（电力系统及其自动化专业论文）船舶高压电站功率管理系统的设计与管理.pdfVIP

s h i ph i g h - v o l t a g es t a t i o np o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m d e s i g na n dm a n a g e m e n t at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g w a n gj i a l e i ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw u z h i l i a n g j u l y 2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 照魈矗厘垒丝功壅筻堡丕统的遮过皇筻堡：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：至塑垡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密函( 请在以上方框内打“4 ，) 论文作者签名：荔为叫雷导师签名： 吴冬券 日期：知1 1 年r 月 中文摘要 摘要 随着船舶业的复苏，船舶已日益趋向大型、集成、自动化的方向发展，这也 意味着作为船舶重要设备的船舶电站的容量正向着大型化的趋势发展，有的船舶 电站的容量已达到十几兆甚至几十兆瓦。如果仍采用传统的低压电站供电，不仅 技术上很难实现，而且其经济性也不高，由此，船舶电站越来越多地应用了高压 电站。功率管理系统作为船舶高压电站管理的核心，其性能是否优良直接决定了 船舶高压电站的运行是否稳定。 本文通过研究船舶高压电站功率管理系统的组成及功能，设计高压电站功率 管理系统。根据高压电站的特点设计较优的功率管理系统的结构，并对功率管理 系统主要硬件进行选取，包括功率管理系统主控制单元和信号采集单元。由于高 压电站高电压的特点，设计复合电子调速调压器，同时控制发电机组的电压和转 速，通过对复合电子调速调压器的的仿真，验证调速及调压特性。另外，本文对 功率管理系统主控制单元p l c 程序进行设计，实现高压电站功率管理系统的功能， 主要有供电管理、负载管理和监测报警管理等功能。通过对高压电站功率管理系 统的设计，提高船舶高压电站的安全性、可靠性和稳定性。 最后，本文根据船舶高压电站的特点，并总结实船工作经验，提出了船舶高 压电站的管理内容和管理方法，使船舶操作者更加了解高压电站，从而能够更科 学、更合理地操作和管理高压电站。 关键词：高压电站；功率管理系统；复合调速调压器 英文摘要 a b s t r a c t a st h er e v i v a lo fs h i p p i n gi n d u s t r y , s h i p st e n dt ob e c o m em u c hl a r g e r , m o r e i n t e g r a t e da n da u t o m a t i c , w h i c hm e a n st h ec a p a c i t yo fs h i pp o w e rs t a t i o nn e e dt o b e c o m em u c hl a r g e r u pt on o w , t h ec a p a c i t yo fs o m es h i pp o w e rs t a t i o n sh a sb e e nu p t od o z e ne v e nd o z e n so fm e g a w a t t s i fw es t i l ls t i c kt ol o w - v o l t a g ep o w e rs t a t i o nf o r p o w e rs u p p l y , i tw i l lb eh a r dt or e a l i z et e c h n i c a l l ya n du n a c c e p t a b l ei nc o n s i d e r a t i o no f e c o n o m i cb e n e f i t s a sar e s u l t ，t h et e c h n o l o g yo fh i g h v o l t a g ep o w e rs t a t i o ni sa p p l i e d t o s h i pb u i l d i n gi n c r e a s i n g l y a s t h ec o r eo fh i g h - v o l t a g e s h i pp o w e rs t