淺談現(xiàn)代船舶電站自動(dòng)化基本功能

摘 要：現(xiàn)代船舶除了具有運(yùn)輸貨運(yùn)這一基本功能，也擔(dān)負(fù)起了海洋科考、資源開采、境外旅游甚至是巡邏防御等復(fù)雜工作，因此對(duì)船舶的電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平要求越來越高。電站是電力系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)電站的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)化的主要任務(wù)。本文結(jié)合實(shí)例簡單介紹了現(xiàn)代船舶電站自動(dòng)化管理的基本組成和功能。

關(guān)鍵詞：船舶電站 自動(dòng)化管理 基本組成和功能

隨著世界經(jīng)濟(jì)得到了迅猛發(fā)展，各種類型的大型工作船被廣泛應(yīng)用在海洋勘探、新能源開采、海底管路敷設(shè)等具有高科技含量的工作里?，F(xiàn)在，船舶上的電氣設(shè)備越來越多，也越來越復(fù)雜、精密。為了在安全的前提下更好地完成工作，需要提高對(duì)船舶電力系統(tǒng)的管理。船舶電力系統(tǒng)是由電源設(shè)備、配電系統(tǒng)和用電負(fù)載所組成的完整體系的總稱。電力系統(tǒng)工作的基本原理是通過由電纜構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和配電裝置組成的配電系統(tǒng)將電源設(shè)備所產(chǎn)生的電能配送到各用電設(shè)備上去。為了便于管理和提高供電的生命力，船舶的主電源設(shè)備往往采用集中布置的方式，這些集中布置的主電源設(shè)備與其控制設(shè)備連接在一起，稱之為電站。電站是電力系統(tǒng)的核心。需要專門配置電站對(duì)全船的電力系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此，實(shí)現(xiàn)船舶電站的自動(dòng)化是船舶自動(dòng)化的主要任務(wù)之一。

國外船舶自動(dòng)化經(jīng)歷了從最開始的手動(dòng)本地操縱到后來的手動(dòng)遙控操縱，再進(jìn)一步發(fā)展成半自動(dòng)控制，最后發(fā)展到目前的最高水平的電站全自動(dòng)控制的無人值班機(jī)艙的進(jìn)化階段。我國在船舶電站自動(dòng)化方面起步較晚，而且計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用落后于國際水平。因此，在電站自動(dòng)化技術(shù)方面存在很大差距。隨著船舶向大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)船舶電站提出了更高的要求。 現(xiàn)在，就結(jié)合筆者接觸過的我國為尼日利亞海軍建造的近海巡邏船（以下簡稱OPV艦）為例簡單介紹一下現(xiàn)代自動(dòng)電站的基本功能。

本艦電力系統(tǒng)主要由電源及其控制設(shè)備、配電分系統(tǒng)、照明分系統(tǒng)等組成。電源及其控制設(shè)備包括電站分系統(tǒng)、應(yīng)急電源及其控制設(shè)備和接岸電設(shè)施；配電分系統(tǒng)包括主配電系統(tǒng)、事故配電系統(tǒng)、直流配電系統(tǒng)和60Hz/50Hz變頻系統(tǒng)；照明分系統(tǒng)包括主照明系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)、低照度照明系統(tǒng)、彩燈系統(tǒng)和航行信號(hào)識(shí)別燈系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示：

艦上在船艏和船艉分別設(shè)有一個(gè)電站，每個(gè)電站由2臺(tái)400kW柴油發(fā)電機(jī)組及機(jī)旁控制箱、主配電板、電站用直流電源裝置、電站監(jiān)測(cè)裝置組成。一個(gè)電站可滿足全艦所有用電設(shè)備的供電需要，兩個(gè)電站互為備用。

一般說來，船舶電站的自動(dòng)化管理是由電站控制系統(tǒng)、自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)組成：

