0 引　言

船舶电站是实现船舶电网、用电设备功率统筹控制系统，随着船载用电设备种类和功率的增加，电站管理系统的控制能力有了更高的要求。电站管理系统一方面要保障船载用电设备的电能供应，防止出现欠功率运行的情况，影响船载设备的使用功能；另一方面，电站管理系统需要保障船舶电网的安全性和可靠性，实现船舶电网故障的在线监测，及时处理船舶电网发生的故障，防止引发较大的安全事故^[1]。

针对船舶电站的复杂运行工况，本文在现有船舶电站控制设备的基础上，基于S7-200PLC控制器开发了一种新型的船舶电站管理系统，从电站管理系统的整体设计、功率管理模块建模、硬件和软件程序等方面进行详细阐述。

1 船舶电站管理系统的整体设计

随着船舶自动化的发展，电站管理系统自动化程度不断提高，电站管理也从小范围、小容量的自动管理，逐渐向大范围、集成式的自动化管理系统发展。在电站的自动化发展中，控制器发挥着不可或缺的作用，S7-200PLC控制器是一种PLC核心控制器，具有运算速度快、集成度高等优点，本文基于S7-200PLC控制器进行船舶电站管理系统的整体设计。

基于PLC的船舶电站管理系统的整体设计图如图1所示。

本文设计的船舶电站管理系统主要实现以下功能：

1）供电管理

电站管理系统通过监测电网和用电设备的使用情况，控制供电网络的开关通断，使船舶电网的负载所需电量与电站供给的电量能够相匹配，防止电能的浪费。

2）负载管理

由于船舶电力网络中的负载设备功率越来越大，为了提高对这些大功率负载设备的监管能力，一旦大功率负载设备出现短路和短路故障，可以第一时间切断电源防止灾害的进一步发生^[2]，电站管理系统实现负载设备的直接控制，有助于提升船舶电网的运行安全性。

3）功率调节功能

电站管理系统能够实现多发电机的综合控制，利用同步单元与自动调载单元，使电网的整体运行频率维持恒定，并通过协调发电机组的工作状态，使发电机组承担的有功功率具有合适的比例关系。

2 基于S7-200PLC控制器的电站管理系统应用 2.1 电站管理系统的功率管理建模

在设计船舶电站管理系统的过程中，电网的功率控制模块设计是其中的核心，功率管理是根据船舶负载的工作状态，确定发电机组的并网状态，本节首先对船舶电网的几个核心部件进行功率建模。

1）发电机组

船舶发电机组以高压发电机为主，发电机组包括永磁机、绕组、定子、转子、支撑结构等，建立船舶电网发电机组的功率模型为：

$ \begin{array}{*{20}{c}} {{P_i} = \dfrac{{2{p_i}{V_i}n}}{{60\tau }} = {K_i}{p_i}n}，\\ {{M_i} = \dfrac{{30}}{\text{π} }\dfrac{{{N_0}}}{n} = 9.55 \dfrac{{{N_0}}}{n}}。\end{array} $

式中： $ {P_i} $ 为船舶发电机组的功率， $ {p_i} $ 每个发电机工作压力， $ {V_i} $ 为发电机的体积， $ n $ 为发电机的实际转速， $ \tau $ 为冲程系数， $ \tau = 0.39 $ ， $ {N_0} $ 为发电机的平均转速， $ {M_i} $ 为输出转矩。

船舶发电机组的输出功率曲线如图2所示。

2）变电站功率

变电站将发电机组产生的高压转化为用电设备需要的额定电压，变电站功率模型为：

$ {P_0} = \frac{{{V_0}^2}}{{{C_0}}} 。$

式中： $ {V_0} $ 为变电站的额定电压； $ {C_0} $ 为变电站的电容， ${C_0}{\text{ = }}\dfrac{1}{{{R_0}}}$ ， $ {R_0} $ 为电阻值。

3）多机组并网功率模型

船舶多个发电机组的容量不一定相同，在进行功率分配时，需建立不同容量n台机组的负载功率余量 $ {P_k} $ 模型为：

$ {P_k} = \sum\limits_{i = 1}^N {{P_N}} - \sum\limits_{i = 1}^N {{P_n}} 。$

式中： $ {P_N} $ 为单台发电机组的额定功率； $ {P_n} $ 为单台发电机组的实际负载功率。

不同容量n台机组的电流余量可表示为：

$ {I_k} = \sum\limits_{i = 1}^N {{I_N}} - \sum\limits_{i = 1}^N {{I_n}} 。$

式中： $ {I_N} $ 为单台发电机组的额定电流； $ {I_n} $ 为单台发电机组的实际负载电流^[3]。

多台机组并联功率模型为：

$ {K_1} = \dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {{P_n}} }}{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {{P_N}} }} 。$

图3为多台机组并联调频与功率调节的示意图。

2.2 船舶电站管理系统的硬件设计

船舶电站管理系统包括1台上位机和2台下位机，上位机是基于WinCC软件的PC机，下位机基于S7-200PLC控制器，下位机实现船舶电网的运行数据采集及控制，上位机负责系统显示和报警，关键硬件构成包括：

1）S7-200PLC的CPU模块

S7-200系列PLC优势领域是局域系统的控制场景，为了保障控制系统的需求，S7-200系列PLC提供了不同型号的CPU模块，本文选择CPU226 CN AC/DC/Relay模块，集成了24路数字量输入和16路数字量输出，电源采用230 V交流供电。CPU226 CN AC/DC/Relay模块具有良好的扩展性，其功能原理图如图4所示。

2）信号检测模块

电站管理系统中，信号检测模块采用船舶电网、负载处的电压、电流信号，电压信号通过电压变送器^[4]进行检测，检测过程包括电压信号的同相运放、线性检波、有源滤波、反向放大等，电压信号检测原理图如图5所示。

系统采用的电压变送器工作参数如表1所示。

3）功率信号检测模块

在电站的功率采集中，系统使用功率变送器实现功率检测，有功功率信号的采集过程包括电压、电流采样、滤波、放大等，最终将电压和电流信号转换为系统的功率标准信号输出。本文系统采用的功率变送器为TAIK-S3系列。

2.3 软件程序设计

电站管理系统采用的软件程序为组态软件WinCC系统，基于组态软件WinCC的电站管理系统工作流程图如图6所示。

3 结　语

船舶电站管理系统承担着船舶电力网络的功率控制、故障检测等重要作用，是船舶电网正常运行的关键。本文基于S7-200PLC控制器，通过建立船舶电网的功率模型，开发了船舶电站管理系统，并对系统的关键硬件如CPU、信号检测模块等进行了详细设计。