船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

1、摘要現(xiàn)代航運(yùn)對(duì)船舶自動(dòng)化程度和信息集成程度要求越來(lái)越高，因此船舶自動(dòng)化主要發(fā)展方向已成為將駕駛臺(tái)、機(jī)艙等相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)部分聯(lián)成一體，做到全船信息的高度集成和共享。船舶電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性對(duì)保證船舶電站的供電質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶“機(jī)駕一體化”的發(fā)展要求具有重要意義。船舶電站自動(dòng)監(jiān)控功能可分為自動(dòng)控制功能和自動(dòng)監(jiān)視功能。其中自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)可歸結(jié)為兩點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)：即發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制和發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制；而自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)主要完成電站運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)的顯示、記錄與報(bào)警等功能，為電站監(jiān)控系統(tǒng)提供一個(gè)良好的人機(jī)接口。本文以發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制和

2、發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制兩項(xiàng)關(guān)鍵控制功能為核心， 充分結(jié)合電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，完成船舶電站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電站自動(dòng)控制的核心之一為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。本文針對(duì)由三臺(tái)發(fā)電機(jī)組組成的船舶電站，進(jìn)行柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300可編程序控制器（PLC）為主要控制元件，同時(shí)采用DIEF公司的發(fā)電機(jī)并聯(lián)控制單元（GPC）與之配合，PLC與GPC通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信，使二者相互配合完成發(fā)電機(jī)組的起?？刂?、并車控制、頻率調(diào)節(jié)及有功功率自動(dòng)分配控制的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制任務(wù)。關(guān)鍵詞：船舶電站，監(jiān)控系統(tǒng)，PLCAbstractWith the developme

3、nt of modem navigation, the demand of ships automation and degree of information integration is increasing. Therefore, the developmental direction of the ship automation is to integrate the relatively independent parts such as the deck department and the marine engine department together, so the inf

4、ormation of the ship can be highly integrated and shared. Automatic Monitoring System of marine electrical power plant is an important component of Marine Engineering Automation. The reliability and economy of AMS can improve the quality of power supply, and in turn to realize the “Integration of Sh

5、ip Driving and Machine Controlling.” The functions of Ship Automatic Monitoring System can be divided into automatic control and automatic surveillance. The realization of automatic control function can be attributed to the realization of two key technologies-the speed control of generation sets and

6、 the excitation control of generator. The Automatic Surveillance System is mainly to realize the displaying and recording of the operation parameters, and alarming when it is abnormal, etc. and provide a good man-machine interface for the system.In this paper, as the control cores, the generation se

7、ts speed control system and generator excitation control system are designed and fully integrated the development trends of the power plant control system.One of the cores of the power plant automatic control is speed control of diesel engines. In this paper, the automatic speed control system for d

8、iesel engine is researched and designed for electric power plant that composed by the three generation sets. Siemens S7-300 Programmable Logical Controller (PLC) is adopted as the main control set, with the corporation of Generator Parallel Controller (GPC) made by DIEF company. PLC and GPC are comm

9、unicated through PROFIBUS-DP fieldbus so that they can work concordantly to accomplish the task of speed control when Automatic Start-up and shutdown, Automatic parallel operation, Automatic frequency adjustment and active power distribution. Key Words：Marine electrical power plant, Monitoring Syste

10、m, PLC 目 錄1 緒論11.1 選題背景及意義11.2 船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展11.3 PLC在船舶自動(dòng)化電站中的應(yīng)用41.4 本課題的研究?jī)?nèi)容與意義42 船舶自動(dòng)化電站52.1 船舶電力系統(tǒng)組成與控制52.1.1 船舶電力系統(tǒng)的組成52.1.2 船舶自動(dòng)化電站的自動(dòng)控制功能5船舶電站的自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警6船舶電站的特點(diǎn)72.2 船舶電站的保護(hù)功能72.2.1 船舶同步發(fā)電機(jī)外部短路保護(hù)82.2.2 船舶同步發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)112.2.3 船舶同步發(fā)電機(jī)欠壓保護(hù)122.2.4 船舶發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)133 船舶電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的PLC實(shí)現(xiàn)153.1基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的總體構(gòu)成15

11、西門子S7-300 PLC應(yīng)用技術(shù)15船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的Profibus-DP總線結(jié)構(gòu)163.1.3 Profibus-DP總線式分級(jí)設(shè)計(jì)思想173.1.4 Profibus-DP總線式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)183.1.5 并聯(lián)控制器(GPC)簡(jiǎn)介183.3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備選用193.3.1 上位機(jī)選用193.3.2 PLC模塊選用20信號(hào)處理及傳感器選用224 船舶自動(dòng)化電站PLC監(jiān)控程序設(shè)計(jì)244.1 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)244.2 PLC程序總體框架254.3 子模塊程序264.3.1 發(fā)電機(jī)自起動(dòng)模塊的程序設(shè)計(jì)264.3.2 發(fā)電機(jī)并車模塊的程序設(shè)計(jì)274.3.3 發(fā)電機(jī)調(diào)頻調(diào)載模塊的程序設(shè)計(jì)

12、314.3.4 自動(dòng)解列與自動(dòng)停機(jī)程序34結(jié) 論36致 謝37參考文獻(xiàn)381 緒論1.1 選題背景及意義船舶是現(xiàn)代水上運(yùn)輸?shù)闹匾煌üぞ撸彩侨祟愒谒嫔匣顒?dòng)的主要平臺(tái)，對(duì)人類社會(huì)的政治、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ饔兄鴺O其重要的意義。近年來(lái)隨著相關(guān)科技日新月異的發(fā)展，對(duì)于船舶自動(dòng)化的要求越來(lái)越高1。船舶電站自動(dòng)化是船舶自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分，也是船舶現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)船舶電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提出了越來(lái)越高的要求。船舶電力系統(tǒng)的控制、監(jiān)視和跟蹤管理也顯得極為重要2。船舶電站是船舶電力系統(tǒng)的核心，對(duì)船舶的安全航行和經(jīng)濟(jì)效益有重要的影響，其供電的連續(xù)性、可靠性和供電品質(zhì)將直接影

13、響船舶的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)和生命力。船舶電站自動(dòng)化裝置的發(fā)展過(guò)程，從六十年代采用繼電器控制技術(shù)及后來(lái)的晶體管分立元件控制技術(shù)到七十年代的小規(guī)模集成電路及后來(lái)的中大規(guī)模集成、模擬電路控制技術(shù)，至八十年代的微處理機(jī)控制技術(shù)，九十年代的PLC控制技術(shù)。船舶電站的控制在七十年代后期形成了功能較齊全、性能較穩(wěn)定的由數(shù)字集成電路與模擬集成電路組成的控制系統(tǒng)。進(jìn)入八十年代世界各國(guó)先后研制單片機(jī)組成的微機(jī)控制系統(tǒng)。九十年代PLC控制系統(tǒng)的可靠性己為世人所共識(shí)，產(chǎn)生了基于PLC控制的船舶電站、主機(jī)遙控、集中監(jiān)視系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的發(fā)展，船舶電站自動(dòng)化正朝著集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

