（电力系统及其自动化专业论文）船舶电力监控系统设计.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fs h i p p i n gi n d u s t r y , t h et r e n do fm a k i n gl a r g e s c a l ea n dt h eh i g h t e c ho fs h i p sa r eb e c o m em o r ea n dm o r er e m a r k a b l e t h e r e c o m ef o r t hm a n yn e wi d e a s ，t h en e wt e c h n o l o g y , t h en e we q u i p m e n ti nt h em a r i n e p o w e rs y s t e ma n dt h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m t h ec o n t r o l ，t h es u r v e i l l a n c ea n d t h em a n a g e m e n to fp o w e re q u i p m e n t sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h em a r i n e p o w e rs y s t e m i no r d e rt or e a l i z et h er e l i a b i l i t y f o rt 1 1 em o v e m e n t ，c o n t r o la n d m a n a g e m e n to ft h em a r i n ep o w e rp l a n t ，a n de n h a n c et h ea u t o m a t i o nd e g r e eo f u n m a n n e de n g i n er o o m ，t h et h e s i sh a sd e s i g n e dam a r i n ep o w e ra u t o m a t i o n s y s t e mb a s eo np l c 、s e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rn e t w o r k ，w h i c hc a l l i n c r e a s et h er e l i a b i l i t y ，s t a b i l i t ya n de c o n o m i ce f f e c t ，u s i n ga d v a n c e d i n d u s t r i a l c o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y t h i sk i n do fs y s t e mi sa l s oc a l l e dd c s ( d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ) t h ef i r s tt h i sa u t o m a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi sc o m p o s e db yt w oo rm o r e s u b s t a t i o n sa n do n em a i ns t a t i o n e v e r ys u b - s t a t i o ns y s t e mi sc o r e db yo n e s i e m e n ss 7 - 3 0 0s e r i e sp l ca n da g r o u po fd i e s e ld y n a m o t o r t h es u b s t a t i o nc a n r e a l i z ef u n c t i o n ss u c ha sa u t o m a t i cc o n t r o lt w oo rm o r eg e n e r a t o r st op a r a l l e l c o n n e c t i o nw o r k i n g ，a u t o m a t i cd i s t r i b u t ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r , f r e q u e n c y a n dp o w e r , b ym e a n so fs i e m e n ss t e p 7d e v e l o p m e n ts o f t w a r et op r o g r a mp l c m a i ns t a t i o ni sc o m p o s e db yai n d u s t r i a lp cw i t hw i n d o w ss e r v e r2 0 0 3o s ， w i n c c ( w i n d o w sc o n t r o lc