CN104410103A - 船用柴油发电机组保护与并车控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了船用柴油发电机组保护与并车控制装置，包括交流电流信号调理电路、交流电压信号调理电路、A/D转换电路、正弦波方波转换电路、模拟量输出电路、开关量输入电路、开关量输出电路、通信接口电路、外部命令输入电路、显示器驱动电路、显示器以及主控制器。A/D转换电路、正弦波方波转换电路、开关量输入电路和外部命令输入电路的输出端均与主控制器的信号输入端电连接，主控制器的控制输出端分别与模拟量输出电路、开关量输出电路和显示器驱动电路的输入端电连接；通信接口电路与主控制器双向电连接。本发明集数据采集、发电机组保护、自动同步并车控制、显示、通信等多种功能于一体，特别适用于船舶电站的发电机组自动控制系统。

Description

船用柴油发电机组保护与并车控制装置

技术领域

本发明涉及船用柴油发电机组保护与并车控制装置。

背景技术

船舶电力系统是独立电网，其容量相对负载是有限的。调节运行柴油机的转速，将直接影响电网的频率，从而对整个船舶电站的有功功率分配产生影响。通过保护与并车控制装置来维持发电机频率稳定和有功均衡分配，对船舶电网的可靠和稳定运行有着重要的作用和影响。传统的模拟电路组成的控制器存在许多不足之处，如控制精度不高、采用工控机作为控制核心使装置体积较大，成本较高等等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种船用发电机组保护与并车控制装置，其集数据采集、发电机组保护、自动同步并车控制、显示、通信等多种功能于一体，构成用于船舶电网综合自动化系统的智能终端设备。

本发明所要解决的进一步的技术问题在于提供一种船用发电机组保护与并车控制装置，其能使参与并车的柴油发电机组的功率实现较为均衡的分配。

本发明所采用的技术方案是：

一种船用柴油发电机组保护与并车控制装置，包括交流电流信号调理电路、交流电压信号调理电路、A/D转换电路、正弦波方波转换电路、模拟量输出电路、开关量输入电路、开关量输出电路、通信接口电路、外部命令输入电路、显示器驱动电路、显示器以及主控制器；

所述的交流电流信号调理电路用于接收外部电流检测传感器检测到的船用柴油发电机组的输出电流信号，所述的交流电压信号调理电路用于接收外部电压检测传感器检测到的船用柴油发电机组的输出电压信号和船舶电网的电压信号，该交流电流信号调理电路的输出端和交流电压信号调理电路的第一输出端均与所述A/D转换电路的输入端电连接；

所述正弦波方波转换电路的输入端与交流电压信号调理电路的第二输出端电连接；

所述的开关量输入电路用于接收船用柴油发电机组并车合闸主开关输出的主开关状态信号；

所述显示器驱动电路的输出端与所述显示器的输入端电连接；

所述A/D转换电路的输出端、正弦波方波转换电路的输出端、开关量输入电路的输出端和外部命令输入电路的输出端与所述主控制器的信号输入端电连接，主控制器的控制输出端分别与模拟量输出电路的输入端、开关量输出电路的输入端和显示器驱动电路的输入端电连接；所述的通信接口电路与所述的主控制器双向电连接。

本发明包括以下优点：

1、本发明集测量数据采集、故障保护、并车控制、显示、通信等多功能于一体，能够实时采集电量信息，监控船用柴油发电机组工作状态，自动同步并车，实现数据显示和与上位机通信，测量准确，安全可靠，并按照船舶电站安全标准设计，特别适用于一般船舶电站的发电机组自动控制系统；

2、船舶自动化的程度同时依赖于船舶供电系统，因此对船舶电网中发电机组的稳定控制与保护显得尤为重要。本船用发电机组保护与并车控制装置能够有效地控制船用柴油发电机组的频率稳定，适当地分配机组间的有功功率，实现发电机组间有功功率的平衡，提高并联机组的稳定性，保证机组的稳定安全运行。因此将本发明引入船舶供电系统，能够提高船舶电网动态和暂态稳定性，减少发电机组维护工作量，确保船舶供电安全性，为船舶自动化提供有力保证。

