鄭曉鳴, 趙 蕊, 劉善斌
中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司,上海200135
隨著船舶電氣化水平不斷提高、船上用電設(shè)備日益增多、電力系統(tǒng)的容量呈快速上升趨勢(shì),傳統(tǒng)的船用低壓交流供電系統(tǒng)面臨了越來越多的挑戰(zhàn),已無法滿足大容量船電系統(tǒng)的需求。因此,船電系統(tǒng)的中高壓化已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。
船舶中壓配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)低壓配電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上有著較大的區(qū)別,主要表現(xiàn)在設(shè)備選型、接地方式、安全防護(hù)、系統(tǒng)保護(hù)等幾方面。
1.設(shè)備選型
由于電壓等級(jí)的不同,中、低壓配電設(shè)備的元器件、柜體、電纜等均有較大的差異,通常情況下中壓配電設(shè)備的防護(hù)等級(jí)更高,體積更大。
2.接地方式
船用低壓配電系統(tǒng)通常情況不接地,而中壓配電系統(tǒng)對(duì)絕緣要求較高,處于對(duì)人身、設(shè)備安全等多方面因素的考慮,系統(tǒng)必須接地,通常采用高阻接地的方式。
3.安全防護(hù)
隨著電壓等級(jí)的升高,對(duì)設(shè)備安全防護(hù)措施的要求更為嚴(yán)格,中壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮安全間隙,在某些情況下嚴(yán)禁帶電、帶負(fù)荷操作,因此在設(shè)計(jì)過程中需考慮各種安全聯(lián)鎖,確保操作人員、設(shè)備的安全。
4.系統(tǒng)保護(hù)
中壓系統(tǒng)的保護(hù)除了短路、過載、欠壓、過壓、逆功率等與低壓系統(tǒng)相同外,還需配置縱差、零序、零序縱差保護(hù)等,通常情況下靠配置綜保裝置實(shí)現(xiàn)上述的保護(hù)功能。
我國對(duì)船電中壓系統(tǒng)的研究還處于初級(jí)階段,大多數(shù)船員對(duì)于中壓電力系統(tǒng)依然缺乏了解。船用中壓電力模擬試驗(yàn)裝置作為一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái),真實(shí)地模擬了船上電力系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài),為相關(guān)專業(yè)的人員培訓(xùn)提供了有力的實(shí)踐保障。
目前我國在用的船用中壓電氣產(chǎn)品多為進(jìn)口產(chǎn)品,船用中壓電氣設(shè)備的國產(chǎn)化是未來發(fā)展的趨勢(shì)。所提出的船用中壓電力模擬試驗(yàn)裝置配備多種系統(tǒng)接口,可搭載不同形式的船用控制器。作為研發(fā)測(cè)試平臺(tái),為船用中壓電力系統(tǒng)控制理論和控制技術(shù)的研究及相關(guān)產(chǎn)品的平臺(tái)測(cè)試提供重要的技術(shù)保障。
船用中壓電力模擬試驗(yàn)裝置提供實(shí)操培訓(xùn)平臺(tái)和研發(fā)測(cè)試平臺(tái),系統(tǒng)設(shè)計(jì)在操控方式、主要設(shè)備外形、面板器件布局、接口、自動(dòng)電站監(jiān)控功能等方面按實(shí)船要求完成。
考慮到實(shí)驗(yàn)室的場地限制、環(huán)境影響以及經(jīng)濟(jì)型的設(shè)計(jì)理念,用電動(dòng)機(jī)替代柴油(汽輪)機(jī);用低壓發(fā)電替代中壓發(fā)電;用變頻器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)調(diào)頻調(diào)載控制;用可調(diào)負(fù)載裝置模擬實(shí)船用電情況;而配電屏的外形、操作面板和實(shí)現(xiàn)功能與實(shí)船保持一致,合理地將船上中壓配電系統(tǒng)遷移到實(shí)驗(yàn)室。
船用中壓電力模擬試驗(yàn)裝置由發(fā)電機(jī)組、變頻調(diào)速柜、中壓配電屏、可調(diào)負(fù)載裝置等四部分組成(見圖1)。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖
發(fā)電機(jī)組是船舶的主電源,提供整條船舶用電設(shè)備的電能,系統(tǒng)采用400V低壓交流發(fā)電機(jī)組來模擬實(shí)船中壓6.6 KV發(fā)電機(jī)組,機(jī)組原動(dòng)機(jī)則選用400 V交流電動(dòng)機(jī)來替代實(shí)船柴油(汽輪)機(jī)(見圖2)。該設(shè)計(jì)方案既滿足了模擬實(shí)船柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行原理的需求,又節(jié)約了成本和場地空間,同時(shí)就試驗(yàn)裝置而言,采用市電作為驅(qū)動(dòng)能源比柴油發(fā)電機(jī)更為清潔環(huán)保。