a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，p o w e r - m a n a g e m e n ts y s t e m sp e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h e s t a b i l i t yo fh i g h - v o l t a g em a r i n ep o w e r s t a t i o n i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h es t u d yo ft h ec o m p o s i t i o na n df u n c t i o no fh i g h v o l t a g e s h i pp o w e rs t a t i o n ，d e s i g nt h eh i g h v o l t a g es h i pp o w e rs t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fh i g h - v o l t a g ep o w e rs t a t i o n ，d e v i s ea ne x c e p t i o n a l s t r u c t u r eo fp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，a n ds e l e c tt h em a i nh a r d w a r ef o rs o m eu n i t so f p o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n gt h em a i nc o n t r o lu n i ta n dt h es i g n a l a c q u i s i t i o n u n i t d e s i g nam u l t i p l ee l e c t r o n i cs p e e d a n d v o l t a g er e g u l a t o r , t h i sr e g u l a t o rc o n t r o l st h e v o l t a g ea n ds p e e do fg e n e r a t o ri nt h es a m et i m e v a l i d a t et h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co f t h er e g u l a t o rb ys i m u l a t i o n i na d d i t i o n ，d e s i g nt h ep l cp r o g r a mo ft h em a i nc o n t r o l u n i to fp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n gp o w e r - s u p p l y m a n a g e m e n t ，l o a d m a n a g e m e n t ，s u p e r v i s o r ym a n a g e m e n ta n ds oo n t h ep u r p o s eo fa l lt h ed e s i g ni s t o i m p r o v et h es e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fh i g h - v o l t a g es h i pp o w e rs t a t i o n i nt h ee n d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fh i g h v o l t a g es h i pp o w e rs t a t i o na n dt h e w o r k i n ge x p e r i e n c eo nb o a r do fm i n e ，b r i n go u ts o m em e t h o d so fh i g h - v o l t a g ep o w e r s t a t i o nm a n a g e m e n t ，i no r d e rt om a k et h eo p e r a t o rm o r ea w a r eo fh i i g l l v o l t a g ep o w e r s t a t i o