第1章 緒論
1.1 船舶電站的特點(diǎn)
船舶電力系統(tǒng)是獨(dú)立電網(wǎng)，一般船舶只有一個(gè)電站，電站的容量就是電網(wǎng)的容量。電網(wǎng)的容量相對負(fù)載來說是有限的。大容量負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流將引起電網(wǎng)電壓的急劇波動(dòng)，因此對發(fā)電機(jī)調(diào)壓器和原動(dòng)機(jī)調(diào)速器的動(dòng)態(tài)性能有較高的要求。
在獨(dú)立的電網(wǎng)中，調(diào)節(jié)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的電壓或原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將直接影響電網(wǎng)的電壓和頻率，不像陸上的無窮大的電網(wǎng)，調(diào)節(jié)一臺發(fā)電機(jī)的電壓或頻率，無法左右電網(wǎng)的電壓或頻率，調(diào)節(jié)只能通過改變本身有功或無功功率的承擔(dān)取得平衡。建立在這個(gè)概念對調(diào)試發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的有功和無功功率分配是很有必要的。
船舶電力系統(tǒng)通常只有一個(gè)電站工作，任何導(dǎo)致斷電的事故都將危及船舶航行的安全?？紤]在無人看管的情況下運(yùn)行，提出了船舶電站自動(dòng)化的要求。要求在未釀成斷電事故之前限制事故擴(kuò)大，啟動(dòng)備用機(jī)組投入運(yùn)行，替換故障機(jī)組，保證供電的連續(xù)性。即使斷電也應(yīng)使斷電時(shí)間最短。
船舶電站只局限在船舶的小范圍內(nèi)供電，線路距離短，阻抗低，而供電發(fā)電機(jī)的臺數(shù)又隨船舶運(yùn)行工況的不同而有所變化，因此在保護(hù)配合方面有較高的要求。
1.2 船舶電站自動(dòng)化概述
海上運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展客觀上推動(dòng)著船舶向大型化，高速化和自動(dòng)化方向發(fā)展，自六十年代以來對船舶電站提出了自動(dòng)化的要求。船舶電站自動(dòng)化的好處有：維持電站供電的持續(xù)性和可*性，增強(qiáng)船舶運(yùn)行的生命力；提高船舶電站供電的質(zhì)量；改善船員工作條件，減輕值班強(qiáng)度；提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
船舶電站自動(dòng)化通常包括以下功能：
1. 對相關(guān)的電氣參數(shù)和機(jī)械動(dòng)作信號能夠進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測、報(bào)警、記錄、    顯示、打印，并有邏輯判斷功能去控制發(fā)電機(jī)組；
2. 根據(jù)負(fù)載的情況發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)、投入運(yùn)行和停車；
3. 能限制多臺機(jī)組同時(shí)接入及短路后的多次接入；
4. 發(fā)電機(jī)和主母線自動(dòng)同步和自動(dòng)并車；
5.發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)整電壓、自動(dòng)調(diào)整各個(gè)機(jī)組之間的無功功率的分配；
6.發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)整頻率、自動(dòng)調(diào)整各個(gè)機(jī)組之間的有功功率的分配；
7.自動(dòng)分級卸載，指船舶電站超負(fù)荷時(shí)自動(dòng)卸掉一部分非重要的負(fù)載，并可以實(shí)現(xiàn)多次卸載，以適應(yīng)不同程度的過載條件，保證對船舶上的重要負(fù)載的連續(xù)供電；
8. 負(fù)載自動(dòng)分級啟動(dòng)，其含義包括：一是指船舶電網(wǎng)從斷電狀態(tài)恢復(fù)供電時(shí)，為了限制過大的沖擊電流，使負(fù)載自動(dòng)的分級啟動(dòng)，重要的負(fù)載先啟動(dòng)；二是指自動(dòng)分級卸載后，被卸去的負(fù)載在保證不引起發(fā)電機(jī)組重新過載的前提下再次投入運(yùn)行；
9.電氣及機(jī)械故障時(shí)能夠自動(dòng)保護(hù)；
10.發(fā)電機(jī)組自動(dòng)解列，發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行于輕載狀態(tài)下，按確定順序使運(yùn)行機(jī)組逐步退出電網(wǎng)，直到其余運(yùn)行發(fā)電機(jī)組脫離輕載狀態(tài)為止；
11. 重載查詢；