系統(tǒng)配置變頻調(diào)速柜(見圖3)與發(fā)電機(jī)組配合使用,變頻調(diào)速柜中配有變頻器和電動(dòng)調(diào)壓裝置??赏ㄟ^變頻器的變頻功能來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出頻率的目的,實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)載的功能。同時(shí)變頻控制柜內(nèi)配置有電動(dòng)調(diào)壓裝置,通過改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓值,實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)無功的功能。
圖2 發(fā)電機(jī)組圖
圖3 變頻調(diào)速柜
中壓配電屏是模擬試驗(yàn)裝置的主體部分,為了使模擬操作更為真實(shí),其柜型、面板器件選型布局、相關(guān)操控功能等均按實(shí)船標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。
配電屏(見圖4)按四臺(tái)機(jī)組控制方案設(shè)計(jì),雙電站兩段母線形式,共有10屏,包括:發(fā)電機(jī)組控制屏(4屏)、同步控制屏(2屏)、聯(lián)絡(luò)控制屏(2屏)、(推進(jìn))負(fù)載屏(2屏)。
配電屏屏體按照鎧裝式金屬封閉開關(guān)設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求設(shè)計(jì)、制造。配電屏由屏體和中置式可移開部件(即手車)兩大部分組成。屏體分4個(gè)獨(dú)立的隔室(手車室、母線室、電纜室、低壓儀表室),外殼防護(hù)等級(jí)為IP4X,可以從正面進(jìn)行安裝調(diào)試和維護(hù),滿足“五防”要求。
可調(diào)負(fù)載主要用來模擬實(shí)船的負(fù)荷變化情況,分為阻性可調(diào)負(fù)載和感性可調(diào)負(fù)載,可通過就地或遠(yuǎn)程的方式來調(diào)整系統(tǒng)有功、無功負(fù)荷的大小,滿足系統(tǒng)不同工況的模擬需求。
圖4 中壓配電屏布置圖
船用中壓電力模擬試驗(yàn)裝置,按實(shí)際使用功能可分為模擬實(shí)船功能、實(shí)操演練功能和測(cè)試平臺(tái)功能。
作為實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)裝置,該系統(tǒng)可模擬演示實(shí)船中壓電站各個(gè)基本操控流程,具體功能如下:
1)具有手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)3種操控模式。
2)可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的本地、遙控切換。
3)可進(jìn)行機(jī)組起、停、合、分及首機(jī)合閘。
4)可通過調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)行頻率調(diào)整(45~55 Hz)。
5)可進(jìn)行機(jī)組并車,各機(jī)組可任意組合長期并聯(lián)運(yùn)行。
6)可進(jìn)行負(fù)荷分配/轉(zhuǎn)移。
7)具有機(jī)組安全保護(hù)功能。
8)可進(jìn)行有功、無功調(diào)節(jié)。
9)具備最小運(yùn)行機(jī)組數(shù)、重載詢問、三級(jí)卸載、故障自動(dòng)啟動(dòng)備用機(jī)組、停機(jī)解列等船舶自動(dòng)化電站基本模擬功能。
10)人機(jī)界面功能,可通過觸摸屏對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
通過不同功能的演示操作,使學(xué)員對(duì)于實(shí)船中壓配電系統(tǒng)的主要操作流程、工作原理產(chǎn)生宏觀認(rèn)識(shí),理論聯(lián)系實(shí)際,加深相關(guān)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解。
在實(shí)操演練過程中,學(xué)員可親身體驗(yàn)中壓配電屏的各項(xiàng)操控,通過反復(fù)操練,在實(shí)驗(yàn)室中即可熟練掌握中壓配電系統(tǒng)的各項(xiàng)基本操作技能,為今后的實(shí)船工作打下良好的基礎(chǔ)。
實(shí)操演練功能可分為機(jī)械操作和電氣操作兩部分。
