康小偉

摘 要：電站自動(dòng)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(jìn)的控制技術(shù)PLC+PPU設(shè)計(jì)了一套船舶電站功率自動(dòng)控制系統(tǒng)方案，并就船舶電站主要功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)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(dòng)控制系統(tǒng)；供電品質(zhì)；PLC+PPU

中圖分類號(hào)：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dú)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(lái)源，處于船舶電力系統(tǒng)的核心地位。因此，船舶電站運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和自動(dòng)化程度對(duì)保證船舶安全、經(jīng)濟(jì)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(dòng)化程度的不斷提高，越來(lái)越多的船用設(shè)備需要電能來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制，這就使船舶電站日趨復(fù)雜、龐大，對(duì)船舶電站提出的要求越來(lái)越高。自動(dòng)化是船舶電站發(fā)展的突出標(biāo)志之一，因此，對(duì)船舶電站的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)船舶發(fā)電機(jī)電力的自動(dòng)分配，并以多種方式監(jiān)視、保護(hù)、控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)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(jìn)內(nèi)河運(yùn)輸船為例，重點(diǎn)就基于PLC+PPU的船舶電站功率自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jìn)內(nèi)河運(yùn)輸船是以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為主推進(jìn)動(dòng)力的適用船舶。81 m電力推進(jìn)內(nèi)河運(yùn)輸船屬于大型運(yùn)輸船，貨船上的主要負(fù)載有推進(jìn)裝置、冷藏裝置和貨運(yùn)裝置等。為了使船舶電站滿足負(fù)載功率的要求，設(shè)計(jì)了3臺(tái)240 kW、690 V同容量的發(fā)電機(jī)。電站母線用1臺(tái)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(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)接出1#冷藏集裝箱變壓器、1#主變壓器和1號(hào)電推變頻器；二段母線接入3號(hào)發(fā)電機(jī)，接出2#主變壓器和2號(hào)電推變頻器。根據(jù)該電站的電氣主接線，需要設(shè)計(jì)4塊主配電板，分別為1號(hào)主發(fā)電機(jī)控制屏兼AC690 V負(fù)載屏、2號(hào)主發(fā)電機(jī)控制屏兼AC690 V負(fù)載屏、同步屏AC690 V負(fù)載屏、3號(hào)主發(fā)電機(jī)控制屏兼AC690 V負(fù)載屏。

由于電力推進(jìn)內(nèi)河運(yùn)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(jī)組的運(yùn)行狀況也在不斷變化，單臺(tái)發(fā)電機(jī)供應(yīng)全船電力需求，或2臺(tái)、3臺(tái)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行供應(yīng)全船電力需求。因此，發(fā)電機(jī)有并網(wǎng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移，機(jī)組解列等多種運(yùn)行狀態(tài)需要控制。

2 船舶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行數(shù)量，自動(dòng)處理電能分配。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)采取各種措施，盡可能保證對(duì)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(yùn)行機(jī)組發(fā)生Ⅱ類故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)在30 s內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng)備用機(jī)組，并完成并網(wǎng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移，故障機(jī)組解列。②當(dāng)運(yùn)行機(jī)組發(fā)生Ⅰ類故障突然停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)在45 s內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng)備用機(jī)組，并自動(dòng)完成對(duì)電網(wǎng)供電。③負(fù)載增大且電站超載時(shí)（≥90%Pn，延時(shí)30 s），啟動(dòng)備用機(jī)組，自動(dòng)并車，自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載對(duì)負(fù)載供電。Pn為單機(jī)或多機(jī)的額定功率。④負(fù)載減小且電站輕載時(shí)（≤30%Pn，延時(shí)5 min），后并車的柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)移、解列。⑤發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)超載（≥90%Pn）報(bào)警，延時(shí)20 s后自動(dòng)卸載。⑥自動(dòng)并車，自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載，分配負(fù)荷。⑦具備報(bào)警及保護(hù)功能（有頻率、電壓超標(biāo)、逆功等保護(hù)）。⑧監(jiān)視主推進(jìn)系統(tǒng)和大負(fù)載設(shè)備的啟動(dòng)，為其啟動(dòng)和運(yùn)行釋放足夠的功率，或根據(jù)船舶運(yùn)行工況，發(fā)出功率使用限制信號(hào)。