na n dh o wt om a n a g ea n dr u nh i g h v o l t a g ep o w e rs t a t i o n k e yw o r d s ：h i g h - v o l t a g ep o w e rs t a t i o n ；p o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m ；r e g u l a t o r 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 船舶高压电站的产生和发展1 1 1 1 船舶高压电站的产生1 1 1 2 船舶高压电站的发展方向2 1 2 船舶高压电站功率管理系统的概述3 第2 章船舶高压电站功率管理系统的组成及功能5 2 1 船舶高压电站的主接线5 2 2 高压电站功率管理系统的硬件组成。7 2 3 高压电站功率管理系统的功能8 2 3 1 供电管理8 2 3 2 负载管理1 0 2 3 3 安全管理。1 1 2 3 4 监测报警管理1 2 第3 章船舶高压电站功率管理系统的结构设计与硬件选取1 3 3 1 高压电站供电网络和功率管理系统的结构设计1 3 3 1 1 高压电站供电网络的结构设计1 3 3 1 2 高压电站功率管理系统结构的设计1 4 3 2 功率管理系统主控制单元硬件的选取1 6 3 3 功率管理系统信号采集单元硬件的选取1 8 3 4 复合电子调速调压器的设计1 9 3 4 1 复合电子调速调压器概述1 9 3 4 2 复合电子调速调压器的设计2 3 3 4 3 复合电子调速调压器仿真结果2 8 3 5 手动并车装置的设计3 1 第4 章船舶高压电站功率管理系统功能的设计3 3 4 1 功率管理系统功能总体设计3 3 4 2p l c 软件的介绍3 4 4 3 供电管理模块的设计3 5 4 3 1 主发电机组自动起停模块3 5 4 3 2 高压发电机并网模块。3 8 目录 4 4 负载管理模块的设计4 2 4 5 监测报警管理模块的设计4 6 第5 章船舶高压电站的管理4 9 5 1 高压电站的特点4 9 5 2 高压电站管理内容5 0 5 2 1 高压电站参数的监测记录5 1 5 2 2 高压电站各设备的检查维护。5 1 5 2 3 高压电站定期的功能试验和报警试验。5 4 5 3 高压电站的管理方法5 5 5 3 1 制定高压电站各主要设备的操作规程5 5 5 3 2 对系统的管理由“修 到“防的转变。5 6 i ；占论5 8 参考文献5 9 1 改谢f ；3 船舶高压电站功率管理系统的设计与管理 第1 章绪论 1 1 船舶高压电站的产生和发展 随着全球经济的复苏，航运业又迎来了第二个春天。世界上各大船厂的订单 接踵而至，大型船厂的兴建和运营正进行得如火如荼。纵观船舶发展趋势，船舶 已同益趋向大型化、集成化、自动化，这也意味着作为船舶重要设备的船舶电站 的容量正向着大型化的趋势发剧1 1 。船舶电站容量的增大给传统的低压电站带来了 越来越多的挑战，因此，现代船舶电站越来越多地采用高压电站。高压电站不仅 能满足高用电负荷的需求，而且很大地节省了船舶的空间。实践证明，高压电站 应用到现代船舶上取得了很好的效果，它必将越来越多地应用在未来大型船舶的 设计中。 1 1 1 船舶高压电站的产生 船舶在向电气化发展的过程中，经历了比较长的时间。当船舶采用蒸汽机作 为动力时，船舶电站的总功率只有几十千瓦，并且是直流电站。到上世纪6 0 年代， 内燃机作为船舶动力，带动发电机发电，交流电站随之产生【2 1 。船舶电气化发展到 这一阶段，船上的主要设备除主发电机组外都采用了电力驱动，电动机的日益兴 起，船上电气设备的数量与日俱增，标志着船舶电气化时代正式到来，然而此时 的船舶电站基本上都采用低压电站系统。随着科技的发展和人们需求的增加，已 经被广泛采用近半个世纪的船舶低压交流电站出现了越来越多的问题： 1 ) 随着船舶用电设备的增多，电站容量随之增大，当系统发生故障时产生的 短路电流也逐步增加，而传统断路器与保护装置的保护能力已无法满足技术要求， 导致传统的低压电站的安全性和稳定性降低。 2 ) 国际上一般将2 0 0 0 k w 至2 5 0 0 k w 的容量规定为低压( 3 8 0 v 或4 0 0 v ) 发电机组 的容量上限。如今很多大型船舶的电站容量已达到十几兆瓦或几十兆瓦，而目前 常规船用低压发电机的单机容量一般不超过1 5 m w ，如果采用低压发电机需要安装 十多组甚至更多的发电机组，这样显然是不可能的。 第1 章绪论 3 ) 如果制造4 0 0 v 而容量在2 5 w 以上的发电机，必须增加发电机的额定电流， 这样会造成电缆的发热量增大、线路传输损耗严重，同时供电电缆的横截面积增 大或需要几十根电缆并联，这样的低压电站很难实现。 