603639319控制理论与控制工程硕士论文船舶自动化电站监控软件开发.doc

学校代码：10254密 级：论文编号：100708110101上海海事大学SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY硕士学位论文MASTER DISSERTATION论文题目： 船舶自动化电站监控软件开发 学科专业： 控制理论与控制工程 作者姓名： 指导老师： 完成日期： 二一年六月 论文独创性声明本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 论文使用授权声明本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。作者签名： 导师签名： 日期： 摘 要船舶电站是船舶及其电力系统的核心，船舶电站运行的可靠性、经济性对保证船舶安全、经济运行具有重要意义。船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，随着现代船舶电气化、自动化程度的不断提高，集中监控与管理船舶系统的各项参数指标在整个系统中占着及其重要的地位。良好的监控系统可以大大降低工作人员劳动强度，提高工作效率，提高供电的稳定性和可靠性。本文针对交流380V 50Hz船舶电站，以XBTGT5330触摸屏、Modicon M340 PLC和PPU为核心设计实现船舶自动化电站监控系统，结合PLC控制程序和基于触摸屏的人机界面软件开发了船舶自动化电站监控软件，将各个环节有机的联系起来，组成一个实时控制系统，采集来自各发电机、断路器、电网以及主要负载的必要信息和参数，并加以分析、判断，根据不同的条件自动采取必要的措施，处理电站运行中可能出现的各种情况，并根据电站的负载进行必要的控制。本系统利用上海海事大学施耐德电气联合实验室环境运行验证，可以有效地管理和监控船舶电站的运行状态，提高了电站的稳定性和可靠性，对于船舶电站的自动化管理以及远程监控的研究具有价值。本文完成的主要研究工作如下：1. 分析和研究船舶自动化电站结构和功能特点，以及其控制和保护方法，针对交流380V 50Hz船舶电站，设计实现以XBTGT5330触摸屏、Modicon M340 PLC和PPU为核心的船舶自动化电站控制系统。2. 完成船舶自动化电站PLC自动控制程序设计，控制系统自动通过采集电站运行的各项参数指标，判断船舶电站当前工况；根据不同工况采取相应的控制策略，以达到使船舶电站安全、高效的供电目标。3. 利用XBTGT5330触摸屏及组态软件开发船舶自动化电站监控人机界面，实时监控电站运行、故障报警以及历史记录的查询和打印；在遥控模式下，通过人机界面可以实现对电站设备的基本功能控制。本课题得到了国家科技支撑计划(2007BAF10B05)、上海市教育委员会重点学科建设项目(J50602)和上海海事大学研究生创新能力培养专项基金(yc2009019)的资助。关键词：船舶电站；监控；软件；人机界面；PLCABSTRACTShipboard power station is the heart of the ship and its power system. The reliability and economy of shipboard power station is significant for the safe and economic operation of the ship. Ship Power Automation is an important part of engine room automation. With the improvement of modern ship electrification and automation, centralized monitoring and managing the parameters of the whole ship become more and more important. A good monitoring control system can enhance the efficiency, stability and reliability of power supply, and reduce the labor intensity greatly. In this paper, a monitoring control system of shipboard automation power station is designed for the shipboard power station of AC380V 50Hz with the major equipment of XBTGT5330 