14、于船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)，使得船舶電站成為集自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)、 報(bào)警等于一體化的監(jiān)控系統(tǒng)，船舶電站自動(dòng)化技術(shù)是船舶工業(yè)科技戰(zhàn)略發(fā)展應(yīng)用研究的重要技術(shù)之一，是涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化信息技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、通訊、信息處理、光纖、傳感器、電力電子等多種學(xué)科和技術(shù)綜合應(yīng)用的一體化產(chǎn)物。它需要研究網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（包括船用光纖、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)）、智能柴油機(jī)電控技術(shù)、電力電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)等，以集成化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化、系列化等方式，向?qū)崿F(xiàn)船舶電站綜合自動(dòng)化這個(gè)高層次階段發(fā)展。它是開(kāi)放式和網(wǎng)絡(luò)化的未來(lái)船舶電站自動(dòng)化的創(chuàng)新模式，具有自動(dòng)化程度高、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)。綜上所述，船舶電站自動(dòng)化

15、是船舶科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，其系統(tǒng)及設(shè)備發(fā)展極其迅速，更新?lián)Q代的速度也是驚人的，船舶電站自動(dòng)化技術(shù)正朝著數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的方向迅速發(fā)展，這是今后國(guó)際船舶電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展總趨勢(shì)。1.2 船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展隨著近三十年自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步，船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的性能也得到了大幅度的提升。按照船舶電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可大致分成三個(gè)發(fā)展階段：(1)集中式監(jiān)控系統(tǒng)（CCS：Computer Control System）集中式監(jiān)控系統(tǒng)于八十年代占主導(dǎo)地位，采用單片機(jī)、PLC、SLC或微機(jī)作為控制器。系統(tǒng)可對(duì)船舶電站運(yùn)行時(shí)的數(shù)十個(gè)參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控。集中式監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是替代了十

16、幾個(gè)模擬調(diào)節(jié)器的工作，如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等調(diào)節(jié)器。船員在集控室內(nèi)便可了解和掌握電站設(shè)備的運(yùn)行情況。但由于其仍然采用模擬量通信信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)昂貴；并且集中控制也產(chǎn)生了風(fēng)險(xiǎn)集中的后果，一旦出現(xiàn)設(shè)備故障可能造成整個(gè)電站監(jiān)控系統(tǒng)的失控或癱瘓。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。顯示 報(bào)警 打印 操作臺(tái) PLC/單片機(jī)/微型計(jì)算機(jī)測(cè)量及變換單元 監(jiān)測(cè)對(duì)象 A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu) 控制對(duì)象 圖1.1 集中式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1.1 CCS Contiguration(2)集散式監(jiān)控系統(tǒng)（DCS：Distributed C

17、ontrol System）進(jìn)入九十年代，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展為電站監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)步提供了強(qiáng)有力的支持。集散型控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)（Computer）、通信（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）技術(shù)的產(chǎn)物（簡(jiǎn)稱四C技術(shù)）。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理功能，若干臺(tái)下位機(jī)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制。因此，這種分布式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對(duì)控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。圖1.2 集散式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖管理級(jí)微型計(jì)算機(jī) 通信接口 單元一單元N單元四單

18、元三單元二Fig.1.2 DCS Configuration(3)現(xiàn)場(chǎng)總線式監(jiān)控系統(tǒng)（FCS：Fieldbus Control System）現(xiàn)場(chǎng)總線式監(jiān)控系統(tǒng)是由集散式監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，但與集散式監(jiān)控系統(tǒng)相比有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。由于智能設(shè)備的出現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)即可完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等功能。這樣就要求通信具有“雙向性”，而大部分集散式系統(tǒng)的通信接口互聯(lián)方式不滿足此要求。現(xiàn)場(chǎng)總線式監(jiān)控系統(tǒng)正是順應(yīng)以上潮流而誕生的，它用現(xiàn)場(chǎng)總線這一開(kāi)放的、具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各控制器及儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)監(jiān)控功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，提高了現(xiàn)場(chǎng)信息的可利用程度，降低了安裝成本和維

19、護(hù)費(fèi)用。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。管理級(jí)計(jì)算機(jī) 通信總線現(xiàn)場(chǎng)控制單元一現(xiàn)場(chǎng)控制單元二現(xiàn)場(chǎng)控制單元三現(xiàn)場(chǎng)控制單元N    圖1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1.3 FCS Configuration1.3 PLC在船舶自動(dòng)化電站中的應(yīng)用船舶電站需要其監(jiān)控系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。并且電站元器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制設(shè)備不可避免會(huì)受到干擾。因此，電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要保證其穩(wěn)定可靠。而電站自身又具有動(dòng)作復(fù)雜、頻繁的特點(diǎn)，這就需要較多執(zhí)行元件進(jìn)行控制。PLC (Programmable Logical Controller) 通常稱為可編程邏輯控制器（又稱為

20、可編程控制器），它是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。由于它擁有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，以及維護(hù)方便等特點(diǎn)，特別是PLC適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性，使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛3。PLC技術(shù)能夠完美的實(shí)現(xiàn)上述要求，其優(yōu)點(diǎn)如下：(1)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)PLC是專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。在PLC的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，采取了多層次抗干擾及精選元器件等措施，使PLC的平均無(wú)故障時(shí)間通常在20000小時(shí)以上，這是一般的其他設(shè)備做不到的。(2)所需添加設(shè)備數(shù)量少一般的PLC都有上百個(gè)內(nèi)部輔助繼電器，還有多種內(nèi)部專

21、用繼電器，可節(jié)約大量的中間繼電器。另外，當(dāng)需要較多的I/O時(shí)，可方便的添加擴(kuò)展模塊。(3)易于操作維護(hù)PLC的控制程序無(wú)須更改硬件，通過(guò)修改其內(nèi)部輔助繼電器程序即可完成邏輯控制的更改。PLC還具有很強(qiáng)的自診斷能力，能隨時(shí)檢查出自身的故障，并顯示給操作人員。1.4 本課題的研究?jī)?nèi)容與意義本課題研究的對(duì)象為以PLC為核心控制單元的船舶自動(dòng)化電站綜合控制系統(tǒng)。利用S7-300軟件設(shè)計(jì)船舶自動(dòng)化電站PLC控制程序，采用WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行操作監(jiān)視級(jí)的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)及通信實(shí)現(xiàn)，。通過(guò)軟件程序設(shè)計(jì)和硬件電路搭建實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電站系統(tǒng)的手/自動(dòng)綜合控制與管理。船舶電站自動(dòng)化是機(jī)艙自動(dòng)化的重要組成部分，隨著現(xiàn)代船

