（轮机工程专业论文）船舶电站系统建模与人机界面设计.pdf

摘要 国际海事组织i m o 在s t c w 公约中明确规定轮机员必须经过仿真模拟器的培 训，随着s t c w 7 8 9 5 公约的实施，对轮机员进行电气技术专业知识的培训尤为重 要，因此市场对船舶电站仿真模拟器需求量将很大。 本文首先分析了国内外船舶电站仿真模拟器的发展现状，充分发挥计算机软 件的优势遵循精简方便的原则，设计开发了一套基于p c 机的船舶电站仿真软 件。该套仿真软件非常适合学员自学，是很好的教学工具。 船舶电站是一个独立的电力系统，本文作者以某现代化海洋巡视船电站为仿 真母型，综合了其他船舶发电机的类型特点，首先分析船舶电力系统的一些特点， 然后根据发电机组的电气系统及电力生产过程建立其数学模型，并在计算机上实 现电站仿真。在仿真过程巾，首要任务就是建立描述电站仿真系统的数学模型。 仿真电站设备可分为两大部分：一是发电机组，即柴油机、发电机及其附属设备； 二是监视、保护、报警、操作和控制发电机运行的设备。因此，发电机组数学模 型也分为两大类：一类是动态数学模型，用来模拟柴油机、发电机、附属设备和 系统动态状态的数学模型，此部分在发电机模型分析中描述；另一类是逻辑和控 制的数学模型用来模拟船舶电站保护、报警、操作和控制的数学模型，此部分 在程序流图中描述。系统采用了微软最新的n e t 技术，以v i s u mc # 作为丌发语 言、用g d i + 图形编程技术建立控件库、m i c r o s o f ta c c e s s 作为数据库平台。经 过几个月分析设计和丌发己初步实现了电站仿真软件的框架。该软件具有完备 的控制台功能、友好的人机界面。 仿真结果表明，仿真数掘和实船数据基本相同，说明建立的模型与分析是f 确的。本系统具有很强的扩展性、很高的技术可行性和经济可行性。 关键词：船舶电站；模型：计算机仿真 t h es i m u l a t i o no fs h i pp o w e rs t a t i o na n dd e s i g no f h u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c e a b s t r a c t i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m e o r g a n i z a t i o n ( i m o ) s t i p u l a t e s i t c l e a r l y i ns t c w ( i n t e r n a t i o n a lc o n v e n t i o n0 1 1s t a n d a r d so ft r a i n i n gc e r t i f i c a t i o na n dw a t c h i n gf o r s e a f a r e r s ) t h a t t h e e n g i n e e r m u s tb et t a i n e dw i t ha r t i f i c i a ls i m u l a t o r w i t ht h e i m p l e m e n t a t i o no fs t c w 7 8 9 5 ，i ti sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n tt oc a r r yo nt h et r a i n i n go f t h ee l e c t r i ct e c h n o l o g i c a lp r o f e s s i o n a lk n o w l e d g et ot h ee n g i n e e r ，s ot h em a r k e tw i l lb e v e r yg r e a tt ot h ed e m a n df o rt h es h i pp o w e rs i m u l a t o r a tf i r s tt h ew r i t e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a ls h i pp o w e rs i m u l a t o r t h e nt h ea u t h o rg i v e sf u l lp l a yt ot h e a d v a n t a g e o ft h e c o m p u t e rs o f t w a r e ，f o l l o w i n gt h ep r i n c i p l e o fs i m p l i c i t ya n d c o n v e n i e n c e ，a n dd e s i g n sas e to fp c - b a s e ds i m u l a t o r b e c a u s ei ti sv e r ys u i t a b l ef o rt h e s t u d e n t st od os e l f - s t u d y i tb e c o m e sv