基于單片機(jī)的船用發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

1 引言
水路運(yùn)輸，特別是內(nèi)河中小型船舶運(yùn)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(jī)連續(xù)可靠供電的保證。船用發(fā)電機(jī)保護(hù)的主要內(nèi)容有：短路保護(hù)、過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、逆功率保護(hù)。由于逆功率現(xiàn)象只在發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)形成，所以前3種保護(hù)組成了船用發(fā)電機(jī)保護(hù)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(hù)；而針對(duì)過載和欠壓現(xiàn)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(yù)先設(shè)定的保護(hù)動(dòng)作。因此，如何針對(duì)船用發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行精準(zhǔn)延時(shí)的保護(hù)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(hù)裝置要求能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相三線制船用發(fā)電機(jī)，用戶透過液晶屏幕設(shè)置各項(xiàng)保護(hù)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(hù)的報(bào)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(jī)的集中管理，裝置附帶RS485接口與上位PC機(jī)通訊，使得上位微機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)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(jī)保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)性要求較高，而測(cè)量精度相對(duì)要求較低，裝置放棄了對(duì)信號(hào)測(cè)頻采樣的測(cè)量，轉(zhuǎn)而采用由均方根值轉(zhuǎn)直流(RMS2DC)器件直接計(jì)算電壓電流有效值的方式。電壓信號(hào)(額定380 V)和電流信號(hào)(額定5 A)經(jīng)過該器件以及后級(jí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘器件(RTC)通信。可將當(dāng)前時(shí)間直觀地顯示在監(jiān)控頁面，在事件發(fā)生時(shí)亦可將事件的時(shí)間記錄在日志中。報(bào)警和動(dòng)作輸出繼電器的帶負(fù)載能力為10 A。保證輸出的觸點(diǎn)信號(hào)可使斷路器分?jǐn)唷ED指示燈根據(jù)危險(xiǎn)的情況分為過載預(yù)報(bào)警、過載長(zhǎng)延時(shí)、過載短延時(shí)和欠壓4種．危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)LED燈閃爍指示，啟動(dòng)保護(hù)后長(zhǎng)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(hù)方案憫。表1中，IP為發(fā)電機(jī)額定電流，Up為發(fā)電機(jī)額定電壓，當(dāng)前電壓U與當(dāng)前電流，觸發(fā)危險(xiǎn)的門限值由用戶設(shè)定。約定電壓電流達(dá)到門限稱為觸發(fā)危險(xiǎn)，危險(xiǎn)延時(shí)后進(jìn)行動(dòng)作稱為觸發(fā)事件。由于裝置需同時(shí)監(jiān)測(cè)多路信號(hào)的電平變化。并對(duì)各種危險(xiǎn)狀態(tài)做出不同的延時(shí)響應(yīng)，所觸發(fā)事件的組合情況就會(huì)變得異常復(fù)雜，為了保證事件不漏檢、不誤檢，需要對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行“橫向”和“縱向”的對(duì)比。
橫向?qū)Ρ仁侵该看窝h(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(shè)計(jì)中，需對(duì)本次檢查的6個(gè)通道的危險(xiǎn)情況進(jìn)行匯總，以確定危險(xiǎn)是否存在，如何閃爍指示燈，如何設(shè)置當(dāng)前的計(jì)時(shí)類型，確定在0.1 s計(jì)時(shí)中斷中哪些計(jì)時(shí)變量需要做自加，從而保證事件不漏檢?？v向?qū)Ρ龋该總€(gè)通道需要對(duì)比上次檢出和本次檢出的危險(xiǎn)情況。為此，在檢查每個(gè)通道時(shí)，需要對(duì)比本次危險(xiǎn)較之上次危險(xiǎn)是否發(fā)生改變，如果是由高門限的危險(xiǎn)轉(zhuǎn)向低門限的危險(xiǎn)，則需要清零高門限危險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)變量，以確保延時(shí)準(zhǔn)確，從而保證事件不誤檢。事件檢出與處理流程如圖2所示。