淺談現代船舶電站自動化基本功能

摘 要：現代船舶除了具有運輸貨運這一基本功能，也擔負起了海洋科考、資源開采、境外旅游甚至是巡邏防御等復雜工作，因此對船舶的電力系統自動化水平要求越來越高。電站是電力系統的核心，實現電站的自動化是實現船舶自動化的主要任務。本文結合實例簡單介紹了現代船舶電站自動化管理的基本組成和功能。

關鍵詞：船舶電站 自動化管理 基本組成和功能

隨著世界經濟得到了迅猛發展，各種類型的大型工作船被廣泛應用在海洋勘探、新能源開采、海底管路敷設等具有高科技含量的工作里。現在，船舶上的電氣設備越來越多，也越來越復雜、精密。為了在安全的前提下更好地完成工作，需要提高對船舶電力系統的管理。船舶電力系統是由電源設備、配電系統和用電負載所組成的完整體系的總稱。電力系統工作的基本原理是通過由電纜構成的網絡拓撲結構和配電裝置組成的配電系統將電源設備所產生的電能配送到各用電設備上去。為了便于管理和提高供電的生命力，船舶的主電源設備往往采用集中布置的方式，這些集中布置的主電源設備與其控制設備連接在一起，稱之為電站。電站是電力系統的核心。需要專門配置電站對全船的電力系統進行控制，因此，實現船舶電站的自動化是船舶自動化的主要任務之一。

國外船舶自動化經歷了從最開始的手動本地操縱到后來的手動遙控操縱，再進一步發展成半自動控制，最后發展到目前的最高水平的電站全自動控制的無人值班機艙的進化階段。我國在船舶電站自動化方面起步較晚，而且計算機技術發展和應用落后于國際水平。因此，在電站自動化技術方面存在很大差距。隨著船舶向大型化、自動化方向發展，對船舶電站提出了更高的要求。 現在，就結合筆者接觸過的我國為尼日利亞海軍建造的近海巡邏船（以下簡稱OPV艦）為例簡單介紹一下現代自動電站的基本功能。

本艦電力系統主要由電源及其控制設備、配電分系統、照明分系統等組成。電源及其控制設備包括電站分系統、應急電源及其控制設備和接岸電設施；配電分系統包括主配電系統、事故配電系統、直流配電系統和60Hz/50Hz變頻系統；照明分系統包括主照明系統、應急照明系統、低照度照明系統、彩燈系統和航行信號識別燈系統。系統的組成框圖如圖1所示：

艦上在船艏和船艉分別設有一個電站，每個電站由2臺400kW柴油發電機組及機旁控制箱、主配電板、電站用直流電源裝置、電站監測裝置組成。一個電站可滿足全艦所有用電設備的供電需要，兩個電站互為備用。

一般說來，船舶電站的自動化管理是由電站控制系統、自動檢測報警系統和安全保護系統組成：

（1）控制系統：當船舶靠碼頭時，岸電通過岸電箱向船舶供電。在岸電和船舶電站供電切換時，通過岸電和艦上電站的短時間并聯，可以實現不停電負荷轉移。

在使用船電時，當能實現發電機組的自動起動、并車、解列、停機等，還可以實現電站功率的自動管理及電壓、頻率的穩定，且可處理電站中出現的故障。如果系統出現故障，控制系統可自動地使處于備用狀態的機組迅速起動，自動準同步投入電網運行；并網成功后，故障機組將自動脫離電網。

（2）自動檢測報警系統：此系統的主要功能是自動地實施監測電網各設備運行狀態和參數，有原動機、發電機、配電系統的電氣參數、機械參數和運行狀態，檢測量包括開關量和模擬量。其次，系統會將監測量實時與設定的限制值進行比較，若被測量超限，將發出相應的聲光報警信號。最后，系統可以對監測結果進行記錄、打印，并對超限參數進行記錄。

（3）安全保護系統：安全保護系統又分為原動機安全保護和電力系統安全保護。目前，大多數船舶均采用柴油機做為原動機，那么針對柴油機的安全保護主要有：滑油壓力低應急停車；機組超速應急停車；機組冷卻水溫度過高應急停車。電力系統安全保護主要有：過載保護、欠壓保護等。

下面就結合OPV艦具體介紹這幾個系統的功能。

電站控制系統的主要功能：

（1）發電機組起動前的準備工作：中國船級社對自動化船舶的有關規定是船舶電網失電應在45s內恢復供電，這樣也就需要對電網的電壓、總電流、頻率和有功功率及各空氣開關線圈的開關狀態進行監控。 而自動化電站停車狀態下的備用機組應事先做好準備工作。關鍵的準備工作是發電柴油機的預熱和預潤滑，所以起動空氣瓶壓力、滑油溫度和壓力、各缸排煙溫度、排煙總管溫度、冷卻水壓力和溫度和柴油機飛輪轉速也是需要注意的。

（2）發電機組的自動起動：當運行機組發生故障失電時，備用機組自動起動；母線失電后所有備用機組立即自動起動，按優先備用順序自動投入。投入成功并延時30s后，停掉起動成功的其余機組。

電網負載增大到在網機組額定總功率的85%（持續30s）時，備用機組自動起動。

當機組起動成功，母線無電時，該機組在達到大于額定電壓的85%和頻率（60Hz±0.6Hz）后立即自動投入；母線有電時，該機組則自動同步自動合閘。

自動并聯后，具有有功功率與無功功率的自動分配功能，保證任意發電機組長期并聯運行，并滿足有功功率負荷分配精度不大于±5%PN，無功功率負荷分配精度不大于±10%QN。