e r yf a v o r a b l ea u x i l i a r yt e a c h i n gt o o l f o rt h e f u l l - t a s ks h i pp o w e rs i m u l a t o r p o w e rs t a t i o ni sa ni n d e p e n d e n tp o w e rs y s t e m i nt h et h e s i s ，b a s e do no n e m o d e r n i z e dp o w e rs t a t i o no ft h ec r u i s es h i p ，t h ea u t h o rs y n t h e s i z e st h et y p e c h a r a c t e r i s t i co ft h eo t h e rg e n e r a t o r s ，a n da n a l y z e ss o m ec h a r a c t e r i s t i c so fs h i pe l e c t r i c p o w e rs y s t e m t h e na c c o r d i n gt ot h ee l e c t r i cs y s t e mo ft h eg e n e r a t i n gs e ta n de l e c t r i c p r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ea u t h o rs e t su pi t s m a t h e m a t i cm o d e la n dr e a l i z e st h e s i m u l a t i o no ft h es h i pp o w e ro nt h ec o m p u t e r d u r i n gt h ep r o c e s so fs i m u l a t i o n ，t h e p r i m a r yt a s ki st os e tu pt h em a t h e m a t i cm o d e lw h i c hc a nd e s c r i b et h es y s t e mo ft h e s h i pp o w e rs i m u l a t o r a n dt h es h i pp o w e re q u i p m e n tc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n e i st h eg e n e r a t o rs e t s ，w h i c hi n c l u d et h ed i e s e le n g i n e ，t h eg e n e r a t o ra n da c c e s s o r i e s a n d p a r tt w oi n c l u d e sm o n i t o r i n g ，p r o t e c t i o n ，a l a r m ，o p e r a t i o nd e v i c e sa sw e l la sd e v i c e s t h a tr e g u l a t et h eo p e r a t i o no ft h eg e n e r a t o r t h e r e f o r e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h e g e n e r a t o rs e t sh a sa l s ot w op a r t s ：o n ei sad y n a m i c m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi su s e dt o s i m u l a t ed i e s e le n g i n e s ，g e n e r a t o r s ，a c c e s s o r i e sa n dam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs y s t e m d y n a m i cs t a t e m o r e o v e rt h i sp a r ti sd e s c r i b e di nt h ep a r to fg e n e r a t o rm o d e la n a l y z i n g ； t h eo t h e ri sal o g i ca n dm o n i t o r i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi su s e dt os i m u l a t es h i p p o w e rs t a t i o np r o t e c t i o n ，a l a r mo p e r a t i o na n dm o n i t o r i