（1）控制系統(tǒng)：當(dāng)船舶靠碼頭時(shí)，岸電通過岸電箱向船舶供電。在岸電和船舶電站供電切換時(shí)，通過岸電和艦上電站的短時(shí)間并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移。

在使用船電時(shí)，當(dāng)能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)、并車、解列、停機(jī)等，還可以實(shí)現(xiàn)電站功率的自動(dòng)管理及電壓、頻率的穩(wěn)定，且可處理電站中出現(xiàn)的故障。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)可自動(dòng)地使處于備用狀態(tài)的機(jī)組迅速起動(dòng)，自動(dòng)準(zhǔn)同步投入電網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)成功后，故障機(jī)組將自動(dòng)脫離電網(wǎng)。

（2）自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)：此系統(tǒng)的主要功能是自動(dòng)地實(shí)施監(jiān)測(cè)電網(wǎng)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，有原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)的電氣參數(shù)、機(jī)械參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)量包括開關(guān)量和模擬量。其次，系統(tǒng)會(huì)將監(jiān)測(cè)量實(shí)時(shí)與設(shè)定的限制值進(jìn)行比較，若被測(cè)量超限，將發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)。最后，系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄、打印，并對(duì)超限參數(shù)進(jìn)行記錄。

（3）安全保護(hù)系統(tǒng)：安全保護(hù)系統(tǒng)又分為原動(dòng)機(jī)安全保護(hù)和電力系統(tǒng)安全保護(hù)。目前，大多數(shù)船舶均采用柴油機(jī)做為原動(dòng)機(jī)，那么針對(duì)柴油機(jī)的安全保護(hù)主要有：滑油壓力低應(yīng)急停車；機(jī)組超速應(yīng)急停車；機(jī)組冷卻水溫度過高應(yīng)急停車。電力系統(tǒng)安全保護(hù)主要有：過載保護(hù)、欠壓保護(hù)等。

下面就結(jié)合OPV艦具體介紹這幾個(gè)系統(tǒng)的功能。

電站控制系統(tǒng)的主要功能：

（1）發(fā)電機(jī)組起動(dòng)前的準(zhǔn)備工作：中國船級(jí)社對(duì)自動(dòng)化船舶的有關(guān)規(guī)定是船舶電網(wǎng)失電應(yīng)在45s內(nèi)恢復(fù)供電，這樣也就需要對(duì)電網(wǎng)的電壓、總電流、頻率和有功功率及各空氣開關(guān)線圈的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。 而自動(dòng)化電站停車狀態(tài)下的備用機(jī)組應(yīng)事先做好準(zhǔn)備工作。關(guān)鍵的準(zhǔn)備工作是發(fā)電柴油機(jī)的預(yù)熱和預(yù)潤滑，所以起動(dòng)空氣瓶壓力、滑油溫度和壓力、各缸排煙溫度、排煙總管溫度、冷卻水壓力和溫度和柴油機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速也是需要注意的。

（2）發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)：當(dāng)運(yùn)行機(jī)組發(fā)生故障失電時(shí)，備用機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)；母線失電后所有備用機(jī)組立即自動(dòng)起動(dòng)，按優(yōu)先備用順序自動(dòng)投入。投入成功并延時(shí)30s后，停掉起動(dòng)成功的其余機(jī)組。

電網(wǎng)負(fù)載增大到在網(wǎng)機(jī)組額定總功率的85%（持續(xù)30s）時(shí)，備用機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)。

當(dāng)機(jī)組起動(dòng)成功，母線無電時(shí)，該機(jī)組在達(dá)到大于額定電壓的85%和頻率（60Hz±0.6Hz）后立即自動(dòng)投入；母線有電時(shí)，該機(jī)組則自動(dòng)同步自動(dòng)合閘。

自動(dòng)并聯(lián)后，具有有功功率與無功功率的自動(dòng)分配功能，保證任意發(fā)電機(jī)組長期并聯(lián)運(yùn)行，并滿足有功功率負(fù)荷分配精度不大于±5%PN，無功功率負(fù)荷分配精度不大于±10%QN。