附图说明

图1是根据本发明一种实施方式的船用柴油发电机组保护与并车控制装置的原理框图。

图2是根据本发明一种实施方式的主控制器的原理框图。

图3是根据本发明一实施例的发电机电压转换电路的电路图。

图4是根据本发明一实施例的电网电压转换电路的电路图。

图5是根据本发明一实施例的功率均衡电路的电路图。

图6是根据本发明一种实施方式的船用柴油发电机组保护与并车控制装置的通信组网系统连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

请参考图1至图6。根据本发明一实施例的船用柴油发电机组保护与并车控制装置100包括交流电流信号调理电路11、交流电压信号调理电路12、A/D转换电路2、正弦波方波转换电路3、功率均衡电路4、模拟量输出电路5、开关量输入电路61、开关量输出电路62、通信接口电路7、外部命令输入电路8、显示器驱动电路81、显示器82以及主控制器9。A/D转换电路2的输出端、正弦波方波转换电路3的输出端、功率均衡电路4的输出端、开关量输入电路61的输出端和外部命令输入电路8的输出端与主控制器9的信号输入端电连接，主控制器9的控制输出端分别与模拟量输出电路5的输入端、开关量输出电路62的输入端和显示器驱动电路81的输入端电连接，显示器驱动电路81的输出端与显示器82的输入端电连接；通信接口电路7与主控制器9双向电连接。

交流电流信号调理电路11用于接收外部电流检测传感器检测到的船用柴油发电机组200的输出电流信号，交流电压信号调理电路12用于接收外部电压检测传感器检测到的船用柴油发电机组200的输出电压信号和船舶电网的电压信号(即母排电压)，交流电流信号调理电路11的输出端和交流电压信号调理电路12的第一输出端均与A/D转换电路2的输入端电连接。上述的电流检测传感器可以是电流互感器，电压检测传感器可以是电压互感器。

正弦波方波转换电路3的输入端与交流电压信号调理电路12的第二输出端电连接。正弦波方波转换电路3包括发电机电压转换电路31和电网电压转换电路32，发电机电压转换电路31用于将经交流电压信号调理电路12调理后的船用柴油发电机组的正弦波输出电压信号转换为方波电压信号,电网电压转换电路32用于将经交流电压信号调理电路12调理后的船舶电网的正弦波电压信号转换为方波电压信号。请参考图3和图4。发电机电压转换电路31和电网电压转换电路32的电路结构和电路的工作原理类似，均包括滤波电路、二极管、电压比较电路和电压上拉电路，以下以发电机电压转换电路31作为示例加以说明。

发电机电压转换电路31的滤波电路311包括电阻R117和滤波电容C128。电阻R117的一端与交流电压信号调理电路12的第二信号输出端电连接，该电阻R117的另一端与滤波电容C128的一端电连接，滤波电容C128的另一端接地。二极管D11与滤波电容C128并联，其中，该二极管D11的负极与滤波电容C128的一端连接。电压比较电路313的输入端与二极管D11的负极电连接。电压上拉电路315包括5V直流电源和上拉电阻R82。上拉电阻R82的一端与5V直流电源相连，上拉电阻R82的另一端与电压比较电路的输出端相连。图中，该电压比较电路313为运放电路，运放LM339的反相端接地，同相端与D11的负极相连。当运放LM339的正相端电压高于反相端时(即正弦波电压的正半周)，运放LM339的输出端开路，输入主控制器9的方波电压为高电平。当运放LM339的反相端电压高于正相端电压时(即正弦波电压的负半周)，运放LM339饱和，输入主控制器9的方波电压为低电平。

