船舶電站功率自動控制系統的設計

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性、可靠性和供電品質。在闡述船舶電站一次系統及其控制功能的基礎上，利用先進的控制技術PLC+PPU設計了一套船舶電站功率自動控制系統方案，并就船舶電站主要功能的實現進行了論述。實踐證明，該設計方案能夠提高船舶電站供電系統的可靠性和穩定性，值得廣泛推廣。

關鍵詞：船舶電站；功率自動控制系統；供電品質；PLC+PPU

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

船舶電力系統是孤立于陸地的獨立電網，它是產生、輸送、分配、使用電能的裝置和用電網絡的總稱，由用電設備、裝配電裝置、發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，處于船舶電力系統的核心地位。因此，船舶電站運行的可靠性、經濟性和自動化程度對保證船舶安全、經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，越來越多的船用設備需要電能來驅動和控制，這就使船舶電站日趨復雜、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展的突出標志之一，因此，對船舶電站的自動化系統加以研究和應用成為了十分必要和迫切的工作。為實現船舶發電機電力的自動分配，并以多種方式監視、保護、控制和調節發電機及供配電網絡，確保船舶電站連續優質供電，本文以某81 m電力推進內河運輸船為例，重點就基于PLC+PPU的船舶電站功率自動控制系統的設計展開探討。

1 船舶電站的一次系統及其控制功能

電力推進內河運輸船是以柴油發動機為主推進動力的適用船舶。81 m電力推進內河運輸船屬于大型運輸船，貨船上的主要負載有推進裝置、冷藏裝置和貨運裝置等。為了使船舶電站滿足負載功率的要求，設計了3臺240 kW、690 V同容量的發電機。電站母線用1臺隔離開關分成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號發電機，并網接出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號發電機，接出2#主變壓器和2號電推變頻器。根據該電站的電氣主接線，需要設計4塊主配電板，分別為1號主發電機控制屏兼AC690 V負載屏、2號主發電機控制屏兼AC690 V負載屏、同步屏AC690 V負載屏、3號主發電機控制屏兼AC690 V負載屏。

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

2 船舶控制系統的設計方案

2.1 對船舶控制系統的要求

根據船舶負載的功率需求，控制系統需要實時監測和控制發電機在網運行數量，自動處理電能分配。在供電系統出現故障時，控制系統應采取各種措施，盡可能保證對負載的連續供電。

控制系統應具備以下功能：①當運行機組發生Ⅱ類故障時，系統應根據優先級在30 s內自動啟動備用機組，并完成并網、負載轉移，故障機組解列。②當運行機組發生Ⅰ類故障突然停機時，系統應根據優先級在45 s內自動啟動備用機組，并自動完成對電網供電。③負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，自動調頻調載對負載供電。Pn為單機或多機的額定功率。④負載減小且電站輕載時（≤30%Pn，延時5 min），后并車的柴油發電機組自動負載轉移、解列。⑤發電機組并聯運行時超載（≥90%Pn）報警，延時20 s后自動卸載。⑥自動并車，自動調頻調載，分配負荷。⑦具備報警及保護功能（有頻率、電壓超標、逆功等保護）。⑧監視主推進系統和大負載設備的啟動，為其啟動和運行釋放足夠的功率，或根據船舶運行工況，發出功率使用限制信號。

2.2 船舶控制系統的設計

控制方案采用以PLC+PPU為控制核心的控制系統，實現船舶電站的功率管理，實現發電機組的并車、解列和調頻調載等功能。圖1所示為船舶電站控制系統設計。

以PLC為電站管理中心，根據不同情況下船舶的用電需求，在邏輯運算后，PLC發出控制指令給發電機管理模塊（PPU），由PPU實現發電機機組的起停、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。根據實際需求，PLC模塊包括4個數字量輸入模塊、2個數字量輸出模塊、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。

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

3 船舶電站主要功能的實現

3.1 并車運行程序的設計

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

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

機組并車完成時，需要對并網運行的機組進行調頻調載，以實現負荷的合理分配。當G1、G2提供的功率滿足不了船舶負載的需求時，需要對G3實施并車運行。

3.2 解列機組的程序設計

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

在船舶電站中，當檢測到并網運行的機組負載功率低于額定功率的30%或機組出現故障時，PLC會向相應的機組發出“自動解列”指令。延時180 s后，解列機組。在解列機組時，當退出機組的功率小于額定功率的5%時，該機組主開關便會分閘，緊接著發出停機指令。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計

大型的電力推進內河運輸船有一些大功率設備，啟動時電流較大。如果直接啟動，可能導致在并網運行的備用機還沒啟動時供電網絡就已崩潰，因此必須設計重載詢問模塊。在大負載投入運行前，控制系統首先判斷供電負荷與啟動的大功率負荷之和有無超過運行機組的最大負荷。如果沒有超過，則允許其啟動。否則，應先啟動另一臺備用發電機，使儲備功率達到要求后再啟動。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造成影響，保證電站連續、穩定地運行。

4 結束語

總之，隨著船舶制造業的不斷發展，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量，起著非常重要的作用。為此，對船舶電站的自動化系統加以研究和應用是非常必要和迫切的工作。本文設計了一種基于PLC+PPU的船舶電站功率自動控制系統。實際運行結果表明，該控制系統的應用使電力推進船舶的供電系統達到可靠性、穩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的實際設計中，認真分析各種不穩定因素的來源，并采取各種有效措施是不容忽視的。

參考文獻

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[2]樊琦.船舶電站自動控制系統的設計與研究[D].秦皇島：燕山大學，2014.

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〔編輯：劉曉芳〕