综合以上几点考虑，船舶电力设备设计者和制造商将高压电站引用到船舶电 站中来，提高船舶电站的电压等级就可以降低线路损耗，减少发电机组数量，提 高电站容量，满足船舶用电需求。船舶高压电站系统随之产生并得到飞速发展。 有关高压电站的定义，在不同的应用领域存在不同的标准。i e e e 标准i 0 0 规定的高 压电站的定义是指额定电压大于i k v ，小于l o k v 的电站。其中常用的有 3 3 0 0 v 3 0 0 0 v 、6 6 0 0 v 6 3 0 0 v 和11 0 0 0 v i o o o o v 等三个等级，上述等级中分子、分母 分别表示频率为6 0 h z 和5 0 h z 时的额定电压值。中国船级社钢质海船入级规范2 0 0 6 第4 篇第l 章第l 节定义中规定：低压系统系指工作于额定频率为5 0 h z 或6 0 h z 、导体 问最高电压不超过1 0 0 0 v 的交流系统，或在额定工作条件下导体间最高瞬时电压不 超过1 5 0 0 v 的直流系统。高压系统系指额定电压大于i k v 但不超过1 5 k v ，额定频率 为5 0 h z 或6 0 h z 的交流系统，或在额定工作条件下最高瞬时电压超过1 5 0 0 v 的直流系 统【3 1 。因此，本文将船舶电站定义为船舶高压电站，而非中压电站或中高压电站。 1 1 2 船舶高压电站的发展方向 随着船舶电气设备的增多，船舶电站自动化程度的提高，船舶电站的网络结构 也日趋复杂。船舶高压电站虽然满足了船舶大负荷的用电设备，但是如何提高船 舶高压电站的稳定性、安全性、经济性，如何提高高压电站的自动控制程度，是 未来船舶高压电站研究的主要方向。 1 ) 系统保护 高压电站与传统的低压电站相比，由于其电压高于传统电站十倍甚至二十倍， 所以对系统的安全性和稳定性有了更高的要求。 2 ) 经济性 船舶电站的容量越高，电站的电压等级将对其经济性产生越大的影响。船舶 设计者应详细分析，正确地选取电压等级。其主要的分析包括：电站短路电流的 船舶高压电站功率管理系统的设计与管理 计算，主发电机及主开关规格的估价，主发电机、主要供电负载电缆和主要配电 变压器规格的估价等。 3 ) 自动化程度 随着船舶自动化程度的提高，船舶已由传统的简单、单一的控制逐渐转换为 智能控制。对于高压电站，智能的控制和管理能够最合理地分配船舶电能，提高 电站的利用率，健全的监控系统在方便船舶操作者工作的同时，大大提高了系统 的安全性。功率管理系统可以全面地控制船舶电站的电能分配，优良的功率管理 系统将是未来船舶高压电站的管理核心。由此，本文将着重分析船舶高压电站功 率管理系统，并进行分析和设计。 综上所述，对于未来的大型船舶来说，采用高压电站供电将是最优的选择。 高压电站将作为今后船舶电站的主要发展方向。 1 2 船舶高压电站功率管理系统的概述 船舶电站功率管理系统( p o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，p m s ) ：j ! 用了陆用电网能 量管理系统，早期的概念是对船舶电站主发电机功率的调节和控制。随着船舶电 站的发展，船舶电站功率管理系统的功能越来越全面，它不仅对船舶电能的产生、 分配、消耗进行综合的控制，而且对船舶电站的监测、保护进行智能的管理。 由于船舶高压电站的高电力容量、多电压等级的系统特性，因此对船舶高压 电站的管理比传统电站提出了更高的要求，高压电站功率管理系统尤为重要。具 有高压电站的船舶通常具有较大的电力负荷，如电力推进系统，大型的船用挖掘 机、起重机和泵组等，同时这些较大的负载通常为动态负载。推进电机的负荷与 发电机的容量相当，推进电机的起动、调速、制动过程都会对电网造成很大的冲 击。推进系统中的变频器和变压器设备、船舶的导航、监控系统、自动控制设备 都需要高质量的供电，加上船舶非线性负载在船舶负载中占的比例较大，因此船 舶高压电站功率管理系统应综合考虑船舶运行的稳定性、机动性、经济性，不仅 对船舶供电进行管理、协调控制各种负载、实现能量最优化，而且应向着“全局 优化、系统集成 的方向发展【4 j 。 第1 章绪论 船舶高压电站功率管理系统就是通过中央控制器自动地控制船舶高压电站电 能的产生、分配及消耗，包括控制主发电机的起停、主开关合分闸、负载功率 的限制，同时通过电子调速器、电子调压器保证电站频率、电压的稳定，提高船 舶电能的质量；功率管理系统还可以实时地对船舶电站的状态进行监控，并通过 人机界面显示，船舶操作人员通过人机界面可以操作高压电站各设备并检查各设 备的状态；如果高压电站出现故障，功率管理系统会自动检测并发出报警，并且 通过保护系统自动地阻止故障的扩大，最大程度地减少损失。 船舶高压电站功率管理系统是船舶电站的核心，它对高压电站进行综合集中 的管理，保证了高压电站的稳定和电能的优质，进而为船舶安全运行提供了保障。 