22、舶電氣化、自動(dòng)化程度的不斷提高，集中監(jiān)控與管理船舶系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)在整個(gè)系統(tǒng)中占著及其重要的地位；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普遍應(yīng)用，港航移動(dòng)目標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)控也成為船舶管理的一個(gè)重要方向。良好的船舶自動(dòng)化電站系統(tǒng)可以大大降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，提高供電的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)保證船舶安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。2 船舶自動(dòng)化電站2.1 船舶電力系統(tǒng)組成與控制 船舶電力系統(tǒng)的組成 船舶電力系統(tǒng)主要是由電源、配電裝置、電網(wǎng)與負(fù)載四部分組成：(1)電源船上的電源裝置通常是柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池。主發(fā)電機(jī)組是船舶的主電源，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組是應(yīng)急電源，蓄電池組一般作為小應(yīng)急電源。主發(fā)電機(jī)組不能供電時(shí)，由應(yīng)急發(fā)電機(jī)組或

23、蓄電池組向船舶重要航行設(shè)備和應(yīng)急照明系統(tǒng)供電。(2)配電裝置配電裝置是接受和分配電能的裝置，也是對(duì)電源、電力網(wǎng)和負(fù)載進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)視、測(cè)量和控制的裝置。包括各種電力開(kāi)關(guān)、互感器、測(cè)量?jī)x表、連接母線、保護(hù)電器、按鈕、控制和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、自動(dòng)化沒(méi)備及各種附屬設(shè)施等。根據(jù)供電范圍和對(duì)象的不同，配電裝置可分為主配電板、應(yīng)急配電板、分配電板、充放電板和岸電箱等。(3)船舶電力網(wǎng)船舶電力網(wǎng)是全船電纜電線的總稱。按其所連接的負(fù)載性質(zhì)，可分為動(dòng)力電網(wǎng)、照明電網(wǎng)、應(yīng)急電網(wǎng)、小應(yīng)急電網(wǎng)等。(4)電力負(fù)載船上的用電設(shè)備形式很多，主要有動(dòng)力負(fù)載(各種電力拖動(dòng)機(jī)械)、照明負(fù)載、通信導(dǎo)航設(shè)備等，艦艇還有特殊的武器裝備負(fù)載。動(dòng)力

24、負(fù)載往往占總用電量的70%左右，對(duì)于船舶電力負(fù)載大體可分為如下幾類：船舶各種機(jī)械設(shè)備的電力拖動(dòng)；船舶照明；通訊和導(dǎo)航設(shè)備；生活及其他用電設(shè)施。 船舶自動(dòng)化電站的自動(dòng)控制功能(1)電壓自動(dòng)調(diào)整。電壓自動(dòng)調(diào)整是對(duì)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而令發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定。衡量自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的性能有兩個(gè)，即靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。一般情況下，靜態(tài)電壓調(diào)整率應(yīng)不超過(guò)額定電壓的±2.5%，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整率不超過(guò)額定電壓的±15%，恢復(fù)時(shí)間不超過(guò)1.5s，電壓波動(dòng)不大于3%額定電壓；(2)機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)。機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)應(yīng)具有三次起動(dòng)功能，若三次起動(dòng)失敗則應(yīng)給出指示及報(bào)警。一般出現(xiàn)以下情況時(shí)，備用機(jī)組應(yīng)自動(dòng)

25、起動(dòng)：電網(wǎng)失電；在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組的平均功率大于85%額定功率；在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組發(fā)生故障需要換機(jī)或停機(jī)；機(jī)組接到人工起動(dòng)指令時(shí)。(3)首機(jī)自動(dòng)投入。在電站電網(wǎng)失電時(shí)，備用機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)，最先起動(dòng)成功的備用機(jī)組投入電網(wǎng)供用；(4)自動(dòng)準(zhǔn)同步并車。電站系統(tǒng)需要自動(dòng)增加機(jī)組時(shí)，在備用機(jī)組起動(dòng)成功后，自動(dòng)進(jìn)入準(zhǔn)同步并車程序，根據(jù)并車三個(gè)條件：相電壓相等、頻率相同及相位差為零，自動(dòng)測(cè)量和調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓、頻率及相位，使并車三個(gè)條件滿足并發(fā)出合閘信號(hào)，一般合閘信號(hào)要提前幾十毫秒發(fā)出，并且待并發(fā)電機(jī)的頻率要略大于電網(wǎng)頻率；(5)自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載。對(duì)已投入電網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組自動(dòng)實(shí)現(xiàn)頻率及有功負(fù)荷分配制度，使各運(yùn)行機(jī)組負(fù)載按比例

26、分配，一般負(fù)載分配差度小于±5%額定功率，頻率調(diào)節(jié)精度為±0.25Hz；(6)動(dòng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷及分閘（或稱解列）。對(duì)已投入電網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組出現(xiàn)以下情況時(shí)，則按順序運(yùn)行機(jī)組逐個(gè)解列：在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組平均功率小于30%額定功率；機(jī)組有冷卻水高溫、滑油壓力低等二級(jí)故障；有人工解列指令，且當(dāng)前功率不大于85%額定功率。當(dāng)解列機(jī)組的負(fù)載轉(zhuǎn)移到小于10%額定功率時(shí)，發(fā)出分閘信號(hào)。(7)機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。當(dāng)投入電網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組解列分閘后，則該機(jī)組就自動(dòng)停機(jī)。一般情況下，機(jī)組出現(xiàn)以下情況之一則自動(dòng)停機(jī)：機(jī)組有嚴(yán)重故障（應(yīng)急保護(hù)停機(jī)）或二類故障；機(jī)組平均負(fù)荷小于30%額定功率，則先解列再自動(dòng)停機(jī)；機(jī)組接到人工