Touch Screen, Modicon M340 PLC and PPU. The monitoring control software is developed with PLC control program and touch screen based HMI. All links together effectively form a general control system which collects information from generators, circuit breakers, power grid and the main loads, gives analysis and determinations, takes appropriate measures under the right conditions to deal with the problems it may arise, and control according to the loads. The System transfers the data to PC with the technology of network, which provides very important data for the realization of moving target monitoring. The system has been run in Shanghai Maritime University - Schneider Electric joint lab, the experimental results show that it can manage and monitor the working status of shipboard power station effectively, improve the stability and reliability of the power station, and be valuable for the management and remote monitoring of shipboard power station.The main research work achieved in this dissertation is described as follows:1. It analyses of structure and function of ship power plant automation features, as well as its control and protection methods, and designs a monitoring control system of shipboard automation power station for the shipboard power station of AC380V 50Hz with the major equipment of XBTGT5330 Touch Screen, Modicon M340 PLC and PPU. 2. An automation control program based on PLC is designed for the monitoring control system of shipboard automation power station. The system collects the parameters of the power station, judges the conditions of the shipboard power station, and takes the right control strategy to make the power supply effective and safe.3. A human-machine interface (HMI) is designed with the XBTGT5330 touch screen and configuration software. It displays the real-time parameters and information of fault alarm. Records can be queried and printed. Under the mode of remote, you can control the power station equipment through the human-machine interface.This dissertation is supported by