功率均衡电路4的输入端分别接收模拟量信号输出电路5输出的表示该船用柴油发电机组的输出功率大小的模拟电压信号、外部输入的表示外部船用柴油发电机组输出功率大小的模拟电压信号、以及外部控制装置输入的用于决定该船用柴油发电机组是否参与功率均衡的控制信号。该功率均衡电路用于计算参与并车的所有船用柴油发电机组的输出功率的平均值。请参考图5。功率均衡电路4包括选择电路41、加法电路42、电压放大电路43和滤波电路44。选择电路41的信号输入端用于接收外部输入的表示外部船用柴油发电机组输出功率大小的模拟电压信号，选择电路41的控制输入端用于接收外部控制装置输入的用于决定该台船用柴油发电机组是否参与功率均衡的控制信号。该选择电路41主要由一三态门U1组成。加法电路42的输入端分别与选择电路41的输出端和模拟量输出电路5电连接。电压放大电路43的输入端与加法电路42的输出端电连接。滤波电路44的输入端与电压放大电路43的输出端电连接，滤波电路44的输出端与主控制器9的输入端电连接，滤波电路44由电阻R4和电容C1构成。在图5中，PE与模拟量输出电路5相连接，代表输入的是本发电机的输出功率，VP代表电网上其余N台船用柴油发电机组的输出功率的接入点，AVP是得出来的输出功率。SW输入的是功率平衡控制信号，表示可以由外部控制其是否参与功率平衡。如果参与功率平衡，则将U1的三态门打开，若不参与则将U1的三态门置于高阻态。

开关量输入电路61用于接收船用柴油发电机组并车合闸主开关输出的主开关状态信号。开关量输出电路62可向船用柴油发电机组并车合闸主开关输出开关量控制信号，控制船用柴油发电机组并车合闸主开关合闸及分闸。开关量输出电路62还可以向外部的柴油机调速控制电路输出开关量控制信号，控制其增速或减速。外部命令输入电路8为按键输入电路。该按键输入电路包括上选择、下选择、确认和复位四个按键，用于修改系统整定参数、查看运行信息、查看事件记录、复位报警信息等。通信接口电路7包括RS-485通信接口电路71和CAN通信接口电路72，其中，RS485通信接口电路71用于与上位监控机连接通信。模拟量输出电路5包括4-20mA模拟量输出电路51和0-10V模拟量输出电路52。

交流电流信号调理电路11、交流电压信号调理电路12、A/D转换电路2、正弦波方波转换电路3、功率均衡电路5、模拟量输出电路5、开关量输入电路61、开关量输出电路62、通信接口电路7、显示器驱动电路81和主控制器9集成在同一块印刷电路板上。

在一种优选实施方式中，主控制器9为单片机。该船用柴油发电机组保护与并车控制装置还包括一看门狗电路10，看门狗电路10的输入端与该单片机的输出端电连接。

请参考图2。主控制器9包括电压差计算单元91、测频测序单元92、并车控制单元93、故障判断单元94、调速控制单元95、功率计算单元96、功率均衡控制单元97和主控制单元98。

电压差计算单元91用于根据A/D转换电路2输出的船用柴油发电机组的输出电压信号和船舶电网的电压信号，计算出船用柴油发电机组输出电压与电网电压的电压差。

测频测序单元92用于在发电机电压转换电路31和电网电压转换电路32输出的每个方波电压的上升沿均捕捉一次，每次捕捉事件进入中断一次，将捕捉结果保存在预定义的数组中，并根据捕捉结果计算出船用柴油发电机组输出电压的频率、船舶电网的电压频率、船用柴油发电机组输出电压与电网电压的频率差，并据此判断出船用柴油发电机组输出电压的相序及电网电压的相序。可采用全波傅氏算法计算上述的频率。

并车控制单元93用于根据电压差计算单元91的计算结果和测频测序单元92的检测结果，判断船用柴油发电机组输出电压与电网电压的电压差、船用柴油发电机组电压与电网电压的频率差是否小于预设值(频率差的预设值通常设为船用柴油发电机组输出电压额定频率的2.5％，电压差的预设值通常设为船用柴油发电机组的额定输出电压的5％)，在该电压差和频率差小于预设值、且船用柴油发电机的输出电压相序与电网电压的相序一致时，通知所述的主控制单元98，由主控制单元98控制开关量输出电路62向船用柴油发电机组并车合闸主开关输出合闸开关量信号，实现船用柴油发电机组自动同步并车。