機(jī)組投入運(yùn)行后，頻率調(diào)節(jié)精度為60Hz±0.6Hz。

并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組，當(dāng)負(fù)載量減小到在網(wǎng)機(jī)組額定總功率的30%（持續(xù)30s）以下時(shí)，指定機(jī)組能自動(dòng)解列、停機(jī)。

在解列過程中，除嚴(yán)重故障之外，均能平滑地自動(dòng)轉(zhuǎn)移負(fù)載，當(dāng)解列發(fā)電機(jī)組的負(fù)載轉(zhuǎn)移至剩余負(fù)荷不超過該發(fā)電機(jī)組額定輸出功率的10%時(shí)發(fā)出分閘指令。

解列發(fā)電機(jī)組在分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)主開關(guān)后，按規(guī)定程序發(fā)出停機(jī)指令。若發(fā)出停機(jī)指令15s后，柴油機(jī)仍未停機(jī)，則發(fā)出停機(jī)失敗報(bào)警。

當(dāng)進(jìn)入自動(dòng)解列程序后，若電網(wǎng)總負(fù)載又大于在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的85%PN，則自動(dòng)取消解列指令，并重新進(jìn)入調(diào)頻調(diào)載；若上述發(fā)電機(jī)組解列后，機(jī)組并未停機(jī)，電網(wǎng)總負(fù)載又大于在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的85%PN，則該機(jī)組優(yōu)先自動(dòng)并網(wǎng)，并重新進(jìn)入調(diào)頻調(diào)載。

多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組負(fù)荷超過在網(wǎng)發(fā)電機(jī)總功率90%PN以上（不延時(shí)）及單機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷≥100%PN在經(jīng)過3-8s后，發(fā)出卸載指令。在卸載的同時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。

自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的主要功能

本艦電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電站進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障聲光報(bào)警?？梢詫?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示被測(cè)參數(shù)；動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示電站系統(tǒng)各種狀態(tài)圖；可進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)全段、分頁、故障、故障恢復(fù)及召喚等各種打印。

電站監(jiān)控系統(tǒng)具有以下監(jiān)測(cè)功能：

對(duì)柴油機(jī)的主要參數(shù)（如滑油壓力、冷卻水溫度、起動(dòng)空氣壓力、應(yīng)急停機(jī)等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯示和故障報(bào)警；

對(duì)發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)（繞組高溫報(bào)警、電壓、電流、頻率等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警；

對(duì)發(fā)電機(jī)開關(guān)的主要參數(shù)（長延時(shí)脫扣、短延時(shí)脫扣、逆功脫扣等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

安全保護(hù)系統(tǒng)的主要功能

本艦電力系統(tǒng)的安全保護(hù)系統(tǒng)在出現(xiàn)故障回路時(shí)，通過保護(hù)裝置的動(dòng)作，盡快地切除故障回路，以使故障涉及的范圍最??；同時(shí)，又能最大限度地保證非故障回路連續(xù)供電，特別是保證對(duì)艦船自身安全與作戰(zhàn)的設(shè)備供電的連續(xù)性。

額定功率大于0.5kW和所有重要設(shè)備的電動(dòng)機(jī)，通過電磁起動(dòng)器或控制設(shè)備實(shí)施過載和短路保護(hù)。舵機(jī)電動(dòng)機(jī)僅設(shè)短路保護(hù)。

1）發(fā)電機(jī)保護(hù)功能

a） 安裝的發(fā)電機(jī)過載、短路、欠壓保護(hù)開關(guān)具有預(yù)報(bào)警、長延時(shí)脫扣、短延時(shí)脫扣、瞬動(dòng)過電流脫扣和失壓脫扣等功能；

b） 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的開關(guān)帶有的控制單元具有短延時(shí)、分勵(lì)脫扣功能，短延時(shí)時(shí)間超前于發(fā)電機(jī)開關(guān)；

c） 前、后電站的跨接線上設(shè)有跨接開關(guān)。該開關(guān)帶有的控制單元具有預(yù)報(bào)警、長延時(shí)脫扣、短延時(shí)脫扣功能，短延時(shí)時(shí)間超前于發(fā)電機(jī)開關(guān)和隔離開關(guān)；

d） 為保證并聯(lián)運(yùn)行的可靠性，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組在主配電板上設(shè)有逆功率保護(hù)裝置；

