船舶轴带发电机电站监控系统设计

2014-11-10陈鸣妤林春平

上海船舶运输科学研究所学报 2014年2期

刘伟，陈鸣妤，林春平

（1.上海船舶运输科学研究所，上海200135；2.海军驻上海地区舰炮系统军事代表室，上海200135）

0 引言

现代船舶的电力来源除了常规的柴油发电机组、燃气发电机组、汽轮发电机组以外，还有轴带发电机组。船舶轴带发电机系统简称轴发系统或轴机系统，由主机驱动，可以充分利用主机10%～15%的功率储备裕量，从而达到节能的目的［1］。自70年代初轴带发电机系统开始装船，至今已有近40年的发展历史［2］。装有轴带发电机组的船舶可以配备较小容量的辅机，这样有利于扩大机舱的空间并优化机舱空间布置，有利于降低机舱温度并减少机舱的噪声［3－4］。随着电力电子技术的飞速发展，轴带发电机组作为节约运行成本及改善机舱运行管理条件的有效手段，以其独特的优越性引起了各国航运界的重视，并在大中型运输船及工程船上得到了广泛的应用。因此，研究和设计船舶轴带发电机电站监控系统具有良好的实际意义。

1 系统设计

1.1 监控对象概述

以一艘近海救助船设计为例，全船电力系统单线图见图1。该船供电系统由4台400 k W的柴油发电机组和2台800 k W的轴带发电机组组成，2台柴油发电机组及2台轴带发电机组通过汇流排A1及A2向全船常规主要用电设备供电。该船艏、艉各配备有1台侧向推进器，采用变频电动机推动，艏侧推功率为450 k W，艉侧推功率为350 k W，由2台轴带发电机组通过汇流排B1及B2供电。

图1 电力系统单线图

1.2 电站监控系统总体架构

电站监控系统主要实现电力系统的功率管理、自动控制、测量、显示、安全保护等功能。其网络拓扑结构设计为两层，上层为高速信息传输网，采用冗余的高速交换式工业以太网；下层为数据采集和实时控制网，采用冗余的CAN现场总线。上层网络与下层网络之间由综合管理控制器连接，实现实时数据汇聚解析和通信协议转换功能。系统网络拓扑结构可保证电力监控系统数据指令传输的实时性、可靠性与生命力。电站监控系统总体架构见图2。

图2 电站监控系统总体架构

每台轴带发电机组及柴油发电机组各配置1套机组控制器，实现机组的智能测量及输出控制功能；配置2套具备冗余备份功能的综合管理控制器，完成对全船供电系统的综合调控、功率管理、工作模式转换等自动控制功能，并将轴带发电机组、柴油发电机组的重要数据上传到管理监测微机上进行显示。配置2套管理监测微机（互为备用），实现对整个电站的监视、集中管理，并具有远程遥控等功能。配置1套联锁保护控制器，用于电力系统主要开关之间的联锁保护。

1.3 控制器设计

根据电站监控系统设备的功能和性能需求，控制器硬件的设计必须遵循通用化、标准化、模块化的原则，应充分考虑硬件设备的通用性、互换性和可扩展性。控制器的I／O电气接口形式需适合电力系统信号的特点，接口数量要满足控制需求，网络通信及运算性能要强，实时性可靠性要高。

控制器采用基于高性能的Cotex－M4核心的低功耗、高性能ST M32f437处理器，其核心运行频率高达168 MHz，支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型。该芯片内置多种实用外设，可以大大简化外部电路，提高系统的可靠性，降低开发成本。轴带发电机组控制器、柴油发电机组控制器、综合管理控制器等硬件模块组成相同，用户根据相应控制器的控制需求将其装入对应的控制软件即可。

通过ST M32F437微处理器内置A／D实现多路模拟量输入采集，采用FPGA高速可编程逻辑芯片协助进行逻辑处理及计算，可以准确地计算出电压、电流、功率、频率等电量参数，并与相位检测电路协同完成自动准同步并车。采用DM9000以太网控制芯片、SJA1000CAN控制器及MAX485芯片实现双以太网通讯、双路CAN通讯及MOBUS通讯。控制器硬件原理见图3。

图3 控制器硬件原理框图

2 电站监控系统自动控制

电站监控系统中的4台柴油发电机组之间可以长期并联运行；柴油发电机组可与轴带发电机组短时并联，用于负荷转移；在侧推装置工作时，柴油发电机组、轴带发电机组分区供电，电网由柴油发电机组供电，侧推装置由轴带发电机组供电；轴带发电机组在低速航行工况下可通过联络开关向电网供电。