n g ，a n dt h i sp a r ti sd e s c r i b e di n t h ep a r to fp r o g r a mc h a r t t h ea u t h o ru s ev i s u a lc # l a n g u a g ea n dg d i + g r a p h i c sp r o g r a m m i n gt od e v e l o p ：- a n ds e tu pt h es y s t e m t h ed a t a b a s eo ft h i ss y s t e mi sc o n s t r u c t e dw i t hm i c r o s o f t a c c e s s2 0 0 0 a f t e rs e v e r a l m o n t h s a n a l y s i s ，d e s i g na n dc o d i n g ，t h e a u t h o rh a s a l r e a d ya c h i e v e dt h eg o a lo fi n i t i a ld e s i g nt e n t a t i v e l y t h i ss o f t w a r eh a sc o m p l e t e c o n t r o lc a b i n e tf u n c t i o n a n dt h e f u n c t i o n ；6 ff r i e n d l yi n t e r f a c e ，a b u n d a n to p e r m i n g t r a i n i n g t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o nh a sm a d ei tc l e a rt h a tt h ed a t ao fi m i t a t i n ga r et h es a m e a st h ed a t ao ft h es h i p s oi tp r o v e st h a tt h em o d e lw es e tu pa n do u ra n a l y s i sa r ec o r r e c t t h i ss y s t e mh a se x p a n s i b i l i t ya n df e a s i b i l i t yi ne c o n o m ya n dt e c h n i q u e k e yw o r d s ：s h i pp o w e rs t a t i o n ；m o d e l ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n 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， 撰写成博士硕士学位论文 ：艘地鱼站丕缠建搓复厶扭昼厘送过：。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。本论文中不包管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。 本声明的法律责任出本人承担。 论文作者签名 弓剐 学位论文版权使用授权书 年月话1 1 ；l 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密町彳请在以上方框内打“，) 论文作者签名：j 硎导师签名：阿均幺 月期：7年3 月韬确 第1 章绪论 1 1 概述 目前，我国已加入了世界海事组织( i m o ) 的“s t c w 7 8 9 5 ”公约 即1 9 7 8 年海员培训、发证和值班标准国际公约( 1 9 9 5 年修j 下) 。s t c w 7 8 9 5 公约强调船 舶管理人员实际工作能力的教学和培训。山于履约的需要，国家海事局明确规定， 海运院校的水上类专业的教学与船员培训必须按公约的要求进行。船员技术证书 的发放严格按中华人民共和国海船船员适任考试、评估和发证规则进行。应 用计算机仿真技术进行教学是一种既能满足公约要求，又具有高效率的教学方式。 由于s t c w 7 8 9 5 公约明确了船舶上可以不设电机员编制，船舶电气技术工作由轮 机员来完成。因此，对轮机员进行电气技术专业知识的培训尤为重要，国家海事 局要求各航运公司的在职轮机员强制进行“精通船舶电气技术业务”，的培i jj i 。 船舶电站仿真系统就是一种用于轮机员“精通船舶电气技术业务”培i j l i 的核心教 学设备，由于这个原因，有较多的研究机构研制船舶电站仿真系统，市场竞争非 常激烈。船舶电站仿真系统有硬件和软件两部分组成船舶电站仿真系统的运行 依赖于船舶电站仿真系统软件的运行，因此对船舶电站仿真系统软件的研究显 得更加重要。 1 2 开发船舶模拟器的意义 现代船舶电气化，自动化程度越来越高，对船舶电站及电力系统依赖越来越 强，因此对船舶电站及电力系统的要求也就越来越严格。不仅要保证在最恶劣的 环境下不中断对船舶的供电，还要在工况多变的情况下，维持较高的供电品质。 