船舶发电系统综合保护装置概要.docx
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船舶发电系统综合保护装置概要
渤海船舶职业学院毕业论文
论文题目:
用单片机实现的船舶发电系统综合保护装置
作者:
指导教师:
单位:
专业:
班(年)级:
论文提交日期:
2008年12月10日
摘要
本文对船舶电力系统进行了一定的介绍,简要论述了船舶发电机在运行过程中可能出现的不正常状况和故障,以及相应的保护措施,并对研制该试验装置的意义和必要性进行了说明。
船舶发电机综合保护试验装置主要是由船舶发电机控制屏、继电器保护单元、电网参数(电压、电流)检测与变送单元、AID转换单元、频率及功率因数角检测单元、开关量输入输出单元、中央处理单元、通信电平转换单元、上位PC机控制单元和键盘显示单元等组成,本文对船舶发电机综合保护试验装置组成部分的相应的硬件和软件设计都进行了介绍。
船舶发电机综合保护试验装置能够实现操作训练、故障设置、系统监控等功能,模拟了船舶电站在正常和非正常工况下船舶发电机可能出现的各种问题和故障,能够达到技术人员的基础培训,提高解决使用中出现问题的能力。
关键词:
电站船舶发电机试验装置单片机
目录
第1章绪论……………………………………………………………………….1
1船舶电站简介………………………………………………………………….1
2课题的提出…………………………………………………………………….2
1.2.1课题的提出……………………………………………………………….2
1.2.2研制船舶发电机综合保护试验装置的意义…………………………….2
第2章船舶电力系统…………………………………………………………….4
2.1船舶电力系统的组成[l]……………………………………………………..4
2.1.1电源……………………………………………………………………4
2.1.2配电装置………………………………………………………………5
2.1.3船舶电力网……………………………………………………………5
2.1.4负载……………………………………………………………………5
2.2船舶电力系统的特点及对其基本要求…………………………………...6
2.2.1船舶电力系统的特点…………………………………………….…...6
2.2.2对船舶电气设备的基本要求…………………………………………7
2.3船舶发电机综合保护……………………………………………………...9
2.3.1短路保护……………………..………………………………………..9
2.3.2过流、过载保护……….……………………………………………...9
2.3.3欠压保护………………………………….…………………………..10
2.3.4逆功率保护…………………………………………………………...11
第3章船舶发电机综合保护试验装置的总体设计……………………………12
3.1船舶发电机综合保护试验装置的总体结构………………………….…….12
3.2单片机控制系统的设计……………………………………………………..12
3.3船舶发电机继电保护单元…………………………………………………..13
3.4上位PC机与键盘显示单元………………………………………………...14
第4章系统的硬件设计…………………………………………………………16
4.1主控单元((MCU)……………………………………………….……...16
4.2模数转换模块………………………………………………………………..17
4.2.1电量变换单元…………………………………………….……………..18
4.2.2A/D转换单元..……………………………………………….………..18
4.3频率测量模块……………………………………………………………….22
