電力推進船舶電站管理系統(tǒng)(PMS)的設(shè)計研究與應(yīng)用

陳曉寧 王永珊 樊斌 祁江峰

摘要：基于我公司800t風(fēng)電平臺電力推進系統(tǒng)PMS設(shè)計實例，對PMS從系統(tǒng)功能、設(shè)計選型及實船應(yīng)用等方面進行分析研究，總結(jié)PMS要點、設(shè)計思路及關(guān)鍵技術(shù)，為PMS設(shè)計研究提供參考。

關(guān)鍵詞：電站管理系統(tǒng)（PMS）;設(shè)計;應(yīng)用

中圖分類號：U665.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： Based on the design example of the power management system （PMS） of 800t wind power platform electric propulsion system， the paper analyzes and studies PMS step by step from the aspects of system function， type selection and real ship application， summarize the key points， design ideas and key technologies of PMS.

Key words： Power management system（PMS）; Design; Application

1 前言

船舶電力系統(tǒng)作為船舶電力的心臟，在船舶設(shè)計中占據(jù)著重要的地位。近年來，船舶電站功率管理系統(tǒng)（PMS）以高科技、功能多樣化、控制智能化、管理高效化為發(fā)展方向，采用現(xiàn)代控制系統(tǒng)配合復(fù)雜運算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布控制，使得PMS具有強大的功能和廣闊的應(yīng)用前景。

由于船舶電站功率管理系統(tǒng)（PMS）在船舶自動化應(yīng)用中的巨大發(fā)展?jié)摿?，各發(fā)達(dá)國家都爭先進行研究，不斷開發(fā)新型控制技術(shù)，豐富船舶電站的功能。經(jīng)過幾十年的努力，很多產(chǎn)品取得了不錯的應(yīng)用效果。如康仕伯、西門子等公司的產(chǎn)品，基本實現(xiàn)了對船舶電力系統(tǒng)的集中管理、合理分配、信息共享、故障處理、在線監(jiān)控，并且不斷地將快速發(fā)展的信息技術(shù)融入其中，使得船舶電站越來越智能化、功能多樣化。

2 PMS概述

電力推進船舶電力系統(tǒng)包含了由發(fā)電、配電及負(fù)荷分別組成的獨立系統(tǒng)。隨著船舶的大型化和自動化程度的不斷提高，越來越多的船用設(shè)備需要用電能來驅(qū)動和控制，船舶電力系統(tǒng)復(fù)雜龐大。船舶電力系統(tǒng)要切實保證全船的用電需求，必須達(dá)到下列基本要求：

（1）安全：在電能的發(fā)送、分配和使用中，不發(fā)生人身事故和設(shè)備事故;

（2）可靠：滿足電能用戶對供電可靠性即連續(xù)供電的要求;

（3）優(yōu)質(zhì)：滿足電能用戶對電壓和頻率等質(zhì)量的要求;

（4）經(jīng)濟：電力系統(tǒng)的投資省、運行費用低，并盡可能地節(jié)約電能。

對于PMS而言，其主要功能大致歸類如下：

（1）發(fā)電管理：通過監(jiān)測發(fā)電電壓和頻率對發(fā)電系統(tǒng)全面控制，包括對有功負(fù)荷和無功負(fù)荷分配進行監(jiān)測和控制，根據(jù)負(fù)荷情況確定發(fā)電機的起動和停機。由于控制邏輯和聯(lián)鎖功能是電力系統(tǒng)配電板設(shè)計中的一個重要組成部分，這些系統(tǒng)的功能必須相互協(xié)調(diào);

（2）負(fù)荷管理：對負(fù)荷功率進行監(jiān)測，對其它系統(tǒng)的功率限制功能進行協(xié)調(diào)，根據(jù)對系統(tǒng)的可用功率的監(jiān)測情況對高功耗設(shè)備進行功率限制和起動聯(lián)鎖保護;

（3）配電管理：對配電系統(tǒng)的配置和序列進行控制，配電系統(tǒng)的配置應(yīng)滿足船舶實際操作模式的要求。

3 PMS控制原理

電站自動化管理，包括：發(fā)電、配電、電能管理及驅(qū)動四個環(huán)節(jié)。其中，電力推進型船舶電站管理對動力的驅(qū)動是指對推進馬達(dá)的電力驅(qū)動。

電力推進型船舶電站自動化系統(tǒng)，包括：配電板、發(fā)電機控制系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)及推進系統(tǒng)，其中通過配電板對船舶電能進行集中分配，合理分配船舶電站負(fù)荷，并且對船舶大功率負(fù)荷進行功率限制，保證電站供電質(zhì)量。