the national science and technology support plan (2007BAF10B05), Shanghai Municipal Education Commission Key Subject Construction Project (J50602) and the Shanghai Maritime University fund for the creative ability of graduate students (yc2009019).Jiang Xiaofeng (Control Theory and Control Engineering)Directed by Prof. Shi WeifengKEYWORDS: Shipboard power station, Monitoring control, Software, HMI, PLC目 录第一章 绪 论11.1 研究背景与意义11.2 船舶自动化电站系统发展与现状21.3 PLC及其触摸屏在船舶自动化电站中的应用21.3.1 PLC在船舶电站中的应用21.3.2 触摸屏在船舶电站中的应用41.4 本课题的研究内容与意义4第二章 船舶自动化电站控制与保护功能62.1 船舶电力系统组成与控制62.1.1 船舶电力系统的组成62.1.2 船舶自动化电站的控制功能72.2 船舶电站的保护功能82.2.1 船舶同步发电机外部短路保护92.2.2 船舶同步发电机过载保护122.2.3 船舶同步发电机欠压保护142.2.4 船舶发电机逆功率保护15第三章 船舶自动化电站系统163.1 船舶自动化电站硬件系统构成163.1.1 系统结构163.1.2 主要技术数据及使用要求183.1.3 主控制屏构成183.2 主要设备选型及性能参数193.2.1 Modicon M340PLC介绍193.2.2 XBTGT5330触摸屏介绍193.2.3 发电机并车保护单元(PPU)193.2.4 主开关203.2.5 柴油发电机组203.3 系统性能指标213.4 系统标准与规范223.5 控制电路与接口信号223.5.1 控制电路223.5.2 接口信号243.6 基于Modbus的通讯方式283.6.1 Modbus通讯协议简介283.6.2 通讯设置29第四章 船舶自动化电站PLC监控程序设计314.1 监控软件结构及功能设计314.2 船舶自动化电站PLC控制程序设计334.2.1 Unity Pro编程软件简介334.2.2船舶电站PLC控制程序设计344.3 船舶发电机调频调载控制及原理444.3.1 船舶发电机频率调整454.3.2 并联运行时发电机组间的有功功率转移与分配47第五章 船舶自动化电站监控人机界面设计505.1 触摸屏编程软件Vijeo-Designer的介绍505.2 船舶自动化电站监控人机界面设计505.3 监控界面软件结构及控制功能实现54第六章 结论与展望59致 谢60攻读硕士学位期间公开发表论文及获奖情况61参考文献62附件一 船舶自动化电站PLC控制程序梯形图(部分)64附件二 船舶自动化电站监控软件使用说明71附件三 监控界面脚本程序(部分)73第一章 绪 论1.1 研究背景与意义船舶是现代水上运输的重要交通工具，也是人类在水面上活动的主要平台，对人类社会的政治、经济发展和人们日常生活、工作有着极其重要的意义。近年来随着相关科技日新月异的发展，对于船舶自动化的要求越来越高1。船舶电站自动化是船舶自动化的一个重要组成部分，也是船舶现代化的重要标志。随着航运业的发展，对船舶电力系统的可靠运行提出了越来越高的要求。船舶电力系统的控制、监视和跟踪管理也显得极为重要2。船舶电站是船舶电力系统的核心，对船舶的安全航行和经济效益有重要的影响，其供电的连续性、可靠性和供电品质将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力3。船舶电站自动化装置的发展过程，从六十年代采用继电器控制技术及后来的晶体管分立元件控制技术到七十年代的小规模集成电路及后来的中大规模集成、模拟电路控制技术，至八十年代的微处理机控制技术，九十年代的PLC控制技术。船舶电站的控制在七十年代后期形成了功能较齐全、性能较稳定的由数字集成电路与模拟集成电路组成的控制系统。进入八十年代世界各国先后研制单片机组成的微机控制系统4。九十年代PLC控制系统的可靠性己为世人所共识，产生了基于PLC控制的船舶电站、主机遥控、集中监视系统。随着计算机信息处理技术的发展，船舶电站自动化正朝着集散型计算机控制系统的方向发展5。计算机技术应用于船舶电站自动化系统，使得船舶电站成为集自动控制、监测、报警等于一体化的监控系统，船舶电站自动化技术是船舶工业科技战略发展应用研究的重要技术之一，是涉及计算机网络、数字化信息技术、现代控制技术、通讯、信息处理、光纤、传感器、电力电子等多种学科和技术综合应用的一体化产物。