4.4串行通信模块………………………………………………………………..23
4.4.1串行通信简介…………………………………………….……………..23
4.4.2串行通信波特率的设置………………………………………………...25
4.4.3通讯模块原理及接口电路……………………………………………...26
4.5键盘与显示单元…………………………………………………………….27
第5章系统的软件设计…………………………………………………………30
5.1概述……………………………………………………………….………30
5.2上位PC机监控软件设计………………………………………………..30
5.3单片机控制系统的软件设计…………………………………………….33
5.3.1系统的主程序……………………………………………………….33
5.3.2数据采集子程序设计……………………………………………….34
5.3.3串行通信子程序设计……………………………………………….36
5.4键盘显示单元程序设计………………………………………………….39
5.5系统软件设计中提高可靠性的方法…………………………………….42
第6章结论………………………………………………………………………43
致谢…………………………………………………………………………………………..4
第1章绪论
1.1船舶电站简介
船舶电站是指船舶上将非电形式的能量转为符合要求的电能,并向船舶电网
供电的设备的总称。
它由原动机、发电机和主配电装置组成。
根据带动电动机的
原动机的不同,船舶发电机组主要分为以2下几种:
①柴油发电机组:
用柴油机
带动的发电机组,这种类型的发电机组目前用的最多,这是由柴油机的效率高、
机动性强、启动快等优点所决定的;②汽轮发电机组:
用汽轮机带动的发电机组;
③轴带发电机组:
用主机转轴带动的发电机组;④核子发电机组:
采用原子反应
堆作为能源使锅炉工作,产生高温、高压蒸汽,带动汽轮机再带动发电机发电的
机组。
目前船舶发电机组多采用柴油机发电机组。
船舶电站是船舶动力系统的重要组成部分,船舶上各种辅机、通讯导航设备、
照明设备等的电能都是靠船舶电站提供的,船舶如果没有了电能,就会如同折翅
的鸟儿失去飞行的动力,成为一艘死船。
所以船舶电站管理人员要能够正确、熟
练的对船舶电站系统进行管理、使用和操作,以尽量避免由于管理人员的误操作
而导致全船断电和由此产生的对人身、财产安全的威胁,尤其是恶劣海况时的误
操作可能造成极大的人身伤亡和财产损失。
而在实船上对船舶电站管理人员进行电站管理、操作的训练是相当困难的,而且局限性也很大,所以陆地上建立船舶
电站试验装置是十分必要的。
1.2课题的提出
1.2.1课题的提出
船舶电站是船舶的重要组成部分,船舶发电机的综合保护为船舶电力系统安
全供电提供了重要保证,同时也为船舶的安全稳定航行提供了可靠保障。
随着科
学技术的发展,船舶电站也向着自动化和智能化的方向发展,因此,要求轮机员
必须具有较强的基础理论与动手能力,熟练掌握船舶电站的运行规律,能够及时
发现电站运行过程中可能出现的各种故障,以及各种潜在的危险,对船舶电站故
障有一定预测、判断、排除以及应变能力,并能及时有效的加以处理,保证船舶
电力系统的供电畅通。
船舶发电机综合保护试验装置的设计及研究,全面清楚的认识和掌握船舶电站的运行过程和规律,以及运行过程中可能出现的各种故障。
1.2.2研制船舶发电机综合保护试验装置的意义
现代船舶电气化、自动化程度越来越高,对船舶电站以及电力系统依赖越来越强,因此对船舶电站以及电力系统的要求也就越来越严格。
不仅要保证在最恶劣的环境下不中断的对船舶供电;还要在工况多变的情况下,维持较高的供电品质。
为此,现代船舶除了要装备性能优良,工作可靠的发配电及控制设备外,还应提高船舶电气管理人员的技能与素质。