船舶高压电站功率管理系统的设计与管理 第2 章船舶高压电站功率管理系统的组成及功能 2 1 船舶高压电站的主接线 船舶高压电站的主接线如图2 1 所示， 高压发电枫 高压发电机 板 低压员载 高压负载高压负载低压负载 图2 1 高压电站主接线圈 f i g 2 1m a i nw i r i n gd i a g r a mo ft h eh i g h - v o l t a g ep o w e r s t a t i o n 通过上图可以明显地看出，高压电站分为左右两侧，电站中间通过母联开关 相连，分别由两台高压发电机供电，高压配电板为高压负载和传统低压负载供电。 当负荷较低，母联开关可选择合闸状态，这样可以通过一台发电机就可为全部负 载供电；当一侧负载出现故障，可以断开母联开关，只选择一侧供电，将故障侧 负载切断，保证船舶供电的连续性。 图2 2 为船舶高压电站主开关柜图，可以看出图中只列出了高压电站单侧的 开关柜，包括母联柜、测量柜、主发电机柜、高压负载柜、低压负载柜，各开关 柜通过高压母排相连，母排下连接高压开关，再分别连接各高压电站设备，如高 压发电机、高压电动机、变压器等。各开关柜设有继电器保护装置，通过发出故 障报警或自动隔离故障部位，阻止故障在电网中进一步扩展，从而避免或尽可能 第2 章船舶高压电站功率管理系统的组成及功能 减少故障损失，保护高压电站。 母联拒测量柜主发电机柜高压负载柜低压负载柜 li ，7 “ k 嚣 瑟墨 疆舞 錾。訾蓬 7_ 秽二 - _ 锄： 僭=戳；崩， lii i l l - l l i l i 口 i 口 l 口 习 四 i00i0-o0 燃燃墩烈塑 l-i l口 li 口 li 口 i 口 li 口 l l i l 翟量量载 船舶高压电站功率管理系统的设计与管理 2 2 高压电站功率管理系统的硬件组成 图2 3 船舶高压电站功率管理系统图 f i g 2 3s h i ph i g h - v o l t a g ep o w e r s t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e md i a g r a m 如图2 3 所示，图中虚框内为功率管理系统的整体结构，其硬件主要由主控 制单元、信号采集单元、电子调速器、电子调压器、人机操控界面、手动并车装 置、报警单元和不间断电源组成。 1 ) 信号采集单元主要采集主柴油机、主发电机、高压开关、电力负载等设备的运 行状态、参数等信号，并将其传输到主控制单元。 2 ) 主控制单元通常为p l c ，对采集的信号进行分析，再通过已编好的程序，向主 发电机组、电子调速器、电子调压器、高压开关等发出指令，从而实现主发电 机组的起动、停止、调频调载、高压开关的合分闸等功能。 3 ) 电子调速器的功能为设定主发电机组转速的给定值，通过控制主发电机组的油 门限度进而控制主发电机组的转速，使之与给定值保持恒等。 第2 章船舶高压电站功率管理系统的组成及功能 4 ) 电子调压器的功能是维持高压发电机的端电压在允许的范围内；在船舶发电机 并联运行时，合理分配各发电机承担的无功功率。 5 ) 人机操作界面主要为了船舶操作人员对船舶电站进行监测、控制和管理，在操 作界面上操作人员可以根据实际需要调整功率管理系统的参数，充分体现了功 率管理系统的智能性1 6 l 。 6 ) 手动并车装置的作用是当自动并车功能出现故障时，操作者可以手动实现船舶 电站的并车、解列等操作。 7 ) 报警单元的主要作用是当船舶电站发生故障或者检测参数超过设定范围，功率 管理系统会自动发出报警，并根据报警自动发出控制指令，尽可能地将损失降 至最低，进而提高了船舶电站的安全性。 8 ) 不可间断电源保证了船舶功率管理系统的工作连续性，此电源将正常电源、应 急电源、蓄电池组电源并联，从而使得功率管理系统电源处于随时可用状态。 本节只简单地介绍了船舶高压电站功率管理系统的整体框架和硬件组成，具 体的硬件结构和功能将在后续章节中介绍。 2 3 高压电站功率管理系统的功能 船舶高压电站功率管理系统的核心是对电能的调配和管理，其功能包括供电 管理、负载管理、安全管理和监测报警管理【7 】。 2 3 1 供电管理 供电管理是对船舶电站的供电网络进行实时地监测和控制，它是船舶电站安 全运行的基础，电能能够分配和消耗必须以电力的正常供应为前提，供电管理就 是保证船舶连续、可靠的供电，同时满足系统经济性。供电管理功能主要包括： 1 ) 船舶主发电机组的自动起动 当电站负载增加，或者在网机组故障时，功率管理系统可直接向发电机组发 出起动指令，控制发电机组起动。 2 ) 主发电机自动并网、调频调载 主发电机自动并网指高压电站无电时主发电机开关自动合闸，或高压电站有 船舶高压电站功率管理系统的设计与管理 电时与在网发电机准同步并车，主发电机断路器开关合闸。 