27、指令需要停機(jī)。(8)重載詢問(wèn)控制。大負(fù)荷設(shè)備起動(dòng)前發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，電站自動(dòng)控制系統(tǒng)接到詢問(wèn)信號(hào)后進(jìn)行儲(chǔ)備功率計(jì)算，若儲(chǔ)備功率大于大負(fù)荷設(shè)備的額定功率，則大負(fù)荷即可起動(dòng)；若儲(chǔ)備功率小于該設(shè)備的額定功率，則首先起動(dòng)備用機(jī)組投入使儲(chǔ)備功率滿足條件后，大負(fù)荷設(shè)備才可投入運(yùn)行；(9)原動(dòng)機(jī)預(yù)潤(rùn)滑預(yù)熱控制。電站機(jī)組在長(zhǎng)期不用或環(huán)境溫度較低的條件下，機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)前首先要進(jìn)行原動(dòng)機(jī)的預(yù)潤(rùn)滑，主要是控制機(jī)組預(yù)供油泵投入運(yùn)行一段時(shí)間機(jī)組起動(dòng)成功后再停止，此后機(jī)組的潤(rùn)滑工作由機(jī)帶潤(rùn)滑泵承擔(dān)；其次，是對(duì)機(jī)組冷卻水的預(yù)熱，自動(dòng)起動(dòng)冷卻水加熱裝置給冷卻水預(yù)熱。一般冷卻水預(yù)熱裝置有電預(yù)熱和蒸汽預(yù)熱兩種。2.1.3船舶電站的自

28、動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警應(yīng)具有對(duì)電站的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、記錄和打印等功能4。(1)顯示和打印：包括各種測(cè)量參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和打印，各種狀態(tài)圖的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和打印。(2)自動(dòng)記錄：所有測(cè)量數(shù)據(jù)能進(jìn)行整點(diǎn)自動(dòng)記錄，同時(shí)報(bào)警和消警信息也能自動(dòng)記錄。(3)報(bào)警：具有聲光報(bào)警功能，聲響報(bào)警消音后不得影響后來(lái)的報(bào)警信號(hào)。燈光報(bào)警為閃光方式，確認(rèn)后變平光。報(bào)警系統(tǒng)的線路要獨(dú)立于控制線路，并具有燈光和音響的試驗(yàn)功能。(4)報(bào)警連鎖：機(jī)組的起動(dòng)和停機(jī)過(guò)程會(huì)引起某些控制參數(shù)偏離整定值，因此，要能自動(dòng)連鎖報(bào)警屏蔽線路，防止誤報(bào)警。2.1.4船舶電站的特點(diǎn)船舶電站與陸用電站相比較具有以下特點(diǎn)：(1)船舶電站

29、容量小。由于船舶電站只供給一條船上負(fù)載的需要，因此其單機(jī)容量和系統(tǒng)容量與陸用電站相比要小得多，而某些大電動(dòng)機(jī)容量與電站容量可相比擬，因此相互影響較大。(2)船舶電站設(shè)備工作環(huán)境比陸地惡劣。船舶電站設(shè)備具有工作環(huán)境溫度較高、相對(duì)濕度大、有鹽霧，霉菌，油霧、設(shè)備布置密集，設(shè)備之間有較大的電磁干擾、受風(fēng)浪影響引起的船舶搖擺等特殊性。這使船電設(shè)備易受到腐蝕，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)和沖擊大。(3)船舶電站的發(fā)電設(shè)備與用電設(shè)備之間的距離很短，因此電網(wǎng)的短路電流較大?？傊半娬揪哂腥萘啃?、工作環(huán)境惡劣、設(shè)備相對(duì)集中等特點(diǎn)。同時(shí)，現(xiàn)代船舶電站設(shè)備復(fù)雜程度越來(lái)越高，因此對(duì)電站控制的精確度要求逐步提高，但是現(xiàn)代船舶的管

30、理人員數(shù)量卻日益減少，這就為船舶電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能提出了更高的要求5。2.2 船舶電站的保護(hù)功能發(fā)電機(jī)是船舶的重要設(shè)備，保護(hù)發(fā)電機(jī)不損壞是船舶安全航行的首要保證。針對(duì)船舶發(fā)電機(jī)各種常見(jiàn)的不正常運(yùn)行狀態(tài)和故障，必須裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)裝置6。發(fā)電機(jī)安全保護(hù)一般來(lái)說(shuō)主要包括如下幾種：(1)過(guò)載保護(hù)，當(dāng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的輸出功率或電流超過(guò)其額定值時(shí)，過(guò)載保護(hù)起作用。一般情況下，當(dāng)過(guò)載達(dá)110%120%額定值時(shí)，延時(shí)510s，自動(dòng)卸掉部分次要負(fù)載；當(dāng)過(guò)載達(dá)150%額定值時(shí)，延時(shí)1020s，使發(fā)電機(jī)自動(dòng)跳閘；(2)定子繞組內(nèi)部短路保護(hù)，對(duì)于額定功率大于1000kW的發(fā)電機(jī)組，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行主開(kāi)關(guān)未合閘時(shí)，發(fā)電機(jī)電

31、流>130%額定電流，則發(fā)電機(jī)自動(dòng)消磁保護(hù)；(3)發(fā)電機(jī)外部短路保護(hù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電流為35倍額定電流時(shí)，延時(shí)0.2s0.6s，使發(fā)電機(jī)跳閘；當(dāng)發(fā)電機(jī)電流為510倍額定電流時(shí)，瞬時(shí)動(dòng)作使發(fā)電機(jī)跳閘；(4)欠壓保護(hù)，對(duì)帶時(shí)限的發(fā)電機(jī)欠壓保護(hù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于其額定電壓70%80%時(shí)，延時(shí)1.5s3s跳閘；對(duì)不帶時(shí)限的發(fā)電機(jī)欠壓保護(hù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于其額定電壓40%75%時(shí)發(fā)電機(jī)跳閘；(5)逆功率保護(hù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)逆功時(shí)，其逆功為8%額定功率，延時(shí)5s8s使發(fā)電機(jī)跳閘；(6)以上為一般船舶電站安全保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)考慮的功能，在特殊情況下還應(yīng)考慮過(guò)壓、過(guò)頻和欠頻保護(hù)。由于船舶發(fā)電機(jī)的電壓較低，并且又定期

32、檢查，經(jīng)驗(yàn)證明，低壓發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障出現(xiàn)的機(jī)會(huì)極少，所以一般不專門設(shè)繼電保護(hù)裝置。對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的定子繞組相間短路，可由電流速斷器對(duì)電進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范規(guī)定，對(duì)船舶低壓同步發(fā)電機(jī)，針對(duì)其可能出現(xiàn)的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)，主要設(shè)有如下繼電保護(hù)：外部短路的過(guò)電流保護(hù)；過(guò)載保護(hù)；欠壓保護(hù)；逆功率保護(hù)。 船舶同步發(fā)電機(jī)外部短路保護(hù)短路故障所造成的后果是非常嚴(yán)重的7。發(fā)生短路時(shí)，由于外路電路負(fù)載被短接，發(fā)電機(jī)定子繞組中將產(chǎn)生極大的短路電流，電網(wǎng)電壓也急劇下降，會(huì)使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，甚至使發(fā)電機(jī)全部斷開(kāi)，導(dǎo)致全船停電。為了防止短路故障，對(duì)于運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)在平時(shí)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的維護(hù)管理，