1)在機(jī)械操作過程中,學(xué)員可以對(duì)中壓配電屏中的機(jī)械器件進(jìn)行實(shí)際操控,如接地刀的合閘與分閘、手車搖進(jìn)搖出,發(fā)電機(jī)組運(yùn)行前檢驗(yàn)等,通過親手操作,切身體會(huì)五防聯(lián)鎖的真正含義及其實(shí)現(xiàn)方式。
2)電氣操作過程按功能可分為手動(dòng)操控和自動(dòng)操控兩個(gè)部分。在手動(dòng)操控模式下,學(xué)員可通過配電屏面板上的按鈕開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的啟停、相關(guān)開關(guān)的合閘/分閘、機(jī)組并車、負(fù)荷分配、解列停機(jī)等手動(dòng)操作功能;在自動(dòng)操控模式下,系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)員的相關(guān)參數(shù)設(shè)定對(duì)機(jī)組進(jìn)行全自動(dòng)管理,包括機(jī)組自動(dòng)增機(jī)、減機(jī)、重載詢問、三級(jí)卸載等船舶自動(dòng)化電站基本模擬功能。
作為測(cè)試平臺(tái),系統(tǒng)可用于船舶電站能量管理、協(xié)調(diào)控制等相關(guān)技術(shù)的研究。
該裝置可搭載不同形式的電站管理控制器(安裝于各屏的儀表室內(nèi)),為控制器提供不同形式的接口(接口信號(hào)主要有:電壓信號(hào)、電流信號(hào)、開關(guān)合分閘信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、故障信號(hào)、機(jī)組啟、停、加速、減速、升壓、降壓信號(hào)等),通過這些接口,控制器可采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息,并對(duì)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)出控制命令。
通過與模擬試驗(yàn)裝置的結(jié)合,控制器可完成各項(xiàng)與船舶電站功能相關(guān)內(nèi)容的測(cè)試與研究,以達(dá)到完善功能、提高性能的目的。
船用中壓電力模擬試驗(yàn)裝置在功能上與實(shí)船保持一致,實(shí)現(xiàn)中兼顧試驗(yàn)系統(tǒng)的完整性和特殊性。系統(tǒng)采用中壓配電屏與低壓設(shè)備相結(jié)合的方式,將實(shí)船中壓配電屏遷移到實(shí)驗(yàn)室中,采用西門子PLC S7—1200作為主功能控制器、Softlink觸摸屏為上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)模擬功能。
S7-1200控制器使用靈活、功能強(qiáng)大,支持Profinet、RS—485、RS—232等多種通訊方式;I/O接口模塊多樣化;用戶程序邏輯可以包含布爾邏輯、計(jì)數(shù)、定時(shí)、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其它智能設(shè)備的通信;處理器單個(gè)指令處理速度為微秒級(jí)。作為系統(tǒng)管理控制器,完全能滿足系統(tǒng)功能高效實(shí)現(xiàn)的需求。
Soft Link觸摸屏采用10.4″TFT LED屏,CPU為32—bit 624 M Hz RISC,配置工業(yè)以太網(wǎng)、RS232/RS485、USB等多種接口,完善驅(qū)動(dòng)接口,使之與西門子S7—1200PLC完美結(jié)合。觸摸屏軟件平臺(tái)組態(tài)軟件簡潔直觀、功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活且智能高效,是一種較好的人機(jī)界面解決方案。
船用中壓電力模擬試驗(yàn)裝置采用工業(yè)以太網(wǎng)和RS485相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式,實(shí)現(xiàn)不同控制設(shè)備間的信息交互(見圖5)。
工業(yè)以太網(wǎng)具有通訊速率高、布線方便快捷、資源共享能力強(qiáng)、可擴(kuò)展、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),系統(tǒng)選用工業(yè)以太網(wǎng)作為可編程控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、上位機(jī)間的傳輸網(wǎng)絡(luò),能較好地保障數(shù)據(jù)通訊的效率。
RS485總線網(wǎng)絡(luò)采用半雙工通訊方式,在系統(tǒng)中用于綜保裝置與PLC之間的信息傳遞,該通訊方式具有布線成本低、方便快捷等特點(diǎn)。由于控制器與綜保裝置之間通訊距離短(均安裝在儀表室內(nèi))、數(shù)據(jù)量小,因此采用此通訊方式有較高的性價(jià)比,毫秒級(jí)的通訊速率滿足控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。