为此，现代船舶除要装备性能优良，工作可靠的发配电及控制设备外，还应浚提 高船舶电气管理人员的技能与素质。要培养出具备较强能力的船舶电气管理人才， 单靠学习理论知识是远远不够的，还必须加强实践环节。显然采用真实的船舶电 站设备训练需大量投资，且存在污染环境，维修保养困难等诸多问题，万一误操 作，还可能导致系统设备损坏。船舶电站模拟器作为一种经济、安全、高效的培 训手段，成为船员训练中心和航海类院校教育训练现代远洋轮机人员的必备设施。 船舶电站模拟器( s h i pp o w e rs t a t i o ns i m u l a t o r 一一s p s s ) 就是用计算机仿 真技术模拟船舶机舱的机、电等设备的动态过程，束培训轮机管理人员的仿真训 练器，是计算机仿真技术在教育与训练方面的应用。 利用船舶电站模拟器列轮机员进行训练有很多优点： 1 ) 可以反复操作在实船上操作比较困难甚至不允许随便试验的训练内容； 2 ) 可进行综合性训练； 3 ) 能用较短的时间使受训人员得到实船积累多年才能得到的实际经验； 4 ) 在不损坏实机的情况下，总结因为操作不当或失误而损坏机器的教训i ； 5 ) 可以完成在航行中实船上根本办不到的排除某些故障的训练： 6 ) 用仿真器设备熟悉高度自动化电站的各种设备及其系统的操作等等； 7 ) 与真实的系统相比，其运行及维护费用可大幅度降低： 8 ) 能与国际惯例接轨。 事实上，运用船舶电站仿真器来经济、离效、灵活地培训船员早已成为国内 外航海教育界的共识。i m o ( i n t e r n a t i o n a lm a r i n eo r g a n i z a t i o n ，国际海事组织) 在1 9 9 5 年新修订的s t c w ( s t a n d a r d so ft r a i n i n g ， c e r t i f i c a t i o na n d w a t c h k e e p i n gf o rs e a f a r e r s ) 公约已明确提出了将船舶机舱仿真培训系统( 航海 界通常称为轮机模拟器) 应用于机舱管理级、操作级轮机人员培训的要求，并且对 轮机模拟器的功能作了具体的规定。因此，作为轮机模拟器的一个重要组成部分 船舶电站仿真系统已成为必不可少的教学和轮机员培训设施。 我国是一个航运大国，每年有大量的高等院校轮机专业学员需进行岗前培训， 还有众多的在职船员要求进行技能提高培训，具有很大的仿真训练市场。因此， 开展对包括船舶电站在内的轮机模拟器的建模研究，研制适合市场需要的新一代 轮机模拟器是必要的。 1 3 国内外研究动态 船舶电站仿真技术在三十年的发展过程中，其系统的实现方法依据模型选取 类型的不同分为三大类： 1 实物仿真：按照真实系统的物理性质来构造系统的物理模型。对实际行 为和过程进行仿真。早期的仿真大多属这一类。 2 混合仿真：又称数学一物理仿真，是将系统的部分模型用数学模型描述， 并在计算机上运算，而其它的模型直接使用实物，然后将它们连接成系统。这种 仿真系统主要用于大型发电机组运行操作人员的培训、设备的分析和研究、运行 特性分析和控制系统研究等。这种仿真系统接入的实物部分则必须是实时的。 3 数学仿真：按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型，也就是将实 际系统的运动规律用数学形式表达出来，以再现系统的特性并在数学模型上进行 试验。数学仿真可在实时、超实时和欠实列环境下运行。计算机为数学模型的建 立、运算羊u 试验提供了有力的工具。 随着计算机软、硬件的发展，电站仿真系统的研发工作也经历了三个不同的 发展阶段，它们分别是： 1 基于u n i x 或v m s 操作系统的仿真技术： 2 基于u n i x 或v m s 操作系统的图形化仿真技术； 3 基于w i n d o w s 操作系统的图形化仿真技术。 将虚拟现实技术引用到船舶电站仿真系统中，动态仿真得以实现，仿真系统 可以提供虚拟现实的能力，电站系统可以用三维的虚拟世界加以描述。 随着国际航运业的发展和科学技术的不断提高，大型船舶及全自动操纵船舶 的操作难度不断增加，对船舶管理人员的技术要求也越来越高；世界海事组织 ( i m o ) 以及国家海事局对船舶管理人员的培训要求也越来越高。目前，我国已加 入了世界海事组织的“s t c w 7 8 9 5 ”公约( 1 9 7 8 年海员培训、发证和值班标准国 际公约( 1 9 9 5 年修f ) ) ，公约强调了加强对船舶管理人员的实际工作能力的 教学与培训。采用先进的仿真系统来培训是一种非常理想的方法，可以保证船员 在培训中掌握要求的技能。 研发实物仿真或混合仿真类型的船舶电站仿真系统成本高，可扩展性差，丌 发基于软件的船舶电站仿真系统势在必行。采用基于软件的虚拟设备代替实际设 备，则增强了系统的灵活性和可扩展性，能够在保证较好的逼真度的前提下大幅 度地提高仿真训练的辅助教学功能。软件仿真系统能够适合有实船操作经验和无 实船操作经验的轮机管理人员的培训需要。这类仿真系统成本低、升级快，曰莳 大多数仿真器均属此类。 1 3 1 模拟器类型 船舶电站模拟器是轮机模拟器的。个要组成部分。