它需要研究网络技术(包括船用光纤、现场总线、工业以太网等技术)、智能柴油机电控技术、电力电子技术、微机技术等，以集成化、网络化、标准化、模块化、智能化、系列化等方式，向实现船舶电站综合自动化这个高层次阶段发展。它是开放式和网络化的未来船舶电站自动化的创新模式，具有自动化程度高、可靠性高、维护简洁等特点6。综上所述，船舶电站自动化是船舶科学技术的重要组成部分，其系统及设备发展极其迅速，更新换代的速度也是惊人的，船舶电站自动化技术正朝着数字化、智能化、模块化、网络化、集成化的方向迅速发展，这是今后国际船舶电站自动化技术发展总趋势。1.2 船舶自动化电站系统发展与现状从技术上看，船舶电站自动化经历了单元分立式控制、集中式自动控制和集散式自动化系统几个过程。单元自动化装置方面，自动并车装置，自动并车解列、自动负荷分配装置及AVR自动调压器等均已达到极高的可靠程度。在单元器件自动化基础上，将它们组成电站自动化装置，使其成为完整的电站自动化系统7。八十年代以来，随着微机技术的发展，先后出现过微机集中式船舶电站自动化系统，分散式自动化系统和集散式自动化系统。集中式系统便于集中控制，但故障的查找及维修较困难。分散控制对个设备模块分散控制，提高了系统的可靠性和可维护性，但与无人机舱集中管理的要求有一定矛盾8。目前船舶电站自动化正朝着集散型自动化系统方向发展。它结合了集中和分散的优点，克服了各自的缺点。美国的加州大学，日本长崎综合科技大学，德国的汉堡大学等都进行了卓有成效的研究。自动化系统在国内外船舶中的应用也逐年增多，它的技术指标、可靠性指标更高，功能更强。建立在网络通信基础上的集散型控制系统的出现，使电站自动化开始进入了一个全新时代9。1.3 PLC及其触摸屏在船舶自动化电站中的应用1.3.1 PLC在船舶电站中的应用船舶电站的自动控制在80年代后期形成了功能比较齐全、性能较稳定的由数字集成电路与线性模拟电路组成的控制系统。由于船舶机舱环境恶劣，微机控制系统在防电磁干扰上或多或少存在一些问题，因此电站的微机控制系统并没有被船电领域的一些著名企业所接受。90年代PLC控制系统的可靠性己为世人所共识，其产品通用性强，仅需少量备件且易于在世界各地购置，因而得到广大客户的青睐。在这一点上SIEMENS公司以其世界大公司的气魄于九十年代初首先在机舱自动化中采用了通用性的PLC作为控制核心器件，淘汰了80年代闻名于世的微机控制系统，而代之基于PLC的新一代控制系统。到目前PLC控制的船舶电站、主机遥控、集中监测报警等系统也已不断的更新换代10。PLC是通用型工业控制器件，因其稳定可靠、功能齐全、应用灵活、操作方便及维修容易等显著优点，在各行各业已得到广泛的应用。PLC作为自动控制的三大技术支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一，成为大多数自动化系统的设备基础。由于综合了计算机和自动化技术，使它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业11。PLC控制系统中模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法，可以同时控制多个控制回路和多个控制参数12。目前，PLC可以实现多台PLC之间或多台PLC与计算机之间的通讯联网要求，从而组成多级分布式控制系统，构成自动控制网络。联网的方式主要有：(1) 通过通讯模块、上位机以及相应的软件来实现对控制系统的远距离监控。(2) 通过调制解调器和公用电话网与远程客户端计算机相连，从而使管理者可通过电话线对控制系统进行远距离监控13。PLC融合了现场总线技术，现场总线技术是当前工业自动化的热点器件之一。PLC采用现场总线后具有以下优点：(1) 系统的操作性好 不同厂家的多个设备可以工作在同一个系统中，并实现信息交换，从而使用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。(2) 控制的可靠性高 由于现场总线设备的智能化、数字化，使控制更快、更准确。(3) 安装的费用较低 采用现场总线连接多个设备，大大减少了电缆、接线端子、电缆桥架的用量。从而减少了设计、施工的工作量，并降低了安装的费用。(4) 系统的维护方便 现场总线设备本身具有自诊断能力，并通过数字通讯将有关诊断维护信息传送到控制室，设备维护人员可以查询整个生产设备的运行、维护、诊断信息，以便快速查找和消除故障14。1.3.2 触摸屏在船舶电站中的应用显示器作为人机界面 (HMI)是一种内含微处理芯片的智能化设备，它与PLC相结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯，可以生产流程模拟屏和电控柜内大量的中间继电器和端子排，所有操作都可在显示屏上的操作元件进行15。