先進發(fā)電機管理系統(tǒng)在DP3船舶的應(yīng)用

摘 要：21世紀(jì)是全世界大規(guī)模開發(fā)利用海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟的新時期，各類大型海洋工程爆發(fā)式增長，需要投入大批優(yōu)質(zhì)的海工船舶，其中作業(yè)能力和功能最強的動力定位3級（簡稱DP3）船舶起到了關(guān)鍵作用。如何確保DP3船舶在海洋工程中更穩(wěn)定、更可靠的運行，船舶電站的管理尤為重要，其中電網(wǎng)和發(fā)電機的監(jiān)控和管理成為了重中之重。先進發(fā)電機管理系統(tǒng)（簡稱AGS），基于船舶電站管理系統(tǒng)（簡稱PMS），相比于傳統(tǒng)的PMS系統(tǒng)，AGS從發(fā)電機的有功功率和無功功率的關(guān)系出發(fā)，通過監(jiān)測柴油機油門齒條/有功功率，勵磁電流/無功功率，分析電壓和頻率的變化趨勢，在DROOP（均功）模式下，監(jiān)測其變化率，從而可以在多臺并網(wǎng)運行發(fā)電機中精確的監(jiān)控每一臺發(fā)電機，當(dāng)其中某一臺或多臺發(fā)電機發(fā)生異常時，能及時采取措施，并將其分?jǐn)嗷蚋綦x開來，保證DP3 船舶的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：AGS；PMS；DP3；有功功率；無功功率

中圖分類號：U665.12

0 引 言

我國是一個海洋大國，擁有著1.8萬km的海岸線，300多萬km2的管轄海域面積，沿海有著豐富的油氣資源和漁業(yè)資源，還可以開發(fā)大量的風(fēng)能資源。習(xí)近平總書記多次強調(diào)建設(shè)海洋強國的目標(biāo)，要實現(xiàn)這一宏偉的目標(biāo)，需要建造大型的海洋工程，建造先進的海洋工程；穩(wěn)定、可靠、安全的海洋工程船舶是必可不少的強兵利器。

我國的大型DP船舶起步較晚，但依托我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，船舶建造發(fā)展迅速，尤其是船體結(jié)構(gòu)，自動化電站，重吊建設(shè)都已接近或達到世界先進水平。國內(nèi)目前已成熟掌握DP3船舶的設(shè)計建造，近期幾艘DP3船舶的交付，代表著國內(nèi)DP3船舶的建造進入了一個新的階段。這些船舶均配置當(dāng)前世界最先進DP3動力定位系統(tǒng)，全船中壓電站配置采用CLOSE-BUE TIE（中壓系統(tǒng)一字排）模式或CLOSE-RING（中壓環(huán)網(wǎng)），將燃油經(jīng)濟性和船舶安全性相結(jié)合，在提高燃油經(jīng)濟性的同時，對于船舶電站穩(wěn)定和安全提出更高的要求。DP3船舶在最初發(fā)展時，從船舶海工作業(yè)安全性考慮，從絕對冗余出發(fā)，中壓母排都采用分區(qū)供電模式，分區(qū)供電能源效率相對較低，進入到21世紀(jì)，隨著人類的環(huán)保意識逐步提高，CLOSE-BUSTIE模式逐步運用到DP3船舶中，中壓母線采用合排，發(fā)電機功率可以更合理的分配，但是對于電站運行的穩(wěn)定性要求更高，為保證船舶在DP作業(yè)中絕對安全性，結(jié)合環(huán)保節(jié)能要求，AGS作為一項新的發(fā)電機管理模式加入到DP-PMS軟件中，DP3（CLOSE-BUSTIE）采用中壓一字排合排供電，低壓系統(tǒng)分區(qū)供電，可以更加優(yōu)化電力分配，傳統(tǒng)的船舶電網(wǎng)保護主要分為柴油機/PMS/中壓配電板等來實現(xiàn)系統(tǒng)保護，通過中壓配電板繼保監(jiān)測發(fā)電機的電壓、電流、頻率、差動、零序電流等參數(shù)來對發(fā)電機進行運行保護。AGS從發(fā)電機的有功功率和無功功率關(guān)系出發(fā)（即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制和電壓控制），通過實時監(jiān)測在網(wǎng)發(fā)電機的有功功率和無功功率變化率，通過與自身設(shè)定值以及在網(wǎng)發(fā)電機參數(shù)比較，能夠及時發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)發(fā)電機的異常，一旦發(fā)電機發(fā)生故障達到設(shè)定臨界點，AGS將切斷故障發(fā)電機或隔離母排，啟動備用發(fā)電機，保證船舶電站系統(tǒng)的正常運行[1]。