国外剥船舶电站的计算机 仿真研究始于六十年代，七十年代出现了较成熟的产品，此后不断完善。特别是 近年来，随微机技术和计算机仿真技术的迅猛发展，船舶电站的仿真也有了很大 改观。目前船舶电站模拟器可分为以下两种类型：一类是纯软件的船舶电站模拟 器，在独立的p c 机上运行，船舶电站设备都虚拟到计算机上，训练时操作人员通 过键盘或鼠标调用存储在内存中的船舶电站设备的图形，在图形显示的控制屏上 实施操作。另一类是硬件、软件相结合的船舶电站模拟器( 包含在轮机模拟器q 1 ) ， 这类模拟器在软件的支持下，用硬件全部或部分模拟了实船上的电站设备的外形 及其操作与显示功能，因而有相同的外部形状、结构、尺寸的控制面板，真实模 拟了实船环境和设备。以便学员像操作实际设备一样直接操作模拟器，达到高质 量的训练要求。 前一种船舶电站仿真软件可存于一张光盘中，便于携带。可运行于操作系统 的p c 机，对硬件和使用环境没有特殊要求，基本上不需要进行维护，在岸上和船 上都可进行学习训练，非常适合学员自学和随时训练；缺点是真实感不足。后一 种船舶电站仿真器采用大量硬件模拟电站实际设备，操作真实性强，特别适合于 海员培训中心和航海类院校用于对大量学员进行高质量的集中培训和考核。缺点 是价格高，不像软件仿真器一样便于携带。 从掌握的资料来看，目前后一种船舶电站市场占有率较大，但随计算机技术 的飞速发展，p c 机上运行的软件船舶电站仿真系统以其方便、廉价、便于升级的 优势逐渐受到用户的青睐，所占市场份额也必将逐年上升，具有极大的发展前景。 13 2 国际现状 本世纪七十年代以来，挪威的挪控公司( n o r c o n t r 0 1 ) 、英国船商公司 ( t r a n s s ) 、德国西门子公司( s i e m e n s ) 、f i 本三菱公司( m i t s u b i s h i ) 、意大利的 菲亚特等大公司均) r 始研制和生产包括船舶电站模拟器在内的轮机模拟器。其中 以n o r c o n t r o l 公司最为著名，产品居世界领先水平，已有近5 0 0 部模拟器交付商 船公司、海军及航海院校、研究所和职业培训中心使用，约占整个市场份额的8 0 。 下面将介绍n o r c o n t r o l 公司的最新产品p p t 2 0 0 0 及t r a n s a s 公司的1 9 9 7 年产品 e r s 一2 0 0 0 。 p p t 一2 0 0 0 型轮机模拟器( 含电站模拟器) 是f u l lm i s s i o np r o p u l s i o np 1 a n t t r a i n e f 的简称。由教练员室、模拟机舱( 无模拟主机) 、学员练习室( 包括若干学 员练习终端) 等组成。p p t 一2 0 0 0 由集中式汁算机网络系统构成，网络为以太网， 网络有 p 工作站2 台、微处理器若干。该系统运行于u n i x 操作系统之上，使用 二维流程图束显示系统流程结构，基本上为字符界面，人机界面不友好。不配置 示教板系统，只有一个c r t 对整个动力装置系统进行集中监控，p p t 一2 0 0 0 型电站 仿真器中含轴带发电机系统。t e r s 一2 0 0 0 型轮机仿真模拟器( 含电站模拟器) 是 t r a n s a se n g i n er o o ms i m u l a t o r 的简称。该产品具有多级别，模块化、通用性、 丌放性、组合性等腰三角形独特风格，具有较高的性能价格比。t e r s 一2 0 0 0 保留 了机舱集中控制室的全部硬件，取消了模拟机舱，模拟主机以及大型示教板等硬 件设施，代之以软件型点触式屏幕控制面板，多台学员练习终端以及大屏幕投影 仪。全部使用微机，运行于w i n d o w s 9 5 n t 环境之上，使用伪三维流程图和软控制 面板，人机界面友好。其主机模型和电站模型可根据用户要求进行定制，并可与 该公司生产的航海模拟器相互连接。t e r s 一2 0 0 0 中的s t a n d a l o n gp c 型属于纯软 件模拟器。 总的柬说，进口模拟器虽然性能优良。但价格昂贵，维修不便，可升级性差， 加上外国公司对我国用户技术保密。且不能满足海事局的“轮机员补电训练要 求”，使得进口模拟器在我国难以普及发展。 13 3 国内现状 我国的轮机模拟器研究工作起步较晚，总体技术水平落后于发达国家。在7 0 年代未，大连海运学院率先从n o r c o n t r o l 公司引进了轮机模拟器。8 0 年代中期 青岛远洋船员学院也从该公司进口了同类产品。这些产品目前已显得陈旧落后。 9 4 年武汉交通科技大学和亚洲仿真控制系统工程有限公司共同研制了以杂货船舶 为仿真对象的国产轮机模拟器。上海海运学院自1 9 9 7 研制了大型集装箱船舶机舱 系统为仿真对象的国产轮机模拟器。9 0 年代末大连海事大学丌始启动新一代轮机 模拟器研制项目，现已完成并投入使用。 1 4 课题的提出及本文所做的工作 本课题主要是针对软件的丌发流程，作详细阐述，其思路干u 设计过程如图1 1 所示。本课题的研发详细思路如下： 1 采用“模型一视图一控制器”框架结构( m o d e l 一v i e w c o n t r 0 1 1e r 一一 m v c ) ，即用模块化丌发方法开发图形用户界面的结构。