船用中压电力模拟试验装置的设计

郑晓鸣， 赵 蕊， 刘善斌

中海网络科技股份有限公司，上海200135

0 引 言

随着船舶电气化水平不断提高、船上用电设备日益增多、电力系统的容量呈快速上升趋势，传统的船用低压交流供电系统面临了越来越多的挑战，已无法满足大容量船电系统的需求。因此，船电系统的中高压化已成为发展的必然趋势。

船舶中压配电系统与传统低压配电系统在设计上有着较大的区别，主要表现在设备选型、接地方式、安全防护、系统保护等几方面。

1.设备选型

由于电压等级的不同，中、低压配电设备的元器件、柜体、电缆等均有较大的差异，通常情况下中压配电设备的防护等级更高，体积更大。

2.接地方式

船用低压配电系统通常情况不接地，而中压配电系统对绝缘要求较高，处于对人身、设备安全等多方面因素的考虑，系统必须接地，通常采用高阻接地的方式。

3.安全防护

随着电压等级的升高，对设备安全防护措施的要求更为严格，中压系统设计需考虑安全间隙，在某些情况下严禁带电、带负荷操作，因此在设计过程中需考虑各种安全联锁，确保操作人员、设备的安全。

4.系统保护

中压系统的保护除了短路、过载、欠压、过压、逆功率等与低压系统相同外，还需配置纵差、零序、零序纵差保护等，通常情况下靠配置综保装置实现上述的保护功能。

我国对船电中压系统的研究还处于初级阶段，大多数船员对于中压电力系统依然缺乏了解。船用中压电力模拟试验装置作为一个试验平台，真实地模拟了船上电力系统的各种运行状态，为相关专业的人员培训提供了有力的实践保障。

目前我国在用的船用中压电气产品多为进口产品，船用中压电气设备的国产化是未来发展的趋势。所提出的船用中压电力模拟试验装置配备多种系统接口，可搭载不同形式的船用控制器。作为研发测试平台，为船用中压电力系统控制理论和控制技术的研究及相关产品的平台测试提供重要的技术保障。

1 系统设计

船用中压电力模拟试验装置提供实操培训平台和研发测试平台，系统设计在操控方式、主要设备外形、面板器件布局、接口、自动电站监控功能等方面按实船要求完成。

考虑到实验室的场地限制、环境影响以及经济型的设计理念，用电动机替代柴油（汽轮）机；用低压发电替代中压发电；用变频器实现发电机调频调载控制；用可调负载装置模拟实船用电情况；而配电屏的外形、操作面板和实现功能与实船保持一致，合理地将船上中压配电系统迁移到实验室。

船用中压电力模拟试验装置由发电机组、变频调速柜、中压配电屏、可调负载装置等四部分组成（见图1）。

图1 系统构架图

1.1 发电机组

发电机组是船舶的主电源，提供整条船舶用电设备的电能，系统采用400V低压交流发电机组来模拟实船中压6.6 KV发电机组，机组原动机则选用400 V交流电动机来替代实船柴油（汽轮）机（见图2）。该设计方案既满足了模拟实船柴油发电机组运行原理的需求，又节约了成本和场地空间，同时就试验装置而言，采用市电作为驱动能源比柴油发电机更为清洁环保。

1.2 变频调速柜

系统配置变频调速柜（见图3）与发电机组配合使用，变频调速柜中配有变频器和电动调压装置。可通过变频器的变频功能来改变电动机的转速，从而达到调节发电机输出频率的目的，实现调频调载的功能。同时变频控制柜内配置有电动调压装置，通过改变发电机的励磁电流控制发电机的输出电压值，实现调压调无功的功能。

图2 发电机组图

图3 变频调速柜

1.3 中压配电屏

中压配电屏是模拟试验装置的主体部分，为了使模拟操作更为真实，其柜型、面板器件选型布局、相关操控功能等均按实船标准来实现。

配电屏（见图4）按四台机组控制方案设计，双电站两段母线形式，共有10屏，包括：发电机组控制屏（4屏）、同步控制屏（2屏）、联络控制屏（2屏）、（推进）负载屏（2屏）。

配电屏屏体按照铠装式金属封闭开关设备的相关标准和要求设计、制造。配电屏由屏体和中置式可移开部件（即手车）两大部分组成。屏体分4个独立的隔室（手车室、母线室、电缆室、低压仪表室），外壳防护等级为IP4X，可以从正面进行安装调试和维护，满足“五防”要求。