1 DP3（CLOSE-BUSTIE）系統(tǒng)基本模型

以某DP3（CLOSE-BUE TIE）船舶為例，船舶配置8臺ABB發(fā)電機（8*5588KVA 11KV 60HZ），中壓配電板分為4段母排（HSB1-4），船舶采用合排運行模式，在DP3作業(yè)時，HSB1-HSB3-HSB4-HSB2母聯(lián)開關(guān)依次相連，HSB1&2之間母聯(lián)開關(guān)斷開。中壓母排連接如圖1所示。

在DP3運行過程中低壓主配電板由日用變壓器分別單獨供電，達到完全獨立。為保證船舶在DP3狀態(tài)下安全穩(wěn)定運行，僅靠PMS的基礎(chǔ)控制功能，不能完全達到系統(tǒng)要求，需要增加對發(fā)電機配電板狀態(tài)監(jiān)控的手段。KONGSBERG公司為船舶配置的K-CHIEF系統(tǒng)，整合了AGS系統(tǒng)，AGS能夠優(yōu)先快速發(fā)現(xiàn)故障機以及故障排并能及時采取有效措施，將相應(yīng)的故障發(fā)電機隔離開來，并啟動備用發(fā)電機保證剩余三段母排能夠滿足船舶穩(wěn)定運行的作業(yè)要求。船舶4段母排（HSB1-4）分別配置一套AGS軟件模塊，模塊整合在每一段母排 Process Station（RCU）內(nèi)，相互之間通過網(wǎng)絡(luò)相連。拓?fù)涫疽馊鐖D2所示。

2 AGS系統(tǒng)原理

某DP3（CLOSE-BUSTIE）船舶AGS系統(tǒng)操作界面如圖3所示。

AGS配置在KCHIEF-PMS中并且操作人員可以選擇打開還是關(guān)閉AGS功能。AGS主要通過對發(fā)電機兩大方面參數(shù)進行分析來實現(xiàn)保護功能：監(jiān)控速度控制系統(tǒng)（active load-sharing）；監(jiān)測電壓控制系統(tǒng)（reactive load-sharing）。

AGS軟件系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試時采集的參數(shù)來建立模型，采集發(fā)電機實際運行時的參數(shù)值。ZERO LOAD/FULL LOAD等工況下各項參數(shù)（有功功率，無功功率，勵磁電流，勵磁電壓，油門刻度，額定電壓，額定電流，實時電壓電流，實時頻率），動態(tài)監(jiān)測發(fā)電機的運行狀態(tài)，通過系統(tǒng)模型與實時參數(shù)變化率之間的趨勢對比，來分析整個電站的運行狀況，從而保證電站的安全運行。單段AGS的系統(tǒng)模型如圖4所示，根據(jù)模型計算出當(dāng)前工況下發(fā)電機各項參數(shù)期望值，并將與實際反饋值對比，當(dāng)偏差超過設(shè)定時，AGS將會作出動作切斷故障機，啟動備用機。具體設(shè)定偏差可根據(jù)實際情況實時調(diào)整，本船AGS偏差限制設(shè)定，DROOP模式下有功功率限制偏差10%，無功功率限制偏差10%，電壓偏差0.3%，頻率偏差0.3 Hz，偏差及延時設(shè)定可根據(jù)現(xiàn)場工況實際修改[2] 。

2.1 ?監(jiān)控速度控制系統(tǒng)

通過對發(fā)電機有功功率和運行頻率（柴油機運行速度）。AGS系統(tǒng)持續(xù)通過系統(tǒng)負(fù)載分配設(shè)定點和速度的實際測量值對比來監(jiān)測發(fā)電機的運行，通過在網(wǎng)發(fā)電機參數(shù)的對比，通過內(nèi)部軟件投票系統(tǒng)，分析出故障機。某船發(fā)電機額定頻率60HZ（50HZ船舶原理一致）如圖5所示。

圖5 速度監(jiān)測模型

監(jiān)控速度控制系統(tǒng)，主要有以下幾種故障模型：

（1）故障機低頻低功率，會導(dǎo)致電網(wǎng)其他在網(wǎng)發(fā)電機低頻高功率，變化速率分為慢速和快速，慢速報警并啟動備用機，快速切斷發(fā)電機并啟動備用機。