单一主发电机运行时，功率管理系统根据电网的频率和发电机负载，控制发 电机组的转速，这一转速和发电机的频率成比例，利用向电子调速器发出上升或 下降脉冲( 增速减速) ，功率管理系统保持电网的频率在规定的运行限值内。如果 有几台发电机连至电网，则发电机之间进行负载分配。一般发电机组调频范围为 5 0 0 5 h z ，有功分配调节范围是5 p e ，无功分配调节范围是1 0 9 6 q e i s 。 3 ) 主发电机的自动解列和主发电机组的停车 当在网机组发生故障或者系统负载下降，功率管理系统根据程序设定自动控 制一台主发电机开关分闸，分闸后向主发电机组发出停车指令。 在主发电机开关分闸前，功率管理系统会自动计算当发电机解列后，负载是 否会超过主发电机设定的起动限值，如果超过，主发电机将不会解列，以免主发 电机组频繁地起停。 4 ) 在网发电机最少台数 这一数值表示电站要求连接电网发电机的最少台数，可由操作人员通过功率 管理系统的要求手动设定，通过功率管理系统自动控制主发电机的起停实现。当 在网发电机最少台数设定后，即使电力负载降低至需要在网主发电机解列水平， 在网发电机台数仍保持最少台数这一数值。这一数值最小设定为1 。 5 ) 发电机组起动的优先顺序 当电站发电机组较多时，船舶操作人员可根据实际需要设定发电机组起动的 优先顺序，发电机组自动起动时起动优先级最高的发电机组，停止时顺序相反。 通过选择新的顺序，可以用停止机组取代连接机组。如在网发电机为l # 发电机， 2 # 发电机停机准备状态，设置的起动优先级顺序分别为1 、2 ，当将起动优先级顺 序改为2 # 发电机为l ，l # 发电机为2 后，2 # 发电机会自动起动、并网，1 # 发电机 将负荷全部转移到2 # 发电机后，解列、停车，变为准备状态。 6 ) 手动并车、解列操作 为了保证功率管理系统对高压电站并车、解列等操作随时可用，功率管理系 统特殊设计了手动并车装置。当功率管理系统主控制单元出现故障或自动并车、 第2 章船舶高压电站功率管理系统的组成及功能 解列功能不可靠时，操作者可以通过手动并车装置对高压电站手动实现主发电机 的并车和解列。 2 3 2 负载管理 由于船舶电站电力负载的增加，船舶电站功率管理系统对负载的管理越来越 重要。船舶高压电站电力负载通常包括大型电力设备，如电力推进系统，大型起 重机和泵组等，这些电气设备的起动、停止、负荷的变化都会对船舶电站造成很 大的影响。船舶高压电站功率管理系统将电站负载进行实时监控，保证船舶高压 电站的稳定性和可靠性，提高其经济性。 1 ) 重载连接 有的大型电力设备的负荷和主发电机的容量相当，当这类设备起动时对电网 产生很大冲击，如果发电机可用容量不够，很可能造成主发电机开关跳闸，造成 全船失电等严重后果。所以当重大负荷设备起动前，都会向高压电站功率管理系 统发出重载起动请求，如果电站功率满足条件，则向负载发出起动允许信号，如 果电站功率不足，则自动增加连网发电机的最小台数，当电网功率足够后，再向 负载发出起动允许信号。 2 ) 负载功率限制 当大负荷的电力设备如电机推进装置在运行中，如功率管理系统监测到电力 负载已达到设定值，这时功率管理系统对负载实行功率限制。 如果供电系统发生严重故障，功率管理系统会控制大负荷的电力设备快速降 负荷，实现功率保护。 3 ) 断开次要负载 通常如发电机负载大于预先设定值，则功率管理系统会自动向电力负载发出 减载指令。但是如果在限定时间内减载不够，则功率管理系统会向若干次要的负 载开关发出脱扣指令。断开次要负载功能分为一级、二级、三级卸载，首先一级 卸载，如果减载仍不够，再依次进行二级、三级卸载，根据负载的重要性划分不 同的卸载等级，有效地保护了重要负载的安全运行。 船舶高压电站功率管理系统的设计与管理 2 3 3 安全管理 船舶高压电站在满足船舶电站容量需要的同时，由于其电压等级高的特点， 与传统的低压电站相比，高压电站对船舶操作人员和设备的危险系数也相对较高， 所以提高船舶高压电站的安全性和可靠性尤为重要，高压电站功率管理系统提供 了系统的保护和安全管理的功能，保证高压电站的稳定性。 1 ) 高压发电机的保护 功率管理系统的信号采集单元将采集到的发电机各个运行参数送到功率管理 系统的主控制单元，主控制单元将这些运行参数实时地与设定的标准参数比较， 如果检测参数不正常，会根据需要解列在网发电机，并发出停车信号。如果参数 的状态对电网或设备造成的危害较大，功率管理系统会发出主发电机开关脱扣指 令，甚至向发电机组发出s h u t d o w n 指令。常用的高压发电机保护有：短路保护、 过载保护、欠压保护、逆功率保护、差动保护、转子接地保护等i 伽。 2 ) 断电后重新起动 当高压电站失电后，功率管理系统具有重新起动电站的功能，分为手动方式 和自动方式。 