1.4 可调负载装置

可调负载主要用来模拟实船的负荷变化情况，分为阻性可调负载和感性可调负载，可通过就地或远程的方式来调整系统有功、无功负荷的大小，满足系统不同工况的模拟需求。

图4 中压配电屏布置图

2 系统主要功能

船用中压电力模拟试验装置，按实际使用功能可分为模拟实船功能、实操演练功能和测试平台功能。

2.1 模拟实船功能

作为实验室模拟实验装置，该系统可模拟演示实船中压电站各个基本操控流程，具体功能如下：

1）具有手动、半自动、自动3种操控模式。

2）可实现发电机组的本地、遥控切换。

3）可进行机组起、停、合、分及首机合闸。

4）可通过调节主发电机转速，进行频率调整（45～55 Hz）。

5）可进行机组并车，各机组可任意组合长期并联运行。

6）可进行负荷分配／转移。

7）具有机组安全保护功能。

8）可进行有功、无功调节。

9）具备最小运行机组数、重载询问、三级卸载、故障自动启动备用机组、停机解列等船舶自动化电站基本模拟功能。

10）人机界面功能，可通过触摸屏对系统运行状态进行实时监控。

通过不同功能的演示操作，使学员对于实船中压配电系统的主要操作流程、工作原理产生宏观认识，理论联系实际，加深相关教学知识点的理解。

2.2 实操演练功能

在实操演练过程中，学员可亲身体验中压配电屏的各项操控，通过反复操练，在实验室中即可熟练掌握中压配电系统的各项基本操作技能，为今后的实船工作打下良好的基础。

实操演练功能可分为机械操作和电气操作两部分。

1）在机械操作过程中，学员可以对中压配电屏中的机械器件进行实际操控，如接地刀的合闸与分闸、手车摇进摇出，发电机组运行前检验等，通过亲手操作，切身体会五防联锁的真正含义及其实现方式。

2）电气操作过程按功能可分为手动操控和自动操控两个部分。在手动操控模式下，学员可通过配电屏面板上的按钮开关实现发电机组的启停、相关开关的合闸／分闸、机组并车、负荷分配、解列停机等手动操作功能；在自动操控模式下，系统可根据学员的相关参数设定对机组进行全自动管理，包括机组自动增机、减机、重载询问、三级卸载等船舶自动化电站基本模拟功能。

2.3 测试平台功能

作为测试平台，系统可用于船舶电站能量管理、协调控制等相关技术的研究。

该装置可搭载不同形式的电站管理控制器（安装于各屏的仪表室内），为控制器提供不同形式的接口（接口信号主要有：电压信号、电流信号、开关合分闸信号、报警信号、故障信号、机组启、停、加速、减速、升压、降压信号等），通过这些接口，控制器可采集系统实时运行信息，并对系统设备发出控制命令。

通过与模拟试验装置的结合，控制器可完成各项与船舶电站功能相关内容的测试与研究，以达到完善功能、提高性能的目的。

3 系统实现

船用中压电力模拟试验装置在功能上与实船保持一致，实现中兼顾试验系统的完整性和特殊性。系统采用中压配电屏与低压设备相结合的方式，将实船中压配电屏迁移到实验室中，采用西门子PLC S7—1200作为主功能控制器、Softlink触摸屏为上位机来实现各项模拟功能。

S7－1200控制器使用灵活、功能强大，支持Profinet、RS—485、RS—232等多种通讯方式；I／O接口模块多样化；用户程序逻辑可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其它智能设备的通信；处理器单个指令处理速度为微秒级。作为系统管理控制器，完全能满足系统功能高效实现的需求。

Soft Link触摸屏采用10.4″TFT LED屏，CPU为32—bit 624 M Hz RISC，配置工业以太网、RS232／RS485、USB等多种接口，完善驱动接口，使之与西门子S7—1200PLC完美结合。触摸屏软件平台组态软件简洁直观、功能强大、应用灵活且智能高效，是一种较好的人机界面解决方案。

3.1 系统网络架构

船用中压电力模拟试验装置采用工业以太网和RS485相结合的网络架构形式，实现不同控制设备间的信息交互（见图5）。

工业以太网具有通讯速率高、布线方便快捷、资源共享能力强、可扩展、抗干扰能力强等优势，系统选用工业以太网作为可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、上位机间的传输网络，能较好地保障数据通讯的效率。

RS485总线网络采用半双工通讯方式，在系统中用于综保装置与PLC之间的信息传递，该通讯方式具有布线成本低、方便快捷等特点。由于控制器与综保装置之间通讯距离短（均安装在仪表室内）、数据量小，因此采用此通讯方式有较高的性价比，毫秒级的通讯速率满足控制系统的数据传输要求。

图5 控制系统网络结构

模拟装置控制系统按功能可分为三层：上位监控层、过程控制层和执行管理层。

3.1.1 上位监控层

该层的主要设备为触摸屏、上位机等人机交互设备，用户可根据自身需求确定人机交互设备配置情况。模拟装置系统配置了2台10″触摸屏，分别安装在前后电站并车屏的中门位置（见图4），用户可通过触摸屏等人机交互界面监视系统各设备的实时运行状态、发布控制命令、历史数据查询、报警查询等，确保在系统在运行过程中的能观、能控性。

3.1.2 过程控制层

该层的主要设备为机组控制器和能量管理控制器，控制器形式多样，模拟装置的控制系统选用西门子S7—1200系列PLC作为核心控制器，系统运行的所有逻辑、策略、联锁等功能均通过该层来实现。

过程控制层在整个控制系统架构中起到的是承上启下的作用，对上与上位人机界面进行实时信息交互，上传系统运行过程数据，同时接受用户发布的命令；对下与数据解析层设备以RS—485通讯的方式采集数据和下发控制指令。