PMS的基本控制功能，包括：發(fā)電機的自動啟停、并車解列、失電恢復(fù)等。

（1）發(fā)電機的自動啟停

發(fā)電機啟動停止是船舶電站的最基本功能。由于傳統(tǒng)手動控制無法精確滿足啟動條件，為了快速響應(yīng)系統(tǒng)啟動要求，PMS必須支持自啟動功能，在電網(wǎng)有大功率波動時，自動響應(yīng)。

（2）發(fā)電機的并網(wǎng)解列

發(fā)電機投入電網(wǎng)時必須判斷并網(wǎng)條件，當(dāng)待并發(fā)電機功率、電壓、相位與在網(wǎng)發(fā)電機的參數(shù)完全一樣時方可并網(wǎng);當(dāng)電站系統(tǒng)中的使用負(fù)載需求較大，且在網(wǎng)的發(fā)電機組功率不足時，PMS給待并發(fā)電機啟動信號，根據(jù)待并發(fā)電機設(shè)定的優(yōu)先級選擇實現(xiàn)并網(wǎng)供電;當(dāng)電站系統(tǒng)中的使用負(fù)載較小，PMS給在網(wǎng)發(fā)電機解列信號，根據(jù)優(yōu)先級解列優(yōu)先級最低發(fā)電機組。

（3）發(fā)電機的失電恢復(fù)

由于船舶電站容量較小，運營海況環(huán)境惡劣，船舶電站故障率較高，常見的故障有系統(tǒng)短路、過載等，發(fā)電機故障會導(dǎo)致船舶電站電力系統(tǒng)斷電。為了避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致意外的發(fā)生，必須第一時間恢復(fù)電力，并切除故障負(fù)載。PMS會啟動所有正常的發(fā)電機組完成并網(wǎng)供電，并按照工作模式下負(fù)載優(yōu)先級順序起動，恢復(fù)相關(guān)系統(tǒng)的初始運行狀態(tài)。

對于電力推進船舶的PMS，除了具備電站基本的控制功能之外，還需設(shè)置更多的功能，以確保船舶電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟運行。總體控制框圖，如圖1所示：

4 PMS總體設(shè)計

電力推進船舶電站功率管理系統(tǒng)（PMS）的主要功能：保障船舶穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，實現(xiàn)對系統(tǒng)高效快速穩(wěn)定的自動控制，使船舶電力系統(tǒng)能完成各自工作任務(wù);在系統(tǒng)故障時，能給出故障報警信號，為操作人員提供故障處理提示，記錄歷史故障信息以及處理方案以便船舶及時維護與故障處理。

PMS的設(shè)計分為下位機控制和上位機監(jiān)控顯示兩個部分：下位機在電氣連接基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對發(fā)電機組、負(fù)載、配電板各電氣信號的檢測;上位機通過友好的用戶界面把電站系統(tǒng)信息傳遞給操作人員，操作人員結(jié)合工作需要在上位機發(fā)出指令，通過下位機的PLC程序?qū)崿F(xiàn)控制過程。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

功率管理系統(tǒng)一般以PLC控制器為核心，在電氣設(shè)備建立電氣連接后，PLC獲取系統(tǒng)硬件發(fā)電機、負(fù)載、電網(wǎng)總線信息，通過傳感器將電氣信號傳輸給PLC;PLC通過通信協(xié)議建立與上位機的通信，上位機監(jiān)控系統(tǒng)運行，操作人員通過上位機給出的控制指令，調(diào)用相應(yīng)模塊PLC程序，實現(xiàn)對電氣硬件的控制。

4.2 重要元器件選型

（1）電子調(diào)速器

PMS對調(diào)速器的調(diào)速性能要求非常高，因為模擬量調(diào)節(jié)信號容易受到電磁信號干擾的影響，所以PMS采用數(shù)字量信號進行速度控制時，要盡量選擇性能較高的數(shù)字量調(diào)速器。

一般電力推進船舶的柴油機調(diào)速器具有ISO模式和DROOP模式：在ISO模式下，各并聯(lián)發(fā)電機通過負(fù)載分配線進行有功負(fù)荷分配;而在DROOP模式下，由PMS執(zhí)行并聯(lián)發(fā)電機間有功功率的分配功能。在PMS中，DROOP模式一般被當(dāng)成默認(rèn)工作模式。

（2）負(fù)荷分配器

負(fù)荷分配器可以實現(xiàn)多機組的并網(wǎng)控制，具有發(fā)電機保護和監(jiān)測及邏輯編程功能。當(dāng)PMS選擇運行在ISO模式或DROOP模式時，可以利用自帶的發(fā)電保護及斷路器控制功能實現(xiàn)PMS的監(jiān)測和保護。