e n t r e ) a n di i s 7 u s ep r o f b u si n d u s t r i a lf i e l d b u s a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt om o n i t o rp l ca n di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s s om a i ns t a t i o nc a ne x c h a n g ei n f oa n dd a t aw i t hs u b s t a t i o n s ，i t sa l s oc a nc o n t r o l p e r i p h e r a la p p l i c a t i o n st ow o r k i n gw i t hh i g he f f i c i e n c yh i g hs p e e da n ds a f e t y w i mw i c cs y s t e mw ec a nc r e a t ev i v i dv i s u a lp r o c e s sa n i m a t i o n ，w h i c hc a ng r e a t e n h a n c et h i ss u r v e i l l a n c es y s t e m sf u n c t i o n t h el a s tt h i st h e s i sb a s eo nt h er e a li n d u s t r i a la p p r o a c h ，u s es o f t w a r et o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s i m u l a t et h ep l cp r o g r a m m e ，t h e nb ym e a n so fl a b o r a t o r y se q u i p m e n tt ot e s tt h e s y s t e m t h r o u g he o m p a r e ra n da n a l y s et h ed a t at oa p p r o v et h i ss y s t e mi sa f e a s i b l eo n e k e y w o r d s ：m a r i n ep o w e rs y s t e m ；d c s ；i n d u s t r i a lf i e l db u s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：石缀 日期：z 矿矽年移肜方日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：庇炙 日期：二夕夕7 年衫月多珀 导师( 签字) ：矽：槐 2 毒夕罗年够月夕箩曰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 船舶作为人类在水面上活动的主要平台，对人类的生活和工作有着极其 重要的意义。近年来随着相关科技日新月异的发展，对于船舶自动化的要求 日益加剧。船舶电站自动化是船舶自动化的一个重要组成部分，也是船舶现 代化的重要标志。随着航运业的发展，对船舶电力设备的可靠运行提出了越 来越高的要求。船舶电力系统的控制、监视和跟踪管理就显得极为重要。船 舶电站是船舶电力系统的核心，对船舶的安全航行和经济效益有重要的影响。 电站供电的连续性，可靠性和供电品质将直接影响船舶的经济指标，技术指 标和生命力川。 船舶电站自动化装置，从六十年代采用继电器控制技术及其后来的晶体 管分立元件控制控制技术到七十年代的小规模集成电路及其后来的中大规模 集成、模拟电路控制技术，至八十年代的微处理机控制技术，九十年代的p l c 控制技术。约在七十年代末已形成了船舶电力自动管理系统。船舶电站的控 制在七十年代后期形成了功能较齐全、性能较稳定的由数字集成电路与模拟 集成电路组成的控制系统。进入八十年代世界各国都先后研制由单片机组成 的微机控制系统。九十年代p l c 控制系统的可靠性己为世人所共识，产生了 基于p l c 控制的电站、主机遥控、集中监视系统。随着计算机信息处理技术 的发展，船舶电站自动化正朝着集散型计算机控制系统( 又称分布式或网络 式微机控制系统) 的方向发展1 2 】。 计算机技术应用于船舶电站自动化系统，使得船舶电站成为集自动控制、 监测、报警等于一体化的监控系统，船舶电站自动化技术是船舶工业科技战 略发展应用研究的重要技术之一，是涉及计算机网络、数字化信息技术、现 代控制技术、通讯、信息处理、光纤、传感器、电力电子等多种学科和技术 综合应用的一体化产物。它需要研究网络技术( 包括船用光纤、现场总线、 工业以太网等技术) 、智能柴油机电控技术、全电力电子技术、微机技术等， 以集成化、网络化、标准化、模块化、智能化、系列化等方式，向实现船舶 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电站综合自动化这个高层次阶段发展1 4 j 。它是开放式和网络化的未来船舶电 站自动化的创新模式，具有自动化程度高、可靠性高、维护简洁等特点。 