2.1 工作模式

电站监控系统有4种工作模式：DG模式、SG1模式、SG2模式和操纵模式。工作模式、供电状态以及适用工况见表1。

表1 电站监控系统的工作模式、供电状态及适用工况

2.2 DG工作模式自动控制

DG模式下的自动控制功能有：

（1）柴油发电机组自动启动、投入；

（2）柴油发电机组自动解列、停机；

（3）柴油发电机组自动调压、调频、调载；

（4）柴油发电机组功率自动增减机；

（5）柴油发电机组故障自动增减机；

（6）柴油发电机组与轴带发电机组短时并联运行控制；

（7）重载询问自动控制功能。

2.3 SG1（或SG2）工作模式自动控制

SG1（或SG2）模式下的自动控制功能有：

（1）母排失电后备用柴发机组能自动启动，投网后电站自动进入DG模式并进行提示；

（2）当在网主机发生二类故障时，备用柴油发电机组投入使用，轴带发电机组将负载转移到新投入的柴油发电机组后分闸，相应联络开关断开，恒速请求取消，电站自动进入DG模式并进行提示；

（3）当在网主机发生一类故障时，故障机组停车后，备用柴油发电机组投入使用，相应联络开关断开，电站自动进入DG模式并进行提示；

（4）轴带发电机组与柴油发电机组短时并联运行控制；

（5）重载询问自动控制功能。

2.4 操纵工作模式自动控制

在操纵工作模式下，各轴带发电机组汇流排与柴油发电机组汇流排分区供电，以实现轴带发电机组向艏侧推和艉侧推装置供电。柴油发电机组自动功能与DG工作模式下的自动功能相同。

当监控系统收到重载请求信号时，判断电网储备功率，若满足条件，发出重载允许信号；若不满足，自动启动备用机组并投入使用，待满足重载设备投入要求后，自动发出重载允许信号。

2.5 工作模式转换自动控制

2.5.1 工作模式转换至DG模式

在自动工况下，工作模式选择开关由SG1模式（或SG2模式）转换到DG模式，备用柴油发电机组根据在网负荷按优先顺序自动启动、投网，负荷转移到柴油发电机组后，SG1（或SG2）自动解列，SG1（或SG2）机组控制器恒速请求自动取消，1＃联络开关（或2＃联络开关）自动断开，母排由柴油发电机供电，模式转换结束。

在自动工况下，工作模式选择开关由“操纵模式”转换到DG模式，SG1和SG2的主开关依次自动分闸，SG1和SG2机组控制器恒速请求自动取消，模式转换结束。

SG1模式（或SG2模式）／操纵模式转至DG模式自动控制流程见图4。

图4 SG1模式（或SG2模式）／操纵模式转DG模式自动控制流程

2.5.2 工作模式转换至SG1模式（或SG2模式）

在自动工况下，工作模式选择开关由DG模式转换到SG1模式（或SG2模式），1＃联络开关（或2＃联络开关）自动闭合，SG1（或SG2）机组控制器自动发出恒速请求信号；恒速请求允许后，SG1（或SG2）的主开关自动同步合闸，轴带发电机投网，柴油发电机将负荷转移到轴带发电机后自动解列停车，母排由SG1（或SG2）单独供电，模式转换结束。

在自动工况下，工作模式选择开关由操纵模式转换到SG1模式（或SG2模式），SG2（或SG1）自动分闸，SG2（或SG1）机组控制器恒速请求自动取消，1＃联络开关（或2＃联络开关）自动同步合闸，柴油发电机将负荷转移到轴带发电机后自动解列停车，母排由SG1（或SG2）单独供电，模式转换结束。

DG模式／操纵模式转至SG1模式（或SG2模式）自动控制流程见图5。

图5 DG模式／操纵模式转SG1模式（或SG2模式）自动控制流程

2.5.3 工作模式转换至操纵模式

在自动工况下，工作模式选择开关由DG模式转换到操纵模式，SG1和SG2机组控制器自动发出恒速请求信号，恒速请求允许后，SG1和SG2的主开关依次自动合闸，三段汇流排分区独立供电，模式转换结束。

在自动工况下，工作模式选择开关由SG1模式（或SG2模式）转换到操纵模式，备用柴油发电机组根据在网负荷按优先顺序自动起动并车，1＃联络开关（或2＃联络开关）自动断开，母排由柴油发电机供电，SG2（或SG1）机组控制器自动发出恒速请求信号，恒速请求允许后，SG2（或SG1）的主开关自动合闸，三段汇流排分区供电，模式转换结束。

DG模式／SG1模式（或SG2模式）转至操纵模式自动控制流程见图6。