船舶发电机综合保护试验装置将微机控制、单片机控制以及键盘显示结合在一起,可以模拟电站运行的动态过程,通过该试验装置,了解并熟练掌握船舶电站的工作过程,以及在运行过程中可能出现的各种故障,并掌握对故障排除的能力。
第2章船舶电力系统
2.1船舶电力系统的组成
船舶电力系统主要由电源、配电装置、电力网和电力负载四部分组成。
其单线图,如图2-1所示。
2.1.1电源
电源是将机械能、化学能等能源转变成电能的装置。
船舶电源主要为发电机,蓄电池只能作为小应急电源。
2.1.2配电装置
配电装置是对船舶电源、电力网和电力负载进行保护、测量、监视和控制的装置。
它包括各种开关电器、测量仪表、互感器、连接母线、继电保护、自动装置及各种辅助设备。
根据供电范围和对象的不同,配电装置可分为主配电板、应急配电板、各种照明及动力分配电板及蓄电池充放电板等。
2.1.3船舶电力网船舶电力网是全船电缆电线的总称,其作用是将电能的生产者(各种电源)和电能的消费者(各种电力负载)联系起来。
船舶电力网根据其所联接的负载性质,可分为动力电网、照明电网、应急电网、小应急电网等。
2.1.4负载
船舶电力负载大体可分为如下几类:
(1)船舶各种机械的电力拖动
甲板机械—舵机、锚机、绞缆机、起货机、舷梯绞车、吊艇机等;
舱室机械—各种油泵、水泵、空压机、冷冻机、通风机、空调设备等;
电力推进船舶或特种工程船舶使用的推进电动机及生产机械用电。
(2)船舶电气照明
工作场所和生活舱室安装的各种照明灯具及各种航行灯和信号灯具用电。
(3)船舶通信和电航设备
船舶通信设备有线电收发报机、电话、广播、声光报警装置、电车钟、舵角
指示器等。
电航设备有陀螺罗经、雷达、罗兰、无线电测向仪、电测深仪、电记程仪等。
(4)其他用电设备
如电热器、洗衣机、电视机、录像机等家用电器。
2.2船舶电力系统的特点及对其基本要求
2.2.1船舶电力系统的特点
与陆上大电力系统相比,船舶电力系统有如下特点:
(1)系统容量与发电机单机容量及类型
船舶电力系统一般电源只有一个电站,电站大多由2-4台相同型号的发电机
组构成。
单机容量不超过1000KVA,电站总容量不超过2000KVA。
陆上电力系统一般由许多个不同类型的发电厂组成其电源,电力系统的总容量最小的为1000MW,大者则高达l05MW以上,单台发电机容量最大已达1200MW。
船舶发电机的原动机多采用柴油机,因其启动快,机动性强。
随着节能的需求,轴带发电机及废气汽轮发电机的使用也渐渐增多,核能只用于军舰及破冰船上;陆地上考虑效率和经济性,火电厂及热电厂多采用汽轮发电机,原子能电厂的原动机也仍用汽轮机,汽轮机因转速很高(3000/min),故发电机多采用隐极机,水电厂使用水轮发电机,水轮机组因转速很低,大多与柴油发电机相似,都采用凸极发电机。
(2)配电装置
由于陆上电力系统容量大,输电距离长,为了降低工作电流,减少电压损耗
及功率损耗,因此发电机输出电压达数千伏甚至几万伏,输电线路最高电压已达
500KV。
开关电器大多采用高压设备,各种变、配电装置种类繁多,以适应不同电压等级,不同绝缘水平的需要。
继电保护与自动装置比之船舶也复杂得多,仅发电机保护就有差动、速断、过流、转子一点接地、两点接地等多种,电网保护则有过流、距离、高频等多套保护。
另外还有母线保护,防雷及接地保护等。
自动装置已发展到以计算机为中心的电力系统自动监视和控制环节,保证系统安全经济运行。
自动监控系统能满足电力系统并列运行的稳定性和供电可靠性的要求,保证电能质量及控制电力设备运行参数,对电力系统中机组的有功和无功功率及某些节点的电压进行监视与测量,对联络线和变压器的传输功率进行控制。
为与自动监控系统配套,遥测、遥信、遥调与遥控等远动装置在陆上大电力系统中也已经普及,实现了调度中心与发电厂、变电所之间实时信息的自动传输。
船舶电力系统因容量小,送电距离短,电压等级少而低,目前大多数采用500V