综上所述，船舶电站自动化是船舶科学技术的重要组成部分，其系统及 设备发展极其迅速，更新换代的速度也是惊人的，而船舶电站自动化技术正 朝着数字化、智能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展。这也是2 l 世纪国际船舶电站自动化技术发展总趋势。 1 2 船舶电站控制系统的国内外发展现状 从技术上看，船舶电站自动化经历了单元分立式控制，集中式自动控制 和集散式自动化系统。单元自动化装置方面，自动并车装置，自动并车解列、 自动负荷分配装置及a v r 自动调压器等均已达到极高的可靠程度。在单元 器件自动化基础上，将它们组成电站自动化装置，使其成为完整的电站自动 化系统。八十年代以来，随着微机技术的发展，先后出现过微机集中式船舶 电站自动化系统，分散式自动化系统和集散式自动化系统。集中式系统便于 集中控制，但故障的查找及维修较困难。分散控制对个设备模块分散控制， 提高了系统的可靠性和可维护性，但与无人机舱集中管理的要求有一定矛盾。 目前船舶电站自动化正朝着集散型自动化系统方向发展。它集中了集中型和 分散型的优点，克服了它们的缺点。美国的加州大学，日本长崎综合科技大 学，德国的汉堡大学等都进行了卓有成效的研究。我国沪东造船厂研制的 c d z 型电站自动化系统也运用了这一原理。这类自动化系统在国内外船舶中 的应用逐年增多，它的技术指标、可靠性指标更高，功能更强。建立在网络通 信基础上的集散型控制系统的出现，使电站自动化开始进入了一个全新时代【3 j 。 1 3 船舶电力监控系统的概述 1 3 1 船舶电站监控系统的主要功能 根据船舶电力系统的发展趋势，船舶电站自动化系统应具有如下特点【5 1 。 ( 1 ) 对系统运行时相关的电气参数及信号自动监测、报警显示、记录打 印，并由相应的逻辑判断功能发出控制命令。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 重载查询。判断负载是否超出当前运行机组总容量，是则发出与并 车( 发电机并联) 相关的指示，使备用发电机组自动启动、投入运行。 ( 3 ) 发电机组投入电网运行后，能自动调压调频，自动分配有功及无功。 ( 4 ) 轻载解列。当运行机组容量相对于负载总量富余很多时，系统发出 停车指示，可使后并网的机组脱离电网。 ( 5 ) 发生电气或机械故障时有自动保护功能。 7 ( 6 ) 能够自动启动多台机组。启动系统在某机组启动失灵或不能合闸时， 自动将启动指令移至另一机组。 ( 7 ) 主电站可与应急电站自动转换。 为实现上述功能及特点，本监控系统的设计应满足如下基本原则即 模块化设：船舶电站的监控系统经模块化设计集成，使之既能独立工作又便 于组合、测试，某部件的故障不影响全船系统的其他部分的工作。 接口标准化：由于控制器上装有以太网模块，上位机具有以太网卡，因此二 者可以通过以太网进行连接，相当于其接口是按一定的标准进行规范，之联 网方便，操作简便，实现资源共享。 系统网络化：通过船载网络平台，可以与船上其它各种子系统连接起来。实 现船舶网络化。 系统集成化：系统的基本思想，是把船舶电站主要监视和控制功能全部集中 到集控台，实行网络化集中管理。 屏幕式直观显示：设置各种显示屏幕，能直观提供各种相关信息，易于观测、 判断和操作。系统可以充分实现信息的共享和资源的充分利用，对船舶管理 和决策发挥重要的作用。 1 3 2 工业集散控制系统的特点和发展趋势 集散控制系统( d c s ) 2 z 名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对 生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。是由 计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、c r t 技术、图 形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的6 1 。 d c s 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。它具有通用性强、系统组态灵活、 控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规 范化、调试方便、运行安全可靠的特点，适用于石油、化工、冶金、轻工、 电力、造纸等各种生产过程，能提高生产自动化水平和管理水平，提高产品 质量，降低能源消耗，提高劳动生产率、保证生产的安全，促进工业技术发 展，创造最佳的经济效益和社会效益。 d c s 是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体 的系统。与常规的集中式控制系统相比有如下特点： ( 1 ) 实现了分散控制。它使得系统控制危险性分散、可靠性高、投资减 小、维护方便。 ( 2 ) 实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合 化和系统化。 ( 3 ) 采用网络通信技术，这是d c s 的关键技术，它使得控制与管理都 具实时性，并解决了系统的扩充与升级问题。 当今d c s 向综合化、开放化发展。