船舶電站功率自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

康小偉

摘 要：電站自動化最主要的目的是保證船舶供電的連續(xù)性、可靠性和供電品質(zhì)。在闡述船舶電站一次系統(tǒng)及其控制功能的基礎(chǔ)上，利用先進的控制技術(shù)PLC+PPU設(shè)計了一套船舶電站功率自動控制系統(tǒng)方案，并就船舶電站主要功能的實現(xiàn)進行了論述。實踐證明，該設(shè)計方案能夠提高船舶電站供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，值得廣泛推廣。

關(guān)鍵詞：船舶電站；功率自動控制系統(tǒng)；供電品質(zhì)；PLC+PPU

中圖分類號：U665 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.108

船舶電力系統(tǒng)是孤立于陸地的獨立電網(wǎng)，它是產(chǎn)生、輸送、分配、使用電能的裝置和用電網(wǎng)絡(luò)的總稱，由用電設(shè)備、裝配電裝置、發(fā)電裝置和電纜等組成。船舶電站是船舶所需的全部電能的來源，處于船舶電力系統(tǒng)的核心地位。因此，船舶電站運行的可靠性、經(jīng)濟性和自動化程度對保證船舶安全、經(jīng)濟航行有著重要的意義。但隨著船舶的大型化、多功能化和自動化程度的不斷提高，越來越多的船用設(shè)備需要電能來驅(qū)動和控制，這就使船舶電站日趨復(fù)雜、龐大，對船舶電站提出的要求越來越高。自動化是船舶電站發(fā)展的突出標(biāo)志之一，因此，對船舶電站的自動化系統(tǒng)加以研究和應(yīng)用成為了十分必要和迫切的工作。為實現(xiàn)船舶發(fā)電機電力的自動分配，并以多種方式監(jiān)視、保護、控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機及供配電網(wǎng)絡(luò)，確保船舶電站連續(xù)優(yōu)質(zhì)供電，本文以某81 m電力推進內(nèi)河運輸船為例，重點就基于PLC+PPU的船舶電站功率自動控制系統(tǒng)的設(shè)計展開探討。

1 船舶電站的一次系統(tǒng)及其控制功能

電力推進內(nèi)河運輸船是以柴油發(fā)動機為主推進動力的適用船舶。81 m電力推進內(nèi)河運輸船屬于大型運輸船，貨船上的主要負(fù)載有推進裝置、冷藏裝置和貨運裝置等。為了使船舶電站滿足負(fù)載功率的要求，設(shè)計了3臺240 kW、690 V同容量的發(fā)電機。電站母線用1臺隔離開關(guān)分成2段，每段母線上均有電源接入和饋電接出。其中，一段母線接入1號、2號發(fā)電機，并網(wǎng)接出1#冷藏集裝箱變壓器、1#主變壓器和1號電推變頻器；二段母線接入3號發(fā)電機，接出2#主變壓器和2號電推變頻器。根據(jù)該電站的電氣主接線，需要設(shè)計4塊主配電板，分別為1號主發(fā)電機控制屏兼AC690 V負(fù)載屏、2號主發(fā)電機控制屏兼AC690 V負(fù)載屏、同步屏AC690 V負(fù)載屏、3號主發(fā)電機控制屏兼AC690 V負(fù)載屏。

由于電力推進內(nèi)河運輸船航行方式的變化和承載貨物大小的不同，船行的負(fù)載總是在變化，發(fā)電機組的運行狀況也在不斷變化，單臺發(fā)電機供應(yīng)全船電力需求，或2臺、3臺發(fā)電機組并網(wǎng)運行供應(yīng)全船電力需求。因此，發(fā)電機有并網(wǎng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移，機組解列等多種運行狀態(tài)需要控制。

2 船舶控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1 對船舶控制系統(tǒng)的要求

根據(jù)船舶負(fù)載的功率需求，控制系統(tǒng)需要實時監(jiān)測和控制發(fā)電機在網(wǎng)運行數(shù)量，自動處理電能分配。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)應(yīng)采取各種措施，盡可能保證對負(fù)載的連續(xù)供電。

控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：①當(dāng)運行機組發(fā)生Ⅱ類故障時，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)優(yōu)先級在30 s內(nèi)自動啟動備用機組，并完成并網(wǎng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移，故障機組解列。②當(dāng)運行機組發(fā)生Ⅰ類故障突然停機時，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)優(yōu)先級在45 s內(nèi)自動啟動備用機組，并自動完成對電網(wǎng)供電。③負(fù)載增大且電站超載時（≥90%Pn，延時30 s），啟動備用機組，自動并車，自動調(diào)頻調(diào)載對負(fù)載供電。Pn為單機或多機的額定功率。④負(fù)載減小且電站輕載時（≤30%Pn，延時5 min），后并車的柴油發(fā)電機組自動負(fù)載轉(zhuǎn)移、解列。⑤發(fā)電機組并聯(lián)運行時超載（≥90%Pn）報警，延時20 s后自動卸載。⑥自動并車，自動調(diào)頻調(diào)載，分配負(fù)荷。⑦具備報警及保護功能（有頻率、電壓超標(biāo)、逆功等保護）。⑧監(jiān)視主推進系統(tǒng)和大負(fù)載設(shè)備的啟動，為其啟動和運行釋放足夠的功率，或根據(jù)船舶運行工況，發(fā)出功率使用限制信號。

