基于單片機的船用發(fā)電機實時保護裝置設(shè)計

1 引言
水路運輸，特別是內(nèi)河中小型船舶運輸在全國交通網(wǎng)中占有不可或缺的地位。船舶的安全航行，離不開船舶發(fā)電機連續(xù)可靠供電的保證。船用發(fā)電機保護的主要內(nèi)容有：短路保護、過載保護、欠壓保護、逆功率保護。由于逆功率現(xiàn)象只在發(fā)電機并聯(lián)運行時形成，所以前3種保護組成了船用發(fā)電機保護的最小需求。短路故障發(fā)生時，需要在事件發(fā)生瞬間進行保護；而針對過載和欠壓現(xiàn)象，則需要進行一定延時確定事件確實發(fā)生，才進行預(yù)先設(shè)定的保護動作。因此，如何針對船用發(fā)電機設(shè)計可實時監(jiān)測并進行精準延時的保護裝置，就成了解決問題的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
所研究的保護裝置要求能實時監(jiān)測三相三線制船用發(fā)電機，用戶透過液晶屏幕設(shè)置各項保護參數(shù)，設(shè)置的參數(shù)要求在掉電后不丟失。裝置可設(shè)置各種保護的報警、動作情況，并記錄事件，記錄的日志同樣要求掉電不丟失。為了配合上位機的集中管理，裝置附帶RS485接口與上位PC機通訊，使得上位微機可以實時監(jiān)測發(fā)電機當前運行情況。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

傳感器采用了線性度和頻率響應(yīng)均較好的霍爾電壓傳感器(PT)和霍爾電流傳感器(CT)。因發(fā)電機保護裝置的實時性要求較高，而測量精度相對要求較低，裝置放棄了對信號測頻采樣的測量，轉(zhuǎn)而采用由均方根值轉(zhuǎn)直流(RMS2DC)器件直接計算電壓電流有效值的方式。電壓信號(額定380 V)和電流信號(額定5 A)經(jīng)過該器件以及后級的濾波、調(diào)理、限幅，送入MCU自帶的A/D轉(zhuǎn)換器中。裝置使用I2C總線與實時時鐘器件(RTC)通信?？蓪斍皶r間直觀地顯示在監(jiān)控頁面，在事件發(fā)生時亦可將事件的時間記錄在日志中。報警和動作輸出繼電器的帶負載能力為10 A。保證輸出的觸點信號可使斷路器分斷。LED指示燈根據(jù)危險的情況分為過載預(yù)報警、過載長延時、過載短延時和欠壓4種．危險發(fā)生時LED燈閃爍指示，啟動保護后長亮指示。

3 事件檢出與處理
參考船舶配電規(guī)范為裝置制定了如表1所示的保護方案憫。表1中，IP為發(fā)電機額定電流，Up為發(fā)電機額定電壓，當前電壓U與當前電流，觸發(fā)危險的門限值由用戶設(shè)定。約定電壓電流達到門限稱為觸發(fā)危險，危險延時后進行動作稱為觸發(fā)事件。由于裝置需同時監(jiān)測多路信號的電平變化。并對各種危險狀態(tài)做出不同的延時響應(yīng)，所觸發(fā)事件的組合情況就會變得異常復(fù)雜，為了保證事件不漏檢、不誤檢，需要對每路信號進行“橫向”和“縱向”的對比。
橫向?qū)Ρ仁侵该看窝h(huán)掃描需同時檢查電壓電流的6個通道。為此，在事件檢出處理子程序的設(shè)計中，需對本次檢查的6個通道的危險情況進行匯總，以確定危險是否存在，如何閃爍指示燈，如何設(shè)置當前的計時類型，確定在0.1 s計時中斷中哪些計時變量需要做自加，從而保證事件不漏檢。縱向?qū)Ρ?，指每個通道需要對比上次檢出和本次檢出的危險情況。為此，在檢查每個通道時，需要對比本次危險較之上次危險是否發(fā)生改變，如果是由高門限的危險轉(zhuǎn)向低門限的危險，則需要清零高門限危險對應(yīng)的計時變量，以確保延時準確，從而保證事件不誤檢。事件檢出與處理流程如圖2所示。