0 引言

在整个世界经济的运行中，海洋船舶运输起着非常重要的作用，船舶运输在运输成本以及运输能力上都具有非常明显的优势，世界上大约有80 %左右的货运都是通过船舶运输来完成的。船舶电力系统是船舶的重要组成部分，很多船舶上的关键设备都是通过电能来控制的，因而对于船舶电力性能及稳定性的要求也越来越高^[1]。

在这种背景下，船舶电力系统的自动化性能也非常重要。传统的船舶电力系统在很大程度上依赖于工作人员的操作经验，在发生故障时很难进行判断，而且缺乏对柴油发电机的保护。特别是在船舶上出现负载较大需要并车以及突然出现的欠压、欠流等情况，需要人员做出及时地应对措施。船舶电力自动化系统在船舶上应用具有非常明显的优点，具体有以下几点^[2-3]：

1）可以提高系统稳定性，降低工作人员的工作量；

2）可以实现自动并车等功能，在出现负载突然增加的情况下，可以快速实现自动并车；

3）实现船舶发电机的实时监控，实现对系统的集中监控和离散监控；

4）能够对发电机进行有效保护，提高发电机使用寿命，降低运营成本。

因而，设计出一套行之有效的船舶电力自动化系统对于提高船舶运输稳定性具有非常重要的意义，船舶电力系统自动化的实现可以有效降低电力系统故障率。本文针对当前船舶电力系统中对于自动控制的需求，设计一套船舶电力自动化系统，并介绍系统完成的功能，给出几个电机的保护设计措施。

1 船舶电力系统

船舶电力系统是船舶的重要组成部分，能够实现将其他能量转化为电能，并将这些电能提供给船舶以保障船舶的正常行驶和运行。传统的船舶电力系统主要通过人工操作以及监控，不仅费时费力，而且容易出现问题。自动化技术是一个涵盖面非常广的技术，将自动化技术应用于船舶电力系统可以很好地提高船舶电力系统工作的稳定性，降低船员的工作强度。

船舶电力系统一般包括柴油发电机以及配电盘，柴油发电机是为船舶电力系统提供电能的设备，配电盘是配电装置，将柴油发电机产生的电能分配到船舶各个用电设备，两者缺一不可。

船舶综合自动化控制是未来船舶的发展方向，船舶电力系统作为综合自动化控制中的重要一环，也需要进行相应的改变，需要将一些新技术、新设备运用到船舶电力系统中。为了实现船舶电力的自动化管理，需要构建依托于现代网络的控制系统，通过工控机上的组态软件实现对柴油发电机的监视和控制，这样有利于在今后越来越复杂的电力系统中占据先机^[4]。工作人员不仅可以在现场对电力系统的运行状况进行查看和操作，也可以通过总控制室的工控机查看所有电机组的运行状况。在出现报警时能够迅速确定故障位置并进行排查。

2 船舶电力自动化系统设计 2.1 电力自动化系统设计

船舶电力自动化系统包括了几个模块，分别是工控机模块、界面显示模块以及PLC监控执行模块，如图 2所示。系统中的PLC不仅承担着监控功能，还充当执行的角色。这些监控功能包括对电力自动化系统中的电压、电流以及机组的运行情况进行监控，同时通过设置相关的阈值，在出现异常情况时进行报警。PLC同时可以和前面板按钮结合，提供自动化和手动操作来实现船舶电力系统的管理。界面显示模块主要通过触摸屏来实现，通过和PLC通信获取当前船舶电力系统的工作情况并进行显示。工控机模块管理多个PLC模块，协调各个PLC模块的执行动作，使用组态软件开发的软件可以完成各种监控和执行功能，还可以实现对异常情况进行历史记录和报警。

本文中所设计的电力自动化系统需要控制2个PLC系统，工控机和PLC之间通过RS485通信，PLC选用三菱FX3U。三菱PLC是目前工业应用较多的一款PLC产品，具有可靠性高、成本低、资料齐全等优点，同时外部可以扩展A/D、D/A以及温度检测模块等，降低开发难度，缩短系统开发时间。

