浅谈现代船舶电站自动化基本功能

摘 要：现代船舶除了具有运输货运这一基本功能，也担负起了海洋科考、资源开采、境外旅游甚至是巡逻防御等复杂工作，因此对船舶的电力系统自动化水平要求越来越高。电站是电力系统的核心，实现电站的自动化是实现船舶自动化的主要任务。本文结合实例简单介绍了现代船舶电站自动化管理的基本組成和功能。

关键词：船舶电站 自动化管理 基本组成和功能

随着世界经济得到了迅猛发展，各种类型的大型工作船被广泛应用在海洋勘探、新能源开采、海底管路敷设等具有高科技含量的工作里。现在，船舶上的电气设备越来越多，也越来越复杂、精密。为了在安全的前提下更好地完成工作，需要提高对船舶电力系统的管理。船舶电力系统是由电源设备、配电系统和用电负载所组成的完整体系的总称。电力系统工作的基本原理是通过由电缆构成的网络拓扑结构和配电装置组成的配电系统将电源设备所产生的电能配送到各用电设备上去。为了便于管理和提高供电的生命力，船舶的主电源设备往往采用集中布置的方式，这些集中布置的主电源设备与其控制设备连接在一起，称之为电站。电站是电力系统的核心。需要专门配置电站对全船的电力系统进行控制，因此，实现船舶电站的自动化是船舶自动化的主要任务之一。

国外船舶自动化经历了从最开始的手动本地操纵到后来的手动遥控操纵，再进一步发展成半自动控制，最后发展到目前的最高水平的电站全自动控制的无人值班机舱的进化阶段。我国在船舶电站自动化方面起步较晚，而且计算机技术发展和应用落后于国际水平。因此，在电站自动化技术方面存在很大差距。随着船舶向大型化、自动化方向发展，对船舶电站提出了更高的要求。 现在，就结合笔者接触过的我国为尼日利亚海军建造的近海巡逻船（以下简称OPV舰）为例简单介绍一下现代自动电站的基本功能。

本舰电力系统主要由电源及其控制设备、配电分系统、照明分系统等组成。电源及其控制设备包括电站分系统、应急电源及其控制设备和接岸电设施；配电分系统包括主配电系统、事故配电系统、直流配电系统和60Hz/50Hz变频系统；照明分系统包括主照明系统、应急照明系统、低照度照明系统、彩灯系统和航行信号识别灯系统。系统的组成框图如图1所示：

舰上在船艏和船艉分别设有一个电站，每个电站由2台400kW柴油发电机组及机旁控制箱、主配电板、电站用直流电源装置、电站监测装置组成。一个电站可满足全舰所有用电设备的供电需要，两个电站互为备用。

一般说来，船舶电站的自动化管理是由电站控制系统、自动检测报警系统和安全保护系统组成：

（1）控制系统：当船舶靠码头时，岸电通过岸电箱向船舶供电。在岸电和船舶电站供电切换时，通过岸电和舰上电站的短时间并联，可以实现不停电负荷转移。

在使用船电时，当能实现发电机组的自动起动、并车、解列、停机等，还可以实现电站功率的自动管理及电压、频率的稳定，且可处理电站中出现的故障。如果系统出现故障，控制系统可自动地使处于备用状态的机组迅速起动，自动准同步投入电网运行；并网成功后，故障机组将自动脱离电网。

（2）自动检测报警系统：此系统的主要功能是自动地实施监测电网各设备运行状态和参数，有原动机、发电机、配电系统的电气参数、机械参数和运行状态，检测量包括开关量和模拟量。其次，系统会将监测量实时与设定的限制值进行比较，若被测量超限，将发出相应的声光报警信号。最后，系统可以对监测结果进行记录、打印，并对超限参数进行记录。

（3）安全保护系统：安全保护系统又分为原动机安全保护和电力系统安全保护。目前，大多数船舶均采用柴油机做为原动机，那么针对柴油机的安全保护主要有：滑油压力低应急停车；机组超速应急停车；机组冷却水温度过高应急停车。电力系统安全保护主要有：过载保护、欠压保护等。

下面就结合OPV舰具体介绍这几个系统的功能。

电站控制系统的主要功能：

（1）发电机组起动前的准备工作：中国船级社对自动化船舶的有关规定是船舶电网失电应在45s内恢复供电，这样也就需要对电网的电压、总电流、频率和有功功率及各空气开关线圈的开关状态进行监控。 而自动化电站停车状态下的备用机组应事先做好准备工作。关键的准备工作是发电柴油机的预热和预润滑，所以起动空气瓶压力、滑油温度和压力、各缸排烟温度、排烟总管温度、冷却水压力和温度和柴油机飞轮转速也是需要注意的。

（2）发电机组的自动起动：当运行机组发生故障失电时，备用机组自动起动；母线失电后所有备用机组立即自动起动，按优先备用顺序自动投入。投入成功并延时30s后，停掉起动成功的其余机组。

电网负载增大到在网机组额定总功率的85%（持续30s）时，备用机组自动起动。

当机组起动成功，母线无电时，该机组在达到大于额定电压的85%和频率（60Hz±0.6Hz）后立即自动投入；母线有电时，该机组则自动同步自动合闸。

自动并联后，具有有功功率与无功功率的自动分配功能，保证任意发电机组长期并联运行，并满足有功功率负荷分配精度不大于±5%PN，无功功率负荷分配精度不大于±10%QN。