故障判断单元94用于根据A/D转换电路2输出的船用柴油发电机组的输出电压信号、输出电流信号和船舶电网的电压信号，判断船用柴油发电机组的输出电压、输出电流和船舶电网的电压是否分别超出了预设设定的发电机组额定电压范围、发电机组额定电流范围和电网额定电压范围，如其中的任一者超出所对应的范围，则该故障保护单元94通知主控制单元98，由主控制单元98控制所述的开关量输出电路62向船用柴油发电机组并车合闸主开关输出分闸信号，使该船用柴油发电机并车合闸主开关跳闸，从而实现过流、过压、欠压保护功能。

调速控制单元95用于将测频测序单元92检测到的船用柴油发电机组输出电压的频率与预定频率范围进行比较，如果大于该预定频率范围的上限，则通知主控制单元98控制开关量输出电路62向外部的柴油机调速控制电路输出减速信号，如果小于该预定频率范围的下限，则通知主控制单元98控制开关量输出电路62向外部的柴油机调速控制电路输出增速信号，通过调节发电机的转速即可以控制发电机的频率，从而实现过频和欠频保护功能。通常，要求发电机的电压频率维持在50Hz±2.5Hz，当船用柴油发电机组输出电压的频率大于52.5Hz，则主控制单元98输出减速信号，船用柴油发电机组输出电压的频率小于47.5Hz，则主控制单元98输出增速信号。

功率计算单元96用于根据A/D转换电路输出的船用柴油发电机组的输出电流信号和输出电压信号计算该船用柴油发电机组的输出功率，并将计算结果通过模拟量输出电路输出给该功率均衡电路的输入端。功率均衡控制单元97用于将功率计算单元96计算的功率P_本机与功率均衡电路计算出的平均功率P_平均进行实时比较，若P_本机＞P_平均*(1+X％)，则通知主控制单元98控制开关量输出电路62向该船用柴油发电机组的调速器发出减速指令，直至P_本机处于P_平均*(1±X％)范围内；若P_本机＜P_平均*(1－X％)，则通知主控制单元98控制开关量输出电路62向该船用柴油发电机组的调速器发出增速指令，直至P_本机处于P_平均*(1±X％)范围内，其中，0＜X＜10。优选的，X＝5,即当P_平均*(1－5％)＜P_本机＜P_平均*(1+5％)时，则说明参与并车的船用柴油发电机组的输出功率是均衡的。通过选择电路41输入其他在网机组的有功功率，经过加法电路42的硬件计算之后，输出要调节的功率大小，调节柴油机转速，从而调节船用柴油发电机组的有功输出，达到同一电网中各台发电机组输出功率均衡的目的。

主控制单元98用于接收A/D转换电路2、开关量输入电路61、通信接口电路7和外部命令输入电路8的输入信号，控制模拟量输出电路5、开关量输出电路62、通信接口电路7和显示器驱动电路81的工作。在主控制单元98的控制下，A/D转换电路2采集的电压和电流信息可通过LCD显示器82显示，并通过RS485通信接口电路71与上位机通信，另外，也可通过外部命令输入电路8对系统参数进行修改。

本发明的船用柴油发电机组保护与并车控制装置100可构成船舶电网综合自动化系统的智能终端设备，提供了标准的RS485通信接口，方便船舶中各种设备的组网运行。通信组网系统连接图如图6所示，利用本装置组网后可通过远程监控主机300统一调度，可以把船用柴油发电机组200的信号如电压、电流、频率、功率等传给远程监控主机300，远程监控主机300可实时监控船用柴油发电机组200的状态，实现船舶电网中发电机的全局化智能控制，也可以与其他终端设备组网运行。