（3）控制系統(tǒng)

因PMS對浮點數(shù)及整數(shù)的運算量較大，通過系統(tǒng)的預(yù)估計算，選取運算速度能達(dá)到預(yù)設(shè)計要求的處理器，并且可以通過系統(tǒng)擴展設(shè)計保證系統(tǒng)的可靠性。

（4）變送器

PMS對每臺發(fā)電機的控制參數(shù)實時性要求高，所以應(yīng)選擇響應(yīng)時間盡量少的變送器，以能達(dá)到PMS的信號采樣指標(biāo)。

4.3 PMS主要功能設(shè)置

（1）系統(tǒng)功能設(shè)置

根據(jù)模塊化設(shè)計思路，按照功能將系統(tǒng)劃分為三大模塊：電源模塊、負(fù)載模塊、報警模塊（見圖2）。

電源模塊負(fù)責(zé)發(fā)動機的啟停、并車解列、失電快速恢復(fù);

負(fù)載模塊控制負(fù)載的斷開閉合、功率限制、重載詢問;

報警模塊反饋系統(tǒng)運行狀況、異常時發(fā)出報警信號，提示故障解決方案。

（2）控制模式設(shè)置

PMS一般設(shè)置有三種控制模式：手動、半自動、自動。

（A）手動模式

發(fā)電機的起動、停止，發(fā)電機主開關(guān)的分合閘，以及調(diào)頻調(diào)載由人工完成;

（B）半自動模式

發(fā)電機的起動、停止由人工手動完成。需要并車時，在觸摸屏按主開關(guān)同步按鈕，發(fā)并車命令給發(fā)電機并車保護模塊PPU自動進行調(diào)頻，滿足并車條件后自動合閘進行調(diào)頻調(diào)載;多臺發(fā)電機并網(wǎng)，若輕載觸摸屏發(fā)電機允許解列指示燈亮，在觸摸屏按下主開關(guān)解列按鈕發(fā)解列命令給發(fā)電機并車保護模塊 PPU，發(fā)電機自動進行負(fù)載轉(zhuǎn)移，負(fù)載轉(zhuǎn)移完成后分閘;

（C）自動模式

發(fā)電機的起動、停止、并車、解列由功率管理系統(tǒng)自動完成。

4.4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）控制器的配置

目前現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中比較有代表性的控制方式，主要有：繼電器控制系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、可編程序控制系統(tǒng)（PLC）、微型計算機系統(tǒng)等控制類型。

由于PLC控制系統(tǒng)擁有比其它控制系統(tǒng)更加強大的CPU控制芯片，系統(tǒng)可以集成多種外界設(shè)備，具有抗干擾能力強、可靠性高特點，并且目前PLC在軟件方面的進步，使得PLC的應(yīng)用帶來更多的空間。因此，PLC控制器是船舶電站功率管理系統(tǒng)的良好選擇。

（2）上位機的設(shè)計

上位機主要是給操作人提供監(jiān)視控制船舶電站的窗口，把系統(tǒng)的信息集中呈現(xiàn)在操作人員面前，友好的人機界面方便用戶處理。通過上位機，操作人員可以了解電站功率管理系統(tǒng)運行狀況，并根據(jù)需要給出操作指令控制電站運行。上位機系統(tǒng)主要由服務(wù)器和PC計算機構(gòu)成，上位機硬件配置根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要，基于功能性、兼容性、性價比等因素綜合考慮。

（3）總線選擇

系統(tǒng)可以采取多種連網(wǎng)方式，一般采用的方案是：上位機之間通信以及與PLC采用工業(yè)以太網(wǎng);PLC與各種電氣設(shè)備之間采用現(xiàn)場總線通信（如PROFIBUS總線、CAN總線）。這主要是接口方式的原因，上位機直接通過網(wǎng)口就可以通信，而下位機與電氣設(shè)備由于需要采集信號，而各種信號多種多樣，現(xiàn)場總線正好滿足這種需求。

4.5 系統(tǒng)軟件算法設(shè)計

（1）電源模塊軟件設(shè)計

電源模塊是PMS的動力所在，是船舶電站的心臟。電能的質(zhì)量好壞在于電量的穩(wěn)定，穩(wěn)定的主要指標(biāo)是電壓、頻率、波形。電源模塊主要是實現(xiàn)發(fā)動機的啟停、并車解列、失電時快速恢復(fù)。