12. 主電站和應(yīng)急電站供電的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。整個(gè)功能框圖如圖1.1所示。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，早期采用的是以繼電器、接觸器為代表的有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)，后來逐漸被以晶體管分立元件和集成元件為核心的無觸點(diǎn)系統(tǒng)所代替。七十年代，伴隨著集成電路的集成度日新月異的提高，微處理器誕生了。微處理器剛一出現(xiàn)便以它強(qiáng)大的運(yùn)算能力、超常的運(yùn)行速度以及操作的簡易贏得了工業(yè)界的青睞。一時(shí)間，微處理器在工業(yè)領(lǐng)域的普及成為業(yè)界的一件大事，它的影響是深遠(yuǎn)的，直接導(dǎo)致了生產(chǎn)力的大幅度提高，從而推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。八十年代以來，由微處理器控制的船舶電站也開始出現(xiàn)，然而相形之下，微處理器在船舶工業(yè)中的應(yīng)用還不及其它行業(yè)深入，現(xiàn)有的船舶電站仍以分立元件的運(yùn)用為主。所以從各方面看，研究微處理器在船舶電站中的應(yīng)用在今天仍具有相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。
1.3 現(xiàn)代船舶電站的發(fā)展趨勢
船舶電站自動(dòng)化設(shè)備盡管種類繁多，但按功能和自動(dòng)化程度，大致可以分為以下三類：
   第一類：單機(jī)運(yùn)行，其余各發(fā)電機(jī)作為備用。當(dāng)產(chǎn)生電氣或是機(jī)械的故障時(shí)，運(yùn)行機(jī)組脫離電網(wǎng)斷電并停機(jī)，備用機(jī)組按預(yù)定順序啟動(dòng)，當(dāng)電壓和頻率正常后自動(dòng)合閘供電。
   第二類：投入電網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組數(shù)量按電站運(yùn)行的實(shí)際功率或是電流來決定。負(fù)載的用電量大時(shí)，運(yùn)行機(jī)組數(shù)量就越多，當(dāng)電站運(yùn)行功率比較富裕（即用電量較少）時(shí)，將多余的機(jī)組按預(yù)定順序停機(jī)。當(dāng)發(fā)生電氣的或是機(jī)械的故障時(shí)，按預(yù)定的順序啟動(dòng)備用機(jī)組，投入電網(wǎng)后，再將發(fā)生故障的發(fā)電機(jī)組切除停機(jī)，所以在故障處理過程中，這種控制能使電網(wǎng)不斷電，只有出現(xiàn)嚴(yán)重的故障時(shí)，先將故障機(jī)組停下，同時(shí)啟動(dòng)備用機(jī)組合閘供電，這中間過程才出現(xiàn)短時(shí)的斷電現(xiàn)象。顯然，第二類較第一類有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高，使運(yùn)行機(jī)組與供電量相適應(yīng)；可*性提高，使電網(wǎng)斷電的可能范圍大大減小，但第二類自動(dòng)化系統(tǒng)更復(fù)雜些。
第三類：使用計(jì)算機(jī)控制的電站自動(dòng)化系統(tǒng)。這類自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用在國內(nèi)外自動(dòng)化船舶中逐年增多，它的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和可*性指標(biāo)更高，實(shí)現(xiàn)船舶電站自動(dòng)化的功能及組合手段可以是有繼電器、接觸器組成的有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)；也可以是由晶體管分立元件或集成元件組成的邏輯控制系統(tǒng)；還可以是微型控制器系統(tǒng)。60年代初生產(chǎn)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器大部分采用有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)；60年代中后期生產(chǎn)的一些單元自動(dòng)裝置大多是采用分立元件構(gòu)成的有觸點(diǎn)和無觸點(diǎn)混合系統(tǒng)；70年代至今，船舶電站自動(dòng)化裝置主要由集成電路構(gòu)成的邏輯控制系統(tǒng)組成；80年代中期以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣，PLC（Programmable Logical Controller) 可編程控制器控制、單片機(jī)控制、STD和PC工業(yè)總線控制等工業(yè)控制途徑都能夠較好的用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。新技術(shù)的發(fā)展，加上實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，人們已經(jīng)將這些新技術(shù)推廣到船舶上。船舶電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方向：
