基于單片機的船用發電機實時保護裝置設計

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中占有不可或缺的地位。船舶的安全航行，離不開船舶發電機連續可靠供電的保證。船用發電機保護的主要內容有：短路保護、過載保護、欠壓保護、逆功率保護。由于逆功率現象只在發電機并聯運行時形成，所以前3種保護組成了船用發電機保護的最小需求。短路故障發生時，需要在事件發生瞬間進行保護；而針對過載和欠壓現象，則需要進行一定延時確定事件確實發生，才進行預先設定的保護動作。因此，如何針對船用發電機設計可實時監測并進行精準延時的保護裝置，就成了解決問題的關鍵。

2 系統結構
所研究的保護裝置要求能實時監測三相三線制船用發電機，用戶透過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測發電機當前運行情況。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)經過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總線與實時時鐘器件(RTC)通信。可將當前時間直觀地顯示在監控頁面，在事件發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指示燈根據危險的情況分為過載預報警、過載長延時、過載短延時和欠壓4種．危險發生時LED燈閃爍指示，啟動保護后長亮指示。

3 事件檢出與處理
參考船舶配電規范為裝置制定了如表1所示的保護方案憫。表1中，IP為發電機額定電流，Up為發電機額定電壓，當前電壓U與當前電流，觸發危險的門限值由用戶設定。約定電壓電流達到門限稱為觸發危險，危險延時后進行動作稱為觸發事件。由于裝置需同時監測多路信號的電平變化。并對各種危險狀態做出不同的延時響應，所觸發事件的組合情況就會變得異常復雜，為了保證事件不漏檢、不誤檢，需要對每路信號進行“橫向”和“縱向”的對比。
橫向對比是指每次循環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。縱向對比，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生改變，如果是由高門限的危險轉向低門限的危險，則需要清零高門限危險對應的計時變量，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。