以下的电压,故变电设备、配电设备、开关电器、绝缘要求、继电保护与自动装
置都比陆上简单。
(3)电力网
陆上电力网主要由架空线及电缆构成。
架空线由导线、杆塔、绝缘子和属具组成,电缆则由导电芯线和包覆芯线的绝缘材料和外护层组成。
陆上电力系统输电线路电压高、距离长,大多采用架空线。
架空线利用空气和绝缘子实现导体线间绝缘和导线与大地的绝缘。
为防止空气被电压击穿,线间距离随电压的提高而加大。
并容易受外力破坏而发生故障。
电缆在传输高压电时,因绝缘要求高而使工艺复杂,造价比架空线高许多倍,故除非特殊需要,陆上的电力网一般均使用架空线。
船上由于环境的限制,加之供电电压低、距离短,因此全部采用电缆。
电缆线路具有可靠性高,遭受雷击和外力破坏的可能性小的特点。
(4)船舶负载的特点
船舶负载主要是电动机及照明装置。
船上某些大电动机的功率与船舶电站运行发电机的功率可相比拟,大电动机起动电流甚至超过发电机额定电流,因此相互影响大。
电动机起动时,电网电压降落大,发电机组的转速与频率波动也大,因此对船舶发电机的调压器与调速器都提出了较高的要求。
陆上电力系统容量比每一个负载的功率要大得多,可以认为是无限大容量电源,电源的内阻为零,电源的电压可认为是一个常数。
2.2.2对船舶电气设备的基本要求
船舶设计与建造时,对电气设备的选择及安装必须考虑船的航线、种类、吨位、主机的种类和功率以及有无特殊要求等条件。
无论什么种类的船舶,对其所安装的电气设备都应注意满足下述基本要求:
(1)保证供电的可靠性
保证供电可靠是船舶电力系统运行中的一项极为重要的任务。
中断船舶供电,会使船上作业停顿、生活混乱,甚至危及人身和设备的安全,从而造成极大的经济损失。
因此船舶电力系统的首要任务就是要满足船舶对供电可靠的要求。
造成船舶供电中断的原因很多,例如可能是船舶电力系统的设备发生了故障,如发电机、变压器、输电线路等发生了故障;也可能是系统的全面瓦解崩溃,如稳定性遭到破坏而导致系统瓦解等。
保证船舶供电的可靠,首先要求系统元件(如发电机、变压器和输电线路等)的运行具有足够的可靠性,元件发生故障不仅会直接造成船舶供电中断,而且可能发展成为全局性事故。
其次,要求提高系统运行的稳定性,增强系统的抗干扰能力,保证不发生或不轻易发生造成大面积停电的系统瓦解事故。
为此,要不断提高轮机员的技术水平和责任心,防止误操作的发生,在事故发生后能够尽量及时的采取有效措施,从而防止事故的进一步扩大,此外我们还要采取现代化的监测、控制和保护装置等手段,来预防事故的发生。
(2)保证良好的电能质量
衡量电能质量的主要指标是电压、频率和波形,在船舶电力系统正常运行时,主要保证电压和频率的偏差不超过规定的范围。
(3)为船舶提供充足的电力
船舶电力系统担负着为全船各用电设备提供安全、可靠的供电的使命,为此我们要对其加强维护、科学管理,提高运行操作水平,防止事故发生,减少事故次数。
(4)提高船舶电力系统的经济性
在保证船舶供电可靠和良好电能质量的前提下,进行优化调度,最大限度的提高电力系统运行的经济性,为船舶提供充足的电能。
以上是对船舶电力系统的要求是相互关联的,当然有的也是相互矛盾的。
因此,我们应该从实际出发,采取切实可行的措施,提高船舶电力系统安全经济运行水平。
一般来说,一个可靠性指标差的船舶电力系统根本谈不上优质和经济,而电能质量差的船舶电力系统也就无从谈起可靠性和经济性了。
对可靠和优质的要求,有时候会与经济性发生矛盾。
因此,无论我们在考虑其中哪一项要求时,都应该兼顾其他各项的要求。
2.3船舶发电机综合保护
2.3.1短路保护
短路故障对船舶电站所造成的后果是十分严重的。
发生短路时,由于外部电路负载被短路,发电机定子绕组中产生极大的短路电流,电网电压也急剧下降。
例如:
当发电机端部发生三相短路时,短路电流可以达到额定电流的十倍以上,此电流产生的热量和机械力可比正常值大一百倍以上,对发电机有巨大的破坏作用。
