基于單片機的船用發(fā)電機實(shí)時(shí)保護裝置設計

1 引言
水路運輸，特別是內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(kāi)船舶發(fā)電機連續可靠供電的保證。船用發(fā)電機保護的主要內容有：短路保護、過(guò)載保護、欠壓保護、逆功率保護。由于逆功率現象只在發(fā)電機并聯(lián)運行時(shí)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(shí)，需要在事件發(fā)生瞬間進(jìn)行保護；而針對過(guò)載和欠壓現象，則需要進(jìn)行一定延時(shí)確定事件確實(shí)發(fā)生，才進(jìn)行預先設定的保護動(dòng)作。因此，如何針對船用發(fā)電機設計可實(shí)時(shí)監測并進(jìn)行精準延時(shí)的保護裝置，就成了解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

2 系統結構
所研究的保護裝置要求能實(shí)時(shí)監測三相三線(xiàn)制船用發(fā)電機，用戶(hù)透過(guò)液晶屏幕設置各項保護參數，設置的參數要求在掉電后不丟失。裝置可設置各種保護的報警、動(dòng)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(shí)時(shí)監測發(fā)電機當前運行情況。系統原理結構圖如圖1所示。

傳感器采用了線(xiàn)性度和頻率響應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(shí)時(shí)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，轉而采用由均方根值轉直流(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(guò)該器件以及后級的濾波、調理、限幅，送入MCU自帶的A/D轉換器中。裝置使用I2C總線(xiàn)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件(RTC)通信?？蓪斍皶r(shí)間直觀(guān)地顯示在監控頁(yè)面，在事件發(fā)生時(shí)亦可將事件的時(shí)間記錄在日志中。報警和動(dòng)作輸出繼電器的帶負載能力為10 A。保證輸出的觸點(diǎn)信號可使斷路器分斷。LED指示燈根據危險的情況分為過(guò)載預報警、過(guò)載長(cháng)延時(shí)、過(guò)載短延時(shí)和欠壓4種．危險發(fā)生時(shí)LED燈閃爍指示，啟動(dòng)保護后長(cháng)亮指示。

3 事件檢出與處理
參考船舶配電規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(mén)限值由用戶(hù)設定。約定電壓電流達到門(mén)限稱(chēng)為觸發(fā)危險，危險延時(shí)后進(jìn)行動(dòng)作稱(chēng)為觸發(fā)事件。由于裝置需同時(shí)監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(shí)響應，所觸發(fā)事件的組合情況就會(huì )變得異常復雜，為了保證事件不漏檢、不誤檢，需要對每路信號進(jìn)行“橫向”和“縱向”的對比。
橫向對比是指每次循環(huán)掃描需同時(shí)檢查電壓電流的6個(gè)通道。為此，在事件檢出處理子程序的設計中，需對本次檢查的6個(gè)通道的危險情況進(jìn)行匯總，以確定危險是否存在，如何閃爍指示燈，如何設置當前的計時(shí)類(lèi)型，確定在0.1 s計時(shí)中斷中哪些計時(shí)變量需要做自加，從而保證事件不漏檢?？v向對比，指每個(gè)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(gè)通道時(shí)，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(mén)限的危險轉向低門(mén)限的危險，則需要清零高門(mén)限危險對應的計時(shí)變量，以確保延時(shí)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。