1. 從常規(guī)的繼電器、分立元件形式的控制發(fā)展到無觸點(diǎn)控制，大規(guī)模集成電路，結(jié)構(gòu)化、模塊化。采用了微機(jī)，包括可編程控制器，使控制部分的體積重量大大減小、工作可*性大大提高，控制方式也由硬件控制變成以軟件控制為主，使功能的組合、擴(kuò)展或修改變的很容易。維護(hù)方便，模塊通用性好。
2. 計(jì)算機(jī)控制由大型機(jī)集中控制方式發(fā)展到多微機(jī)分散控制方式，使工作的可*性大大提高，進(jìn)而出現(xiàn)由多級計(jì)算機(jī)構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)、應(yīng)用光纖通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。對過流、欠壓、逆功率等多數(shù)參數(shù)的監(jiān)測報(bào)警和控制；電壓、頻率、功率、電流、功率因數(shù)等參數(shù)及主開關(guān)通斷狀態(tài)等也在軟配電板上有指示?？呻S時(shí)實(shí)現(xiàn)全部點(diǎn)或選定點(diǎn)的召喚打印記錄，這些記錄可代替?zhèn)鹘y(tǒng)日志。當(dāng)被檢測的參數(shù)值超出允許范圍，則發(fā)出聲光報(bào)警并自動(dòng)打印記錄，被測量參數(shù)值的上下限可方便地整定和修改。
3. 信號處理由模擬量信號處理發(fā)展到盡可能多的使用數(shù)字量信號處理和通訊。
4. 由就地人工分散控制發(fā)展到集控站控制，特別是對機(jī)艙的遙控，實(shí)現(xiàn)了無人值班機(jī)艙。
5. 機(jī)電一體化程度加強(qiáng)。
6. 從運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可*性出發(fā)，船舶電站出現(xiàn)了以下一些新特點(diǎn)：
1）采用不同容量的發(fā)電機(jī)組成電站，以提高不同工況下的發(fā)電機(jī)負(fù)荷率。
2）除柴油機(jī)以外，還同時(shí)采用不同種類的原動(dòng)機(jī)，如主機(jī)（軸帶發(fā)電機(jī)）、廢氣鍋爐渦輪機(jī)——軸帶發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)等，可以降低噪聲，提高機(jī)動(dòng)性和節(jié)約能源。
3）大型船舶采用雙電站前后布置方式，通過對電站間跨接線的控制，可以使兩電站各自獨(dú)立供電或聯(lián)合供電，提高供電可*性。
4）船電能與岸電并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)兩者之間可以實(shí)現(xiàn)不斷電的轉(zhuǎn)移負(fù)荷。
以上特點(diǎn)使得電站的控制復(fù)雜化，因而需要先進(jìn)的技術(shù)手段作保證。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電站自動(dòng)化的范圍和內(nèi)容必將更為廣泛和深入，船舶計(jì)算機(jī)的控制核心由單片的微控制器發(fā)展到工業(yè)控制機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)正在經(jīng)歷著從集中型計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)向離散微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)方向發(fā)展。此時(shí)，國外陸續(xù)推出了采用局域網(wǎng)絡(luò)的船舶控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)包括電站計(jì)算機(jī)控制子系統(tǒng)，也就是說在這些代表發(fā)展方向的系統(tǒng)中，電站都是計(jì)算機(jī)直接控制的，WOODWRAD公司95年推出了專用于電站控制的計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)，完成了柴油機(jī)組控制、同步并車、頻率控制和系統(tǒng)監(jiān)測等全部自動(dòng)化任務(wù)，美國ONAN公司也推出了智能化電站控制系統(tǒng)POWERCOMMAND，可以實(shí)現(xiàn)全部電站自動(dòng)化任務(wù)。

（轉(zhuǎn)載）