3.1.3 执行管理层

执行管理层的设备由中压配电系统常用的综合保护继电装置组成，模拟装置选用的综保装置为西门子公司SIPROTEC4系列产品。型号有两种：一种是用于发电机保护的7 UM623系列综保，另一种是多功能继电保护装置7SJ622系列综保。

综保装置的主要功能：

（1）测量：电参数采集、转化；

（2）通讯：与上层控制器通过RS—485网络进行数据交互；

（3）执行：根据控制器控制指令，执行相应操作；

（4）继电保护：根据预设参数，对系统设备进行实时保护。

综保在系统中起到输出管理的功能，汇总了测量、保护判断、控制器指令等多方信息，根据预设逻辑，执行相应的操作，确保联锁保护准确无误。

3.2 软件实现

模拟装置的控制系统以触摸屏、西门子S7—1200PLC和西门子综保为主体，通过网络技术和软件编程来实现各项模拟控制功能。

控制系统按功能主要可分为通讯管理、流程控制、安全保护和人机交互四部分。

3.2.1 通讯管理

如图5所示，控制器与综保之间通过RS—485接口进行数据交互，控制器与控制器之间、控制器与上层触摸屏之间通过以太网进行数据交互，通过接口配置软件针对于RS—485与PROFINET接口的编程，合理有效地管理通讯数据、实时检测通讯状态、及时响应通讯故障，确保通讯系统稳定、高效地运行。

3.2.2 流程控制

该部分功能是控制系统实现的主体，包含了系统所有逻辑、策略、预案等内容。控制系统选用西门子S7—1200PLC来实现该功能（见图5）。系统配置5台控制器，采用主从通讯方式实现流程控制功能，即以能量控制器为主站，各机组控制为从站。主站根据各机组控制器上传数据结合用户设置参数进行实时运算，将运算结果命令通过网络下发至各机组控制器，各机组控制器只需接受与自身相关内容执行即可。

3.2.3 安全保护

船用中压配电系统的保护功能较传统低压船电系统要更为复杂。除了过流、过压、欠压、过频、欠频、逆功率等保护功能外，中压配电系统还有其特有的保护检测功能，如：母排接地检测功能、发电机组差动保护功能、断路器反时限过流保护功能、零序电流保护等。

系统中的保护功能主要通过西门子综保来实现，通过DIGSI4.0软件组态，可根据自身需要对各种保护参数进行整定，并预设各种保护的响应方式（报警、分闸、闭锁等）。该软件还具备CFC逻辑编程功能，用户可根据简单的图形编程，搭配出自己想要的控制逻辑。

图6 响应方式设置界面

图7 参数整定界面

图8 逻辑编程界面

3.2.4 人机交互

系统中的人机交互界面为10″触摸屏，通过以太网与控制器进行通讯。经过人机交互界面软件的可视化编程及相应的通讯驱动接口设置，即可实现触摸屏与控制器的实时通讯。控制器将系统运行参数通过网络实时上传，并接受用户通过触摸屏发送的控制命令，及时做出响应，以实现整个系统的实时监控。

3.3 系统故障模拟功能

一个完整的模拟系统不仅能模拟正常情况下的各项功能，还要能够模拟各种特殊状况下的状态。电力模拟试验装置可模拟多种电力故障，故障状态的模拟分硬件模拟和软件模拟。

3.3.1 硬件故障模拟

（1）母排接地检测：运用3个电压互感器搭建开口三角电路检测母排接地情况。若母排有对地短路故障，开口三角电压信号会转化为开关量信号传送给系统控制器。试验过程中，可通过导线直接将A／B／C任意一相与接地排短接，系统会发出短路故障报警。

（2）零序电流检测：通过零序电流互感器检测系统零序电流，当三相系统电流不平衡，系统会发出零序电流异常报警。试验过程中，将任意两相电流穿过零序电流互感器，由于缺项而造成电流不平衡，系统将发出零序电流异常报警。

（3）机组差动保护：主要检测流入发电机绕组与流出发电机的对应电流是否一致，在试验过程中欲触发故障，只需将任意一相电流互感器短接或者换相，使综保检测到电流信息异常，系统将触发差动保护报警。

（4）常规的过、欠压，过、欠频故障可通过改变发电机组的频率和电压特性来模拟。

3.3.2 软件故障模拟

一些故障是无法通过硬件来模拟的，如柴油发电机组的滑油压力低、超速等故障，则需要通过软件来模拟，在程序逻辑中将相应系统位置位，或者改变相应参数，从而触发模拟信号的产生，满足试验模拟故障工况的需求。

4 结 语

船电系统中高压化已经成为发展趋势，介绍的船用中压电力模拟试验装置，为相关专业人员的培训及科研工作提供了技术平台，同时可为真正的实船中压配电系统开发作技术储备，具有一定的推广价值。

［1］ 吴志良.船舶电站［M］.大连：大连海事大学出版社，2004.

［2］ 郑晓鸣，徐永法，陆中杰.基于PLC的网络型船舶智能电力控制管理系统研究［J］.船电技术，2010，30（3）：30－32.

［3］ 徐永法.船舶能量管理系统PMS研究［J］.中国航海，2005，41（3）：78－80.