機組投入運行后，頻率調節精度為60Hz±0.6Hz。

并聯運行的機組，當負載量減小到在網機組額定總功率的30%（持續30s）以下時，指定機組能自動解列、停機。

在解列過程中，除嚴重故障之外，均能平滑地自動轉移負載，當解列發電機組的負載轉移至剩余負荷不超過該發電機組額定輸出功率的10%時發出分閘指令。

解列發電機組在分斷發電機主開關后，按規定程序發出停機指令。若發出停機指令15s后，柴油機仍未停機，則發出停機失敗報警。

當進入自動解列程序后，若電網總負載又大于在網發電機組的85%PN，則自動取消解列指令，并重新進入調頻調載；若上述發電機組解列后，機組并未停機，電網總負載又大于在網發電機組的85%PN，則該機組優先自動并網，并重新進入調頻調載。

多機并聯運行的發電機組負荷超過在網發電機總功率90%PN以上（不延時）及單機運行時負荷≥100%PN在經過3-8s后，發出卸載指令。在卸載的同時，發出聲光報警。

自動檢測報警系統的主要功能

本艦電站監控系統對電站進行自動監測和故障聲光報警。可以實現動態顯示被測參數；動態實時顯示電站系統各種狀態圖；可進行運行參數全段、分頁、故障、故障恢復及召喚等各種打印。

電站監控系統具有以下監測功能：

對柴油機的主要參數（如滑油壓力、冷卻水溫度、起動空氣壓力、應急停機等）進行監測顯示和故障報警；

對發電機的主要參數（繞組高溫報警、電壓、電流、頻率等）進行監測和報警；

對發電機開關的主要參數（長延時脫扣、短延時脫扣、逆功脫扣等）進行監測和報警。

安全保護系統的主要功能

本艦電力系統的安全保護系統在出現故障回路時，通過保護裝置的動作，盡快地切除故障回路，以使故障涉及的范圍最小；同時，又能最大限度地保證非故障回路連續供電，特別是保證對艦船自身安全與作戰的設備供電的連續性。

額定功率大于0.5kW和所有重要設備的電動機，通過電磁起動器或控制設備實施過載和短路保護。舵機電動機僅設短路保護。

1）發電機保護功能

a） 安裝的發電機過載、短路、欠壓保護開關具有預報警、長延時脫扣、短延時脫扣、瞬動過電流脫扣和失壓脫扣等功能；

b） 兩臺發電機之間的開關帶有的控制單元具有短延時、分勵脫扣功能，短延時時間超前于發電機開關；

c） 前、后電站的跨接線上設有跨接開關。該開關帶有的控制單元具有預報警、長延時脫扣、短延時脫扣功能，短延時時間超前于發電機開關和隔離開關；

d） 為保證并聯運行的可靠性，每臺發電機組在主配電板上設有逆功率保護裝置；

2）柴油機保護功能（該功能通過主配電板內的監控系統設備實現）

當柴油機滑油壓力低、冷卻水溫度高、發電機繞組溫度高時，指定的備用機組立即起動，自動同步操作合閘，投入并聯后再解列故障機組。當柴油機滑油壓力過低或超速（包括應急停機）時將立即停機、跳閘，并立即自動起動備用機組投入供電。

3）報警功能

通過主配電板面板上設置的監測儀表和絕緣監測裝置，對發電機運行參數及電網絕緣、電站狀態進行檢測及報警指示。

4）聯鎖功能

電網絕緣監測儀與岸電供電聯鎖，在岸電供電時絕緣監測儀退出測量。

發電機組防冷凝加熱器與發電機主開關聯鎖，在發電機主開關合閘后防冷凝加熱器停止工作。

岸電與兩臺及兩臺以上發電機并聯運行的聯鎖，以保證岸電只能與一臺發電機短時并聯。

5）重載詢問功能

在手動工況下，可接收“重載請求”信號，該指令是一個持續的信號。在允許的情況下，人工發送“重載允許”信號；在不允許的情況下，應當在起動備用機組后人工發送“重載允許”信號。

電站自動化系統的展望

隨著船舶自動化程度的不斷提高，電站自動化由局部控制發展到了綜合控制，由就地的控制發展到遠程的控制并且所有功能可通過屏幕軟件按鈕來完成。另外，采用綜合監控的形式，可以構成雙重或多重冗余，對提高系統或者全船整體可靠性是有積極意義的。

如今，數字化技術和網絡技術應用已經相當成熟。現場控制設備和控制系統之間的雙向網絡通信靠現場總線來實現。使用雙層網絡，第一層網絡采集與傳送數據，第二層網絡是控制網。每個系統是一個獨立的系統，在某系統局部受損時不影響其他系統獨立完成工作，采用網絡冗余和設備冗余設計及不間斷后備電源，增強系統控制能力。利用圖像控制功能，在人機界面實現良好的對話效果。

計算機、通信、顯示和控制技術迅速發展且互相交叉滲透，還有人工智能和模糊技術的應用將會給船舶電站自動化帶來重大的變革。未來船舶電站的自動化系統會向著自動故障預測、自診斷的方向發展，將會實現專家系統等智能連接。 希望我國能抓住這個機會，實現我國船舶電站自動化的國產化并走向

參考文獻：

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[4] 王欣.船舶電氣自動中幾個重要技術的應用 [J].世界海運，2011，（3）

作者簡介：

阮靜 中船重工第719研究所工程師工程碩士研究方向：船舶電氣自動化