在m v c 结构早，交互式仿 真程序可并行的分为以下三部分： 模型：包含了应用范围的数学模型； 视图：包含了用户图形及详细说明； 控制器：包含了用户与基本模型对话的详细说明。 2 选取w i n d o w s 操作系统作为软件丌发的支持系统。w i n d o w s 操作系统具有 集成度好、性能高、可管理3 2 位的网络体系结构，有较好的网络扩展性；对动态 连接库的调用与执行简单可靠，图形功能强大等优势。在该操作系统下，可方便 的进行软件编程的函数调用、模型建立和图形开发。 3 选取微软( m i c r o s o f t ) 公司的v i s u a l s t u d i o n e t 丌发平台作为仿真软件 的丌发环境。v i s u a l s t u d i o n e t 提供了功能强大的框架n e tf r a m e w o r k ，以 及面向对象( o o p ) 的编程语言环境v i s u a lc # 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等。n e t f r a m e w o r k 包含了一个非常庞大的代码库，支持客户语言( c # 、c + + 等) 的面向剥 象编程( o o p ) 技术的实现，它涵盖了当今使用的绝大多数程序设计方案。 4 使用基于组件的开发方法，利用传统的两层结构应用软件模型的设计方法， 对仿真系统中的各个对象进行抽象，编制出功能各异的组件。充分利用n e t f r a m e w o r k 提供的图形设备接口( g d i + ) 、a c t i v e xd a t ao b j e c t s n e t ( a d o ，n e t ) 、 c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ( c o m ) 等类库资源，完成组件设计并整合成仿真系统。 5 获取实际船舶电站系统的相关参数，建立仿真对象的数学模型( 包括发电 机模型、励磁模型、原动机及调速器模型、控制器模型、负载模型和电网模型等) ， 并检测模型。编制模型的组件，将模型组件嵌入仿真软件系统中。完善船舶电站 软件仿真系统的其它功能。 6 因l ，l 计算机仿真软竹改计流群幽 f i g 1 is o f t w a r ed e s i g n 本文是新一代基于p c 机的轮机模拟器研制工作的一部分。承担的主要任务是 建立轮机模拟器的重要部分船舶电站模块的动态过程模型、与电站动态过 程密切相关的发电机模型及相应软件，并根据电站仿真器训练操作的需要，设计 和编制电站信息流的部分人机交互界面。研制中，本文主要作了如下部分工作： 以某大型现代海洋巡视船“海巡3 1 ”作为母型船，对仿真母型船的电站系统 进行了较详细的分析研究，并结合当i j 国外先进集装箱船舶的特点及海事局的培 训大纲要求，对其进行简化及优化设计，确定了仿真船舶电站应达到的功能。在 此基础上完成了船舶电站及电力系统数学模型的建立。具体内容包括：柴油机及调 速器系统，发电机系统，电力及分配系统控制及保护系统。 柴油机及调速器系统：包括各主发电机的原动机( 轴带发电机的原动机除外) 。 应急发电机的原动机，及相关辅助系统。 发电机系统：包括各主发电机，轴带发电机，透平发电机，应急发电机及励 磁恒压系统。 电力及分配系统：包括主开关，汇流排，分路丌关，负载丌关，各分路负载 设备等组成的电力，配电网络系统。 控制及保护系统：柴油机系统中的控制及保护报警系统，发电机励磁恒压装 置，配电板主丌关特殊分路开关，输配电安全保护等系统。 结合所建立的船舶电站及电力系统数学模型，利用高级仿真支撑软件，丌发 了一套船舶电站仿真系统软件。该套仿真训练软件完成后将实现以下功能： ( 1 ) 操作训练功能。仿真船舶电站具有现代自动化船舶电站绝大多数功能，学 员可对其进行各种正常的手动或自动操作，尽快掌握自动化船舶电站的基本原理 及工作过程。 ( 2 ) 参数设置功能。通过软件权限对发电机系统的部分参数进行设置或更改。 ( 3 ) 模拟实验功能。在各发电机的模拟控制板上，可以模拟发电机的起动、电 压检测、频率检测、同步、并车、停车、故障检测等工作过程。 ( 4 ) 特性测试功能。在仿真软件的特性测试区内，设置了一个测试平台，可以 设置发电柴油机的功率因数及负荷大小，进行调频及调压特性测试。 ( 5 ) 操作评估功能。仿真软件可实时跟踪l 己录学员的每一步操作，操作结束后 可自动评分，并打印报表。 该软件将设计成为能够仿真船舶电站的绝大部分工作及操作过程，并能模拟 数十种故障，达到了较真实地模拟船舶电站的要求。可进行以下项目的电气实验。 