发电机短路的原因很多,但不外乎是维护不周,检修不良,受到机械损伤,绝缘老化,误操作等等。
防止短路故障的最好手段是操作人员加强对电站设备的日常维护,定期的检查绝缘情况,认真地执行操作规范。
处理发电机短路故障,通常在技术上采用继电保护装置,以限制短路的破坏作用,并保证在故障发生后,能自动地、迅速地切除故障部分,最大限度地保护整个电站,避免故障的进一步扩大;处理发电机短路的原则就是既要保护发电机,又要保证不中断电网供电,因此要兼顾到保护的选择性和快速性问题。
实现选择性的两个基本原则:
时间原则和电流原则。
根据以上原则,并考虑到保护的可靠性,我国的《钢质海船入级与建造规范》(以下简称“规范”)作了这样的规定[8]:
“对于船舶发电机外部短路保护一般应该设有短路延时和短路瞬时动作保护。
短路短延时保护的启动电流整定为3到5倍的发电机额定电流。
动作时限则整定为0.2到0.6秒,作用于发电机跳闸,短路瞬时保护的启动电流整定为5到10倍的发电机额定电流,瞬时动作于发电机跳闸。
”
2.3.2过流、过载保护
当船舶电站在运行过程中,如果发电机的容量不能满足负载增长的需要时,或者因并联运行的发电机间因为负荷分配不恰当时,都可能造成发电机过载现象的发生,也就是运行着的发电机的输出功率或者电流超出了其额定值。
不论是负载电流超过了发电机的额定电流,还是负载的有功功率超过了发电机的额定功率,这都将对发电机产生不利的影响。
发电机如果长时间在这种不正常的状态下运行,会使发电机过热,引起绝缘老化和损坏,以及原动机的寿命缩短和部件损坏等。
所以,应装设相应的保护,以保护发电机组。
对于同步发电机的过载,可以用过电流来加以检测。
因为同步发电机上装有自动电压调整器,在电压不变的情况下,当发电机过载时,必然要出现输出电流过大的现象,所以只要监视输出电流就可以间接地判断系统是否过载。
对同步发电机过载采取的保护措施和处理方法,也要兼顾到两个方面:
一方面要保护发电机不受损坏;另一方面还要考虑到尽量保证不中断供电。
因此,当发电机过载时,延时确认报警之后要根据过载的大小来判断应该采取的措施。
将一部分不重要的负载先自动卸掉,以消除发电机的过载现象,并保证重要负载的不间断运行。
2.3.3欠压保护
当调压器失灵或由于发电机外部发生持续性短路故障没有及时切除等原因时,都将出现发电机电压下降的现象。
“规范”规定[8]“并联运行的发电机应设有欠压保护,并能满足如下要求:
1、用于避免发电机不发电时断路器若合闸则瞬时动作:
2、当电压降至额定电压的70%到35%时,应经系统选择性保护要求的延时动作方能动作。
”
发电机在欠压的情况下运行,会引起电机电流的增加,电动机转矩下降,发电机过热,绝缘老化,这些对发电机本身和异步电动机的运行等都是不利的。
因此,维持船舶发电机端电压恒定(在允许的范围内变化)是非常重要的。
自动电压调整器能够自动的调整发电机励磁,使发电机端电压保持在允许变化的范围内。
“规范”对动态指标的规定为:
“交流发电机在负载为空载、转速为额定转速,电压接近额定值的状态下突加或突卸60%额定电流及功率因数不超0.4%(滞后)的对称负载时,当电流跌落时,其瞬态电压值应不低于额定电压的85%;当电压上升的时候,其瞬态电压值应不超过额定电压的120%,而电压恢复到与最后稳定值相差3%以内所需要的时间应不超过1.5s。
"
发电机欠压保护的任务就是当发电机在低电压时,保证发电机合不上闸,或者能够自动从电网中断开。
2.3.4逆功率保护
当几台同步发电机并联运行时,若其中一台发电机的原动机出现故障,例如原动机燃油供应中断或者发电机与原动机的联轴节损坏等,便会产生逆功率现象。
发生逆功现象时,故障机不但不发出有功功率,反而要从系统中吸收有功功率,即同步发电机变成了同步电动机。