圖5 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
模擬裝置控制系統(tǒng)按功能可分為三層:上位監(jiān)控層、過程控制層和執(zhí)行管理層。
3.1.1 上位監(jiān)控層
該層的主要設(shè)備為觸摸屏、上位機(jī)等人機(jī)交互設(shè)備,用戶可根據(jù)自身需求確定人機(jī)交互設(shè)備配置情況。模擬裝置系統(tǒng)配置了2臺(tái)10″觸摸屏,分別安裝在前后電站并車屏的中門位置(見圖4),用戶可通過觸摸屏等人機(jī)交互界面監(jiān)視系統(tǒng)各設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)布控制命令、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警查詢等,確保在系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的能觀、能控性。
3.1.2 過程控制層
該層的主要設(shè)備為機(jī)組控制器和能量管理控制器,控制器形式多樣,模擬裝置的控制系統(tǒng)選用西門子S7—1200系列PLC作為核心控制器,系統(tǒng)運(yùn)行的所有邏輯、策略、聯(lián)鎖等功能均通過該層來實(shí)現(xiàn)。
過程控制層在整個(gè)控制系統(tǒng)架構(gòu)中起到的是承上啟下的作用,對(duì)上與上位人機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互,上傳系統(tǒng)運(yùn)行過程數(shù)據(jù),同時(shí)接受用戶發(fā)布的命令;對(duì)下與數(shù)據(jù)解析層設(shè)備以RS—485通訊的方式采集數(shù)據(jù)和下發(fā)控制指令。
3.1.3 執(zhí)行管理層
執(zhí)行管理層的設(shè)備由中壓配電系統(tǒng)常用的綜合保護(hù)繼電裝置組成,模擬裝置選用的綜保裝置為西門子公司SIPROTEC4系列產(chǎn)品。型號(hào)有兩種:一種是用于發(fā)電機(jī)保護(hù)的7 UM623系列綜保,另一種是多功能繼電保護(hù)裝置7SJ622系列綜保。
綜保裝置的主要功能:
(1)測(cè)量:電參數(shù)采集、轉(zhuǎn)化;
(2)通訊:與上層控制器通過RS—485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;
(3)執(zhí)行:根據(jù)控制器控制指令,執(zhí)行相應(yīng)操作;
(4)繼電保護(hù):根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù),對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。
綜保在系統(tǒng)中起到輸出管理的功能,匯總了測(cè)量、保護(hù)判斷、控制器指令等多方信息,根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯,執(zhí)行相應(yīng)的操作,確保聯(lián)鎖保護(hù)準(zhǔn)確無誤。
模擬裝置的控制系統(tǒng)以觸摸屏、西門子S7—1200PLC和西門子綜保為主體,通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件編程來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)模擬控制功能。
控制系統(tǒng)按功能主要可分為通訊管理、流程控制、安全保護(hù)和人機(jī)交互四部分。
3.2.1 通訊管理
如圖5所示,控制器與綜保之間通過RS—485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,控制器與控制器之間、控制器與上層觸摸屏之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,通過接口配置軟件針對(duì)于RS—485與PROFINET接口的編程,合理有效地管理通訊數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)通訊狀態(tài)、及時(shí)響應(yīng)通訊故障,確保通訊系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。
3.2.2 流程控制