電源模塊總控制思路為：系統(tǒng)選擇對應(yīng)工作模式，調(diào)用該模式下的啟動程序，查詢待啟動機組，檢測待啟動機組是否正常，正常則繼續(xù)調(diào)用發(fā)電機啟動模塊，否則啟動待用發(fā)電機;如果發(fā)電機組過剩，則計算過剩功率，然后計算待解列發(fā)電機臺數(shù)，啟動發(fā)電機解列模塊：在電壓模塊異常時，調(diào)用報警模塊啟動相關(guān)報警。

（2）負(fù)載模塊算法設(shè)計

船舶上大功率用電設(shè)備很多，由于船舶電站容量比較小，如果直接啟動這些大功率設(shè)備可能出現(xiàn)過載現(xiàn)象，對電網(wǎng)的沖擊相當(dāng)大，所以系統(tǒng)中的重載詢問設(shè)計尤為重要。當(dāng)啟動的用電設(shè)備功率超過發(fā)電機額定容量時，會給負(fù)載管理單元發(fā)送重載詢問信號，接收到重載詢問信號后進行剩余功率的計算環(huán)節(jié);然后將剩余功率與要啟動的大功率負(fù)載的額定功率進行比較，如果大于負(fù)載的額定功率則允許啟動，如果小于負(fù)載的額定功率則判斷是否有備用發(fā)電機組，如果有則進行備用發(fā)電機組自動啟動、自動并車以及調(diào)頻調(diào)載投入運行;之后再進行剩余功率計算，直到可以啟動大負(fù)載設(shè)備;如果機組全部用完，則要進行報警并執(zhí)行分級卸載操作。

（3）監(jiān)控模塊的設(shè)計

監(jiān)控模塊不僅可以提示系統(tǒng)故障，還會給出故障解決提示，以便操作人員可以查找故障原因，并記錄故障發(fā)生的時間信息，待故障解決后，可以添加故障解決報告，以便下次故障時操作人員參考。

監(jiān)控模塊的具體功能有：實進監(jiān)控、故障報警、故障檢修提示、故障記錄等。

5 PMS實船安裝應(yīng)用

以我公司承建的800t自升式風(fēng)電安裝平臺PMS為例：

800t自升式風(fēng)電安裝平臺配電板設(shè)計4臺柴油發(fā)電機為全船負(fù)載進行供電， 4臺發(fā)電機功率為：DG1、DG2、DG3各為1700kW， DG4為750kW。設(shè)置PMS一套，采用主從結(jié)構(gòu)，用PLC作為控制主站，為每臺發(fā)電機組設(shè)置一套PPU作為控制從站，在同步屏設(shè)置一套觸摸屏作為人機界面，用于全船電力推進系統(tǒng)的控制、保護和監(jiān)測。系統(tǒng)的硬件配置框圖，如圖3所示：

5.1 電站功能

配電板設(shè)置1個優(yōu)先級選擇旋鈕：分別為1號、2號、3號、4號主發(fā)電機優(yōu)先級;

配電板設(shè)置1個手動、1個半自動、1個自動選擇旋鈕。

（1）匯流排失電

若選為 1 號主發(fā)電機優(yōu)先，自動起 1 號主發(fā)電機并網(wǎng)供電;若選為 2 號主發(fā)電機優(yōu)先，自動起 2 號主發(fā)電機并網(wǎng)供電;依次類推。

（2）過載增機

（A）若G1過載（達(dá)到自身額定功率85%，延時15s），G2自動起動;若G2起動失敗，G3自動起動;若G3起動失敗，G4自動起動;

（B）若G2過載（達(dá)到自身額定功率85%，延時15s），G3自動起動;若G3起動失敗，G1自動起動;若G1起動失敗，G4自動起動;

（C）若G3過載（達(dá)到自身額定功率85%，延時 15s），G1自動起動;若G1起動失敗，G2自動起動;若G2起動失敗，G4自動起動。

（3）輕載減機

多臺發(fā)電機并網(wǎng)運行輕載時，根據(jù)優(yōu)先級解列中優(yōu)先級最低發(fā)電機先解列原則（若G4停泊發(fā)電機在網(wǎng)，G4優(yōu)先解列）。

（4）重載問詢

發(fā)電機單機供電、雙機供電、三機供電，重載問詢，自動判斷當(dāng)前在網(wǎng)有功功率+重載功率是否大于在網(wǎng)總額定功率85%。

（A）若當(dāng)前在網(wǎng)有功功率+重載功率大于在網(wǎng)總額定功率85%，自動增機，并網(wǎng)成功發(fā)送重載允許信號;

（B）若當(dāng)前在網(wǎng)有功功率+重載功率小于在網(wǎng)總額定功率 85%，直接發(fā)送重載允許信號;