包括： 1 ) 柴油机单机运行时的手动合闸与供电方式的转换； 2 ) 柴油机调速特性( 调频特性) 的测试及发电机调压特性的测试； 3 ) 发电机突加、突卸负载的测试 4 ) 发电机手动准同步并车与负载均分； 5 ) 并联运行发电机组的手动解列与停机； 6 ) 增载时备用电机组的自动启动、自动并车及自动均分负载； 7 ) 减载时运行机组的自动解列与自动停机： 8 ) 发电机机组单机运行发生故障时的自动换车过程t 9 ) 并联运行发电机组自动调压与无功功率自动均分： l0 ) 发电机过电流保护、自动分级卸载与短路保护： 1 1 ) 逆功率故障，无功功率分配故障； 1 2 ) 发电机欠压及逆功率保护； 1 3 ) 发电机主玎关跳闸故障； 1 4 ) 应急发电机的自动启动与手动启动； 第2 章船舶电站仿真系统的概述 2 1 船舶电力系统组成概述 船舶电站由原动机、发电机组及由开关电器、保护装置、测量仪表、控制设 备等构成的配电板组合而成。它发出电能满足船舶各种用电设备的需要，与船舶 的运行安全有关，是现代船舶不可缺少的核心设备之一。从发电、配电、输电到 用电的各种设备构成了一个统一的整体，称船舶电力系统，包括电源、配电装置、 船舶电力网、负载四个部分，分别承担电能的生产，输送，分配，使用任务。下 边将介绍本电力系统涉及的相关部分： ( 1 ) 发电部分即电源：将其它形式的能量( 如机械能、化学能) 转换为电能的 装置。船舶上的电源有发电机组、蓄电池和岸电。 按原动机种类可分为： i ) 柴油机发电机组是目前普遍采用的机组； 2 ) 蒸汽透平发电机多见于以蒸汽为动力源的船舶上，系统利用主机余热 在废气回收装置中产生蒸汽驱动透平发电机； 3 ) 蒸汽机发电机组由于效率低。已基本淘汰； 4 ) 燃汽轮机发电机组多用于军舰。 此外，用可变螺距螺旋桨的船舶，为了充分利用主机的功率储备。在主机运 转时，用主轴带动发电机，称为轴带发电机。也有利用柴油主机排气束驱动汽轮 机再带动发电机，称为废气透平( 汽轮机) 发电机，采用这类发电机可提高航行 的经济性。 按用途分类有： 1 ) 主电源即主发电机。海船规范要求电源应能“确保为保持船舶处于f 常 操作状态和满足正常生活条件所必须的所有电力辅助设备供电，而不需求助于应 急电源”。有时根据使用情况，把停泊时使用的发电机称为停泊发电机；把作为 备用的称为备用发电机。但目前较少使用这种名称，因为一般船舶都有好几台主 发电机，互为备用，都可以停泊时使用。 2 ) 应急电源它是用柬确保在各种紧急状态下，向安全所必须的电气设备供 电。可以用发电机组，也可以用蓄电池，大型船舶和客轮多采用发电机组。 3 ) 临时应急电源。以发电机组为应急电源的船舶，当主电源失电后，应急 发电机组从起动到投入供电需要一段时问，这时全部漆黑，各种重要报警系统都 无法工作。海船规范要求： “当应急电源为发电机组时，尚应设置临时应急电 源。临时应急电源应为有足够容量的蓄电池组”。它在电网失电时向部分照明( 称 临时应急照明或小应急照明) 和重要报警装置供电。 4 ) 岸电。港口或船坞单船舶常接用岸电，接用岸电时要注意接电的, n ) - 葶7 e 确、电流、额定电压及额定频率与船上基本相同。 ( 2 ) 配电部分即配电装置：主要用于控制、保护、测量、分配船舶电源产 生的电力，并对船舶正常航行或应急状况下所使用的电力和照明负载进行配电的 丌关设备和控制设备的组合装置。船舶配电装置根据不同用途又可分为主配电板、 应急配电板、分配电板、充放电板和岸电箱。 1 ) 主配电板用于控制船舶主电源所产生的电力，并对船舶难常航行和生活 使用的所有电力负载进行配电的丌关设备和控制设备的组合装置。 2 ) 应急配电板用于控制由应急电源产生的电力，并在船舶应急状况下，对 有关旅客和船员安全所必须的电力负载进行配电的开关设备和控制设备的组合装 置。在f 常情况下，应急配电板出主配电板供电，只有在应急情况下( 即主配电 板失电时) 才独立供电。 3 ) 分配电板用以对最后分路进行配电的一种或多种过流保护设备的组合装 罨。 4 ) 蓄电池充放电板用以对蓄电池进行充电控制和对由蓄电池供电的设备进 行配电的组合装置。 5 ) 岸电箱用于船舶靠港或坞修时，使用陆上电源供电接电用的装置。使用 时要保证岸电与船舶电力系统的基本参数( 电制、额定电压及额定频率) 一致。 ( 3 ) 输电部分即船舶电力网：指联接发电机、主配电板与用电设备之问的 电力线路，是全船电缆的总称。船舶电力网根据联接的负载性质，可分为动力( 电 力) 电网、照明电网、应急电网、临时应急电网和弱电电网等。 配电方式，可分为一次电网和二次电网，有时称为一次网络和二次网络，也 称为一次配电系统和二次配电系统。国际电工委员会( 简称i e c ) 对此下的定义是： 0 一次配电系统指与发电机有电气联系的系统；二次配电系统指与发电机没有电气 联接的系统，如经变压器或变流机组隔离的系统。目前国内对此习惯上形成的定 义是：一次网络由主配电板和应急配电板直接供电的系统；二次网络由分配电极 供电的系统。 联接方式，电源通过配电装置与用电设备的联接有三种方式：馈线式、干线 式及混合式，目前国内较多地采用馈线式配电系统。 ( 4 ) 用电部分即负载，又称负荷或电能用户。船舶负载中分成以下几类： 1 ) 机械的电力拖动：如舵机、锚机、绞缆机、空压机、各类油泵、水泵 通风机、冷冻机、空调等： 2 ) 电气照明：工作场所及生活舱室的各种照明灯具和信号灯具等： 3 ) 船舶通信和电航仪器：如无线电收发报机、电话、广播、声光报警装置 电车钟、舵角指示器等。 4 ) 其它生活用电设备：各种生活电器等。 一般把用电设备分为重要设备和次要设备。