结合，应用到微机保护测控装置的设计中，简化装置外围硬件设计，提高装置测量精度和保护功能运行可靠性、稳定性。

2 整体结构设计

微机保护测控一体化装置采用4U 1/2后插拔式铝合金机箱。整体功能分为以下几个功能模块单元：电源模块、人机接口模块、总线处理模块、控制回路处理模块、CPU主控模块、交流采样模块。各功能模块通过总线处理模块与CPU主控模块进行信息交互。

系统结构图如图1所示。

3 硬件设计

3.1 电源模块

采用经EMC检测合格的开关电源；

电源输入：AC/DC 85-265V；

电源输出：DC 5V，DC ±12V，DC 24V。

3.2 CPU主控模块

整个装置的核心处理单元，采用STM32F103ZE作为主控芯片，利用其丰富外设实现AD转换和计算、开入开出控制、定值及故障存储、时钟处理、串口通讯和网口通讯等功能。

3.2.1 STM32F103ZE主控芯片

STM32F103ZE是一款由意法半导体ST公司生产的高性能的ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM），并具有丰富的增强I/O端口和外设。

3.2.2 AD采样处理

AD采样处理部分采用两片AD7606转换芯片，通过SPI接口与STM32进行通信，由主芯片控制AD采样过程，每周波采集64点。

3.2.3 开入开出控制

STM32F103ZE具有112个增强型通用IO端口，且所有IO端口均兼容CMOS和TTL电平。每个IO可随意配置为输入或输出，输出电流高达8mA且可吸收20mA以上输入电流。

3.2.4 通讯功能

采用STM32F103ZE的2路USART接口辅以串口转换芯片构成2路RS485通信通道实现串口通讯功能；利用SPI接口扩展以太网控制芯片ENC28J60，辅以HR901170A实现1路以太网通讯功能。

3.3 总线处理模块

采用欧品接插件实现各功能模块单元间的信号接口，对不同等级电压进行隔离处理，强弱电分开。

3.4 控制回路处理模块

实现断路器控制回路基本功能，如保护分合闸、手动分合闸、遥控分合闸、电气防跳等；同时实现跳闸、告警等不同类型的信号输出功能。采用启动继电器和动作继电器结合设计，提高装置可靠性。

3.5 交流采样模块

采用隔离电抗变换器对交流输入信号进行隔离转换，将输入信号转换为0-5V交流信号经总线处理模块接入AD处理单元，设计采样路数为16路。

3.6 人机接口模块

由一片小容量STM32F控制器与CPU主控芯片经串口通讯进行信息交互，利用其外设扩展外围电路，实现6个按键输入、128*64液晶显示和8个LED信号指示。

4 软件设计

交流采样算法有多种多样，装置采用快速傅氏变换（FFT）。傅氏算法对谐波具有良好的滤波作用，基波的计算精度也相当高，并且在STM32中集成了硬件乘法器，相乘累加在重复命令下都是单周期指令，因此，本设计采用STM32实现FFT。

（1）初始化程序

完成装置功能所需要的硬件外设初始化和软件数据的初始化，主要包括系统时钟初始化、IO端口初始化、I2C/ USART/SPI接口初始化、中断配置、定值及重要变量初始化等。

（2）采样中断服务程序

通过STM32F103ZE内部定时器图1 系统结构图中断启动A/D转换，设定初始采样频率3.2kHz，即312.5us启动一次A/D。AD7606的A/D转换完成后，由SPI接口经DMA通道读取采样数据。采样中断服务程序主要完成AD采样控制和采样数据读取存储。

（3）保护测量计算程序

采用快速傅里叶变换（FFT）对采样数据进行计算处理，得出当前实时电量信息，作为保护处理的依据。

（4）保护功能处理程序

根据当前实时电量和状态信息，按预定逻辑实现不同类型的保护功能处理，并根据实际情况进行状态更新和故障信息处理。

（5）装置通讯中断服务程序

按照预定通讯协议（Modbus/101/ 104）处理与主站后台系统通讯信息，完成与后台系统信息交互。

结语

设计中采用STM32F系列ARM内核32位高性能微控制器和16位高精度AD转换器，大大简化了微机保护测控装置的外围硬件电路设计，缩短了开发周期，提高了装置测量精度和运行的可靠性和稳定性。采用模块化设计，考虑到各种类型保护装置的配置要求，硬件通用性好，互换性强，便于维护和检修。

[1]罗钰玲.电力系统微机继电保护[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2]张举.微型机继电保护原理[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[3]ST.STM32F系列ARM内核32位高性能微控制器参考手册V10_1[Z].

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