33、定期檢查各主要電器設(shè)備的絕緣情況，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，消滅誤操作。為了限制短路故障的破壞作用，在技術(shù)措施方面則必須裝設(shè)繼電保護(hù)裝置，以便故障發(fā)生后，能自動(dòng)地切除故障部分，保護(hù)設(shè)備，防止故障擴(kuò)大，保證非故障部分正常運(yùn)行。(1)發(fā)電機(jī)外部短路保護(hù)對(duì)發(fā)電機(jī)外部短路故障的判斷，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)外部短路時(shí)，從發(fā)電機(jī)到短路點(diǎn)，必將出現(xiàn)很大的過(guò)電流，所以可利用這一特點(diǎn)，來(lái)檢測(cè)發(fā)電機(jī)之外部短路。按照時(shí)間原則或電流原則在原理上都可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性，但由于船舶輸電線路較短，且阻抗較小，電網(wǎng)各段短路電流都很大，因此按照電流原則實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)往往是有困難的，而按照時(shí)間原則實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)，則整定比較容易，而且比較可靠。但是，

34、完全按照時(shí)間原則實(shí)現(xiàn)選擇性，往往又帶來(lái)影響保護(hù)快速性和使保護(hù)裝置復(fù)雜化等弊病，甚至是不可能的。因此，常常采用時(shí)間原則和電流原則混合的方法，以滿足保護(hù)選擇性和快速性的要求。一般船舶發(fā)電機(jī)都設(shè)有兩套過(guò)電流保護(hù)裝置。第一套為帶時(shí)限的外部過(guò)電流保護(hù)裝置，又叫短路短延時(shí)保護(hù)裝置。如圖 2.1(a)中的QF1過(guò)流保護(hù)，它與QF2過(guò)流保護(hù)是以時(shí)間原則來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性的。第二套為不帶時(shí)限的電流速斷保護(hù)裝置，又叫短路瞬時(shí)動(dòng)作保護(hù)裝置。如圖2.1(a)中的QF1的速斷保護(hù)，它是以電流原則來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性的，并保證了在靠近發(fā)電機(jī)端短路時(shí)，保護(hù)動(dòng)作的快速性。顯然，QF1的過(guò)電流保護(hù)裝置又是一種后備保護(hù)裝置，當(dāng)k1點(diǎn)短路而其Q

35、F2的過(guò)電流保護(hù)裝置不動(dòng)作時(shí)，則QF1的過(guò)流保護(hù)立即動(dòng)作，這種后備保護(hù)是完全必要的。GI>I>MIop(qb)Iop1 t1QF1k1k2Iop2 t2QF2(a)t1=t2+tt2 L t (b)Ik1Iop1Iop2I0L1LIk2Iop2(c)圖2.1 發(fā)電機(jī)短路保護(hù)裝置及其整定Fig.2.1 Generator short-circuit protection device and setting(2)發(fā)電機(jī)外部短路過(guò)流保護(hù)的整定圖2.1中發(fā)電機(jī)外部短路過(guò)電流保護(hù)裝置（QF1過(guò)流保護(hù)）啟動(dòng)值的整定考慮對(duì)可靠性的要求，應(yīng)把短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)和電動(dòng)

36、機(jī)自啟動(dòng)區(qū)分開(kāi)來(lái)。當(dāng)過(guò)電流保護(hù)的啟動(dòng)電流按照大于發(fā)電機(jī)的額定電流來(lái)整定，并使保護(hù)裝置的返回電流大于在電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)情況下的最大電流時(shí)，引入可靠系數(shù)Krel和自啟動(dòng)系數(shù)Ks后，返回電流Ire可表示為(2.1)考慮到繼電器的返回系數(shù)之后，啟動(dòng)電流為(2.2)式中，Iop1為QF1的過(guò)電流保護(hù)啟動(dòng)電流整定值，IgN為發(fā)電機(jī)額定電流，Krel為可靠系數(shù)（Krel=1.31.5），Kre為返回系數(shù)（Kre=0.50.9），Ks為自啟動(dòng)系數(shù)（Ks=1.31.8）。將各系數(shù)代入式(2-2)得(2.3)確定啟動(dòng)電流整定值之后，應(yīng)校驗(yàn)發(fā)電機(jī)外部短路過(guò)電流保護(hù)的靈敏度，當(dāng)作為遠(yuǎn)后備保護(hù)時(shí)，靈敏系數(shù)SP應(yīng)為(2.4)

37、式中Ik2,min為末端k2點(diǎn)最小短路電流。圖2.1中QFl的過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限的整定考慮對(duì)選擇性的要求，必須使QFl的過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限t1與QF2的過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限t2相配合，如圖2-1(b)所示，按階梯形時(shí)限特性整定，使t1比t2大一個(gè)時(shí)間，即(2.5)式中t1為QF1的過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限，t2為QF2的過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限，為兩相鄰保護(hù)動(dòng)作的時(shí)限之差。決定的因素主要有：斷路器的跳閘動(dòng)作時(shí)間，時(shí)間繼電器誤差以及要有一定的裕度等。大了動(dòng)作會(huì)慢，因此應(yīng)使盡量小，但太小了，易產(chǎn)生誤動(dòng)作。一般取(0.150.25)s。所以，一般t1整定為(2.6)采用過(guò)電流保護(hù)，按照時(shí)間原則保證選擇性時(shí)，越靠近電源處

38、，動(dòng)作時(shí)限越大，而越靠近電源，短路電流越大，則要求保護(hù)動(dòng)作越快，這是一個(gè)矛盾。為此，要用電流速斷保護(hù)來(lái)加以補(bǔ)充。并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，在發(fā)電機(jī)側(cè)短路時(shí)，短路電流可能很大，為保證選擇性，可采用電流速斷保護(hù)。(3)發(fā)電機(jī)外部短路電流速斷保護(hù)的整定電流速斷是電流保護(hù)的一種，但它和過(guò)電流保護(hù)不同。過(guò)電流保護(hù)的啟動(dòng)電流的整定值是以躲開(kāi)最大允許工作電流來(lái)整定的，而電流速斷的啟動(dòng)電流的整定值，則是按躲開(kāi)其外部短路電流來(lái)整定的。如圖2.1(c)所示，按電流原則保證選擇性時(shí)，發(fā)電機(jī)電流速斷保護(hù)的啟動(dòng)電流Iqb應(yīng)躲開(kāi)k1點(diǎn)短路時(shí)的最大短路電流Ik1,max，所以，電流速斷的啟動(dòng)電流整定值為(2.7)若取Ik1,max