9 0 年代工厂自动化要求各种设备( 计 算机、d c s 、单回路调节器、p l c 等) 之间的通信能力加强，以便构成大系 统。开放性的结构将方便地与指挥生成管理的上位计算机进行数据交换，实 现计算机集成生产系统。同时在大型d c s 进一步完善和提高的同时，发展小 型集散控制系统。随着电子技术的发展，结合现代控制理论，应用人工智能 技术，以微处理器为基础的智能设备相继出现，如智能变送器、编程调节器、 智能p i d 自整定控制、智能人机接口，以至于智能d c s 。各制造厂商都在“开 放性”上下功夫，力求使自己的d c s 与其他厂商的产品很容易地联网；大力 发展和完善d c s 的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在 一起，形成管控一体的产品；高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容 错技术；在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能， 如自整定、自适应、最优、模糊控制等；在系统规模和结构上，形成由小到 大的产品，以适应不同规模的需求。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 3p l c 在船舶电站监控系统中的应用前景 船舶电站大的自动控制在8 0 年代后期形成了功能比较齐全、性能较稳定 的由数字集成电路与线性模拟电路组成的控制系统，如s i e m e n s 公司的 e e a 一2 2 进入8 0 年代世界各国都先后研制由单板机或单片机组成的微机控制 系统。由于船舶机舱环境的恶劣，微机控制系统在防电磁干扰上或多或少存 在一些问题，因此电站的微机控制系统并没有被船电领域的一些著名企业所 接受。9 0 年代p l c 控制系统的可靠性己为世人所共识，其产品的通用性、 仅需少量备件且易于在世界各地购置而得到广大客户的青睐，在这一点上 s i e m e n s 公司以其世界大公司的气魄于九十年代初首先在机舱自动化中采 用了通用性的p l c 作为控制核心器件，淘汰了其8 0 年代闻名于世的微机控 制系统，而代之基于p l c 的新一代控制系统。到目前p l c 控制的电站、主 机遥控、集中监测报警等系统也已不断的更新换代。 可编程序控制器( ( p l c ) 是通用型工业控制器件，因其稳定可靠、功能齐 全、应用灵活、操作方便及维修容易等显著优点，在各行各业已得到广泛的 应用。基于p l c 控制的船舶自动化电站与基于微机( 单片机) 控制的船舶自动 化电站相比至少具有以下优点： ( 1 ) 可靠性高： ( 2 ) 用户所需备件数量少 对p l c 系统而言，无需专1 3 失n 识、一分钟即可学会参数的修改操作。现 在我们所设计的船舶电站更是选用它的运算速度更快，功能更强大的中型 p l c 并且还对其进行联网操作。这一趋势在逐渐的扩大，并且细化。 1 4 课题研究的主要内容 本课题研究的对象船舶电站模拟系统以船舶电站电气综合监控台为主 体，利用西门子s t e p 7p l c 标准编程软件包编写p l c 程序，通过对软件程 序设计和部分硬件电路的搭建实现对待并发电机的调压、调频、判断合闸角 度并自动合闸并车，并对有功功率及无功功率进行分析控制从而使多台机组 合理分配功率，当轻载时自动解列及其他运行情况进行控制。上位机监控软 件w i n c c 通过p r o f i b u s 现场总线与下位机s i m e t i cs 7 3 0 0 p l c 通信，通 5 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 过接收p l c 输出端的状态信息实现对系统的监视( 如显示报警或某个开关的 开合状态) ，通过发送中间变量( 对应p l c 中的中间继电器) 的数值到p l c 实现对p l c 的控制，从而控制整个系统( 如自动并车，投入或切除负载等) 。 同时对故障监测，即当发电机保护开关跳闸时，系统会自动诊断出发电机保 护开关跳闸的原因如机组过压、断相或者逆功等，并发出声光报警信号。并 利用计算机网络技术通过i n t e m e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ，t c p i p 协议，w i n c c w e bs e r v e r 将数据发送到i n t e m e t 上，此时，使用与互联网相连的远程监测端 的p c 机的用户，登录船舶电站远程监测系统的界面后，就可以浏览相应的 数据和操作控制。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章船舶电站控制系统的设计方案 2 1 并车原理与方案选择 2 1 1 同步发电机的并车条件 将一台发电机投入电网并联运行，不能随便将待并发电机的开关与电网 接通，不然会导致并车失败，严重时会导致全船断电，机组也将受到电磁的 和机械的有害冲击。所以要求并车时应使合闸冲击电流最小，合闸后应能很 快进入同步运行【了。为此并车必须满足一定的条件。 ( 1 ) 理想的并车条件 理想并车条件是待并机的电压材：= , 4 t - 2 u 2 s i n ( r 0 2 t + 9 2 ) 与运行机( 或电网) 的电压u 。