2.2 船舶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制方案采用以PLC+PPU為控制核心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶電站的功率管理，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)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(jì)。

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(yùn)算后，PLC發(fā)出控制指令給發(fā)電機(jī)管理模塊（PPU），由PPU實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)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(shí)際需求，PLC模塊包括4個(gè)數(shù)字量輸入模塊、2個(gè)數(shù)字量輸出模塊、1個(gè)模擬量輸入模塊和1個(gè)模擬量輸出模塊，各個(gè)模塊之間通過(guò)總線連接器連接。

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

3 船舶電站主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 并車運(yùn)行程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)船上的負(fù)荷變化，船舶發(fā)電機(jī)可能是1臺(tái)投入運(yùn)行，也可能是2臺(tái)或3臺(tái)并列運(yùn)行。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到電站儲(chǔ)備功率不足時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生增機(jī)指令；與此同時(shí)，可以檢測(cè)到啟動(dòng)機(jī)組運(yùn)行的啟動(dòng)條件。當(dāng)啟動(dòng)條件滿足要求時(shí)，PLC便會(huì)發(fā)出啟動(dòng)指令。如果檢測(cè)到電氣故障或機(jī)械故障，則轉(zhuǎn)向下一臺(tái)機(jī)組。

投入電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)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(shí)，將會(huì)導(dǎo)致全船失電，甚至使機(jī)組受到電磁和機(jī)械的有害沖擊。因此，并車時(shí)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(yùn)行。

機(jī)組并車完成時(shí)，需要對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻調(diào)載，以實(shí)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(shí)，需要對(duì)G3實(shí)施并車運(yùn)行。

3.2 解列機(jī)組的程序設(shè)計(jì)

在并網(wǎng)機(jī)組運(yùn)行輕載的情況下，負(fù)荷過(guò)低或機(jī)組故障會(huì)造成機(jī)組功率下降，因此，需要按優(yōu)先級(jí)順序解列某臺(tái)機(jī)組。

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

3.3 船舶重載詢問(wèn)程序設(shè)計(jì)

大型的電力推進(jìn)內(nèi)河運(yùn)輸船有一些大功率設(shè)備，啟動(dòng)時(shí)電流較大。如果直接啟動(dòng)，可能導(dǎo)致在并網(wǎng)運(yùn)行的備用機(jī)還沒(méi)啟動(dòng)時(shí)供電網(wǎng)絡(luò)就已崩潰，因此必須設(shè)計(jì)重載詢問(wèn)模塊。在大負(fù)載投入運(yùn)行前，控制系統(tǒng)首先判斷供電負(fù)荷與啟動(dòng)的大功率負(fù)荷之和有無(wú)超過(guò)運(yùn)行機(jī)組的最大負(fù)荷。如果沒(méi)有超過(guò)，則允許其啟動(dòng)。否則，應(yīng)先啟動(dòng)另一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)，使儲(chǔ)備功率達(dá)到要求后再啟動(dòng)。如果超過(guò)要求，則禁止重載啟動(dòng)信號(hào)。重載詢問(wèn)模塊的功能是防止重載啟動(dòng)的沖擊電流對(duì)電網(wǎng)造成影響，保證電站連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著船舶制造業(yè)的不斷發(fā)展，船舶電站的自動(dòng)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(duì)船舶電站的自動(dòng)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(jì)了一種基于PLC+PPU的船舶電站功率自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用使電力推進(jìn)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(méi)有一一列舉需要注意的問(wèn)題。因此，在船舶電站功率自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)中，認(rèn)真分析各種不穩(wěn)定因素的來(lái)源，并采取各種有效措施是不容忽視的。

參考文獻(xiàn)

[1]呂金華.船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)[J].電力學(xué)報(bào)，2002（02）.

[2]樊琦.船舶電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

[3]白一鳴.船舶電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2009.

〔編輯：劉曉芳〕