PLC可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理，并可对要显示的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII字符等方式进行显示。在显示画面上，通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态，如阀门的开与关，电机的启动与停止，位置开关的状态等。操作人员通过参数设定可进行参数调整，通过数据查询可查找任意时刻的数据记录，通过打印等可以保存相关的生产数据，为今后的管理和参数的分析带来便利16。随着使用计算机作为信息来源的与日俱增，触摸屏以其易于操作、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，使其在工业控制领域得到了广泛的应用。触摸屏是一个使工业控制或多媒体信息改头换面的设备，它赋予控制系统以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体人机交互设备。目前，触摸屏对于各应用领域的计算机或控制器已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。它极大的简化了工业控制中计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，使计算机展现出更大的魅力，解决了很多计算机所无法解决的问题。无论在显示、操作、调试或是数据存储上，触摸屏都显示出比传统的显示界面如数码管、液晶屏更加强大的优势。它不但可以完全替代一般的显示仪表、信号指示灯、操作按钮、转换开关等，而且还能以实时刷新的动态图表、丰富详实的数据记录、独树一格的三维动画、图文并茂的制作画面广泛应用在各种控制领域17。由于触摸屏具有以上的优点和运行可靠性高的特点，本系统将其引入船舶自动化电站控制系统，既可以作为人机交互界面，又可以作为硬件设备的备用设备，如按钮开关、转换开关、指示灯和仪表等。从而进一步提高了船舶电站自动化程度及其运行的可靠性。1.4 本课题的研究内容与意义本课题研究的对象为以PLC为核心控制单元的船舶自动化电站综合控制系统。利用Unity Pro编程软件设计船舶自动化电站PLC控制程序，采用Vijeo-Designer组态软件设计适用于XBTGT5330触摸屏的船舶自动化电站人机界面监控软件。通过软件程序设计和硬件电路搭建实现对船舶电站系统的手/自动综合控制与管理。实现的自动控制功能有：发电机组自动启动，自动准同步并车，自动恒频、恒压与功率分配，自动卸载、分级启动及重载询问，发电机自动解列、停机等。通过触摸屏人机交互界面显示并存储电站实时运行参数及历史数据，在出现故障的情况下产生并存储相应报警信息。提供历史数据及报警信息的查看、打印及传输等功能。触摸屏通过Modbus工业以太网发布监控界面，网内任何计算机可以通过不同级别用户名和密码访问监控界面，实现数据信息的查看和打印，在权限允许的情况下可以对电站进行遥控操作。船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，随着现代船舶电气化、自动化程度的不断提高，集中监控与管理船舶系统的各项参数指标在整个系统中占着及其重要的地位18；网络技术的普遍应用，港航移动目标的远程监控也成为船舶管理的一个重要方向。良好的船舶自动化电站系统可以大大降低工作人员劳动强度，提高工作效率，提高供电的稳定性和可靠性，对保证船舶安全、经济运行具有重要意义19。第二章 船舶自动化电站控制与保护功能2.1 船舶电力系统组成与控制2.1.1 船舶电力系统的组成船舶电力系统主要是由电源、配电装置、电网与负载四部分组成：1. 电源船上的电源装置通常是柴油发电机组和蓄电池。主发电机组是船舶的主电源，应急发电机组是应急电源，蓄电池组一般作为小应急电源。主发电机组不能供电时，由应急发电机组或蓄电池组向船舶重要航行设备和应急照明系统供电。2. 配电装置配电装置是接受和分配电能的装置，也是对电源、电力网和负载进行保护、监视、测量和控制的装置。包括各种电力开关、互感器、测量仪表、连接母线、保护电器、按钮、控制和转换开关、自动化没备及各种附属设施等。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、分配电板、充放电板和岸电箱等。3. 船舶电力网船舶电力网是全船电缆电线的总称。按其所连接的负载性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网、小应急电网等。