2.2 船舶控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制方案采用以PLC+PPU為控制核心的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)船舶電站的功率管理，實現(xiàn)發(fā)電機組的并車、解列和調(diào)頻調(diào)載等功能。圖1所示為船舶電站控制系統(tǒng)設(shè)計。

以PLC為電站管理中心，根據(jù)不同情況下船舶的用電需求，在邏輯運算后，PLC發(fā)出控制指令給發(fā)電機管理模塊（PPU），由PPU實現(xiàn)發(fā)電機機組的起停、并車、解列和功率分配等功能。在此，PLC選用西門子公司的S7-300，CPU為317-2DP。根據(jù)實際需求，PLC模塊包括4個數(shù)字量輸入模塊、2個數(shù)字量輸出模塊、1個模擬量輸入模塊和1個模擬量輸出模塊，各個模塊之間通過總線連接器連接。

發(fā)電機管理模塊采用丹麥DEIF公司生產(chǎn)的PPU。每臺發(fā)電機均由1臺PPU控制。其中，1#PPU對1G發(fā)電機組進行控制和監(jiān)測，其信號連接如圖2所示；其余兩臺PPU分別控制2G和3G發(fā)電機，信號接線圖與圖2相同。

3 船舶電站主要功能的實現(xiàn)

3.1 并車運行程序的設(shè)計

根據(jù)船上的負(fù)荷變化，船舶發(fā)電機可能是1臺投入運行，也可能是2臺或3臺并列運行。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到電站儲備功率不足時，就會產(chǎn)生增機指令；與此同時，可以檢測到啟動機組運行的啟動條件。當(dāng)啟動條件滿足要求時，PLC便會發(fā)出啟動指令。如果檢測到電氣故障或機械故障，則轉(zhuǎn)向下一臺機組。

投入電網(wǎng)并聯(lián)運行的發(fā)電機組不能與電網(wǎng)立即接通，否則將導(dǎo)致并車失敗，嚴(yán)重時，將會導(dǎo)致全船失電，甚至使機組受到電磁和機械的有害沖擊。因此，并車時應(yīng)使合閘沖擊電流最小，以便合閘后能迅速同步并聯(lián)運行。

機組并車完成時，需要對并網(wǎng)運行的機組進行調(diào)頻調(diào)載，以實現(xiàn)負(fù)荷的合理分配。當(dāng)G1、G2提供的功率滿足不了船舶負(fù)載的需求時，需要對G3實施并車運行。

3.2 解列機組的程序設(shè)計

在并網(wǎng)機組運行輕載的情況下，負(fù)荷過低或機組故障會造成機組功率下降，因此，需要按優(yōu)先級順序解列某臺機組。

在船舶電站中，當(dāng)檢測到并網(wǎng)運行的機組負(fù)載功率低于額定功率的30%或機組出現(xiàn)故障時，PLC會向相應(yīng)的機組發(fā)出“自動解列”指令。延時180 s后，解列機組。在解列機組時，當(dāng)退出機組的功率小于額定功率的5%時，該機組主開關(guān)便會分閘，緊接著發(fā)出停機指令。機組停機電磁閥動作之前先空運300 s，然后使機組停機。

3.3 船舶重載詢問程序設(shè)計

大型的電力推進內(nèi)河運輸船有一些大功率設(shè)備，啟動時電流較大。如果直接啟動，可能導(dǎo)致在并網(wǎng)運行的備用機還沒啟動時供電網(wǎng)絡(luò)就已崩潰，因此必須設(shè)計重載詢問模塊。在大負(fù)載投入運行前，控制系統(tǒng)首先判斷供電負(fù)荷與啟動的大功率負(fù)荷之和有無超過運行機組的最大負(fù)荷。如果沒有超過，則允許其啟動。否則，應(yīng)先啟動另一臺備用發(fā)電機，使儲備功率達(dá)到要求后再啟動。如果超過要求，則禁止重載啟動信號。重載詢問模塊的功能是防止重載啟動的沖擊電流對電網(wǎng)造成影響，保證電站連續(xù)、穩(wěn)定地運行。

4 結(jié)束語

總之，隨著船舶制造業(yè)的不斷發(fā)展，船舶電站的自動化要求在不斷提高。由于電站是船舶的關(guān)鍵部位之一，它的可靠性和靈活性將直接影響船舶航行的質(zhì)量，起著非常重要的作用。為此，對船舶電站的自動化系統(tǒng)加以研究和應(yīng)用是非常必要和迫切的工作。本文設(shè)計了一種基于PLC+PPU的船舶電站功率自動控制系統(tǒng)。實際運行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用使電力推進船舶的供電系統(tǒng)達(dá)到可靠性、穩(wěn)定性和靈活性供電的要求，可供參考和借鑒。但由于本文篇幅有限，并沒有一一列舉需要注意的問題。因此，在船舶電站功率自動控制系統(tǒng)的實際設(shè)計中，認(rèn)真分析各種不穩(wěn)定因素的來源，并采取各種有效措施是不容忽視的。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