船舶高压电站功率管理系统的设计与管理研究程琳

程琳

舟山中远船务工程有限公司浙江舟山316131

摘要：我国的船舶业在进多年来有着突飞猛进的进步，船舶的发展也正在向大型化、自动化、集成化发展。因为我国对船舶的使用需求量增加，所以在船舶的发展过程中对船舶的高压电站容量有着非常高的要求。为了提高船舶高压电站的技术型和经济型，本文通过对船舶高压电站的功率管理系统的设计和管理进行研究，起终点在于提高船舶高压电站运行的稳定性、高效性和安全性。

关键词：船舶；高压电站；功率管理系统；设计；管理

引言

我国的现在的发展背景就是全球经济一体化，我国的船舶业发展有了新的生命力，具有一系列的明显的特征。为了满足船舶业使用电站的需要，所以我国逐渐出现了高压电站，并且在实际生活中已经取得了广泛的关注。

一、高压电站的产生和发展

随着全球经济的复苏和发展，世界各国之间的友好关系，航运也已经得到了越来越快的发展和进步。世界上的船厂订单越来越多，大型船厂的建设和运行正在快速的进行。我们可以由此观察到船舶行业的发展，船舶现在的发展已经逐渐向大型化、集成化、自动化靠近，船舶业的电站容量的增大给低压电站带来了巨大的挑战，所以，现代社会的船舶业一般采用高压电站。因为高压电站不仅可以满足船舶行业电站对电力的大需求，还可以节省空间，效率高等优点。而且通过实践证明，高压电站的运用使我国的船舶行业得到了更加快速的发展，并且认为高压电站的使用以后也一定会更加广泛的运用到世界各地的船舶行业之中。

1.船舶高压电站的产生。船舶在逐渐向电气化的发展中，经历了漫长的过程。当蒸汽机在英国被投入使用之后，慢慢的蒸汽机得到了在生活中的普遍运用。当船舶运用蒸汽机当做动力的时候，船舶的电站的总功率只有几十千瓦，而且这种电流还是直流电站。到20世纪60年代，内燃机出现，所以船舶业又开始使用内燃机将其作为船舶的动力，从而带动发电机发电。因此在这个过程中，交流电站逐渐被发展起来。船舶的电气化发展到这个时期，船上的主要装置都采取了电力驱动。因此电动机的日益兴起，电站越来越快发展，船上电器设备的数量急剧增加，所以这一现象标志着船舶电气时代已经开始。但是在这个时期，船舶电站大部分都还是采用了低电压站的系统。并且快速的进步和人们生活质量的提高，导致人们的需求量也越来越多。已经受到广泛关注的半个世纪的船舶低电压交流电站也出现了许多问题：

1.1船舶的用电量增多，用电装置增加，电站容量也逐渐增大。所以传统意义上的低电压交流电站已经没有办法满足船舶用电的需求，而且，在系统发生故障的时候，短路电流也会增加。

1.2国际上大致将2000KW（380V）到2500KW（400V）的容量规定为低压发电机组的容量上限。但是现在大部分的大型船舶的电站的容量到达了十几兆或者几十兆，然而目前的正常规格的船舶用电的发电机多使用的规格为单机容量不得超过1.5MW。如果船舶行业仍然继续采用低电压的发电机则就需要安装十多组甚至更多的发电机，很明显，这种做法是完全不可能的。

1.3如果我国制作一批电压在400V的低电压发电机但是发电机的容量却在2.5M位上，这样就必须增大发电机的额外电流，因此会出现电缆的发热量高，线路传输损坏。同时供电的电缆的横截面积增大或者需要几十根的电缆并联，所以这样的低电压站安全性低，故障隐患大。

综上所述，船舶的电力装置的设计者或者制造商将高压电站引用到船舶电站中来，是一种正确的选择，提高船舶电站的电压等级就是降低电缆的线路减少损坏的概率，还可以减少发电组机的数量。所以船舶的高压电站才会得到飞速的发展和进步。但是对于高压电站的概念和理解，不同的领域有不同标准。IEEE标准i00规定的高压电站的定义是指额定电压大于IkV，小于lOkV的电站。其中常用的有3300V／3000V、6600V／6300V和11000V／1OOOOV等三个等级，上述等级中分子、分母分别表示频率为60Hz和50Hz时的额定电压值。在中国的船级社钢质海船入级规范中将低电压和高电压做了以下的定义。低压系统是指工作于额定频率为50Hz或60Hz、导体问最高电压不超过1000V的交流系统，或在额定工作条件下导体间最高瞬时电压不超过1500V的直流系统。高压系统额定电压大于IkV但不超过15kV，额定频率为50Hz或60Hz的交流系统，或在额定工作条件下最高瞬时电压超过1500V的直流系统。本文将船舶电站理解为船舶的高压电站，并非中压或者中高压电站。