断电恢复的手动方式：当高压电站失电后，主发电机的状态为手动时，操作 人员可以通过功率管理系统人机操控界面直接地起动发电机组，然后手动合上主 发电机开关，恢复电网供电。 断电恢复的自动方式：当高压电站失电后，主发电机的状态为自动，且主发 电机开关的状态为遥控，功率管理系统检测到电网失电，将立即起动优先级最高 且准备好的发电机组，当发电机的电压、频率满足条件后，功率管理系统发出主 发电机开关合闸指令，高压电网恢复供电，机组起动的台数由在网发电机的最少 台数决定。当功率管理系统检测到高压电站供电恢复后，会向配电变压器开关发 出合闸指令，这时低压配电板会自动供电。通过断电恢复的自动方式，功率管理 系统可以自动并快速地恢复全船的电力供应。 第2 章船舶高压电站功率管理系统的组成及功能 2 3 4 监测报警管理 为了保证船舶电站的稳定运行，功率管理系统集中了船舶高压电站系统的监 测和报警功能。 1 ) 系统运行参数的监测 功率管理系统设立了信号采集单元，可以实时地采集船舶高压电站各设备运 行的参数，这些参数信号不仅用于对高压电站的控制，而且用于对电站设备运行 状态的监测。各种参数信号通过传感器转换为电信号，数字信号直接传给主控制 单元，模拟信号通过a d 转换为数字信号然后传输给主控制单元。 常用的监测信号有：模拟信号输入：发电机电流、频率、功率、电压；高压 配电板母线电压；高压负载的电压、功率、转速。数字信号输入：发电机断路器 状态( 合分) ；发电机组遥控指示、准备状态、自动状态、运行状态、停机状态； 高压各开关状态( 合分) ；电力负载的运行状态l 埘。 2 ) 功率管理系统报警功能 当船舶电站出现故障或功率管理系统检测到系统运行参数不正常时，功率管 理系统将立即发出声光报警，提示船舶操作者采取应对措施。对于所有的监测点 都可以设定状态自动记录，报警记录和消警记录等。并且功率管理系统外接打印 机，可以自动打印各种故障、报警信息，以备操作者检查和处理故障。 高压电站常见的报警有：要求起动机组的起动故障、要求连接机组的连接故 障、要求断开机组的断开故障、要求停止机组的停止故障、在网的发电机组台数 低于所设在网发电机最少台数、重载请求无可用功率故障、各种模拟数字量输入 值不满足设定值报警、硬件故障报警等。 船舶高压电站功率管理系统的设计与管理 第3 章船舶高压电站功率管理系统的结构设计与硬件选取 3 1 高压电站供电网络和功率管理系统的结构设计 在对船舶高压电站功率管理系统的进行硬件设计之前，首先必须对高压电站 整个供电网络进行整体架构，其次根据供电网络结构进行功率管理系统的整体网 络设计，最后根据实际电站的容量和组成对功率管理系统的硬件进行设计和选取。 3 1 1 高压电站供电网络的结构设计 1 齄l m c 6 6 v2 脚坩 2 i 黼 _ c 6 6 0 w2 0 蹦 f 1 硼啦4 0 w 拉蜩断4 j 0 a v 图3 1 船舶高压电站供电网络设计图 f i g 3 1s h i ph i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l yn e t w o r kd e s i g nd i a g r a m 图3 1 为本文设计的船舶高压电站供电系统的网络拓扑结构图。从图中可以 清楚地看出高压电站供电、配电和负荷分配状况。高压电站由两台6 6 0 0 v 高压发 电机组供电，额定功率为2 8 8 0 k w ，g 1 、g 2 通过高压开关1 a c b 、2 a c b 分别为高压 第3 章船舶高压电站功率管理系统的结构设计与硬件选取 配电板# i h s b 、# 2 h s b 供电，1 # 、2 # 高压配电板通过两个联络开关3 a c b 、4 a c b 连接。 联络开关主要作用是将高压配电板分为左右两侧，当一侧出现故障可以将故障侧 隔离，保证高压电站的正常工作。高压负载主要包括# 1 、# 2 主推进装置，单机全 负荷工作容量为2 6 0 0 k v a ，高压隔离开关为5 a c b 、6 a c b ，合闸后为l # 、2 # 推进变 压器组供电，变压器为变频器提供电压，进而为推进电机供电；另外，主要的高 压负载包括# 1 、# 2 首侧推电机，额定功率为7 1 5 k w ，由图可见，高压配电板通过 高压开关7 a c b 、8 a c b 直接为首侧推电机供电，由于采用高压电机，所以额定电流 为7 4 a ，即使电机负荷很大，起动时也不会产生较大的起动电流，这也是首侧推电 机采用高压电机的原因。船舶即使采用高压电站供电，其大多数常规电力设备额 定电压仍为4 0 0 v ，所以船舶高压电站仍设计# l 、# 2 配电变压器，分别为l # 、2 # 低压配电板供电。图3 1 中的l o 个高压开关控制着船舶高压电站电能的分配，各 开关所画的m 为开关储能电机，为开关自动合闸时提供动能。 