Claims (10)

1.一种船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，包括交流电流信号调理电路、交流电压信号调理电路、A/D转换电路、正弦波方波转换电路、模拟量输出电路、开关量输入电路、开关量输出电路、通信接口电路、外部命令输入电路、显示器驱动电路、显示器以及主控制器；

所述的交流电流信号调理电路用于接收外部电流检测传感器检测到的船用柴油发电机组的输出电流信号，所述的交流电压信号调理电路用于接收外部电压检测传感器检测到的船用柴油发电机组的输出电压信号和船舶电网的电压信号，该交流电流信号调理电路的输出端和交流电压信号调理电路的第一输出端均与所述A/D转换电路的输入端电连接；

所述正弦波方波转换电路的输入端与交流电压信号调理电路的第二输出端电连接；

所述的开关量输入电路用于接收船用柴油发电机组并车合闸主开关输出的主开关状态信号；

所述显示器驱动电路的输出端与所述显示器的输入端电连接；

所述A/D转换电路的输出端、正弦波方波转换电路的输出端、开关量输入电路的输出端和外部命令输入电路的输出端与所述主控制器的信号输入端电连接，主控制器的控制输出端分别与模拟量输出电路的输入端、开关量输出电路的输入端和显示器驱动电路的输入端电连接；所述的通信接口电路与所述的主控制器双向电连接。

2.如权利要求1所述的船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，所述的正弦波方波转换电路包括用于将经所述交流电压信号调理电路调理后的船用柴油发电机组的正弦波输出电压信号转换为方波电压信号的发电机电压转换电路和用于将经所述交流电压信号调理电路调理后的船舶电网的正弦波电压信号转换为方波电压信号的电网电压转换电路；所述的发电机电压转换电路和电网电压转换电路均包括：

滤波电路，该滤波电路包括电阻和滤波电容；所述电阻的一端与交流电压信号调理电路的第二信号输出端电连接，该电阻的另一端与滤波电容的一端电连接，滤波电容的另一端接地；

所述二极管与所述滤波电容并联，其中，该二极管的负极与滤波电容的一端连接；

电压比较电路，该电压比较电路的输入端与该二极管的负极电连接；

电压上拉电路，该电压上拉电路包括直流电源和上拉电阻；上拉电阻的一端与所述直流电源相连，上拉电阻的另一端与电压比较电路的输出端相连。

3.根据权利要求1所述的船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，所述的主控制器包括电压差计算单元、测频测序单元、并车控制单元、故障判断单元和主控制单元；

电压差计算单元，用于根据A/D转换电路输出的船用柴油发电机组的输出电压信号和船舶电网的电压信号，计算出船用柴油发电机组输出电压与电网电压的电压差；

测频测序单元，在发电机电压转换电路和电网电压转换电路输出的每个方波电压的上升沿均捕捉一次，并根据捕捉结果计算出船用柴油发电机组输出电压的频率、船舶电网的电压频率、船用柴油发电机组输出电压与电网电压的频率差，并据此判断出船用柴油发电机组输出电压的相序及电网电压的相序；

并车控制单元，用于根据电压差计算单元的计算结果和测频测序单元的检测结果，判断船用柴油发电机组输出电压与电网电压的电压差、船用柴油发电机组电压与电网电压的频率差是否小于预设值，在该电压差和频率差小于预设值、且船用柴油发电机的输出电压相序与电网电压的相序一致时，通知所述的主控制单元控制所述开关量输出电路向船用柴油发电机组并车合闸主开关输出合闸开关量信号，实现并车；

故障判断单元，用于根据A/D转换电路输出的船用柴油发电机组的输出电压信号、输出电流信号和船舶电网的电压信号，判断船用柴油发电机组的输出电压、输出电流和船舶电网的电压是否分别超出了预设设定的发电机组额定电压范围、发电机组额定电流范围和电网额定电压范围，如其中的任一者超出所对应的范围，则该故障保护单元通知主控制单元控制所述的开关量输出电路向船用柴油发电机组并车合闸主开关输出分闸信号，使该船用柴油发电机并车合闸主开关跳闸；