船舶电网出现逆功率时,将对系统产生不利的影响,极有可能造成另一台在网机的过载,所以要对发电机实行逆功率保护措施,其主要任务是当发电机出现逆功率运行时,将该故障发电机从系统中切除。
由于逆功率保护具有一定的时限,不需要立即脱网,根据“规范”要求:
“当原动机为柴油机时,整定为发电机额定功率的8-巧%;当原动机为汽轮机时,整定为发电机额定功率的2-6%.”本试验系统中整定逆功率限值为额定功率的10%,延时确认时间为5秒。
当并联机组中出现一台机组逆功,并达到保护的启动值后,系统延时5秒钟报警,并判断此时是否有正常的备用机组,若有就启动备有机组,并迅速调用直接停机程序,阻塞机组。
备用机组启动成功后,开始并车,不论成功与否,均向系统汇报。
第3章船舶发电机综合保护试验装置的总体设计
3.1船舶发电机综合保护试验装置的总体结构
船舶发电机综合保护试验装置主要是由船舶发电机控制屏、继电器保护单元、电网参数(电压、电流)检测与变送单元、AM转换单元、频率及功率因素角检测单元、开关量输入输出单元、中央处理单元、通信电平转换单元、上位PC机控制单元和键盘显示单元等组成,硬件结构图如图3-1所示。
图3-1船舶发电机综合保护试验装置硬件结构图
其中,电网参数检测与变送单元、A/D转换单元、频率及功率因素角检测单元、开关量输入输出单元、通信电平转换单元和中央处理单元构成单片机控制系统,系统中固化了INTELHEX文件;上位PC机和键盘显示单元通过与单片机控
制系统之间进行串行通信实现对实验数据和操作命令的传输,最终实现上位机对船舶发电机综合保护试验装置的遥控和遥测。
而继电器保护装置是一套相对独立的试验装置,可以通过手动的方式实现对船舶发电机的过载、外部短路、欠压和逆功率等四项实验。
3.2单片机控制系统的设计
单片机控制系统是上位PC机与继电保护试验装置之间的联系纽带,它主要由中央处理单元、通信电平转换单元、周期测量单元、相位差测量单元、A/D转换单元、开关量输入/输出单元、波形变换单元、交直变换单元和继电器驱动单元等部分组成。
其中:
交直变换单元的直流电量输出到A/D转换单元,再由A/D转换单元(包括三相电压和三相电流)送中央处理单元;波形变换单元的方波输出送到周期测量单元和相位差测量单元,测量结果(16位数字量)再送中央处理单元;继电保护试验装置改造过程中引入了众多继电器。
其中一部分继电器常开触点状态量经由开关量输入单元送中央处理单元;中央处理单元送来的动作指令通过开关量输出单元发送到继电器驱动单元,驱动与试验装置内部动作继电器触点并联的另一部分继电器触点开合,从而实现各种实验状态;经过通信电平转换单元,中央处理单元发往上位机的信号电平从原有的TTL电平变为RS-232电平,PC机通过串口发往中央处理单元的RS-232电平变为中央处理单元可以接收的TTL电平,上下位机信号电平的匹配才可能实现上下位机的串行通信。
船舶发电机综合保护试验装置硬件结构图如图3-1所示,其中与继电保护装置有直接电气连接的有波形变换单元、交流变换单元、继电器驱动单元和开关量单元。
由于周期测量单元和相位测量单元可以识别的只有方波信号,所以波形变换单元的功能就是将从继电保护试验装置采集来的单相电压(Uab)、单相电流(Ia)正弦波信号分别转换为与之同频同相的方波信号。
而A/D转换单元可以识别的信号只限于0~5V的直流信号,所以从继电保护试验装置采集来的三相电压(Uab、Ubc、Uac)、三相电流(Iab、Ibc、Ia)信号首先要经过交直变换单元转换为与之成线性关系的直流信号,即将交流电量转换为交流电量的有效值。
3.3船舶发电机继电保护单元
在船舶发电机继电保护单元中,采用了AH-6B型的万能式自动空气断路器。
过载保护装置和外部短路保护装置由万能式自动空气断路器中的过电流脱扣器来担当,
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- 船舶 发电 系统 综合 保护装置 概要