（2）故障機高頻高功率，會導(dǎo)致電網(wǎng)其他在網(wǎng)發(fā)電機高頻低功率，變化速率分為慢速和快速 ，慢速報警，快速切斷發(fā)電機并啟動備用機。

（3）zone protection，其他排發(fā)電機高頻高功率，導(dǎo)致當(dāng)前母排發(fā)電機高頻低功率（逆功），變化速率分為慢速和快速，慢速報警，快速系統(tǒng)切斷BUSTIE。

（4）zone protection，其他排發(fā)電機低頻高功率，導(dǎo)致當(dāng)前母排發(fā)電機低頻高功率（過載>100%），變化速率分為慢速和快速，慢速報警并啟動備用機，快速切斷并啟動備用機。

（5）電網(wǎng)過載低頻，功率限制降低失敗，導(dǎo)致整個電網(wǎng)低頻，系統(tǒng)切斷BUSTIE 并啟動備用機 。

速度控制系統(tǒng)，主要針對于柴油機調(diào)速器，高壓油泵等發(fā)生可能故障時，作出的應(yīng)急反應(yīng)。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速異常導(dǎo)致的功率分配異常，在發(fā)電機電流電壓頻率達到配電板繼電保護器設(shè)定保護范圍之前，可以準(zhǔn)確的分析判斷出故障機，保證剩余在網(wǎng)設(shè)備正常運行。

2.2 監(jiān)測電壓控制系統(tǒng)

AGS通過實時對電網(wǎng)電壓，在網(wǎng)發(fā)電機無功功率，發(fā)電機勵磁電流（AVR）三個參數(shù)的監(jiān)測，并與軟件設(shè)定模型分析對比，通過變化率和趨勢對比，及時發(fā)現(xiàn)故障機，切斷故障源，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。通過在網(wǎng)發(fā)電機之間參數(shù)的對比，采取軟件對比投票功能，計算無功功率，勵磁電流和電壓的偏差，從而分析得出故障機，并及時報警切斷。

監(jiān)測電壓控制系統(tǒng)，主要有以下幾種故障模型：

（1）AVR電壓反饋丟失，導(dǎo)致發(fā)電機勵磁電流增加，電網(wǎng)電壓增加，無功功率增加，導(dǎo)致在網(wǎng)剩余發(fā)電機高電壓低無功（逆無功）。

（2）AVR故障，導(dǎo)致發(fā)電機勵磁電流降低或者為0，無功功率降低，導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓整體下降，剩余發(fā)電機無功增加。

（3）電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率增加，電網(wǎng)電壓下降。

電壓控制系統(tǒng)，主要針對于發(fā)電機AVR異常，無功功率分配異常等狀態(tài)，作出應(yīng)急反應(yīng)。

Zone protection是AGS的一個相對獨立的功能，它通過切斷母排主開關(guān)的方式，將故障排隔離。以某輪為例，將一字母排分開，分為4段，根據(jù)DP3的要求，至少可以保證3段母排正常運行，達到DP3的要求。

3 AGS/PMS/柴油機安保系統(tǒng)/中壓配電板繼電保護器保護范圍對比

以某輪為例船舶電站主要由以下4種方式管理，確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行：PMS/AGS/柴油機安保系統(tǒng)/中壓配電板繼電保護器。具體見表1。

表1 AGS/PMS/柴油機安保模塊/中壓配電板

繼電保護器保護范圍

通過表格1可以看出，PMS主要側(cè)重于船舶電網(wǎng)電站的功率管理，功率分配，重載問詢，發(fā)電機啟停并網(wǎng)等基本 功能，并監(jiān)控所有的參數(shù)數(shù)據(jù) ；柴油機安保系統(tǒng)（ESM）主要側(cè)重于對柴油機本身硬件系統(tǒng)的保護，對于會造成機損可能的故障作出應(yīng)急反應(yīng)，及時切斷故障柴油機；中壓配電板繼電保護器主要通過測量發(fā)電機電流電壓頻率功率等參數(shù)，當(dāng)發(fā)生故障時，某些參數(shù)達到臨界值時，繼電器保護器切斷發(fā)電機或者母聯(lián)開關(guān)，達到保護整個電網(wǎng)的目的。相比于這3種措施，AGS通過監(jiān)測參數(shù)的實時變化情況，通過對比，在柴油機或發(fā)電機故障發(fā)生初期，可以更快的發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)發(fā)電機的異常，在電流電壓頻率等參數(shù)未達到繼保整定值，即柴油機安保系統(tǒng)/發(fā)電機繼電保護器介入之前，可以將故障隔離出來，切換故障發(fā)電機及故障排，從而保證剩余電網(wǎng)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行[5]。