該部分功能是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主體,包含了系統(tǒng)所有邏輯、策略、預(yù)案等內(nèi)容??刂葡到y(tǒng)選用西門子S7—1200PLC來實(shí)現(xiàn)該功能(見圖5)。系統(tǒng)配置5臺(tái)控制器,采用主從通訊方式實(shí)現(xiàn)流程控制功能,即以能量控制器為主站,各機(jī)組控制為從站。主站根據(jù)各機(jī)組控制器上傳數(shù)據(jù)結(jié)合用戶設(shè)置參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算,將運(yùn)算結(jié)果命令通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至各機(jī)組控制器,各機(jī)組控制器只需接受與自身相關(guān)內(nèi)容執(zhí)行即可。
3.2.3 安全保護(hù)
船用中壓配電系統(tǒng)的保護(hù)功能較傳統(tǒng)低壓船電系統(tǒng)要更為復(fù)雜。除了過流、過壓、欠壓、過頻、欠頻、逆功率等保護(hù)功能外,中壓配電系統(tǒng)還有其特有的保護(hù)檢測(cè)功能,如:母排接地檢測(cè)功能、發(fā)電機(jī)組差動(dòng)保護(hù)功能、斷路器反時(shí)限過流保護(hù)功能、零序電流保護(hù)等。
系統(tǒng)中的保護(hù)功能主要通過西門子綜保來實(shí)現(xiàn),通過DIGSI4.0軟件組態(tài),可根據(jù)自身需要對(duì)各種保護(hù)參數(shù)進(jìn)行整定,并預(yù)設(shè)各種保護(hù)的響應(yīng)方式(報(bào)警、分閘、閉鎖等)。該軟件還具備CFC邏輯編程功能,用戶可根據(jù)簡單的圖形編程,搭配出自己想要的控制邏輯。
圖6 響應(yīng)方式設(shè)置界面
圖7 參數(shù)整定界面
圖8 邏輯編程界面
3.2.4 人機(jī)交互
系統(tǒng)中的人機(jī)交互界面為10″觸摸屏,通過以太網(wǎng)與控制器進(jìn)行通訊。經(jīng)過人機(jī)交互界面軟件的可視化編程及相應(yīng)的通訊驅(qū)動(dòng)接口設(shè)置,即可實(shí)現(xiàn)觸摸屏與控制器的實(shí)時(shí)通訊??刂破鲗⑾到y(tǒng)運(yùn)行參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳,并接受用戶通過觸摸屏發(fā)送的控制命令,及時(shí)做出響應(yīng),以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
一個(gè)完整的模擬系統(tǒng)不僅能模擬正常情況下的各項(xiàng)功能,還要能夠模擬各種特殊狀況下的狀態(tài)。電力模擬試驗(yàn)裝置可模擬多種電力故障,故障狀態(tài)的模擬分硬件模擬和軟件模擬。
3.3.1 硬件故障模擬
(1)母排接地檢測(cè):運(yùn)用3個(gè)電壓互感器搭建開口三角電路檢測(cè)母排接地情況。若母排有對(duì)地短路故障,開口三角電壓信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)化為開關(guān)量信號(hào)傳送給系統(tǒng)控制器。試驗(yàn)過程中,可通過導(dǎo)線直接將A/B/C任意一相與接地排短接,系統(tǒng)會(huì)發(fā)出短路故障報(bào)警。
(2)零序電流檢測(cè):通過零序電流互感器檢測(cè)系統(tǒng)零序電流,當(dāng)三相系統(tǒng)電流不平衡,系統(tǒng)會(huì)發(fā)出零序電流異常報(bào)警。試驗(yàn)過程中,將任意兩相電流穿過零序電流互感器,由于缺項(xiàng)而造成電流不平衡,系統(tǒng)將發(fā)出零序電流異常報(bào)警。
(3)機(jī)組差動(dòng)保護(hù):主要檢測(cè)流入發(fā)電機(jī)繞組與流出發(fā)電機(jī)的對(duì)應(yīng)電流是否一致,在試驗(yàn)過程中欲觸發(fā)故障,只需將任意一相電流互感器短接或者換相,使綜保檢測(cè)到電流信息異常,系統(tǒng)將觸發(fā)差動(dòng)保護(hù)報(bào)警。
(4)常規(guī)的過、欠壓,過、欠頻故障可通過改變發(fā)電機(jī)組的頻率和電壓特性來模擬。
3.3.2 軟件故障模擬
一些故障是無法通過硬件來模擬的,如柴油發(fā)電機(jī)組的滑油壓力低、超速等故障,則需要通過軟件來模擬,在程序邏輯中將相應(yīng)系統(tǒng)位置位,或者改變相應(yīng)參數(shù),從而觸發(fā)模擬信號(hào)的產(chǎn)生,滿足試驗(yàn)?zāi)M故障工況的需求。
船電系統(tǒng)中高壓化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì),介紹的船用中壓電力模擬試驗(yàn)裝置,為相關(guān)專業(yè)人員的培訓(xùn)及科研工作提供了技術(shù)平臺(tái),同時(shí)可為真正的實(shí)船中壓配電系統(tǒng)開發(fā)作技術(shù)儲(chǔ)備,具有一定的推廣價(jià)值。
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