也可将其分为高压用电设备 ( 4 4 0 v ) 和低压用电设备( 2 2 0 v ) 及2 4 v 用电设备。 用电设备的重要程度取决于它在船舶安全航行中所处的地位，影响航行安全 的主要因素有：失去推进、操纵和操舵能力，发生火灾和爆炸，机舱进水等。由 此可以这样来定义重要设备，它是指对船舶的航行、驾驶、操纵和人身安全，或 对船舶的专用特性( 例如特殊用途) 所必需的设备。对于那些次要的负载如住舱 风机、空调等，在发电机过流或过载时可以预先卸去，以避免主断路器因保护动 作被切断。 2 2 船舶电站仿真系统概述 电站仿真软件，可在独立的p c 机上运行，船舶电站设备都虚拟到计算机上。 训练时，操作人员通过键盘或鼠标调用存储在内存中的船舶电站设备的图形。在 图形显示的控制屏上进行操作。此种船舶电站仿真软件可存储于一张光盘中，便 于携带，可运行于任何w i n d o w s 操作系统的计算机上，对硬件和使用环境没有特 殊要求，升级方便，基本上不需要进行维护，在岸上和船上都可进行学习训练， 非常适合学员自学，成为全任务式船舶电站仿真器的有利辅助教学的工具“3 。 22 1 船舶电站组成 发电装置： 该套电力系统包括二台主柴油发电机组，此二台发电机组( 每台容量为 6 5 0 k v a ，转速1 0 0 0r p m ，电压4 0 0 v ，频率5 0 h z ，功率因数c o s 平= o 8 ) ，一台透 平发电机，一台轴带发电机( 容量为3 7 5 k v a ，转速n = 7 5 0r p m ，电压4 0 0 v ，频率5 0 h z 功率因数c o s ( p = 0 8 ) 和一台应急发电机组( 容量为1 2 1k v a ，转速7 5 0r p m ，电压 4 0 0 v ，频率5 0 1 i z ，功率因数c o s ( p = o 8 ) 。 仿真控制屏： 共分1 2 个控制屏( 4 个发电机控制屏、4 个发电机械部分控制屏、1 个并车屏、 1 个负载分配屏、1 个综合报警控制屏、1 个电力网显示控制屏) 。考虑操作的方 便，将机械部分控制屏和相应的发电机控制屏合在一起一共为8 个操作控制屏。 负载： 负载是指用电设备，包括组合负载、动力负载、照明负载和直流2 4 v 用电负 载等。 以上各部分信息交换以及和其它系统之间的信息交换是通过数据库来进行。 图2 1 为信息交换图 i原动机组柴油发电机组 模拟配电桶i 3i： i 数据般务器敛据库) ： ” ii b 真电站控制屏 负载变化其他系统 图2 1 电站仿真信息交换图 f i g 2 1i n f o r m a t i o nc h a n g eo fp o w e rs t a r i o n 2 2 2 电站自动运行工作流程 船舶电站是船舶电力系统最重要的组成部分，是船舶电力系统的核心。电站 自动化的目的，主要在于最大限度保持船舶供电的连续性，提高供电设备的可靠 性和供电质量。 性和供电质量。 不同类型的船舶对电站的运行方式要求不同，船舶电站的自动化系统技术功 能办有很大差别。归纳起来，大致有以下几个方面内容： 1 ) 根据电网运行的要求自动起动( 即自动进行发电机组的预润滑和暖机并进 行自动启动) 和停止发电机组； 2 ) 起动成功后的自动并网； 3 ) 实现电网频率、电压的自动恒定； 4 ) 并联运行机组间负荷自动均匀分配( 包括负荷转移) ； 5 ) 按电网负荷情况自动切除和投入次要负载； 6 ) 重载询问：先确定运行发电机组能否承担即将投入的大负载，如不能，则 先启动一台新机组在并网后方可投入大负载： 7 ) 自动巡回检测、故障的自动报警、自动保护和按一定程序投入相应的完好 机组，并切除故障机组； 8 ) 可以进行均分负荷、非均分负荷控制方式控制电网各机组问的负荷分担情 况： 9 ) 可以进行轻重油切换，既节省了燃料费用，又保护了柴油机。 2 3 船舶电站仿真系统模型常量 常量是指在程序运行过程中，其值不能改变的量。在电站仿真系统中常量有 原动机的额定值和报警值、发电机的额定值和报警值以及船检规范要求的值。各 种工况如下列几个表所示： 表2 11 号柴油机轻载工况表 t a b 2 1u n l o a do f n o 1e n g i n e 轻载l ：况 l + 况值 柴油机转速 7 5 0 r p m 冷却水山口温度 8 0 - 8 5 滑油压力 o 3 0 3 5 m p a 排气温度 3 0 0 燃油压力 0 3 m p a 滑油温度 5 0 6 0 表2 ，21 号柴油机故障停机的值 t a b 2 2v a l u eo f n oi e n g i n es t o p p e db e c a u s eo f t r o u b l e 柴汕机故障停机t 况i 况值 柴油机转速) 1 1 5 ，印) 8 6 3 r p m 冷却水出口温度 t c ) 9 0 滑油压力 1 0 倍额定电流， 瞬时跳闸，低压至7 0 一3 5 额定电压时，延时1 5 s 一3 s 跳闸，失压瞬时跳闸， 逆功率为8 1 5 发电机额定功率，3 一1 0 秒自动跳闸，电站仿真系统常量很多， 不一一列举，请参阅船舶电站仿真系统测试大全。 2 4 船舶电站仿真系统功能及相应规范 本仿真软件设计综合考虑发电机的种类和操作方便，包括柴油