4 AGS 模型參數(shù)設(shè)定

AGS系統(tǒng)軟件參數(shù)設(shè)定實時記錄當(dāng)前在網(wǎng)發(fā)電機及母排有功功率及無功功率，其他母排在線功率，功率因素等分別記錄每臺發(fā)電機measured load（反饋負(fù)載），estimated load（期望負(fù)載）；measured reactive load（反饋無功），estimated reactive load（期望無功）；measured gen.current（反饋電流），measured filed current（反饋勵磁電流），estimated field current（期望勵磁電流）;measured fuel rack position（反饋油門齒條），estimated fuel rack position（期望油門齒條）；measured net frequency（反饋頻率），estimated net frequency（期望頻率）；并在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定發(fā)電機額定功率，額定電流，勵磁電流最小值，高功率因素0.95時勵磁電流，低功率因素0.85時勵磁電流，可計算勵磁電流最大值。通過這些參數(shù)設(shè)定，建立系統(tǒng)模型，通過監(jiān)測運行參數(shù)的變化趨勢，與模型計算預(yù)期值作出對比，當(dāng)偏差超出設(shè)定值可作出報警提示并動作?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)場工況分別設(shè)定DEVIATION LIMITS（偏差限制），ALARM DELAY（報警延時），TRIP DELAY（脫扣延時）等時間參數(shù)。隨著柴油機長期運行，工況可能會發(fā)生改變，可根據(jù)現(xiàn)場實際測定值，修改部分設(shè)定值，比如油門齒條等參數(shù)。具體的參數(shù)設(shè)定可參考圖6。

5 船舶AGS調(diào)試測試結(jié)果

表2中為某船系統(tǒng)建模和測試時，相應(yīng)AGS速度控制測試（部分），從中可以看出AGS對于電網(wǎng)頻率和有功功率的監(jiān)測通過對發(fā)電機運行參數(shù)變化率的監(jiān)測，達到及時發(fā)現(xiàn)故障機，切斷故障源保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

表3中為某船系統(tǒng)建模和測試時，相應(yīng)AGS電壓控制測試記錄（部分），從中可以看出AGS對于電網(wǎng)電壓和無功功率的監(jiān)測通過對發(fā)電機運行參數(shù)變化率的監(jiān)測，達到及時發(fā)現(xiàn)故障機，切斷故障源保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

6 結(jié)束語

綜合比較可以看出，相比與傳統(tǒng)PMS系統(tǒng)（電站管理，功率分配）和繼電保護器對于電站的監(jiān)測和防護（過載，欠壓，低頻，差動等）AGS結(jié)合DP3船舶的最新運行要求，將船舶安全、日常管理、靈活控制各方面優(yōu)化結(jié)合；從電網(wǎng)兩個最重要的參數(shù)出發(fā)，通過對發(fā)電機運行參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)分析對比，將在網(wǎng)運行發(fā)電機有功功率和無功功率對比，通過分析變化率關(guān)系，投票表決對比，能夠發(fā)現(xiàn)故障的端倪；在電流電壓等參數(shù)均在繼保測量正常范圍內(nèi)，達到危險值之前，能夠提前分析出故障的方向，發(fā)現(xiàn)故障機的存在，提前采取有效的方案措施，切斷故障發(fā)電機或匯流排，保證船舶在DP模式下的安全運行。隨著船舶電網(wǎng)拓?fù)湎駽LOSE –BUETIE和CLOSE- RING的發(fā)展，AGS在未來DP船舶中應(yīng)用也將更為廣泛。

參考文獻

[1] CCS規(guī)范研究所. CCS船級社DP規(guī)范，第四分冊[G].2018.7.

[2] KONGSBERG. KONGSBERG Functional Design Document PMS1460366-C-8 [R]2019.6.

[3] 操定友.淺談高DP2船舶電站管理系統(tǒng)[J].電腦知識與技術(shù)，2021.6.

[4] ABB.11KV Switchboard function description 3ACM000325-302-C [R] 2019.1.

[5] 余小青. 動力定位船舶電站閉排運行的設(shè)計研究[J].中國設(shè)備工程，2021.2.

作者簡介：

沈濤，輪機長，大專，研究方向：動力定位船舶電站及設(shè)備，（E-mail）daozi_8402@163.com，13621826905