船舶自動(dòng)電站功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)解析

王躍定

摘 要：船舶自動(dòng)電站功率管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱PMS）是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，根據(jù)多年來(lái)對(duì)規(guī)范的理解、系統(tǒng)的研究和船舶電氣的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹PMS設(shè)計(jì)的基本要求、功能要素和組成構(gòu)件，總結(jié)解析出關(guān)于PMS設(shè)計(jì)的主要控制流程。

關(guān)鍵詞：船舶電站;功率管理;系統(tǒng)功能;設(shè)計(jì)解析

中圖分類號(hào)：U665.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 前言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，船舶電站的技術(shù)水平也在不斷發(fā)展。早在21世紀(jì)初期，我國(guó)在建和運(yùn)營(yíng)的大部分船舶的電站還都是靠人工手動(dòng)控制和管理，幾乎找不到完全自動(dòng)化控制和功率管理的船舶電站。但是經(jīng)過(guò)不到二十年的發(fā)展，局面已經(jīng)完全改變。PMS的性能直接影響著船舶電站供電的可靠性和船舶運(yùn)行的安全性。本文通過(guò)分析常規(guī)PMS的控制要求和保護(hù)特性，闡述PMS的設(shè)計(jì)要素，供設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)借鑒。

1 PMS設(shè)計(jì)依據(jù)

PMS設(shè)計(jì)的目的是提高電能的質(zhì)量，改善運(yùn)行管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)條件，同時(shí)提高船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。但作為一個(gè)船舶設(shè)備運(yùn)行的重要組成部分，必須建立在滿足規(guī)范要求的前提下，保證船舶供電的安全性和可靠性。船舶自動(dòng)化電站的具體要求在各船級(jí)社的船舶建造規(guī)范中均有反映，這些也是進(jìn)行PMS設(shè)計(jì)的依據(jù)。主要規(guī)納如下：（1）失電時(shí)，備用發(fā)電機(jī)組應(yīng)盡快自動(dòng)起動(dòng)并連接至主配電板，恢復(fù)電網(wǎng)供電，最好在失電后30 s內(nèi)完成，最長(zhǎng)不超過(guò)45 s。（2）因短路故障而失電后，發(fā)電機(jī)斷路器僅能合閘1 次。（3）如由于主匯流排長(zhǎng)時(shí)間的電壓或頻率波動(dòng)原因而起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，則有故障的發(fā)電機(jī)組應(yīng)在該備用發(fā)電機(jī)組接入主匯流排之前盡快切斷。（4）船舶電站過(guò)載時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)卸除非重要負(fù)載。（5）應(yīng)設(shè)有避免兩臺(tái)及以上發(fā)電機(jī)同時(shí)接入主配電板公共匯流排的措施。（6）電網(wǎng)的瞬變信號(hào)不應(yīng)使備用發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生不必要的自動(dòng)啟動(dòng)，如電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流。（7）起動(dòng)大功率設(shè)備時(shí)，起動(dòng)期間引起的瞬態(tài)電壓降不應(yīng)超過(guò)額定電壓的15%。沒有足夠的功率起動(dòng)大功率設(shè)備時(shí)，應(yīng)阻止大功率設(shè)備起動(dòng)，并按要求起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，然后允許起動(dòng)重載設(shè)備。（8）故障失電后恢復(fù)供電時(shí)，為主推進(jìn)系統(tǒng)服務(wù)的負(fù)載應(yīng)能按順序起動(dòng)，避免過(guò)大的沖擊電流使發(fā)電機(jī)主開關(guān)跳閘，造成二次失電。（9） PMS的故障應(yīng)不引起在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的替換。（10）應(yīng)設(shè)有手動(dòng)功能，當(dāng)自動(dòng)功能停止工作或失效時(shí)，應(yīng)能方便地實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。

