船舶岸电系统自动化控制策略研究

船舶岸电系统自动化控制策略研究

顾晓飞

镇江赛尔尼柯自动化股份有限公司

摘要：本文研究了船舶岸电系统的自动化控制策略，重点探讨了开环与闭环控制系统设计原则的应用，以及如何通过反馈机制优化电力供应。研究结果表明，通过自动化控制策略的实施，可以显著提高岸电系统的灵活性和可靠性，确保供电的连续性和能源使用的优化。

关键词：船舶岸电系统；自动化控制；设计原则

引言

在全球化的航运业中，船舶作为主要的运输工具，在港口停靠期间的能源消耗和排放问题日益受到重视[1]。传统的船舶在港期间依赖自身发电机组供电，不仅能源效率低，而且对环境造成负面影响。为了解决这一问题，船舶岸电系统应运而生，它允许船舶在港口停靠时使用岸基电源，从而减少燃油消耗和排放。然而，岸电系统的成功实施依赖于一套高效的自动化控制策略，这些策略需要综合考虑系统的稳定性、响应性、准确性和鲁棒性。

1岸电系统概述

1.1岸电系统的定义与组成

岸电系统是一种先进的船舶供电解决方案，旨在提高船舶在港口停靠期间的能源效率并减少环境污染。该系统允许船舶在不使用自身发电机的情况下，通过连接到岸基电源来满足其电力需求[2]。它主要由岸电连接接口、船舶上的电力转换和分配设备、以及控制系统组成。岸电系统的设计不仅需要考虑电气参数的匹配和转换效率，还要确保操作的安全性和可靠性。此外，系统的组成还包括必要的保护装置和监测设备，以实现对整个供电过程的实时监控和管理。

1.2岸电系统与传统船舶电力系统的区别

岸电系统与传统的船舶电力系统相比，具有显著的区别和优势。首先，岸电系统通过连接到港口的电网，为停靠的船舶提供稳定的电力供应，而无需依赖船上的发电机组，从而减少了燃料消耗和相关的运营成本。其次，岸电系统的设计更加注重环保，通过减少船舶在港口期间的排放，有助于降低港口的空气污染和噪音污染，提升港口的环境友好性[3]。此外，岸电系统通常配备先进的自动化控制技术，能够实现对电力供应过程的智能管理和优化，提高船舶电力使用的效率和可靠性。与传统船舶电力系统相比，岸电系统还具备更高的灵活性和适应性，能够根据不同船舶的电力需求和港口的电网条件，进行快速调整和适配。这种系统通常还集成了多种安全保护措施和监测设备，确保在供电过程中的安全性和稳定性。

2自动化控制理论基础

2.1控制系统的设计原则

自动控制理论是指导如何设计和分析控制系统的科学基础，它涵盖了从简单的开关控制到复杂的自适应和智能控制系统。这一理论框架包括开环和闭环控制系统的设计原则，其中闭环系统特别依赖于反馈机制来调整输出，以确保系统性能达到预期目标。控制系统的设计原则是确保系统性能的基石，它指导工程师创建既高效又可靠的自动化解决方案。这些原则包括系统的稳定性、响应性、准确性和鲁棒性。稳定性确保系统在受到干扰时能够恢复到预定状态；响应性则关注系统对输入变化的快速反应能力；准确性涉及到系统输出与期望值的一致性。在岸电系统的设计中，这些原则尤为重要。它们帮助设计者构建一个能够适应不同船舶电力需求和港口电网条件的灵活系统。

2.2自动化控制系统的关键技术

自动化控制系统的核心在于一系列关键技术，这些技术共同构成了系统高效运作的基础。其中包括先进的传感器技术，用于实时监测和收集系统状态数据；精确的执行器技术，确保系统能够根据控制信号做出准确响应；以及强大的数据处理能力，对收集到的数据进行快速分析和处理，以供决策使用。在自动化控制系统中，反馈机制是不可或缺的，它允许系统根据输出与预期目标之间的差异进行自我调节。对于岸电系统而言，这些关键技术使得系统能够智能地管理电力供应，自动调整以适应不同的负载需求和电网条件，同时确保操作的安全性和能效。

3船舶岸电系统自动化控制策略

3.1控制策略的设计目标

控制策略的设计目标是构建一个既高效又可靠的自动化控制系统，它能够满足特定的性能要求并适应不断变化的操作条件。这些目标通常包括确保系统的稳定性、提高能源利用效率、增强系统的响应速度和灵活性，以及提升整体的安全性和环境友好性。在岸电系统的背景下，控制策略的设计特别强调以下几个方面：首先，实现船舶与岸电系统之间的无缝电源切换，减少能量损耗；其次，通过智能控制算法优化电力负载分配，以适应不同船舶的电力需求；再次，确保系统在各种工况下均能保持高效运行，即使在面对电网波动或不可预测的负载变化时也能保持稳定。