39、=7IgN時(shí)，則上式為(2.8)確定Iqb后，校驗(yàn)靈敏度SP，應(yīng)滿足(2.9)電流速斷保護(hù)的啟動(dòng)電流整定值是根據(jù)保護(hù)范圍之內(nèi)的短路電流整定的，在保護(hù)范圍之外電流速斷保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作，所以它沒(méi)有必要與保護(hù)范圍之外的短路保護(hù)在時(shí)間上相配合。因此，電流速斷保護(hù)是瞬時(shí)動(dòng)作的。電流速斷保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是快速，比較簡(jiǎn)單可靠?？紤]到在發(fā)電機(jī)近端短路時(shí)，對(duì)于保護(hù)動(dòng)作快速性的要求，可以加裝瞬時(shí)動(dòng)作的電流速斷裝置來(lái)保護(hù)。 船舶同步發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)可能產(chǎn)生發(fā)電機(jī)過(guò)載的主要原因有：(1)船舶電站在運(yùn)行中發(fā)電機(jī)的容量不能滿足負(fù)載增長(zhǎng)的需要；(2)幾臺(tái)發(fā)電機(jī)應(yīng)并聯(lián)運(yùn)行但未做并聯(lián)運(yùn)行；(3)或者當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)中有一臺(tái)或幾臺(tái)發(fā)土故障

40、而自動(dòng)停機(jī)；(4)因并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)間的負(fù)荷分配不恰當(dāng)。無(wú)論是負(fù)載電流超過(guò)發(fā)電機(jī)的額定電流，還是負(fù)載功率超過(guò)了發(fā)電機(jī)的額定功率，對(duì)發(fā)電機(jī)組都是不利的8。發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載，會(huì)使發(fā)電機(jī)過(guò)熱、引起絕緣老化和損壞，以及造成原動(dòng)機(jī)的壽命縮短和部件損壞等。所以，應(yīng)裝設(shè)相應(yīng)的過(guò)載保護(hù)裝置。由于對(duì)船舶供電可靠性的考慮，處理發(fā)電機(jī)過(guò)載問(wèn)題，要兼顧保護(hù)發(fā)電機(jī)不受損壞且盡量保證不中斷供電兩方面。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)過(guò)載時(shí)，首先應(yīng)將一部分不重要的負(fù)載自動(dòng)卸掉，以消除發(fā)電機(jī)的過(guò)載現(xiàn)象，并保證重要負(fù)載的不間斷供電。同時(shí)，應(yīng)自動(dòng)發(fā)出發(fā)電機(jī)過(guò)載報(bào)警信號(hào)，以警告運(yùn)行人員及時(shí)處理或同時(shí)發(fā)出自啟動(dòng)指令，以自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組。若在一定時(shí)

41、間內(nèi)仍不能解除過(guò)載，為保護(hù)發(fā)電機(jī)不被損壞，就應(yīng)自動(dòng)的將發(fā)電機(jī)從匯流排上切除，并發(fā)出發(fā)電機(jī)過(guò)載自動(dòng)跳閘信號(hào)。對(duì)船舶發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置的啟動(dòng)電流Iop(OL)和動(dòng)作時(shí)限t(OL)可做如下整定：為保證在正常工作時(shí)保護(hù)裝置不動(dòng)作，應(yīng)使保護(hù)裝置啟動(dòng)電流Iop大于發(fā)電機(jī)的額定電流IgN。為保證保護(hù)的可靠性，應(yīng)使保護(hù)裝置可靠地返回，則要求返回電流Ire大于發(fā)電機(jī)額定電流IgN?？紤]到繼電器啟動(dòng)電流和返回電流可能有誤差，故取可靠系數(shù)Krel>1，則可寫(xiě)成(2.10)根據(jù)返回系數(shù)Kre的定義(2.11)則可得啟動(dòng)電流為(2.12)Kre越大，即越趨近于1時(shí)，Iop越小，即越靈敏；Krel越小，則Iop越小

42、，也越靈敏。因而，對(duì)只發(fā)報(bào)警信號(hào)或自動(dòng)過(guò)載信號(hào)或備用機(jī)組自啟動(dòng)信號(hào)的過(guò)載保護(hù)裝置，Krel可取得小些，以提高其靈敏性；而對(duì)動(dòng)作于發(fā)電機(jī)跳閘的過(guò)載保護(hù)，Krel要取得大些，以保證其可靠性。對(duì)于船舶發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)，Krel11.2；Kre0.80.9。于是，船舶發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置的啟動(dòng)電流可整定為 (2.13)發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限的整定，主要考慮躲開(kāi)大電動(dòng)機(jī)或幾臺(tái)較大電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)的時(shí)間。一般電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為510s，所以過(guò)載保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限可整 定在1020s。即 (2.14)當(dāng)發(fā)生持續(xù)過(guò)載時(shí)，發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)雖經(jīng)延時(shí)，但到時(shí)仍要?jiǎng)幼鳎灾袛喙╇?。要使發(fā)電機(jī)不中斷供電且避免過(guò)載的一種較好的做法

43、就是：當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載信號(hào)時(shí)，首先考慮切除電網(wǎng)中正在運(yùn)行的一些次要負(fù)載，使發(fā)電機(jī)脫離過(guò)載狀態(tài)（使啟動(dòng)的過(guò)載保護(hù)得以返回），從而保證電站對(duì)重要負(fù)載的連續(xù)供電，這種處理辦法叫做“自動(dòng)卸載”。這種辦法也必須與發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)的延時(shí)特性配合才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)負(fù)載的不重要程度及工作特點(diǎn)，分成幾組，可以實(shí)現(xiàn)多次自動(dòng)卸載的叫分級(jí)卸載。2.2.3 船舶同步發(fā)電機(jī)欠壓保護(hù)習(xí)慣上通常把欠壓和失壓兩者統(tǒng)稱為失壓9。當(dāng)調(diào)壓器失靈或由于發(fā)電機(jī)外部發(fā)生持續(xù)性短路故障時(shí)，都將出現(xiàn)發(fā)電機(jī)電壓下降的現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)在欠壓情況下運(yùn)行，將引起電機(jī)的電流大、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降、發(fā)電機(jī)過(guò)熱、絕緣損壞，這對(duì)發(fā)電機(jī)本身和異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行等都是很不利的。船舶發(fā)