2 PMS組件和功能要點(diǎn)

2.1 PMS主要硬件

（1）控制電源：按照船級(jí)社規(guī)范要求，為推進(jìn)系統(tǒng)服務(wù)的電力系統(tǒng)應(yīng)保證不因單一故障造成電源的全部中斷。通常在配置功率管理控制系統(tǒng)電源時(shí)提供兩路電源。其中一路來(lái)自機(jī)艙UPS或充放電板。（2）信號(hào)采集模塊：主要用于采集發(fā)電機(jī)、配電板、重要用電設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)。這些參數(shù)包括電流、電壓、頻率、功率、功率因數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷狀態(tài)等。（3）發(fā)電機(jī)控制保護(hù)模塊：目前在PMS中普遍采用的有DEIF的PPU、Kongsberg的DPU等產(chǎn)品，具有對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)組起/停、安全系統(tǒng)保護(hù)、同步及負(fù)荷分配等功能。（4）可編程控制器：包括CPU、輸入輸出模塊、人機(jī)界面、通訊模塊、通訊電纜等。品牌有西門子、ABB、三菱等多種，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、處理、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)存、故障診斷、報(bào)警顯示等。

2.2 PMS主要功能

（1）發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)功能。電站在自動(dòng)模式下，電網(wǎng)失電、或在網(wǎng)發(fā)電機(jī)過(guò)載、或在網(wǎng)發(fā)電機(jī)故障情況時(shí)，備用發(fā)電機(jī)組根據(jù)電站管理指令自動(dòng)起動(dòng)、運(yùn)行、投入或并網(wǎng)。（2）輕載自動(dòng)解列功能。在網(wǎng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行中，電站總負(fù)荷降低到設(shè)定值時(shí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的流程，自動(dòng)卸載一臺(tái)發(fā)電機(jī)，提高發(fā)電機(jī)的使用效率，保護(hù)發(fā)電機(jī)和節(jié)約能源。（3）自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載、負(fù)荷分配。自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電網(wǎng)頻率維持在設(shè)定的范圍。兩臺(tái)及以上機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，使各機(jī)組承擔(dān)的有功功率按機(jī)組容量合理均衡分配。（4）自動(dòng)分級(jí)卸載。電站出現(xiàn)超負(fù)荷時(shí)，自動(dòng)卸除非重要負(fù)載。為適應(yīng)不同程度的過(guò)載條件，可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)卸載。必要時(shí)，次重要設(shè)備也可予以卸載，保證對(duì)重要設(shè)備的供電連續(xù)性。（5）重載問(wèn)詢自動(dòng)應(yīng)答功能。重載問(wèn)詢是指在起動(dòng)大功率電動(dòng)機(jī)設(shè)備前，自動(dòng)檢查正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組剩余功率是否能滿足用電及起動(dòng)要求。若能夠滿足則允許起動(dòng)。否則應(yīng)先起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，滿足要求后才允許起動(dòng)。（6）自動(dòng)分級(jí)順序起動(dòng)。電網(wǎng)從斷電狀態(tài)到恢復(fù)供電，為防止多個(gè)設(shè)備同時(shí)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊電流，按照設(shè)備重要程度自動(dòng)分級(jí)順序（延時(shí)）起動(dòng)。（7）故障監(jiān)測(cè)和報(bào)警顯示功能。監(jiān)視電站的工作狀態(tài)，如功率分配是否平衡，電壓、頻率是否正常，自動(dòng)分級(jí)卸載、自動(dòng)合閘失敗、開關(guān)異常脫扣、系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻等。根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，對(duì)異?；蚬收习l(fā)出聲光報(bào)警。（8）自檢功能。自動(dòng)電站投入時(shí)自動(dòng)運(yùn)行自檢功能程序。

3 PMS設(shè)計(jì)

在具有多臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)供電的系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)前面所列舉的各項(xiàng)控制和保護(hù)功能，對(duì)PMS的控制程序進(jìn)行綜合梳理，設(shè)置以下自動(dòng)管理流程：