4. 电力负载船上的用电设备形式很多，主要有动力负载(各种电力拖动机械)、照明负载、通信导航设备等，舰艇还有特殊的武器装备负载。动力负载往往占总用电量的70%左右，对于船舶电力负载大体可分为如下几类：(1) 船舶各种机械设备的电力拖动；(2) 船舶照明；(3) 通讯和导航设备；(4) 生活及其他用电设施20。2.1.2 船舶自动化电站的控制功能1. 电压自动调整。电压自动调整是对发电机磁场的自动调节，从而令发电机输出电压的稳定。衡量自动电压调节器的性能有两个，即静态特性和动态特性。一般情况下，静态电压调整率应不超过额定电压的±2.5%，动态电压调整率不超过额定电压的±15%，恢复时间不超过1.5s，电压波动不大于3%额定电压；2. 机组自动起动。机组自动起动应具有三次起动功能，若三次起动失败则应给出指示及报警。一般出现以下情况时，备用机组应自动起动：(1) 电网失电；(2) 在网运行机组的平均功率大于85%额定功率；(3) 在网运行机组发生故障需要换机或停机；(4) 机组接到人工起动指令时。3. 首机自动投入。在电站电网失电时，备用机组自动起动，最先起动成功的备用机组投入电网供用；4. 自动准同步并车。电站系统需要自动增加机组时，在备用机组起动成功后，自动进入准同步并车程序，根据并车三个条件：相电压相等、频率相同及相位差为零，自动测量和调整发电机电压、频率及相位，使并车三个条件满足并发出合闸信号，一般合闸信号要提前几十毫秒发出，并且待并发电机的频率要略大于电网频率；5. 自动调频调载。对已投入电网运行的发电机组自动实现频率及有功负荷分配制度，使各运行机组负载按比例分配，一般负载分配差度小于±5%额定功率，频率调节精度为±0.25Hz；6. 自动转移负荷及分闸(或称解列)。对已投入电网运行的机组出现以下情况时，则按顺序运行机组逐个解列：(1) 在网运行机组平均功率小于30%额定功率；(2) 机组有冷却水高温、滑油压力低等二级故障；(3) 有人工解列指令，且当前功率不大于85%额定功率。当解列机组的负载转移到小于10%额定功率时，发出分闸信号。7. 机组自动停机。当投入电网运行的机组解列分闸后，则该机组就自动停机。一般情况下，机组出现以下情况之一则自动停机：(1) 机组有严重故障(应急保护停机)或二类故障；(2) 机组平均负荷小于30%额定功率，则先解列再自动停机；(3) 机组接到人工指令需要停机。8. 重载询问控制。大负荷设备起动前发出询问信号，电站自动控制系统接到询问信号后进行储备功率计算，若储备功率大于大负荷设备的额定功率，则大负荷即可起动；若储备功率小于该设备的额定功率，则首先起动备用机组投入使储备功率满足条件后，大负荷设备才可投入运行；9. 原动机预润滑预热控制。电站机组在长期不用或环境温度较低的条件下，机组自动起动前首先要进行原动机的预润滑，主要是控制机组预供油泵投入运行一段时间，待机组起动成功后再停止，此后机组的润滑工作由机带润滑泵承担；其次，是对机组冷却水的预热，自动起动冷却水加热装置给冷却水预热。一般冷却水预热装置有电预热和蒸汽预热两种21。2.2 船舶电站的保护功能发电机是船舶的重要设备，保护发电机不损坏是船舶安全航行的首要保证。针对船舶发电机各种常见的不正常运行状态和故障，必须装设相应的保护装置。发电机安全保护一般来说主要包括如下几种：(1) 过载保护，当运行发电机的输出功率或电流超过其额定值时，过载保护起作用。一般情况下，当过载达110%120%额定值时，延时510s，自动卸掉部分次要负载；当过载达150%额定值时，延时1020s，使发电机自动跳闸；(2) 定子绕组内部短路保护，对于额定功率大于1000kW的发电机组，当发电机运行主开关未合闸时，发电机电流>130%额定电流，则发电机自动消磁保护；(3) 发电机外部短路保护，当发电机电流为35倍额定电流时，延时0.2s0.6s，使发电机跳闸；当发电机电流为510倍额定电流时，瞬时动作使发电机跳闸；(4) 欠压保护，对带时限的发电机欠压保护，当发电机电压低于其额定电压70%80%时，延时1.5s3s跳闸；对不带时限的发电机欠压保护，当发电机电压低于其额定电压40%75%时发电机跳闸；(5) 逆功率保护，当发电机出现逆功时，其逆功为8%额定功率，延时5s8s使发电机跳闸。(6) 以上为一般船舶电站安全保护系统应考虑的功能，在特殊情况下还应考虑过压、过频和欠频保护。由于船舶发电机的电压较低，并且又定期检查，经验证明，低压发电机内部故障出现的机会极少，所以一般不专门设继电保护装置。对于并联运行的发电机可能出现的定子绕组相间短路，可由电流速断器对电进行保护。根据钢质海船入级与建造规范规定，对船舶低压同步发电机，针对其可能出现的故障和不正常运行状态，主要设有如下继电保护：外部短路的过电流保护；过载保护；欠压保护；逆功率保护22。