44、電機(jī)欠壓保護(hù)的啟動(dòng)電壓，應(yīng)按躲開(kāi)最低可能的工作電壓進(jìn)行整定，即 (2.15)式中Uop為啟動(dòng)電壓整定值，Ug.min為最低工作電壓。當(dāng)電力系統(tǒng)中突然有較大負(fù)載增加，例如有較大電動(dòng)機(jī)或多臺(tái)自啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或發(fā)生暫時(shí)性短路和并車沖擊電流時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓也可能有很大的下降，但這是正?；驎簳r(shí)情況，發(fā)電機(jī)欠壓保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。因此，在整定發(fā)電機(jī)欠壓保護(hù)的啟動(dòng)電壓值時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到對(duì)保護(hù)動(dòng)作可靠性的要求?？梢杂谜▎?dòng)電壓值或動(dòng)作時(shí)限的方法，來(lái)躲過(guò)這些不應(yīng)使保護(hù)動(dòng)作的欠壓情況。鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范規(guī)定，并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)應(yīng)設(shè)有欠電壓保護(hù)并能滿足如下要求：(1)用于避免發(fā)電機(jī)不發(fā)電時(shí)閉合斷路器應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作；(2)當(dāng)電

45、壓降低至額定電壓的70%35%時(shí)，應(yīng)經(jīng)系統(tǒng)選擇性保護(hù)要求的延時(shí)后動(dòng)作。由此看出，欠壓保護(hù)包括失壓保護(hù)的內(nèi)容。電壓降低至額定電壓的35%時(shí)作失壓處理，應(yīng)瞬時(shí)跳閘。在自動(dòng)電站中有的把額定電壓的10%作為對(duì)母線是否有電壓的識(shí)別值。電壓降低至額定電壓的70%35%的欠壓范圍，要求保護(hù)帶延時(shí)，可以避免電網(wǎng)電壓因大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)下降引起的不必要跳閘。由于發(fā)電機(jī)的調(diào)壓器具有靈敏的快速動(dòng)作功能，在1.5s之內(nèi)可把暫時(shí)性的電壓下降恢復(fù)到接近額定電壓值的3%之內(nèi)，故欠壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)限的整定值應(yīng)大于l.5s，以躲開(kāi)暫時(shí)性電壓下降，一般欠壓保護(hù)的整定時(shí)限為 (2.16)2.2.4 船舶發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)同步發(fā)電機(jī)的逆

46、功率運(yùn)行，是指該同步發(fā)電機(jī)不發(fā)出有功功率，而從電網(wǎng)吸收有功功率。同步發(fā)電機(jī)出現(xiàn)逆功率運(yùn)行的原因是，當(dāng)幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)工作失常。這對(duì)系統(tǒng)是不利的，可能造成正在并聯(lián)工作的另一臺(tái)發(fā)電機(jī)過(guò)載，以致造成其過(guò)載跳閘，全船供電中斷。因此，出現(xiàn)這種情況時(shí)，要求將處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)電機(jī)切除。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)是具有時(shí)限的，所以逆功率保護(hù)并不要求立即跳閘，即也可以具有一定的時(shí)限。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)在非同步條件下并車時(shí)，也可能短時(shí)出現(xiàn)逆功率，這是允許的，此時(shí)逆功率保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。因此，從避開(kāi)并車時(shí)可能出現(xiàn)的短時(shí)逆功率沖擊方面，逆功率保護(hù)應(yīng)具有一定的時(shí)限。發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)一般整定在額定值的1

47、25%135%，延時(shí)1520s跳閘。非同步并車出現(xiàn)的功率沖擊一般在1s之內(nèi)。根據(jù)上述原因和要求，對(duì)逆功率保護(hù)啟動(dòng)值的整定，大多數(shù)船級(jí)社都規(guī)定：(1)原動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)時(shí)，逆功率整定值在發(fā)電機(jī)額定功率的4%15%間某一區(qū)域（典型區(qū)間為4%10%）；(2)原動(dòng)機(jī)為汽輪機(jī)時(shí)，逆功率整定值在發(fā)電機(jī)額定功率的1%6%間某一區(qū)域（典型區(qū)間為1%3%）；(3)延時(shí)時(shí)間在210s間整定（典型值為3s）。本文原動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)，逆功率整定值為發(fā)電機(jī)額定功率的10%，逆功率保護(hù)由PLC控制GPC實(shí)現(xiàn)。3 船舶電站自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的PLC實(shí)現(xiàn)3.1基于PLC的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的總體構(gòu)成船舶電站控制系統(tǒng)工作在船舶航行這一特殊環(huán)境

48、下。因而硬件的選擇在滿足電站功能前提下，要盡可能選擇可靠性好、易操作的產(chǎn)品10。本系統(tǒng)基于可編程邏輯控制設(shè)計(jì)，上位機(jī)選用工業(yè)PC控制機(jī)，下位機(jī)采用西門子S7-300系列PLC。西門子S7-300 PLC應(yīng)用技術(shù)西門子公司的S7-300 PLC是模塊化的中小型PLC，品種繁多的模塊組成、簡(jiǎn)單實(shí)用的編程語(yǔ)言、強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)能力使其應(yīng)用十分靈活。(1)S7-300的特點(diǎn)S7-300是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求。品種繁多的CPU模塊、信號(hào)模塊和功能模塊能夠滿足各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)。S7-300由350多條指令，其編程軟件STEP 7功能強(qiáng)大，使用方便。STEP 7的功能塊圖和梯形

49、圖編程語(yǔ)言符合IEC-61131標(biāo)準(zhǔn)，語(yǔ)句表編程語(yǔ)言與TEC標(biāo)準(zhǔn)稍有不同，以保證與STEP 5的兼容，三種語(yǔ)言可以相互轉(zhuǎn)換。通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)功能和系統(tǒng)功能塊，用戶可以使用集成在操作系統(tǒng)內(nèi)的子程序，從而顯著地減少所需要的用戶存儲(chǔ)器容量，它們可以用于中斷處理、出錯(cuò)處理、復(fù)制和處理數(shù)據(jù)等。S7-300每個(gè)CPU上都有一個(gè)使用MPI（多點(diǎn)接口）通信協(xié)議的RS-485接口。有的還帶有集成的現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-DP接口、PROFINET接口或PtP(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))串行通信接口。S7-300不需附件任何硬件、軟件和編程，就可建立一個(gè)MPI網(wǎng)絡(luò)。使用CPU集成的PROFIBUS-DP接口或通信處理器，S7-300