2.船舶高压电站的发展方向。

船舶业的电器装置正在逐渐增加，船舶电站自动化的程度也在不断加深，船舶电站和网络结构也开始变得复杂。尽管船舶的高压电站满足了船舶的大需求用电的问题。但是如何控制电流的使用量或者说是高压电站的稳定性、安全性和经济型，是未来的船舶高压电站研究的主要方向：

2.1系统的保护。高压电站相较于传统的低压电站相比来说，其电压要比传统的低电压电站高出十倍甚至更多，所以船舶的高压电站对系统的安全性和稳定性的要求更高，所以就需要系统保护船舶的高压电站

2.2经济性。船舶高压电站的电流容量越高，电站的电压等级将会对其经济型产生巨大的影响。所以由此可见，船舶的设计者应该要对船舶的具体情况进行详细的分析和研究，正确的控制高压电站的电流，选取电压等级。它主要分析的内容包括：电站电流短路的计算，主发电机及开关规格的估价等。

2.3自动化程度。由于船舶自动化程度正在不断加深，船舶行业已经由传统的简单单一的控制慢慢向智能技术转变。对于高压电站来说，智能的控制和管理能够最为科学的规划船舶的有限电能，进而对提高船舶电站的使用率有重要的作用。同时，船舶要建立健全监控系统，因为这样不仅可以提高船舶操作者的工作效率，而且还可以对船舶的安全进行监测。船舶中的功率管理这个系统可以更加有效的控制船舶电站中的电能，使其有合理科学的分配。高效的效率管理系统是一个船舶高压电站的关键和核心。

所以根据上面的描述，对于将来的大型船舶来说，使用高压电站是最合理的选择，并且船舶的高压电站在今后必定会得到广泛的应用。

二、船舶高压电站功率管理系统的概述

船舶的电站功率管理系统是电网能量管理系统。它早期的定义是：对船舶电站主发电机功率的调节和控制。但是由于船舶的发展越来越进步，所以船舶的电站功率管理系统不仅局限在发电机功率的调节和控制，更是对船舶电能的产生、分配、消耗等方面进行综合的控制。而且对船舶电站的监测和保护有着智能的管理。

因为船舶的高压电站拥有高电力容量和高电压等级的特点，所以船舶的高压电站功率管理系统更为重要，所以对其抱有更高更严格的要求。对于船舶来说，具有高压电站往往会产生大而多的电力负荷，比如说电力推进系统，大型的船舶需要采用挖掘机、起重机等，通常这些大的负载通常是动态负载，推进电机和发电机的电力负荷量相差无几，因此在推进电机的启动、调速、制动的过程中有着巨大的冲击力。所以在推进系统中，变频器和变压器的设备以及船舶的导航和监控系统等都需要高质量的电流，因此传播的高压电站功率管理系统中应该全面考虑出船舶运行的稳定性、机动性等方面，对船舶不仅要实现供电，更要完成能量使用的最优化。

船舶高压电站功率的管理系统就是利用中央控制器自动的控制船舶高压电站电能量的产生、分配和消耗，包括控制主发动机的开始和停止，主开关的合闸和分闸，负载功率的限制。经过电子调速器、电器调压器来保障电站的稳定和电能的质量。功率管理系统还会对船舶的高压电站进行监测利用人机界面的显示内容，检查船舶设备的状态。一旦船舶的高压电站出现问题，功率管理系统就会自主发出报警信号，而且可以智能的控制故障范围的扩大，尽可能的减少损失。

船舶的高压电站功率管理系统是船舶电站的关键部分，它主要是通过对船舶高压电站进行集中全面的管理，来保证高压电站的稳定以及电站的电能质量。从而可以保证船舶的安全运行。

三、船舶高压电站功率管理的组成及系统

1、船舶高压电站的主汇流排。高压电站一般分为左右两侧。船舶高压电站在中间是由母联开关连接起来的，分别是通过两台发电机发电、高压配电板为高压载体和传统低压载体进行供电。每当电压的负荷较低，母联开关就可以自动选择闭闸状态，只对一侧进行供电，并且将出现故障的电路切断，从而保证供电的连续性。

船舶高压电站单侧的开关柜主要包括母联柜、测量柜、主发电机柜、高压/低压负载柜这几个方面。每个开关柜都是由母排进行连接的，母排下面连接高压开关，在以此连接高压电站设备。比如高压发电机和高压电动机等。每个开关柜都会设置电器保护装备，利用发出的报警信号自动隔离故障部位，以防止故障在电网中更大面积的扩展。因此，可以减少船舶的损失，保护高压电站。

母联柜的母联开关关键是用在控制高压电站左右两侧的连接或者是断开。主发电机柜、高压负载柜、低压负载柜是控制高压设备连接或者断开的的高压电站。它和传统的低压电站相比，高压电站特别设置测量柜，母线测量系统、发电机手动并车装置、母联开关手动并车装置都在测量柜内，并且是功率管理系统的后备系统。当两侧的电压同步或者是单侧电网络没有电的时候，母联开关就会通过手动并车这个装置进行智能闭闸。

