基于单片机的船用发电机实时保护装置设计

　　1 引言

　　水路运输，特别是内河中小型船舶运输在全国交通网中占有不可或缺的地位。船舶的安全航行，离不开船舶发电机连续可靠供电的保证。船用发电机保护的主要内容有：短路保护、过载保护、欠压保护、逆功率保护。由于逆功率现象只在发电机并联运行时形成，所以前3种保护组成了船用发电机保护的最小需求。短路故障发生时，需要在事件发生瞬间进行保护；而针对过载和欠压现象，则需要进行一定延时确定事件确实发生，才进行预先设定的保护动作。因此，如何针对船用发电机设计可实时监测并进行精准延时的保护装置，就成了解决问题的关键。

　　2 系统结构

　　所研究的保护装置要求能实时监测三相三线制船用发电机，用户透过液晶屏幕设置各项保护参数，设置的参数要求在掉电后不丢失。装置可设置各种保护的报警、动作情况，并记录事件，记录的日志同样要求掉电不丢失。为了配合上位机的集中管理，装置附带RS485接口与上位PC机通讯，使得上位微机可以实时监测发电机当前运行情况。系统原理结构图如图1所示。

　　传感器采用了线性度和频率响应均较好的霍尔电压传感器(PT)和霍尔电流传感器(CT)。因发电机保护装置的实时性要求较高，而测量精度相对要求较低，装置放弃了对信号测频采样的测量，转而采用由均方根值转直流(RMS2DC)器件直接计算电压电流有效值的方式。电压信号(额定380 V)和电流信号(额定5 A)经过该器件以及后级的滤波、调理、限幅，送入MCU自带的A/D转换器中。装置使用I2C总线与实时时钟器件(RTC)通信。可将当前时间直观地显示在监控页面，在事件发生时亦可将事件的时间记录在日志中。报警和动作输出继电器的带负载能力为10 A。保证输出的触点信号可使断路器分断。LED指示灯根据危险的情况分为过载预报警、过载长延时、过载短延时和欠压4种．危险发生时LED灯闪烁指示，启动保护后长亮指示。

　　3 事件检出与处理

　　参考船舶配电规范为装置制定了如表1所示的保护方案。表1中，IP为发电机额定电流，Up为发电机额定电压，当前电压U与当前电流，触发危险的门限值由用户设定。约定电压电流达到门限称为触发危险，危险延时后进行动作称为触发事件。由于装置需同时监测多路信号的电平变化。并对各种危险状态做出不同的延时响应，所触发事件的组合情况就会变得异常复杂，为了保证事件不漏检、不误检，需要对每路信号进行“横向”和“纵向”的对比。

　　横向对比是指每次循环扫描需同时检查电压电流的6个通道。为此，在事件检出处理子程序的设计中，需对本次检查的6个通道的危险情况进行汇总，以确定危险是否存在，如何闪烁指示灯，如何设置当前的计时类型，确定在0.1 s计时中断中哪些计时变量需要做自加，从而保证事件不漏检。纵向对比，指每个通道需要对比上次检出和本次检出的危险情况。为此，在检查每个通道时，需要对比本次危险较之上次危险是否发生改变，如果是由高门限的危险转向低门限的危险，则需要清零高门限危险对应的计时变量，以确保延时准确，从而保证事件不误检。事件检出与处理流程如图2所示。

　　尽管是在每次循环最后才对当前的危险状态进行相应处理，但在单片机处理速度足够快的情况下(装置外接16MHz有源晶振性能可达16 MI／s)，这种时间误差是可以忽略不计。同时，由于装置为自己编写实时控制应用，并没有移植任何操作系统，代码的执行效率也很高，实测装置可以达到标称的0.2 s延时响应精度。