PIC單片機在電站故障保護模塊中的應用

摘 要：故障保護是自備站供電系統中的重要部分，一旦發電設備發生故障，故障保護系統可在第一時間切除故障設備，確保設備平穩安全運行。本研究基于PIC單片機設計了一種電站故障保護模塊，在系統闡述電站故障保護的類型的基礎上，給出了相應的工作原理和系統結構，并確定了硬件設計流程及軟件設計方法，經過實踐應用，表明改模塊可靠性和安全性較高，可完全滿足電站故障保護的要求。

關鍵詞：電站故障保護；PIC單片機；模塊

中圖分類號：TM769 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01

隨著電子技術的發展，以單片機為控制核心故障保護模塊以其優良的安全性、平穩性、可靠性全面取代了傳統模擬式保護系統，在電站故障保護中的到了全面應用，本研究基于PIC單片機設計并實現了電機故障保護模塊，現將相關設計理念及實現過程介紹如下。

一、故障保護模塊的功能要求

電站故障保護按照電站故障保護類型通常可以重故障保護和輕故障保護兩類。其中重故障保護包括超速、油壓低、水溫高等。輕故障保護包括過電壓、過頻率、過電流、欠電壓、欠頻率等。依據不同的故障類型，故障保護模塊會有相應的保護動作，一般情況下發生輕故障時，故障保護模塊會切斷電源實現對設備的保護，而一旦設備發生重故障，故障保護模塊則會在第一時間斷電停機，以保證發電設備不會受到損害。

二、故障保護模塊的模塊組成

本研究故障保護模塊由機組電源檢測、頻率檢測、轉速檢測、溫度控制、壓力檢測、PIC16F877A單片機控制等部分組成。分布于電站的電源設備、轉速控制設備、頻率變送設備、溫度傳感設備、壓力傳感設備等位置，用于收集和處理電站的各項工作數據，經過處理后輸入中央處理器，在中央處理器內部完成內部比較，以判斷是否存在故障，如果運行平穩無障礙，在進行持續循環監控，一旦發展出現故障會第一時間進入故障處理進程，對故障進行保護。

三、故障保護模塊的硬件設計

該電站故障保護模塊的核心器件采用PIC16F877單片機。總線結構采用哈佛總線，其指令系統采用通用的RISC系統，在程序編寫方面比較簡單，易于實現。在故障模塊內部設有8路模擬量輸入通道，通過I/O能夠驅動LED管、繼電器及光電耦合器，控制電路簡單有效。

（一）電源及頻率檢測單元

本模塊采用三相電源和頻率變送器完成信號轉換成工作，信號被轉化為電壓為5V的直流信號后，以該直流電壓作為PIC16F877單片機輸入信號，通過變送器完成線性光電隔離工作，該模塊具有精度較高、體積較小、能耗較低、頻率較寬等諸多優勢。

（二）轉速采集單元

通過數字測速系統轉速采集單元完成采樣工作，具體轉速測定是通過安裝在發動機飛輪殼上的磁性傳感器完成的。發動機飛輪齒頂部位置距離磁性傳感器的距離在應在1mm以內，經過整形后，傳感器輸出交流信號被輸入到PIC16F877單片機的TMR1端口中，由TMR1完成信號的脈沖計數工作，并以此實現轉速實際監測工作。TRM1作為16bit的計數寄存器，其中包含有低頻時基振蕩器和3bit可編程預分頻器，其測速的精確度較高，分辨度較高，且通常不會受到其他器件的影響。

（三）壓力及溫度檢測單元

電站的壓力及穩步檢驗工作是依托于安裝在油壓傳感器以及水箱散熱器上的傳感器實現和完成的，壓力及溫度傳感信號全部采用開關量，在實施光電隔離之后，輸入到PIC16F877單片機的I/O端口。

（四）輸出回路

電站故障保護模塊的系統的輸出主要包括停機和斷電兩個開關量，經過光電隔離后，由PIC16F877單片機的輸出口驅動停機繼電器和停電繼電器完成停機和斷電動作。

四、故障保護模塊的軟件設計

該電站故障保護模塊軟件由匯編語言進行編寫，主要包括有初始化程序、A/D轉換程序、TMR1計數程序、故障保護程序等。

（一）初始化程序

電站故障保護模塊中的初始化程序中包括數據方向控制、中斷控制、IN-TCON、ADCON0等多個寄存器。

（二）A/D轉換程序

單片機內部嵌有ADC模塊，其數字量精度為10bit，有8個模擬通道，并設有AD-CON0、ADCON1、ADRESH、ADRESL等四個專用寄存器。使用了PIC16F877單片機的三個模擬量通道。ADCON0寄存器設置為11000001，ADCON1存器設置為00000100，模擬輸入為AN0、AN1、AN3，A/D轉換結果在ADRESH和AD-RESL中存放。

（三）TMR1計數程序

TMR1計數程序由16bit的定時器/計數器構成，分為三種工作模式，采用異步計數器，T1CON設置為00000110。由于TMR1由TMR1H和TMR1L組成，在讀數時應注意分次讀取。

（四）故障保護程序

故障保護程序重點完成A/D采樣、定時器/計數器TMR1及I/O口壓力及溫度監控數據比較判別，并輸出相應動作。

五、故障保護模塊的抗干擾設計

在具體實施過程中系統的抗干擾設計同樣是一項十分重要的工作，本研究主要實施了七項抗干擾設計舉措。一是依托在相關供電/斷電的交流接觸器線圈側加裝RC瞬變噪聲抑制網絡，來實現抗干擾功能。二是通過加裝控制繼電器線圈兩側續流二極管，來實現抗干擾功能。三是采用屏蔽線裝備轉速磁性傳感器傳輸線實現抗干擾。四是在模擬量輸入通道中加裝線性光電隔離變送器，并設置T型低通濾波器實現抗干擾。五是通過DC/DC變換器供電實現抗干擾。六是在開關量輸入/輸出通道中增加光電隔離器實現抗干擾。七是在PCB板入口處電源與底線間加裝的電容器，并采取線條垂直交叉走線實現抗干擾。

本電站故障保護模塊設計經過實際應用，經過實際驗證可完全滿足電站故障保護要求，模塊運行安全穩定，對于確保電站安全具有重要作用。

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