在船舶正常行驶时，1台PLC控制柴油发电机进行工作，但是为了保障船舶行驶中的安全，在本次设计中使用了3套PLC柴油发电机系统，主要为了防范以下情况：

1）当船舶电力系统负载较大，1台柴油发电机无法满足需求；

2）当某1套或者2套柴油发电机系统无法正常工作时。

出现第1种情况时，可以使用2台柴油发电机系统同时工作，而出现第2种情况，即有1套或者2套突然不工作时，第3套柴油发电机系统作为备用系统进行工作。

电力自动化系统是一种能够在异常情况下进行自动反应的系统，能够准确地对船舶电力系统进行监控，具体包括：

1）自动检测功能：此功能包括对船舶电力自动化系统中的基本参数进行实时监控，同时在出现异常情况时，如系统中出现上文中提及的1台柴油发电机无法满足负载需求的情况，需要另外1套柴油发电机系统同时工作，这时就需要对2套系统的运行频率进行检测，只有当2套系统之间的频率相同或者频率差在设置范围内时才能同步工作，即系统能够实现自动同步并车功能；

2）自启动和报警：在系统中出现1套柴油发电机系统无法正常工作时，能够在一定时间内启动另外1套柴油发电机系统。在出现一些无法解决的故障时，能够通过断开一些装置连接进行自我保护，避免造成更大损失。

对自动并车功能的实现进行详细说明。

若待并车的发电机系统电压为：

$\begin{array}{l} {u_g} = {U_g}\sin \left( {{\omega _g}t + {\varphi _{0g}}} \right)\text{，}\\ {u_{g1}} = {U_{g1}}\sin \left( {{\omega _{g1}}t + {\varphi _{0g1}}} \right)\text{。} \end{array}$

(1)

其中，u_g为待并车系统电压；g，g1为电机名称；ω为角频率；φ为电压初始相位。理想并车要求角频率、电压、相位一致，但在实际中很难做到。因而在出现需要并车的情况时，需要判断2个不同的柴油发电机系统之间的电压幅值、频率以及相位之间的差值，在编写程序时，设置两者电压幅值的差值不能超过±10%，频率之间的差值不能超过±0.5 Hz，否则需要进行调频；相位之间的差值不能超过±15°，相位之间的差值过大会导致冲击电流的产生。可以通过调用定时器来解决这个问题。具体的程序流程如图 3所示。

2.2 电机保护设计

在整个船舶电力自动化系统中，柴油发电机是最为重要的组成部分。作为船舶电力系统而言，能够稳定运行是第一要务，但是在正常的运行过程中，经常会出现各种故障，如过流、过压、欠压以及过载等^[5]，针对这些情况，在系统中必须做出针对性设置。本文主要针对过流以及欠压的保护情况进行说明。

1）过流保护：过流是船舶电力系统中经常出现的情况，引起这种情况的主要原因在于外部的一些设备在连接时出现短路现象，短路会严重影响柴油发电机的寿命，严重时甚至会烧毁发电机。在进行系统设计时，设置短路瞬时动作保护装置，在发生短路时会自动瞬间断开电路。

2）欠压保护：出现欠压的情况一般是因为外部电路短路或者严重过载，欠压对于船舶发电机有非常大的危害，而且会降低系统的稳定性。一般系统出现欠压的情况，在设计时通过软件和硬件来进行相关设置。在硬件上，通过调压装置进行调节；在软件上，通过A/D模块检测系统中的电压，设置阈值并进行判断，当小于设定的阈值电压值时则将主程序断开并报警。但是在船舶运行的情况下会出现外部负载突然增大，但是运行一段时间后负载正常，欠压现象也消失，因而在判断是否欠压时需要设定一个延时，在设定延时后进行二次判断，这样就能合理地区分是否为欠压。

3 结语

船舶运输在运输行业中占据着重要地位，保障船舶安全、稳定的运行是当前的热点问题。船舶电力自动化系统是未来船舶电力系统的重要发展方向，本文简要介绍了船舶电力系统的组成，并初步设计了船舶电力自动化系统，详细阐述了船舶电力系统中自动并车功能如何实现，最后对发电机出现的过流或者欠压给出了对应的保护措施。