数字电路实验箱继电器

摘 要：数字式量度继电器具有测量精确、设定简单、保护功能多、速度快等优点，是传统的电磁、静态继电器理想的替代产品。本文详细介绍了基于STM32F103R8T6的数字式量度继电器的总体设计方案。该产品能针对不同的对象在实际使用中遇到的多种故障进行保护，使被保护的对象在故障状态下不会产生损坏，提高可靠性，减少损失。关键字：数字式、量度继电器、保护Abstract: The digital measurement relay which has many merit, such as exactitude measurement setting simple, many protect function, speed quick and so on, is the traditional electromagnetism, the static relay ideal substitution product. This article introduced in detail based on the STM32F103R8T6 digital measurement relay's overall project design. this Relay have many protect functions for protecting the objects which using in the errors, to make the objects not damaged in the state of errors, increase the reliability, decrease the loss.Keyword: Digital,Measurement Relay,Protect 0　 引言　　在电力及工业自动化控制系统中，常用各种类型的继电器应用于需要进行状态监控的场合，作为保护的闭锁动作元件或启动元件。目前，大部分用于此类场合的继电器都为静态继电器，完全采用模拟电路设计，参数设置、整定值设定都采用旋钮调节，采用此方式设置精度低、误差大、保护功能单一，不带有显示装置，用户无法从继电器上得知当前各种电参量，且无法组网实现智能化网络化。　　另有一类为多功能综合性保护型继电器，如南京因泰莱的PA100系列综合数字继电器、ABB的615系列继电器，此类型继电器名称上为继电器，其实为多功能继电保护装置，此类型的继电器功能强大，集保护、测量、控制、监测、通讯等多种功能于一体，是高端的电力系统自动化硬件装置，但在许多要求简单的应用场合使用此类继电器则存在使用成本高，功能浪费等缺点。　　本文将要介绍的是一款数字式量度继电器（ASJ系列数字式量度继电器）的设计和应用，该继电器功能上除了具有传统静态继电器具有的特点外，还兼具了方便灵活和智能的特点，具有保护功能较多，灵敏度高，动作时间整定灵活，过欠模式同机整定，实时测量并显示当前电参量的值，相当于在智能电测仪表的基础上增加了保护继电器的功能。1　 继电器的硬件设计　　本数字式量度继电器的硬件电路包括主CPU芯片、电源、信号采集电路、人机交互单元、RS485通讯接口及继电器输出接口（图1）。1.1 主控CPU　　本量度继电器的CPU采用ST公司的基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器STM32F103R8T6，时钟频率最高可达72MHz，内置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源，具有极高的性价比。1.2 电源 　　电源是一台设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分，该继电器采用本公司常用的通用开关电源模块。该电源模块输入电压为AC85V～265V，输入频率45Hz～60Hz，具有多路隔离电压输出，满足多种功能对不同供电电压的要求。输出电压稳定、故障率小，输出纹波 1％。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。1.3 信号采集电路　　信号采集电路采用互感器隔离输入，将电流、电压等电量信号进行隔离，提高系统的安全性和可靠性。采样信号经放大电路放大后进行A/D转换。图2。1.4 人机交互单元　　人机交互单元采用LED显示和按键输入，系统采用单排四位LED数码管显示各种信息。用户可根据实际需要进行设置。在编程状态下显示菜单及参数。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成。1.5 RS485通讯接口　　通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能，见图3。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。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）。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：fos=4w×fs 。其中，w是希望增加的分辨率位数，fs是初始采样频率要求，fos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）　　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1DK输出值ASJ显示值0.100A0.099A1.000A0.999A5.000A4.999A10.000A9.999A　　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： Ux－被测量的读数值；　　　　　 Um－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≥4b3.2 动作误差测试（电流型）　　继电器的动作误差是一项重要的指标，因此，需要使用专用的继保测试仪来对ASJ的动作时间误差进行测试。　　这里使用“ZS-740微机继电保护校验仪”来测试ASJ的