2）柴油機(jī)保護(hù)功能（該功能通過主配電板內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)）

當(dāng)柴油機(jī)滑油壓力低、冷卻水溫度高、發(fā)電機(jī)繞組溫度高時(shí)，指定的備用機(jī)組立即起動(dòng)，自動(dòng)同步操作合閘，投入并聯(lián)后再解列故障機(jī)組。當(dāng)柴油機(jī)滑油壓力過低或超速（包括應(yīng)急停機(jī)）時(shí)將立即停機(jī)、跳閘，并立即自動(dòng)起動(dòng)備用機(jī)組投入供電。

3）報(bào)警功能

通過主配電板面板上設(shè)置的監(jiān)測(cè)儀表和絕緣監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)及電網(wǎng)絕緣、電站狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)及報(bào)警指示。

4）聯(lián)鎖功能

電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)儀與岸電供電聯(lián)鎖，在岸電供電時(shí)絕緣監(jiān)測(cè)儀退出測(cè)量。

發(fā)電機(jī)組防冷凝加熱器與發(fā)電機(jī)主開關(guān)聯(lián)鎖，在發(fā)電機(jī)主開關(guān)合閘后防冷凝加熱器停止工作。

岸電與兩臺(tái)及兩臺(tái)以上發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的聯(lián)鎖，以保證岸電只能與一臺(tái)發(fā)電機(jī)短時(shí)并聯(lián)。

5）重載詢問功能

在手動(dòng)工況下，可接收“重載請(qǐng)求”信號(hào)，該指令是一個(gè)持續(xù)的信號(hào)。在允許的情況下，人工發(fā)送“重載允許”信號(hào)；在不允許的情況下，應(yīng)當(dāng)在起動(dòng)備用機(jī)組后人工發(fā)送“重載允許”信號(hào)。

電站自動(dòng)化系統(tǒng)的展望

隨著船舶自動(dòng)化程度的不斷提高，電站自動(dòng)化由局部控制發(fā)展到了綜合控制，由就地的控制發(fā)展到遠(yuǎn)程的控制并且所有功能可通過屏幕軟件按鈕來完成。另外，采用綜合監(jiān)控的形式，可以構(gòu)成雙重或多重冗余，對(duì)提高系統(tǒng)或者全船整體可靠性是有積極意義的。

如今，數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的雙向網(wǎng)絡(luò)通信靠現(xiàn)場(chǎng)總線來實(shí)現(xiàn)。使用雙層網(wǎng)絡(luò)，第一層網(wǎng)絡(luò)采集與傳送數(shù)據(jù)，第二層網(wǎng)絡(luò)是控制網(wǎng)。每個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，在某系統(tǒng)局部受損時(shí)不影響其他系統(tǒng)獨(dú)立完成工作，采用網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備冗余設(shè)計(jì)及不間斷后備電源，增強(qiáng)系統(tǒng)控制能力。利用圖像控制功能，在人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)話效果。

計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制技術(shù)迅速發(fā)展且互相交叉滲透，還有人工智能和模糊技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)給船舶電站自動(dòng)化帶來重大的變革。未來船舶電站的自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)向著自動(dòng)故障預(yù)測(cè)、自診斷的方向發(fā)展，將會(huì)實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)等智能連接。 希望我國能抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)我國船舶電站自動(dòng)化的國產(chǎn)化并走向

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作者簡介：

阮靜 中船重工第719研究所工程師工程碩士研究方向：船舶電氣自動(dòng)化