继电器输出接口 - 基于STM32F103R8T6的数字量度继电器设计

1.6  继电器输出接口
　　继电器输出接口（图4）是动作的执行机构，当出现故障时，继电器便会产生动作，发出报警或脱扣信号。

图4　继电器输出原理图

2　 软件设计
　　由于本量度继电器采用数字电路，核心元件采用的是32位单片机，运算速度快（时钟频率72MHz），保护算法都由软件实现，因此，由同一电参量引申而出的保护功能可集成于一体（如测量三相电流可实现过载、欠载、不平衡、断相、相序等多种保护），不像静态继电器那样，不同的保护功能需要不同的模拟电路来实现，导致单个静态继电器往往只有一种保护功能。
2.1  程序设计
　　本继电器的软件设计主要包括计算、保护、显示、按键、通讯等各种功能子程序。其中计算子程序主要用于进行信号的采集和运算，实时测量保护对象的电参量；保护子程序主要集成有各种保护算法，将测量得到的各种参数与预先设定的值来进行对比，来确定是否有故障出现，及时进行保护；显示、按键子程序用于人机交互；通讯子程序则用于将各种参量通过通讯接口远传给后台控制系统。
　　由于程序内容较多，现给出主程序流程（图5）和保护子程序流程图（图6）。

图5　主程序流程图

图6　保护子程序流程图

2.2  过采样
　　在本产品设计时，便定位于既可作为保护继电器使用，又可作为低压电测仪表使用，因此要求本产品的测量精度要高，但出于成本上的考虑，采用主控芯片STM32F103R8T6内部自带的12位AD，为实现高精度的测量，需要在采样上使用过采样的技术。根据奈奎斯特定理可得，每增加一位分辨率，信号必须被以4倍的速率过采样：f_os=4^w×f_s  。其中，w是希望增加的分辨率位数，f_s是初始采样频率要求，f_os是过采样频率。根据此公式，在采样时将采样频率提高256倍，即将分辨率位数提高4位，达到了16位的分辨率。采用此方法后，本产品的测量精度达到0.5级，完全可以满足作为测量型仪表的要求。由于CPU的速度很快，因此不会因为采用过采样后，采样点和运算量的增加而导致保护速度不够。

3　 性能测试
3.1  测量精度的测试（电流型）

图7

　　试验装置由图7所示，信号发生源采用深圳科陆公司的RTU检定装置CL301V2-R，精度等级0.05。由CL301V2-R输出三相交流电流来测试ASJ的测量精度，测试结果见表1。

表1

DK输出值	ASJ显示值
0.100A	0.099A
1.000A	0.999A
5.000A	4.999A
10.000A	9.999A

　　由GB/T22264.1-200《安装式数字显示电测量仪表》第1部分：定义和通用要求中5.2 基本误差的计算方法，结合表1测量数据可得，精度等级能够满足0.5级。
　　计算公式如下：
　　仪表的基本误差不应超过公式（1）表示的测量值的绝对误差△。

　　　　

　　式中： U_x－被测量的读数值；
　　　　　 U_m－被测量的满度值；
　　　　　 a－与读数值有关的误差系数；
　　　　　 b－与满度值有关的误差系数；

　　公式（1）中应满足如下关系：a≥4b