3.2控制策略的框架设计

控制策略的框架设计是确保自动化控制系统达到既定目标的关键步骤。它要求构建一个结构化的方案，以协调各种控制元素和流程，实现对复杂系统的精确管理。框架设计通常从确定系统的输入和输出开始，然后定义控制算法和逻辑，以及它们如何相互作用以实现期望的控制效果。在岸电系统的控制策略框架设计中，重点在于创建一个灵活且可扩展的架构，该架构能够整合实时数据采集、智能决策支持、自动执行和反馈调节等功能。图1是岸电控制系统的系统方框示意图。

图1 岸电控制系统的系统方框示意图

4岸电系统关键设备自动化控制

4.1发电机组的自动化控制

提升发电机组的自动化控制水平，关键在于集成先进的控制组件和逻辑，以实现对发电机组运行状态的精确监控和智能管理。设备核心内容包括安装新型的自动化控制元件，如综合保护装置、同步继电器、变送器、电压和电流互感器，以及零序电流互感器。这些设备不仅增强了系统的测量和保护能力，而且通过提供精确的电流、电压和频率信号，为自动化控制系统提供了必要的数据支持。进一步地，增加多功能保护继电器和多表计（如电流表、电压表、频率表），这些装置能够实时反映发电机组的运行参数，为操作人员提供直观的反馈。

4.2断路器的自动化控制

在船舶岸电系统中，断路器的自动化控制是确保电力系统安全、可靠运行的关键环节。自动化控制系统的集成，使得断路器能够根据实时数据和预设条件自动执行开关操作，从而优化电力分配和系统保护，提供了基本的电路断开功能，而且通过集成的自动化控制接口，允许远程监控和操作。例如，真空断路器可以根据电流互感器检测到的过载情况自动断开电路，此外，增设多功能保护继电器，这些继电器能够根据电压、电流和频率的变化自动触发保护机制，如过载保护、短路保护和逆功率保护等。

4.3互感器与保护装置的自动化控制

互感器与保护装置的自动化控制是确保电力系统稳定运行并及时响应异常状况的核心组件。通过这些设备，系统能够实现更高级别的监控和保护功能，设备核心在于安装高精度的电压互感器和电流互感器，这些装置能够将高电压和大电流转换为便于测量和控制的低电压和小电流信号。这些信号对于监控电力系统的运行状态至关重要，为自动化控制系统提供了必要的数据输入。同时安装多功能保护继电器，这些继电器能够根据互感器提供的信号自动执行保护动作，如断路器的快速断开，以防止故障扩大。这些保护继电器具备多种保护功能，包括过载、短路、过电压和欠电压保护等。

4.4岸电系统自动化控制系统集成

自动化控制系统集成是实现船舶岸电系统高效电力管理的关键环节。这一过程涉及到将多种控制设备和技术整合到一个统一的操作平台中，确保各个组件能够协同工作，无论是在正常运行还是应对紧急情况。集成的核心设备通过精确的测量和实时反馈，为控制系统提供了必要的数据支持。多功能保护继电器的集成，为系统提供了全面的保护功能，能够自动执行过载、短路等故障情况下的保护动作，继电器与PLC模块的结合，不仅实现了远程监控和控制，还通过PLC的逻辑处理能力，实现了更复杂的控制策略。此外，自动化控制系统的集成还涉及到用户界面的设计，提供了手动/自动模式选择、同步操作和调速控制等功能，使得操作人员能够根据实际情况灵活地进行控制。在自动化控制系统的集成中，通信协议的统一和数据交换机制的建立是至关重要的。这包括了与岸电连接控制箱的通讯，以及Modbus 485等通讯协议的应用，确保了信息流的无缝传输和设备的互联互通。最终，岸电系统自动化控制系统集成的目标是创建一个高度自动化、智能化的电力管理系统，它不仅提高了船舶在港口停靠期间的能源利用效率，而且通过减少对船上发电机的依赖，降低了环境污染和运营成本。

5结论

本文的研究结果证实了自动化控制策略在船舶岸电系统中的应用价值。通过实施这些策略，可以有效地管理和优化电力供应，提高系统的稳定性和响应性，确保供电的连续性和可靠性。此外，本文还强调了易用性和维护性在系统设计中的重要性，以确保操作人员能够高效地监控和控制电力供应过程。自动化控制策略的实施不仅提升了船舶岸电系统的技术性能，也为实现绿色航运和可持续发展做出了贡献。

参考文献

[1]许镇杰. 船舶岸电系统设计方案[J]. 港口装卸,2022(2):47-50.

[2]左萍萍,陆兆钠,叶凯,等. 基于无线充电技术的船舶岸电系统研究[J]. 电子制作,2021(23):71-73,79.

[3]廖冬林. 船舶岸电系统应用研究及建设实践[J]. 中国水运（下半月）,2021,21(10):44-45,78.

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