数字技术和相关专业的不断发展，继电保护技术也有了很大发展，如静态继电器在电力系统中的应用，其中数字式时间继电器作为基础元件，已广泛应用于各种继电保护及自动控制回路中，使被控制设备或电路的动作获得所需延时，并用以实现主保护与后备保护的选择性配合。时间继电器：(1)交流频率50Hz，额定控制电源电压AC380V及以下(2)直流额定控制电源电压DC220V及以下(3)自动控制电路中作时间控制元件，按预定的时间接通或断开电路标准：JB/T 9568特点：(1)本系列产品主要由整流稳压器、振荡/分频/计数器、电子开关、电位器及执行继电器等组成的 “元器件组合”部件和外壳等部件组成(2)本系列产品延时整定机构操作方便，并有合适的操作力。电位器旋转时手感平滑，并有适当强 度和旋转力矩。表示整定时间的刻度盘清晰、易读 数字继电器： 数字式时间继电器用于继电保护，首先用于替换电磁型和晶体管型时间继电器。它可缩短过流保护的级差，减少维护量，提高保护的动作正确率。保护了主系统及主设备的安全稳定运行。由于它具有精度高、稳定性好、整定方便、直观、改变定值无需进行校验、整定范围宽等特点，深受用户的欢迎。由此数字式时间继电器在电力系统中得到广泛应用。 但近几年，数字式时间继电器在电力系统中多次出现误动，给用户造成很大的损失。误动的原因如系统环境差、使用维护问题、产品质量问题、器件损坏、抗干扰性能差等等原因，但最难处理的问题是数字式时间继电器抗干扰性能差，本文在此针对数字式时间继电器抗干扰性能方面，提出了自己的看法，供参考。 1提高抗干扰能力方法 1.1干扰的主要来源 在电力系统运行中的继电器受到干扰主要是电磁干扰，来源有以下几种 (1)直流低压回路断开电感性负载(如接触器、中间继电器等)或电磁型电流、电压继电器触点抖动时，常会产生快速瞬变脉冲组电波; (2)高压变电所临近高压电器设备操作时产生的感应干扰; (3)移动电话、携带式步话机和相邻或附近设备发生的调频电磁波及电弧放电时产生的高频电磁辐射; (4)设备中脉冲电路、时钟回路、开关电源、收发讯机等通过空间传播的电磁能量; (5)带电荷的操作人员触及到设备的导电部件时产生放电。 1.2电磁干扰的传播方式 电磁干扰的传播方式主要有两种形式，即传导和辐射。传导是通过导线以电流或电压的形式作用在继电器上。辐射是通过空间以电磁场的形式作用于继电器上。对于数字式时间继电器主要的传导路径为电源线。因此抑制传导干扰的主要部分在数字式时间继电器的电源部分。 1.3提高抗干扰的措施 根据电磁干扰的来源和干扰方式及数字式时间继电器的工作特点，对数字式时间继电器提高抗干扰能力采用的措施主要从以下方面进行解决。 (1)电源输入端增加EMI滤波器。EMI滤波器是一种低通滤波器，由无源元件构成的多端口网络。它不仅能衰减由传导传播干扰方式引起的干扰，同时也对辐射干扰方式的干扰有显著的抑制作用。这样的滤波器对于低频(20—100kHz)特别有效。再通过选用合适的铁氧体材料铁芯，它的抑制频率范围可增大到400MHz。 由于数字式时间继电器的体积小，受结构的限制，成型的EMI滤波器一般体积较大，不适用。 而继电器工作频率不高，设计及工艺相对要求不高，同时也可降低成本，因此在电路里直接设计出EMI滤波器是非常可行的。 配件经严格筛选，可选到接近理想状态，但实际上存在偏差。 滤波器中介质电容、电感均可改变，适当变化期间的耦合，对于线路开关、接触器、执行机构，触点抖动产生的瞬变干扰能起到充分的抑制作用。 (2)数字电路抗干扰一般措施 ①时钟频率应在工作允许的条件下选用最低的;②必须对电源线，控制线去耦以防止外部干扰进入;③每个集成电路的电源与地之间要加去耦电容。要求电容的高频性能好;④在速度不快的信号线上加去耦电容。 (3)合理设计印刷电路板①印刷板上的电源与地线要呈“井”字形布线，以均衡电流，降低线路电阻;②布线时高、低压线分开，交、直流分开;③输入、输出线不要紧靠时钟发生器、电源线等电磁热线，不要紧靠复位线、控制线等脆弱信号线;④相邻板间交叉布线;⑤尽量减少电源线走线的有效包围面积，这样可以减少电磁耦合;⑥相邻层布线应互相垂直;⑦走线不要有分支，以防导致反射和产生谐波;⑧正确接入旁路电容。数字电路在工作时，电流突变较大，会产生很强噪声信号，应按图4在电源线上正确接入旁路电容;⑨接地点集中。 (4)合理配线①输入电源线与地线应尽量短;②板与板间的连线或接插件连线应尽量短。且线与线间分开;③配线时，电源线与触点引出线应分开;④正、负电源线应互相绞合，以降低共模干扰。 (5)采用新工艺①采用贴装技术采用表面贴装装封技术，可以显著减少由于器件的引线较长而产生的杂散寄生电容、电感，简化了屏蔽的设计，所以在很大程度上减少了电磁干扰和射频干扰。②采用多层线路板从2层印制电路板改为4层印制电路板，可大大改善发射和抗扰度性能。

为什么安全电路里需要安全继电器？安全继电器有强制导轨接点来防止NO和NC接点在接点熔敷时同时工作，这使得安全继电器自身就能检测接点熔敷。(有关强制导轨接点的信息请参考FAQ No.02481。)这可以用于组建安全电路。一般用途继电器没有强制导轨接点。(安全继电器和一般用途继电器之间的区别请参考FAQ No. 02435。)然而，即便使用安全继电器，取决于电路的构造，有些电路仍然存在危险，必须给予足够的重视。因为有些电路就是危险的，电源无法切断。利用电路里的强制导轨接点提供的熔敷检测功能来建立冗长性和自我监控功能，(冗长性的信息请参考FAQ No.02367)。例如，反馈电路被用来检测驱动电机的接触器里NO接点的熔敷。这在一定程度上能保障安全，因为即使接触器里的NO接点发生熔數，这个反馈电路也能防止安全继电器单元重新启动。但是，接触器数量需耍加倍。双倍接触器的连接示例(电路示例)请参考FAQ No. 02326。[color=#ffffff][b]文章转自：安全继电器 http://www.china-pilz.com[/b][/color]