主控制单元，用于接收A/D转换电路、开关量输入电路、通信接口电路和外部命令输入电路的输入信号，控制模拟量输出电路、开关量输出电路、通信接口电路和显示器驱动电路的工作。

4.根据权利要求3所述的船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，所述的主控制器还包括调速控制单元，该调速控制单元用于将所述测频测序单元检测到的船用柴油发电机组输出电压的频率与预定频率范围进行比较，如果大于该预定频率范围的上限，则通知所述的主控制单元控制所述开关量输出电路向外部的柴油机调速控制电路输出减速信号，如果小于该预定频率范围的下限，则通知所述的主控制单元控制所述开关量输出电路向外部的柴油机调速控制电路输出增速信号。

5.根据权利要求3或4所述的船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，该船用柴油发电机组保护与并车控制装置还包括一功率均衡电路，所述功率均衡电路的输入端分别接收所述模拟量输出电路输出的表示该船用柴油发电机组的输出功率大小的模拟电压信号、外部输入的表示外部船用柴油发电机组输出功率大小的模拟电压信号、以及外部控制装置输入的用于决定该船用柴油发电机组是否参与功率均衡的控制信号，功率均衡电路的输出端与所述主控制器的输入端电连接；该功率均衡电路用于计算参与并车的所有船用柴油发电机组的输出功率的平均值。

6.根据权利要求5所述的船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，所述的功率均衡电路包括：

选择电路，该选择电路的信号输入端用于接收外部输入的表示外部船用柴油发电机组输出功率大小的模拟电压信号，该选择电路的控制输入端用于接收外部控制装置输入的用于决定该台船用柴油发电机组是否参与功率均衡的控制信号；

加法电路，该加法电路的输入端分别与所述选择电路的输出端和所述模拟量输出电路电连接；

电压放大电路，该电压放大电路的输入端与加法电路的输出端电连接；

滤波电路，该滤波电路的输入端与所述电压放大电路的输出端电连接，该滤波电路的输出端与主控制器的输入端电连接。

7.根据权利要求6所述的船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，所述的主控制器还包括：

功率计算单元，用于根据A/D转换电路输出的船用柴油发电机组的输出电流信号和输出电压信号计算该船用柴油发电机组的输出功率，并将计算结果通过所述的模拟量输出电路输出给该功率均衡电路的输入端；

功率均衡控制单元，用于将功率计算单元计算的功率P_本机与功率均衡电路计算出的平均功率P_平均进行实时比较，若P_本机＞P_平均*(1+X％)，则通知所述的主控单元控制所述的开关量输出电路向该船用柴油发电机组的调速器发出减速指令，直至P_本机处于P_平均*(1±X％)范围内；若P_本机＜P_平均*(1－X％)，则通知所述的主控单元控制所述的开关量输出电路向该船用柴油发电机组的调速器发出增速指令，直至P_本机处于P_平均*(1±X％)范围内，其中，0＜X＜10。

8.根据权利要求5所述的船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，所述的交流电流信号调理电路、交流电压信号调理电路、A/D转换电路、正弦波方波转换电路、功率均衡电路、模拟量输出电路、开关量输入电路、开关量输出电路、通信接口电路、显示器驱动电路和主控制器集成在同一块印刷电路板上。

9.根据权利要求1所述的船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，所述的外部命令输入电路为按键输入电路；

所述的通信接口电路包括RS-485通信接口电路和CAN通信接口电路；

所述的模拟量输出电路包括4-20mA模拟量输出电路和0-10V模拟量输出电路。

10.根据权利要求9所述的船用柴油发电机组保护与并车控制装置，其特征在于，所述的主控制器为单片机。

该船用柴油发电机组保护与并车控制装置还包括一看门狗电路，所述看门狗电路的输入端与所述单片机的输出端电连接。