为确保船舶电站运行和供电可靠性，本系统应严格按照以上要求设计实现。具体保护措施原理、方法及其整定如下：2.2.1 船舶同步发电机外部短路保护 短路故障所造成的后果是非常严重的。发生短路时，由于外路电路负载被短接，发电机定子绕组中将产生极大的短路电流，电网电压也急剧下降，会使电动机停转，甚至使发电机全部断开，导致全船停电。为了防止短路故障，对于运行人员来说，应在平时加强对设备的维护管理，定期检查各主要电器设备的绝缘情况，严格执行操作规程，消灭误操作。为了限制短路故障的破坏作用，在技术措施方面则必须装设继电保护装置，以便故障发生后，能自动地切除故障部分，保护设备，防止故障扩大，保证非故障部分正常运行。1. 发电机外部短路保护对发电机外部短路故障的判断，因为发电机外部短路时，从发电机到短路点，必将出现很大的过电流，所以可利用这一特点，来检测发电机之外部短路。按照时间原则或电流原则在原理上都可以实现保护的选择性，但由于船舶输电线路较短，且阻抗较小，电网各段短路电流都很大，因此按照电流原则实现选择性保护往往是有困难的，而按照时间原则实现选择性保护，则整定比较容易，而且比较可靠。但是，完全按照时间原则实现选择性，往往又带来影响保护快速性和使保护装置复杂化等弊病，甚至是不可能的。因此，常常采用时间原则和电流原则混合的方法，以满足保护选择性和快速性的要求。一般船舶发电机都设有两套过电流保护装置。第一套为带时限的外部过电流保护装置，又叫短路短延时保护装置。如图2-1(a)中的QF1过流保护，它与QF2过流保护是以时间原则来实现选择性的。第二套为不带时限的电流速断保护装置，又叫短路瞬时动作保护装置。如图2-1(a)中的QF1的速断保护，它是以电流原则来实现选择性的，并保证了在靠近发电机端短路时，保护动作的快速性。显然，QF1的过电流保护装置又是一种后备保护装置，当k1点短路而其QF2的过电流保护装置不动作时，则QF1的过流保护立即动作，这种后备保护是完全必要的。图2-1 发电机短路保护装置及其整定2. 发电机外部短路过流保护的整定(1) 图2-1中发电机外部短路过电流保护装置(QF1过流保护)启动值的整定考虑对可靠性的要求，应把短路保护、过载保护和电动机自启动区分开来。当过电流保护的启动电流按照大于发电机的额定电流来整定，并使保护装置的返回电流大于在电动机自启动情况下的最大电流时，引入可靠系数Krel和自启动系数Ks后，返回电流Ire可表示为 (2-1)考虑到继电器的返回系数之后，启动电流为 (2-2)式中，Iop1为QF1的过电流保护启动电流整定值，IgN为发电机额定电流，Krel为可靠系数(Krel=1.31.5)，Kre为返回系数(Kre=0.50.9)，Ks为自启动系数(Ks=1.31.8)。将各系数代入式(2-2)得 (2-3)确定启动电流整定值之后，应校验发电机外部短路过电流保护的灵敏度，当作为远后备保护时，灵敏系数SP应为 (2-4)式中Ik2,min为末端k2点最小短路电流。(2) 图2-1中QFl的过流保护动作时限的整定考虑对选择性的要求，必须使QFl的过流保护的动作时限t1与QF2的过流保护的动作时限t2相配合，如图2-1(b)所示，按阶梯形时限特性整定，使t1比t2大一个t时间，即 (2-5)式中t1为QF1的过流保护动作时限，t2为QF2的过流保护动作时限，t为两相邻保护动作的时限之差。决定t的因素主要有：断路器的跳闸动作时间，时间继电器误差以及要有一定的裕度等。t大了动作会慢，因此应使t尽量小，但t太小了，易产生误动作。一般取t(0.150.25)s。所以，一般t1整定为t1(0.20.6)s (2-6)采用过电流保护，按照时间原则保证选择性时，越靠近电源处，动作时限越大，而越靠近电源，短路电流越大，则要求保护动作越快，这是一个矛盾。为此，要用电流速断保护来加以补充。并联运行的发电机，在发电机侧短路时，短路电流可能很大，为保证选择性，可采用电流速断保护。3. 发电机外部短路电流速断保护的整定电流速断是电流保护的一种，但它和过电流保护不同。过电流保护的启动电流的整定值是以躲开最大允许工作电流来整定的，而电流速断的启动电流的整定值，则是按躲开其外部短路电流来整定的。如图2-1(c)所示，按电流原则保证选择性时，发电机电流速断保护的启动电流Iqb应躲开k1点短路时的最大短路电流Ik1,max，所以，电流速断的启动电流整定值为 (2-7)若取Ik1,max=7IgN时，则上式为 (2-8)确定Iqb后，校验灵敏度SP，应满足 (2-9)电流速断保护的启动电流整定值是根据保护范围之内的短路电流整定的，在保护范围之外电流速断保护不应动作，所以它没有必要与保护范围之外的短路保护在时间上相配合。因此，电流速断保护是瞬时动作的。电流速断保护的优点是快速，比较简单可靠。考虑到在发电机近端短路时，对于保护动作快速性的要求，可以加装瞬时动作的电流速断装置来保护23。2