= , f 2 u i s i n ( c o l t + 0 0 之间须同时满足如下列条件： a 电压的有效值相等，即u l = u 2 。 b 频率相等，即厂i = 厂z 。 c 相位或初相角相等，即o l = 0 2 。 d 相序一致。 符合上述条件，则待并发电机的电压矢量与电网的电压矢量完全重合， 而且同步运行。在此时并车，冲击电流最小，这就是准确同步的理想情况， 把上述电压相等、频率相等和相位一致的并车条件称为理想的并车条件。 在上述的四个条件中，d 条是必须满足的条件。一般如果不是新安装的 发电机或检修后安装的发电机，这一条都是满足的，无需检查。前三条实际 中允许有一定的误差，由于船舶电力系统负载的频繁变化及并车操作人员的 熟练程度不同，要做到完全满足三个条件，达到理想的同步是不可能的。在 进行并车操作时，就是要检测和调整待并发电机的这三个参数，在满足电压 基本相等、频率基本一致和相位差接近为零的瞬间合上主开关，使发电机投 入电网并联运行。 ( 2 ) 实用的并车条件 从上面分析可知当并车的任一条件不能满足要求时，发电机间必将产生 7 哈尔滨工程大学硕七学位论文 冲击电流。当冲击电流在许可的范围内，它能帮助同步发电机在并车过程中 拉入同步，但当并车条件超过允许的范围，过大的冲击电流可能导致并车失败或 者使系统电压下降，甚至出现断电、损坏机组等事故，这些则都是要避免的。 实际并车操作遇到的条件，则是上述三种情况的综合。即电压幅值、频 率和相位均存在偏差，必须限制偏差才能保证投入并联的成功。否则会破坏 电网的正常运行，造成电网设备和发电机组( 包括原动机) 损坏。 理论上讲并车的三条件是：电压幅值相等、频率一致、相位差为零。实际 上在待并发电机与电网之间总存在误差，事实上绝对地理想并车条件，在现 实中是无法找到的。因此，实际的并车条件应是既可以成功实现并车，又不 至于造成发电机组损坏的并车条件。经理论和实践证明，实用的并车条件为 p 2 阻u z i 矧 1 a f = l 厂l f 2 l o 5 乜或r = 寺2 s ( 2 - 1 ) k 1 0 1 0 2 1 0 ：f 2 - f , 0 。 2 1 2 自动准同步并车的分类与基本功能 由于主开关从接受合闸指令到真正闭合接触器有一个时间延迟厶，它称 为开关固有动作时间，大小约在0 。1 s 这个数量级。根据提前量选择的不同， 自动准同步并车装置可分为两类： ( 1 ) 恒定越前时间的自动并车装置 这一类装置保证在给定的越前时间下发出合闸脉冲。如果这种并车装置 在不同的角频差下工作，则将在不同的越前角下发出合闸脉冲，因为要保证 t p 0 p ( 3 6 0 。) 不变。 ( 2 ) 恒定越前相角的自动并车装置 这类装置在给定的越前相角下发出合闸脉冲。这时越前时间并不是一个 确定的数值，而决定于允许范围内并车时的角频差。这种装置在原理上就不 能完全准确地实现准同步并车的条件。但在仇和如足够小的条件下，可将合 闸误差限制在允许范围内。原则上，恒定越前时间的自动并车装置是可以做 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 到在发电机和电网的电压相位完全重合的条件下合闸的，但实际上将稍有偏 差，这是由于主开关动作时间不固定以及主开关动作时间测量时的情况与并 车时不同造成的。 对数字自动准同步系统来说，时间或相角的获得只在于程序上有所不同。 本设计按恒定越前时间来编制程序和设计硬件电路，以尽可能地满足并车条 件，同时也不会产生额外的硬件负担。自动并车装置包含手动操作的全部逻 辑程序，具有下列功能： ( 1 ) 判断待并发电机与电网的电压差、频率差和相位差，当任一条件不 符合并车要求时，实现闭锁，不允许发出合闸指令。 ( 2 ) 检测待并机与电网的频率差，并根据频差的大小和方向，自动对待 并发电机组发出调频信号，使频差缩小，直到满足频差条件。 ( 3 ) 当电压差( 电压条件不满足时，由电压调整装置调整) 、频率差在允 许范围内时，自动捕捉相位条件，相位条件满足后才允许发合闸指令。 ( 3 ) 发合闸指令要有提前量，提前量为发电机主开关的固有动作时间， 保证合闸瞬间有最小的合闸相位角，使并车冲击最小。 图2 1 自动并车原理框图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 电压及无功的自动调整的设计方案 各种电气设备必须在额定电压下运行，因此保持一定电压水平，是供电 质量的重要指标之一。但是，实际上电力系统的电压总是经常变动的。由于 船舶电源容量较小，而负载单台设备容量却较大，因此船舶电力系统的电源 一同步发电机的端电压变动尤为严重，故研究船舶同步发电机电压自动调整， 是交流船舶电站的重要课题之一。 船舶电站绝大多数采用交流电制，由于船舶用电设备多为感性负载，负 载电流对交流同步发电机产生去磁作用，电流大小和功率因数的变化都会引 起发电机端电压变化，所以船舶交流同步发电机必须有自动电压调整装置或 自励恒压装置它能自激起压，并在负载变化时自动维持电压恒定的装置来调 整发电机的端电压，否则电压的剧烈变化将会影响电气设备的正常工作。 2 2 1 电压自动调整装置 为了维持发电机的端电压基本不变，发电机的励磁电流必须适时地做相 应的调整。这一任务由励磁自动调整装置来完成。了保障发电机组并联运行 的稳定，各发电机间无功功率就必须合理地进行分配。