（C）G1、G2、G3、G4 四機供電，重載問詢，直接發(fā)送重載起動允許信號;重載運行期間，不輕載減機。

（5）故障換機

（A）若G1供電，綜合故障時，換G2供電;

（B）若G2供電，綜合故障時，換G3供電;

（C）若G3供電，綜合故障時，換G1供電;

（D）若G1、G2、G3 均綜合故障時，換G4供電。

（6）主配發(fā)電機供電轉(zhuǎn)換至應(yīng)急配電板停泊模式供電

AC690V主配電板1臺發(fā)電機供電，在AC400V配電板旋至遙控狀態(tài)下，將模式開關(guān)旋至停泊模式，對應(yīng)急發(fā)電機進行控制：當(dāng)額定功率為750kW的DG4負(fù)載功率小于340kW 時，允許轉(zhuǎn)換至應(yīng)急發(fā)電機停泊模式。AC400V主配電板側(cè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘，再合閘應(yīng)急配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)，起動應(yīng)急發(fā)電機，發(fā)半自動合閘命令至應(yīng)急發(fā)電機PPU，應(yīng)急發(fā)電機增速，將負(fù)載轉(zhuǎn)移至應(yīng)急發(fā)電機后，分 AC690/400V 變壓器次級斷路器。

（7）應(yīng)急配電板停泊模式供電轉(zhuǎn)至主配發(fā)電機供電

應(yīng)急配電板停泊模式，應(yīng)急發(fā)電機給 AC400V 主配電板供電，主配電板起動 DG4。合 DG4開關(guān)，合一個變壓器初級，給變壓器次級 PPU 發(fā)送半自動同步信號，合閘后應(yīng)急發(fā)電機 PPU 發(fā)半自動解列信號，應(yīng)急發(fā)電機分閘停機。

5.2實船安裝

通過800t自升式風(fēng)電平臺PMS實船安裝案例分析，PMS在實船安裝時，除按照PMS基本功能設(shè)計外，還應(yīng)根據(jù)船舶作業(yè)功能需求做特殊的考慮和設(shè)計：

（1）工況選擇設(shè)置

對于作業(yè)工況比較簡單的船舶，其PMS一般不會考慮工況選擇功能，功率分配根據(jù)負(fù)荷狀況進行電站的啟動和負(fù)載解列等;但對于作業(yè)情況復(fù)雜的工程船，為了方便PMS的管理和船員操作，一般會考慮設(shè)置工況選擇功能。由于800t風(fēng)電平臺的工況過多，如設(shè)置工況選擇會讓操作變得更為復(fù)雜，所以經(jīng)過多重考慮，最終800t風(fēng)電平臺未設(shè)置工況選擇。

（2）優(yōu)先級設(shè)置

在PMS設(shè)計時，要考慮設(shè)計優(yōu)先級設(shè)置功能，對發(fā)電機的優(yōu)先級可以根據(jù)具體情況進行設(shè)置和改變。例如：800t風(fēng)電平臺配置4臺發(fā)電機，當(dāng)選擇DG1發(fā)電機，則備用發(fā)電機分別為DG2、DG3、DG4;同理，當(dāng)選擇DG2發(fā)電機，則備用發(fā)電機分別為DG3、DG4、DG1。這樣更有利于對發(fā)電機的管理和維護。

（3）MINIC圖設(shè)置

每型船的電力系統(tǒng)配置都不盡相同，所以MINIC圖的設(shè)計都是根據(jù)實船具體情況來設(shè)置，并適當(dāng)考慮用戶的操作習(xí)慣，主要考慮系統(tǒng)的功能信息、界面綜合布置等內(nèi)容。

6結(jié)束語

PMS作為船舶建造的核心技術(shù)，隨著我國電氣、電子、計算機信息化技術(shù)方面的高速發(fā)展，對船舶電站的發(fā)展起到了帶動作用。加上在軍民技術(shù)融合方面對高性能、高可靠、高智能化產(chǎn)品的需求，國內(nèi)越來越多的科研單位加大了對船舶PMS的研究工作，并取得了一些可喜的成果。比如：上海船舶運輸科學(xué)研究所、江蘇常熟瑞特、鎮(zhèn)江賽爾尼柯等，開發(fā)了船舶PMS。本文主要從船舶PMS的功能、原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計選型等方面做了深入分析，并結(jié)合我司承建的800t自升式風(fēng)電平臺實船PMS設(shè)計和裝船為案例，分析了PMS實船安裝的設(shè)計要點，為船舶PMS的設(shè)計和安裝提供參考。

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