机组投入运行后，频率调节精度为60Hz±0.6Hz。

并联运行的机组，当负载量减小到在网机组额定总功率的30%（持续30s）以下时，指定机组能自动解列、停机。

在解列过程中，除严重故障之外，均能平滑地自动转移负载，当解列发电机组的负载转移至剩余负荷不超过该发电机组额定输出功率的10%时发出分闸指令。

解列发电机组在分断发电机主开关后，按规定程序发出停机指令。若发出停机指令15s后，柴油机仍未停机，则发出停机失败报警。

当进入自动解列程序后，若电网总负载又大于在网发电机组的85%PN，则自动取消解列指令，并重新进入调频调载；若上述发电机组解列后，机组并未停机，电网总负载又大于在网发电机组的85%PN，则该机组优先自动并网，并重新进入调频调载。

多机并联运行的发电机组负荷超过在网发电机总功率90%PN以上（不延时）及单机运行时负荷≥100%PN在经过3-8s后，发出卸载指令。在卸载的同时，发出声光报警。

自动检测报警系统的主要功能

本舰电站监控系统对电站进行自动监测和故障声光报警。可以实现动态显示被测参数；动态实时显示电站系统各种状态图；可进行运行参数全段、分页、故障、故障恢复及召唤等各种打印。

电站监控系统具有以下监测功能：

对柴油机的主要参数（如滑油压力、冷却水温度、起动空气压力、应急停机等）进行监测显示和故障报警；

对发电机的主要参数（绕组高温报警、电压、电流、频率等）进行监测和报警；

对发电机开关的主要参数（长延时脱扣、短延时脱扣、逆功脱扣等）进行监测和报警。

安全保护系统的主要功能

本舰电力系统的安全保护系统在出现故障回路时，通过保护装置的动作，尽快地切除故障回路，以使故障涉及的范围最小；同時，又能最大限度地保证非故障回路连续供电，特别是保证对舰船自身安全与作战的设备供电的连续性。

额定功率大于0.5kW和所有重要设备的电动机，通过电磁起动器或控制设备实施过载和短路保护。舵机电动机仅设短路保护。

1）发电机保护功能

a） 安装的发电机过载、短路、欠压保护开关具有预报警、长延时脱扣、短延时脱扣、瞬动过电流脱扣和失压脱扣等功能；

b） 两台发电机之间的开关带有的控制单元具有短延时、分励脱扣功能，短延时时间超前于发电机开关；

c） 前、后电站的跨接线上设有跨接开关。该开关带有的控制单元具有预报警、长延时脱扣、短延时脱扣功能，短延时时间超前于发电机开关和隔离开关；

d） 为保证并联运行的可靠性，每台发电机组在主配电板上设有逆功率保护装置；

2）柴油机保护功能（该功能通过主配电板内的监控系统设备实现）

当柴油机滑油压力低、冷却水温度高、发电机绕组温度高时，指定的备用机组立即起动，自动同步操作合闸，投入并联后再解列故障机组。当柴油机滑油压力过低或超速（包括应急停机）时将立即停机、跳闸，并立即自动起动备用机组投入供电。

3）报警功能

通过主配电板面板上设置的监测仪表和绝缘监测装置，对发电机运行参数及电网绝缘、电站状态进行检测及报警指示。

4）联锁功能

电网绝缘监测仪与岸电供电联锁，在岸电供电时绝缘监测仪退出测量。

发电机组防冷凝加热器与发电机主开关联锁，在发电机主开关合闸后防冷凝加热器停止工作。

岸电与两台及两台以上发电机并联运行的联锁，以保证岸电只能与一台发电机短时并联。

5）重载询问功能

在手动工况下，可接收“重载请求”信号，该指令是一个持续的信号。在允许的情况下，人工发送“重载允许”信号；在不允许的情况下，应当在起动备用机组后人工发送“重载允许”信号。

电站自动化系统的展望

随着船舶自动化程度的不断提高，电站自动化由局部控制发展到了综合控制，由就地的控制发展到远程的控制并且所有功能可通过屏幕软件按钮来完成。另外，采用综合监控的形式，可以构成双重或多重冗余，对提高系统或者全船整体可靠性是有积极意义的。

如今，数字化技术和网络技术应用已经相当成熟。现场控制设备和控制系统之间的双向网络通信靠现场总线来实现。使用双层网络，第一层网络采集与传送数据，第二层网络是控制网。每个系统是一个独立的系统，在某系统局部受损时不影响其他系统独立完成工作，采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，增强系统控制能力。利用图像控制功能，在人机界面实现良好的对话效果。

计算机、通信、显示和控制技术迅速发展且互相交叉渗透，还有人工智能和模糊技术的应用将会给船舶电站自动化带来重大的变革。未来船舶电站的自动化系统会向着自动故障预测、自诊断的方向发展，将会实现专家系统等智能连接。 希望我国能抓住这个机会，实现我国船舶电站自动化的国产化并走向

参考文献：

[1]陈明志.船舶电气自动化系统的发展 [J].广东科技，2011，（16）.

[2]杜一鸣.船舶电气自动系统安全性研究 [J].机电信息，2012，（9）.

[3] 白永昕，彭成.船舶电气自动化中几个重要技术的应用[J].世界海运，2011，（3）.

[4] 王欣.船舶电气自动中几个重要技术的应用 [J].世界海运，2011，（3）

作者简介：

阮静 中船重工第719研究所工程师工程硕士研究方向：船舶电气自动化