50、可作DP網(wǎng)絡(luò)的主站或從站。S7-300已將HMI（人機(jī)接口）服務(wù)集成到操作系統(tǒng)內(nèi)，大大減少了人機(jī)對(duì)話的編程要求。S7-300按指定的刷新速度自動(dòng)的將數(shù)據(jù)傳送給SIMATIC人機(jī)界面。(2)S7-300 PLC的組成部件S7-300是模塊化的中型PLC，它由以下幾部分組成：中央處理單元(CPU)：CPU用于存儲(chǔ)和處理用戶程序，控制集中式I/O和分布式I/O。電源模塊(PS)：電源模塊用于將AC 220V的電源轉(zhuǎn)換為DC24V電源，供CPU模塊和I/O模塊使用。信號(hào)模塊(SM)：信號(hào)模塊是數(shù)字量輸入/輸出模塊（簡(jiǎn)稱為DI/DO）和模擬量輸入/輸出模塊（簡(jiǎn)稱為AI/A0）的總稱，它們使不同的過(guò)程信號(hào)

51、電壓或電流與PLC內(nèi)部的信號(hào)電平匹配。功能模塊(FM)：功能模塊是智能的信號(hào)處理模塊，它們不占用CPU的資源，對(duì)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行控制和處理，并將信息傳送給CPU。通信處理器(CP)：信處理器用于PLC之間、PLC與計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將PLC接入PROFIBUS-DP、AS-i和工業(yè)以太網(wǎng)，或用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。接口模塊(IM)：接口模塊用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架。(3) STEP7編程語(yǔ)言介紹STEP 7是S7-300系列PLC的編程軟件。梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊圖是標(biāo)準(zhǔn)的STEP7軟件包配備的3種基本編程語(yǔ)言，它們可以在STEP7中相互轉(zhuǎn)換。梯形圖(LAD)是

52、使用的最多的PLC圖形編程語(yǔ)言。梯形圖與繼電器電路很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被熟悉繼電器控制的電氣工作人員掌握，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。梯形圖由觸點(diǎn)、線圈和用方框表示的指令框組成。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件，例如外部的開(kāi)關(guān)、按鈕和內(nèi)部條件等。線圈通常代表邏輯運(yùn)算的結(jié)果，常用來(lái)控制外部的指示燈、交流接觸器和內(nèi)部的標(biāo)志位等。指令框用來(lái)表示定時(shí)器、計(jì)數(shù)器或者數(shù)學(xué)運(yùn)算等指令。3.1.2船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的Profibus-DP總線結(jié)構(gòu)大部分船舶電力系統(tǒng)，由型號(hào)相同的2-3臺(tái)發(fā)電機(jī)組成。船舶正常航行時(shí)只使用一臺(tái)發(fā)電機(jī)。另一臺(tái)作為備用發(fā)電機(jī)，在進(jìn)出港、狹水道等情況下并機(jī)使用。某些特種船舶（如軍艦）還帶有

53、第三臺(tái)發(fā)電機(jī)，作為應(yīng)急發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)分散在現(xiàn)場(chǎng)工作，可采用PLC單元對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控;而船舶電站控制系統(tǒng)作為船舶整體控制系統(tǒng)的一部分，又要求集中在系統(tǒng)操作站內(nèi)進(jìn)行電站的管理和操作。根據(jù)這一實(shí)際情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于Profibus-DP總線結(jié)構(gòu)，如圖3.1所示。傳感器以及一些智能儀表采集現(xiàn)場(chǎng)的工作信號(hào)，這些工作信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)變換處理后，送入PLC的信號(hào)處理模塊。PLC再根據(jù)這些參數(shù)反映出的現(xiàn)場(chǎng)的工作狀況進(jìn)行控制。S7-300系列PLC的CPU模塊上集成有Profibus-DP總線接口。通過(guò)Profibus-DP總線，PLC的CPU模塊可以周期性地自動(dòng)交換I/O模塊的數(shù)據(jù)(過(guò)程映像數(shù)據(jù)交換)。而

54、Profibus-DP總線又可與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣工控機(jī)的操作指令就可以通過(guò)Profibus-DP總線下發(fā)給PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的過(guò)程控制。而工控機(jī)作為操作控制級(jí)計(jì)算機(jī)，又可以協(xié)調(diào)與管理級(jí)計(jì)算機(jī)之間的通信，配合完成全船的綜合監(jiān)控。Profibus的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等領(lǐng)域。Profibus由3個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery，分布I/O系統(tǒng)）、PROFIBUS-PA（Process Automat

55、ion，現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification，過(guò)程自動(dòng)化）。PROFIBUS-DP是一種高速、低成本通信，專門用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代24V DC或420mA信號(hào)傳輸。PORFIBUS-PA專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連在一根總線上，并有本質(zhì)安全規(guī)范。PROFIBUS-FMS用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。高功能計(jì)算機(jī)、服務(wù)器（船長(zhǎng)室、輪機(jī)長(zhǎng)室監(jiān)控機(jī)）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線S7-300PLC S7-300PLC 

56、S7-300PLC 工作發(fā)電機(jī)備用發(fā)電機(jī)應(yīng)急發(fā)電機(jī)圖3.1 總線式電站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.3.1 The FCS configuration of ship power station monitor system3.1.3 Profibus-DP總線式分級(jí)設(shè)計(jì)思想現(xiàn)場(chǎng)總線能很好的溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。本系統(tǒng)計(jì)采用了這種分級(jí)階梯式控制思想，運(yùn)用了可編程邏輯控制器Profibus-DP總線通信加操作管理站的組合。(1)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制級(jí)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備由三個(gè)獨(dú)立的PLC單元組成，該級(jí)負(fù)責(zé)產(chǎn)生直接的控制信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于被控對(duì)象。PLC以微處理

57、器為核心，能夠獨(dú)立的完成邏輯控制、數(shù)據(jù)處理、AID轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和通信功能。(2)Profibus-DP總線通信通信采用Profibus-DP總線技術(shù)來(lái)完成。采用一主多從的工作方式，工控機(jī)具有總線的控制權(quán)，可向從站發(fā)送、獲取信息。各個(gè)PLC單元都掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線上，能夠?qū)崟r(shí)的接收指令和上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)工作狀況。并且每個(gè)單元可以脫離監(jiān)控級(jí)獨(dú)立運(yùn)行，自成一個(gè)小系統(tǒng)。Profibus-DP總線傳輸速率最高可達(dá)12Mbit/s，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說(shuō)己經(jīng)十分充足。(3)操作控制級(jí)操作控制級(jí)，使用工業(yè)控制PC機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和信息管理。電站系統(tǒng)拄制過(guò)程中的全部信息可以在顯示在工控機(jī)上;并且工控機(jī)還可以存儲(chǔ)和打印此類數(shù)據(jù)，供其他系統(tǒng)使用。工控機(jī)一般具有人機(jī)接口，管理操作人員可以修改一些過(guò)程的參數(shù)，并以命令是形式發(fā)送給下位機(jī)單元中，控制電站的運(yùn)行。此外，電站監(jiān)控系統(tǒng)是船舶整體自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分，作為上位機(jī)的工控機(jī)又與綜合