（1）主匯流排失電管理流程：在滿足已自動(dòng)模式，聯(lián)絡(luò)開關(guān)已合閘，主匯流排已失電條件下，延時(shí)（約3 s）判斷是否有備用發(fā)電機(jī)。如果有，第一備用發(fā)電機(jī)起動(dòng)，發(fā)電機(jī)起動(dòng)成功、電壓建立，主開關(guān)合閘，電站恢復(fù)供電。如果發(fā)電機(jī)備機(jī)、起動(dòng)成功、電壓建立、主開關(guān)合閘中任何環(huán)節(jié)沒有滿足或執(zhí)行失敗，立即相應(yīng)項(xiàng)報(bào)警，并檢測(cè)下一備用發(fā)電機(jī)，重復(fù)前面的流程至備用發(fā)電機(jī)投入，恢復(fù)電網(wǎng)供電。

（2）超載起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)管理流程：在滿足已自動(dòng)模式，聯(lián)絡(luò)開關(guān)已合閘，在網(wǎng)發(fā)電機(jī)功率超過(guò)預(yù)設(shè)條件時(shí)（如85%發(fā)電機(jī)額定功率）判斷是否有備用發(fā)電機(jī)。如果有，第一備用發(fā)電機(jī)起動(dòng)，發(fā)電機(jī)起動(dòng)成功、電壓建立，主開關(guān)同步合閘，備用發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)供電。如果發(fā)電機(jī)備機(jī)、起動(dòng)成功、電壓建立、主開關(guān)同步合閘中任何環(huán)節(jié)沒有滿足或執(zhí)行失敗，立即相應(yīng)項(xiàng)報(bào)警，并檢測(cè)下一備用發(fā)電機(jī)，重復(fù)前面的流程至備用發(fā)電機(jī)并網(wǎng)供電。

（3）優(yōu)先脫扣管理流程：電站運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)電機(jī)實(shí)際負(fù)荷超過(guò)預(yù)設(shè)的允許值（如98%發(fā)電機(jī)額定功率），延時(shí)（預(yù)設(shè)一級(jí)如30 s）發(fā)出一級(jí)非重要負(fù)載脫扣指令，非重要負(fù)載脫扣并報(bào)警。發(fā)電機(jī)實(shí)際負(fù)荷超過(guò)預(yù)設(shè)的二級(jí)允許功率值延時(shí)（預(yù)設(shè)如60 s）發(fā)出二級(jí)非重要負(fù)載脫扣指令，完成非重要負(fù)載脫扣并報(bào)警。

電站運(yùn)行過(guò)程中如出現(xiàn)任意一臺(tái)發(fā)電機(jī)主開關(guān)異常脫扣，立即發(fā)出非重要負(fù)載脫扣指令并報(bào)警。

（4）發(fā)電機(jī)輕載解裂管理流程：滿足已自動(dòng)模式，聯(lián)絡(luò)開關(guān)已合閘，在網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)功率低于預(yù)設(shè)條件時(shí)（如60%在網(wǎng)發(fā)電機(jī)額定功率），判斷沒有重載問(wèn)詢、沒有重載設(shè)備運(yùn)行、沒有設(shè)置輕載抑制。如果滿足條件，延時(shí)（預(yù)設(shè)如10 min）執(zhí)行后投入發(fā)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)移，主開關(guān)分閘、發(fā)電機(jī)停機(jī)，后投入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)，完成輕載解裂。如果在執(zhí)行發(fā)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)移，主開關(guān)分閘、發(fā)電機(jī)停機(jī)等命令過(guò)程中任何環(huán)節(jié)沒有滿足或執(zhí)行失敗，電站立即停止當(dāng)前進(jìn)程并報(bào)警。

（5）電壓、頻率異常管理流程：第一種故障情況，電網(wǎng)電壓或頻率低于預(yù)設(shè)條件時(shí)（如90%額定電壓或95%額定頻率），延時(shí)（預(yù)設(shè)如10 s）發(fā)出發(fā)電機(jī)故障報(bào)警。如果滿足已自動(dòng)模式，聯(lián)絡(luò)開關(guān)已合閘，則非重要負(fù)載脫扣并報(bào)警。

第二種故障情況，電網(wǎng)電壓或頻率高于預(yù)設(shè)條件時(shí)（如106%額定電壓或105%額定頻率），延時(shí)（預(yù)設(shè)如10 s）發(fā)出發(fā)電機(jī)故障報(bào)警。