3 1 2 高压电站功率管理系统结构的设计 根据2 2 节的介绍和3 1 1 节设计的船舶供电网络结构，设计功率管理系统 的结构，展示在图3 2 中。 通过图3 2 可以看出，为了提高功率管理系统的可靠性，根据高压电站高压 配电板分为左右两侧的特点，本设计将功率管理系统分为两个部分，分别控制管 理左、右侧的高压电站。 1 # 、2 # 两个主控制单元通过通讯电缆实时保持通讯，传输1 # 、2 # 信号采集单 元采集的信号，两个主控制单元同时根据整个高压电站的运行参数进而对高压电 站进行最优控制。1 # 信号采集单元采集1 # 主发电机组，l # 高压配电板高压开关、 电力负载等信号，然后同时传输到1 ：肆、2 # 主控制单元，2 # 信号采集单元同理。这 样当其中一个主控制单元出现故障时，另一个主控制单元可以同时控制两侧高压 电站，从而实现功率管理系统主控制单元结构的i + i 冗余保护。 船舶高压电站功率管理系统的设计与管理 图3 2 高压电站功率管理系统结构设计图 f i g 3 2d i a g r a mo fh i g h - v o l t a g ep o w e r s t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 高压电站供电的质量直接关系到电站的稳定，而电站的电压、频率的稳定是 衡量电站稳定性的主要标准，对电站电压、频率的控制主要通过电子调压器和电 子调速器实现。传统的电子调压器、调速器通过两个硬件分别控制船舶电站的电 压和频率，将发电机的励磁和转速分别控制【1 1 l 。对于高压电站来说，发电机的转 速和电压相互耦合将对电站产生更大的影响，因此本文设计了复合电子调速调压 器，综合考虑高压发电机组控制系统的性能，通过较优的算法，对发电机的转速 和电压综合地控制，抑制负载扰动引起的偏差，提高高压电站的供电质量。具体 的设计将在后续的章节中介绍。 第3 章船舶高压电站功率管理系统的结构设计与硬件选取 3 2 功率管理系统主控制单元硬件的选取 在恶劣的船舶电站环境中，可编程逻辑控制器( p l c ) 稳定性及抗干扰性相对于 计算机控制系统有较为明显的优势1 1 2 l 。传统的继电器控制系统接线复杂、可靠性 低、灵活性较差，p l c 结合了计算机控制技术和继电器控制技术，越来越广泛地应 用到了船舶电站控制系统中。因此，本文高压电站功率管理系统的主控制单元采 用p l c 进行控制和管理。 s i e m e n ss 7 4 0 0 鬟别 s c h n e i d e rq u a n t u m 衷列a bc o n t r o ll p g i x 系歹| j 图3 3 常见的p l c 产品 f i g 3 3c o m m o np r o d u c to fp l c 图3 3 展示了市场上常见的各个厂家的p l c 产品，综合考虑控制器的内存容 量、c p u 的性能和用户的成本，本设计将采用a b b 公司的a c 8 0 0 m 系列的p l c 。 表3 1a c 8 0 0 m 系列p l c 与$ 7 - 4 0 0 系列p l c 比较 t a b 3 1c o m p a r i s o nb e t w e e na c 8 0 0 mp l cw i t h $ 7 - 4 0 0s e r i e sp l c c p u s p m 8 5 1p m 8 5 6 p m 8 6 0 p m 8 6 1 ap m 8 6 4 a p m 8 6 5 a b b r a m8 m8 m8 m1 6 m3 2 m3 2 m a c 8 0 0 m w o r k2 8 3 6 m2 8 3 7 m2 8 3 8 m8 6 1 6 m2 4 9 6 1 m2 4 9 6 2 m c p u sc p u 4 1 2 - 2c p u 4 1 4 2 c p u 4 1 4 3c p u 4 1 6 2c p u 4 1 6 _ 3c p u 4 1 7 - 4 s i e m e n s r a m1 2 8 k2 5 6 k7 0 0 k1 4 m2 8 m1 0 m $ 7 - 4 0 0 w o r k1 2 8 k2 5 6 k7 0 0 k1 4 m2 8 m1 0 m 船舶高压电站功率管理系统的设计与管理 根据表3 1 【1 3 】可以明显的看出，a b b 的a c 8 0 0 m 系列p l c 无论在内存和处理能 力上都远远高于西门子的$ 7 - 4 0 0 系列p l c ，a c s 0 0 m 系列集成了大容量的内存，提 升c p u 的性能和带负载能力，避免由于程序量大而不能下载的尴尬，节约用户成 本。其硬件结构如下图3 4 所示。 鲁 以芄h 口 图3 4a c 8 0 0 m 系列p l c 外观图 f i g 3 4a p p e a r a n c eo f a