高压电站两旁的开关柜分别在不同的控制下，而且还会保留一定的距离，这点距离是在保证其他设备之间的安全范围之内。当一侧高压出现故障的时候，或者有母线引起的爆炸的时候，可以保证另一旁的开关处于安全状态。

2、高压电站功率管理系统的硬件组成

功率管理系统的整体结构，其硬件主要由主控制单元、信号采集单元、电子调速器、电子调压器、人机操控界面、手动并车装置、报警单元和不间断电源组成。

2.1信号采集单元主要采集主柴油机、主发电机、高压开关、电力负载等设备的运行状态、参数等信号，并将其传输到主控制单元。

2.2主控制单元通常为PLC，对采集的信号进行分析，再通过已编好的程序，向主发电机组、电子调速器、电子调压器、高压开关等发出指令，从而实现主发电机组的起动、停止、调频调载、高压开关的合分闸等功能。

2.3电子调速器的功能为设定主发电机组转速的给定值，通过控制主发电机组的油门限度进而控制主发电机组的转速，使之与给定值保持恒等。

2.4电子调压器的功能是维持高压发电机的端电压在允许的范围内；在船舶发电机并联运行时，合理分配各发电机承担的无功功率。

2.5人机操作界面主要为了船舶操作人员对船舶电站进行监测、控制和管理，在操作界面上操作人员可以根据实际需要调整功率管理系统的参数，充分体现了功率管理系统的智能性。手动并车装置的作用是当自动并车功能出现故障时，操作者可以手动实现船舶发电机的并车。

2.6电站的并车、解列等操作。报警单元的主要作用是当船舶电站发生故障或者检测参数超过设定范围，功率管理系统会自动发出报警，并根据报警自动发出控制指令，尽可能地将损失降至最低，进而提高了船舶电站的安全性。

2.7不可间断电源保证了船舶功率管理系统的工作连续性，此电源将正常电源、应急电源、蓄电池组电源并联，从而使得功率管理系统电源处于随时可用状态。

3、高压电站功率管理系统的功能

船舶的高压电站功率管理系统的关键内容是对电能的调控和管理，它主要的作用有四个方面：

3.1供电管理。供电管理这一方面是对船舶电站的供电网络每个时间段进行检测，对供电管理实施进行监控，是船舶电站安全运行的依据，供电管理就是保证船舶连续、可靠的供电。供电管理的功能又包括船舶主发电机组的自动启动；主发电机自动并网、调频调载；主发电机的自动解列和主发电机组的停车；在网发电机最少台数；发电机组启动的优先顺序等。

3.2负载管理。由于船舶电站电力负载的增加，船舶电站功率管理系统对负载的管理和控制越来越重要。然而船舶高压电站电力负载管理一般包括大型的电力装备比如电力推进系统，大型的起重机。这些装备的变化就会引起船舶高压电站的变化。船舶高压电站的功率管理系统会对电站的负载情况进行控制，提高经济型。

3.2.1重载问询。部分大型的电力装备的负荷量和发单机的容量相差无几，一旦这类设备启动时就会对电网造成巨大的冲击，如果发电机容量不足，就会造成主发电机开关跳闸，甚至会造成整个船舶停电的现象。因此，在重大负荷设备启动前，就会首先向高电站功率管理系统发出信号，如果满足负载要求的容量条件，就向负载发出允许启动的信号，反之，如果不满足，就会自动增加联网发电机机的台数，直到满足条件在发出信号。

3.2.2负载功率限制。当较大负荷电力设备比如说发电机的推进设备在运行中，功率管理系统已经发出电力负载不足的信号，这是管理系统就会对负载进行功率的限制控制。

3.2.3断开次要的负载。通常对于发电机的负载高于预先数据，功率管理系统就会向电力负载发出减载的命令，但是如果在规定的时间内减载数量不够，系统就会向高压电站发出多次的次要开关脱扣的指令。

四：船舶高压电站功率管理系统硬件的的选择

1、对主控制单元硬件的选择。因为船舶电站的环境中条件差，所以采用编程逻辑控制器（PLC）稳定性和抗干扰性对比计算机来说具有优势。所以在高压电站中一般利用PLC进行控制和管理。

2、对信号采集单元硬件的选择。为了和功率管理系统的主控制单元的控制器相匹配，所以采用信号单元传输速度快，性能优越的单元硬件。

结束语

综上所述，船舶的高压电站功率管理系统是一个船舶运行的核心因素。为了提高船舶的安全性和稳定性，所以本文对船舶高压电站和功率管理进行了详细的介绍和分析。由于高压电站出现的时间较短，所以在实践的过程中会遇到一些问题。因此我国的船舶设计者和操控者要对这些问题进行研究和解决，保障船舶高压电站的经济安全和稳定。

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