这一任务亦由励磁自 动调整装置来完成。 船舶电网发生短路故障时，亦需要励磁系统适时地进行强行励磁。综上 所述，励磁自动调整的任务及功能可归纳为【3 6 】； ( 1 ) 在船舶电力系统正常运行工况下，维持电网电压在允许范围内。 ( 2 ) 在船舶发电机并联运行时，使发电机间无功功率合理分配。 ( 3 ) 提高电力系统同步发电机并联运行静态稳定性。 ( 4 ) 在事故情况下，实行强行励磁，以快速励磁方法提高发电机并联工 作的动态稳定性。 ( 5 ) 加速电网短路后电压恢复速度，提高电动机运行的稳定性和改善电 动机自起动条件。 ( 6 ) 提高在故障时具有时限的继电保护装置动作的正确性。 ( 8 ) 当并联运行中一台发电机失磁时，可使其短时间内异步运行。 ( 9 ) 使并车操作易于进行，速度加快等。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 发电机电压静态指标 即发电机稳态电压变化率。我国钢质海船入级与建造规范中对电压静态 指标规定为交流发电机连同其励磁系统，应能在负载自空载至额定负载范围 内，且其功率因数为额定值情况下，保持其稳态电压的变化值在额定电压的 1 2 5 以内。应急发电机可允许在额定电压的1 3 5 以内| 4 7 jo 发电机稳态电压变化率按下式计算 a u ：u m a x ( o r u m i n ) - u j 1 0 0 ( 2 2 ) u n 【厂嗍在规定的负载变化范围内，发电机的最大电压 u m i 。在规定的负载变化范围内，发电机的最小电压 踟发电机的额定电压 2 2 3 发电机电压动态指标 发电机动态特性有两个指标 ( 1 ) 瞬态电压调整率 指当电网负载突变后电压的最大波动值，称为瞬态电压调整率。 ( 2 ) 电压波动恢复时间t l 指自负载突变时，从电压发生波动开始到电压 恢复到稳定值的一定容许差直范围内所需要的时间，叫做电压波动恢复时间 用t l 表示。 发电机动态电压变化率按下式计算 a u a ：u m a x ( o r w m i ) - u o 1 0 0 ( 2 3 ) u n u 一动态过程中的最小电压 u t m i 。动态过程中的最大电压 趴发电机的额定电压 u o 突卸或突加负载前的电压 2 2 4 无功分配 并联运行交流发电机组间的无功功率应合理分配。钢质海船入级与建造 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 规范对并联运行的各交流发电机组的无功功率的分配要求为并联运行的各交 流发电机组均应能稳定运行，且当负载在总额定负载的2 0 1 0 0 范围内变 化时，各机组所承担的无功负载与总无功负载按机组定额比例分配值之差， 应不超过下列数值中的较小者；最大机组额定无功功率的1 0 ，最小机组 额定无功功率的2 5 。 依上述规范规定，对并联运行交流发电机组间的无功功率分配应符合： ( 1 ) 对于同容量发电机组并联运行时，各自实际分担的无功功率与应分 担的无功功率误差应小于1 0 。 ( 2 ) 对于不同容量发电机组并联运行时，最大机组实际分担的无功功率 与应分担的无功功率误差应小于1 0 。 ( 3 ) 对于不同容量发电机组并联运行时，最小机组实际分担的无功功率 与应分担的无功功率误差应小于2 5 。 2 3 频率及有功功率自动调整的设计方案 船舶电站负载发生变化，如电动机起动、停车等，而发电机的原动机油 门尚未来得及调整，原动机的驱动功率与负载功率的平衡关系被破坏，引起 发电机组转速的变化( 厂= p n 6 0 ) ，而频率是衡量电能质量的主要指标之一。 电力系统的频率波动，会对电力系统运行的可靠性和经济性带来严重的影响。 它不仅影响舰载设备的正常工作，而且会使电动机运行恶化。当电网频率低 于额定值时，由于异步电机的转速下降，轴上输出功率和效率降低。在电动 机电压不变的情况下，由于磁化曲线的饱和特性，磁化电流增加要比磁通增 加多得多，进而会引起铁芯和绕组发热。当频率高于额定值时，电动机转速 升高，对于转矩不变的机械负载，其输出功率必然增加，使电动机过载；对于 离心式的泵与通风机，其输出功率与转速的三次方成正比，又会造成电动机 严重过载。另外，频率增加时，在端电压不变的情况下，磁通必然减少。由 于电动机的起动转矩与磁通成正比，所以使电动机起动转矩减小。由于原动 机是按额定转速发出最大功率和最高效率设计的，当转速变化时，就会使原 动机效率降低并使其零件磨损加剧。几台发电机并联运行时，频率波动会引 起各机组有功负载分配不均匀，造成有的机组过载，严重时稳定运行受到破 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 坏。根据有关规定，带动发电机的原动机( 包括柴油机和汽轮机) 须装有调速 器，其调速特性应符合下列规定：当突然卸去额定负载时，其瞬时调速率不 大于额定转速的1 0 ，稳定调速率不大于额定转速的5 ，稳定时间( 即转速 恢复到波动率为1 1 范围的时间) 不超过5 s 。这些对原动机调速性能的要求， 其实质在于保证电力系统的频率波动也在上述的范围之内。如图2 2 钢质海船入级与建造规范并联运行的各交流发电机组均应能稳定运 行，且当负载在总额定负载的2 0 一1 0 0 范围内变化时，各机组所承担的 有功负载与总负载按机组定额比例分配值之差，应不超过下列数值中的较小 者； ( 1 ) 最大机组额定有功功率的土1 5 。 ( 2 ) 各个机组额定有功功率的2 5 。 图2 2 动态调速特性 2 3 1 调速器及其调速特性 发电机运行时的频率和有功功率分配情况取决于原动机的调速特性，因 此下面介绍一下原动机的调速方法和调速特性。各种柴油机调速系统在调速 功能上，一般主要包含：转速反馈输入，控制调节和执行机构输出这几个环节 上( 有些调速器，如一些用于发电机的柴油机，在调速时附加上负荷输入，作 为转速反馈的补偿) 。其转速反馈环节的主要作用是感知发电机的实际转速， 如机械调速器的飞铁，电子调速器的磁电式传感器等。控制调节环节的作用 是：将反馈转速的输法( 数字式电子调速器) ，转换成控制输出；而执行机构的作 用是：将控制输出转换成油泵的齿条位移。 ( 1 ) 调速特性 哈尔滨工程大学硕士学位论文 我们把柴油机转速n 或者频率f 与柴油机输出功率的关系称为调速特性。 如果转速或频率与输出功率大小无关，则称为无差调速特性，如图2 3 曲线l 所示。一种经放大器间接作用于油门的调速系统，具有这种无差特性。若转 速或频率随柴油机输出功率增加而降低，则称为有差调速特性，如图2 3 曲 线所示。 愚 p 图2 3 有无差调速特性 曲线1 和曲线2 分别表示有差、无差调速特性。调速特性一般用调差系 数k n 来表示 为：一塑：一芝：n o - , i n ：t a n 口( 2 4 ) 心心p n t a n g 调速特性斜率、n ，p 是转速和有功功率的标么值 目前的电子调速器按控制器分为模拟式和数字式两类。电子调速器的工 作是用转速调节电位器设定需要的转速。传感器通过飞轮上的齿圈测量发动 机转速实际值，并送至控制器，在控制器中实际值与设定值相比较，其比较 的差值经控制线路或控制算法程序按设计的控制规律整理或运算，再经放大 器驱动执行器输出轴。执行器输出轴通过调节连杆拉动喷油泵齿杆，进行供 油量的调节，从而达到保持此设定转速的目的。一般电子调速器可以根据使 用场合的需要选择稳态调速率的大小，实现有差或无差调节。有的还与附件 装置配合，可实现自动并车等功能。 2 3 2 并联机组间有功转移与频率调节 1 并联运行机组问有功功率的转移： 下而讨论一下有功功率的转移，并通过在坐标平面上移动调速特性的分 析方法来进行说明。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 假设电网上已有一台发电机机组带负载运行，频率为瓜；第二台机组经准 同步并车方式并入电网后，还只是处于空载状态。设两台机组的容量相同， 现在需要将有功功率转移一半给二号机j 。对于这个任务，调速器是不能自 动完成的，下面我们以手动操作来进行“自动负荷分配装置”的工作演示和原 理分析。这里设电压和无功分配己由调压器保证，故只讨论如何实现有功功 率的转移和保持频率不变。 f f n 图2 4 机组间有功功率转移过程 开始时，一号机组运行于特性1 的a 点，对应量为厢和p ，并入的二号机 组空载运行于特性2 的b 点，对应量为两和p 2 = 0 。增大二号机组的油门， 使特性2 向上平移到特性曲线2 2 ；同时减一号机组的油门，使特性1 向下平移 到特性曲线1 1 ，且与曲线2 相交于c 点。两特性1 1 和2 2 相交于点c ，说明 通过上面的调整，两台机组的频率都为瓜，而各自承担的功率都为p 2 。以 后再有负载的变化，则由调速器自动稳定功率分配和调节电网频率。 2 机组功率均匀和电网频率的稳定 调速器通常采用所谓的“有差调节法”来稳定功率分配和稳定电网频率。 所谓的“有差调节法”，就是将带有有差调速特性的机组并联。现以两台具有 有差调速特性的发电机组并联运行的系统为例，说明有差调节法的工作方式。 如图2 5 所示，设特性1 和特性2 分别表示两台机组的调速特性，其调差系 数分别为尼l ，和k , 2 。 设在负载变化前，系统运行于a 点，两机组承担的功率均为1 2 r ( r 为 负载功率) ，频率均为历。当系统负载增加廿时，系统频率将下降，1 号和 2 号机组的一次调节过程将沿着各自的调速特性进行，设下降至正时，1 号 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和2 号机组发出的功率总和等于电力系统的负载在乒频率的吸收功率时，系 统达到新的平衡。1 号机工作在彳点，2 号机工作在彳z 点，两机分别承担的 功率为尸l 和p 2 。 f f n 图2 5 并联机组的频率和有功率的分配 1 号机组的功率增量为： p 悼一笪 k c l 2 号机组的功率增量为： a p ：一笪 & 2 式中心t 、缸：为l 号机和2 号机的调差系数 频率的变化量 上式的左边和右边部分分别相加得 ( 2 5 ) ( 2 6 ) a p = r 件凹：= t 等丁= 一等 ( 2 - 7 ) 尼l 心2 式中k p 并联系统的平均调差系数 各机组的功率增量可以写为： a p l ：p 羔蔓( 2 8 ) k c l p 2 ：凹生( 2 9 ) k c 2 由此可见，当系统负荷发生艘变化时各机组原动机调速器的一次调节作 用将引起系统频率的变化，矽由上式决定；各机组功率的变化量总与廿成正 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 比，与各自的& 成反比。 