以上每種故障中，滿足已自動(dòng)模式，聯(lián)絡(luò)開關(guān)已合閘，如果有重載問(wèn)詢?cè)试S的設(shè)備在運(yùn)行，則取消重載允許信號(hào);如沒有，判斷是否備用發(fā)電機(jī)，起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，起動(dòng)成功、電壓建立，分故障發(fā)電機(jī)主開關(guān)、分閘成功、合備用發(fā)電機(jī)主開關(guān)，備用發(fā)電機(jī)投入，恢復(fù)電網(wǎng)供電，故障發(fā)電機(jī)停機(jī)。如果發(fā)電機(jī)備機(jī)、起動(dòng)成功、電壓建立、分故障發(fā)電機(jī)主開關(guān)、合備用發(fā)電機(jī)主開關(guān)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)沒有滿足或執(zhí)行失敗，立即相應(yīng)項(xiàng)報(bào)警，并檢測(cè)下一備用發(fā)電機(jī)組，重復(fù)前面的流程至故障發(fā)電機(jī)主開關(guān)分閘、故障發(fā)電機(jī)停機(jī)，電網(wǎng)恢復(fù)正常供電。

如果檢測(cè)到電網(wǎng)電壓超過(guò)120%額定電壓，延時(shí)（預(yù)設(shè)如5 s）發(fā)出發(fā)電機(jī)故障報(bào)警，分發(fā)電機(jī)主開關(guān)，分閘成功，停故障發(fā)電機(jī)，按照主匯流排失電管理流程起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)恢復(fù)電網(wǎng)供電。如果分故障發(fā)電機(jī)主開關(guān)失敗，立即作出報(bào)警。

如果檢測(cè)到電網(wǎng)頻率低于90%額定頻率，延時(shí)（預(yù)設(shè)如10 s）發(fā)出發(fā)電機(jī)故障報(bào)警，分發(fā)電機(jī)主開關(guān)，分閘成功，停故障發(fā)電機(jī)，按照主匯流排失電管理流程起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)恢復(fù)電網(wǎng)供電。如果分故障發(fā)電機(jī)主開關(guān)失敗，立即作出報(bào)警。

（6）重載問(wèn)詢管理流程：滿足已自動(dòng)模式，聯(lián)絡(luò)開關(guān)已合閘，有重載設(shè)備問(wèn)詢，可根據(jù)對(duì)不同重載問(wèn)詢?cè)O(shè)備預(yù)設(shè)的條件判斷執(zhí)行相應(yīng)的流程。如：起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)、限制在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)等。如果仍不能滿足預(yù)設(shè)條件，則發(fā)出重載問(wèn)詢失敗報(bào)警。

（7）應(yīng)急匯流排失電管理流程：自動(dòng)模式下，如果應(yīng)急匯流排失電，延時(shí)（約3 s～25 s）起動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，起動(dòng)成功、電壓建立，主開關(guān)合閘，應(yīng)急匯流排恢復(fù)供電。

（8）主配電板恢復(fù)對(duì)應(yīng)急匯流排供電管理流程：因主匯流排失電，導(dǎo)致應(yīng)急匯流排失電、應(yīng)急配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)欠壓脫扣。如果按主匯流排失電管理流程起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，恢復(fù)主匯流排供電和應(yīng)急配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)的供電，應(yīng)急配電板發(fā)出應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開關(guān)分閘命令，開關(guān)分閘，應(yīng)急配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)合閘，應(yīng)急匯流排恢復(fù)供電。從應(yīng)急匯流排失電到恢復(fù)供電的時(shí)間最長(zhǎng)不允許超過(guò)45 s。

4 結(jié)束語(yǔ)

PMS是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到電站檢測(cè)、保護(hù)和控制等很多方面，對(duì)于不同系統(tǒng)組成的自動(dòng)電站，要求更加復(fù)雜多樣。以上僅就船舶電站的主要功能、基本組成和控制流程進(jìn)行概要性的解析，涉及到更詳細(xì)的設(shè)計(jì)和控制要求，以及各國(guó)船級(jí)社對(duì)電站管理的不同要求，可以在此基礎(chǔ)加以擴(kuò)展。

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