若想使同容量机组在并联运行时平均承担系统的功率增量，最好令各机 组调速特性的调差系数相等。但实际上，当采用离心式调速器时，若要& 值 都相等是很难做到的( 电子式调速器则较易做到) 。在选调速器时，要尽可能 地使尼值接近，而不必追求较小的心值，以利于并联运行稳定性。 由此可见，采用有差调节法可以实现有功功率的按比例分配和稳定电网 频率。特别是当船舶采用同容量、同型号的机组并联运行，且原动机调速器 的型号亦相同时，各机组将均分系统的负荷变化量。 综上所述，当采用有差调速特性的机组并联运行时，各机组可以有稳定 的功率分配，频率也可以稳定在一定范围内。 2 3 4 自动调频调载的方法 ( 1 ) 主从控制法【3 9 1 这种方法是从主调法派生出来的，它在主调法的基础上再增加n - l ( n 是 并联机组总数) 套负荷分配器。使主调机调频，其余的机组称为从动机，专管 负荷的按比例分配，不管系统的频率变化。与主调发电机法不同之处是：主 从控制方式的调节结果跟虚有差法一样实现恒频、均功。 ( 2 ) 虚有差法 虚有差法是在参与并联的每一台发电机组上装有按频差和功差综合信号 进行二次调整的自动控制系统。在其控制下，能经常地保持电网的频率为额 定，电网的负荷则是按给定比例进行自动分配。这种方法还可进行并车后负 载转移及解列时负载的自动转移。这种方法中每台发电机的原动机调速器为 有差特性，并且调差系数也并不相等，但可以实现无差的调整结果，目前舰 船上应用的自动频载调节装置尤其是国外产品大多采用虚有差调节法。 比较以上几种频载调节方案后，本控制系统初步拟定采用了主从控制法 或虚有差法。前者在采用p l c 控制时，调节装置比较简单，后者更加快速和 接近实船应用，所以最终选择了虚有差法。其测频、测功及调整主要依靠编 制的程序进行调节。 1 7 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 4 本章小结 本章对船舶电站控制系统进行了总体论述，对并车的原理及实现条件、 电压及无功的自动调整、频率及有功的分配条件和功能进行了深入探讨与理 论分析，同时给出了可应用于实际方法及策略。为后面的p l c 程序设计提供 了坚实的理论基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章船舶电力监控系统的总体设计 3 1 西门子s 7 3 0 0 p l c 及s t e p 7 编程软件简介 3 1 1 西门子s 7 3 0 0 p l c 功能特点及构成 s 7 3 0 0 p l c 是模块化中小型p l c ，即可以用于工程项目，也可以用于 o e m ，通用性极强。在整个t i a ( 全集成自动化) 系统中应用极为广泛。 s 7 3 0 0 p l c 是以在导轨上安装各种模块的形式组成系统。其品种繁多的c p u 模块、信号模块和功能模块等几乎能满足各种领域的自动化控制任务。用户 可以根据应用系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。 信号模块和通讯模块可以不受限制地插到导轨上的任何一个槽，系统自行分 配各个模块的地址。简单实用的分布式结构和强大的通信能力，使其应用十 分灵活。s 7 3 0 0 p l c 适用于通用领域：高电磁兼容性和抗振动、冲击性使其 具有最高的工业环境适应性。 s i m a t i cs 7 3 0 0 p l c 的大量功能能够支持和帮助用户更简捷的编程，更 好的完成自动化任务。s 7 3 0 0 p l c 的逻辑结构图如图所示： 图3 1p l c 逻辑结构图 1 9 圆圆 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 。1 2s t e p 7 编程软件的功能和特点 s t e p 7 是用于s i m a t i c 可编程控制器组态和编程的标准软件包，其用 户接口是基于当前最新水平的人机控制工程设计，可以轻松方便的使用。 s t e p 7 编程软件适用于s i m a t i cs 7 、m 7 、c 7 和基于p c 的w i n c c ，是供 其编程、监控和参数设置的标准工具。 s t e p 7 是一个强大的工程工具，用于整个项目流程设计。从项目实施的 计划配置、实施模块测试、集成测试调试到运行维护阶段，都需要不同功能 的工程工具。s t e p 7 ( a l l i n o n e ) 工程工具包含了整个项目流程的各种功 能要求：c a d c a e 支持、硬件组态、网络组态、仿真、过程诊断等。 s t e p 7 标准软件包具有如下功能【2 2 】： ( 1 ) s i m a t i c 管理器 ( 2 ) 符号编辑器 ( 3 ) 诊断硬件 ( 4 ) 编程语言 ( 5 ) 硬件组态 ( 6 ) 网络组态 用于s 7 3 0 0 和s 7 4 0 0 的编程语言梯形逻辑图( l a d d e rl o g i c ) 语句表 ( s t a t e m e n tl i s t ) 和功能图( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) 都集成在一个标准软 件包中。梯形逻辑图( l a d ) 是s t e p 7 编程语言的图形表达方式，它的指令 语法与继电器的