劉建波 張浩

（1. 海軍駐上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室，上海 200135；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

20世紀(jì) 90年代以來，電力推進(jìn)方式相比傳統(tǒng)機(jī)械式推進(jìn)以其操縱性好、艙室布置靈活、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性高、安靜性較好等諸多的優(yōu)勢在艦船推進(jìn)領(lǐng)域內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如：英國從混合動力推進(jìn)的 23型護(hù)衛(wèi)艦到現(xiàn)在全電力推進(jìn)的45型驅(qū)逐艦、美國未來的DDG1000驅(qū)逐艦計(jì)劃等。由于艦船的推進(jìn)功率較大以及高性能脈沖艦載武器的出現(xiàn)，造成艦船電力系統(tǒng)的容量逐漸變大、負(fù)荷變化性不斷提高。普通意義上的船舶自動電站技術(shù)根本不能滿足艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)控制運(yùn)行的要求。因此，國外專家率先提出并實(shí)現(xiàn)了基于信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的艦船功率管理系統(tǒng)（Power Management System, 簡稱PMS），它能優(yōu)化艦船電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)能夠綜合考慮全船發(fā)電機(jī)組、輸配電保護(hù)、推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測報(bào)警、用電設(shè)備監(jiān)控管理等[1，3]。因此，艦船功率管理技術(shù)成為了未來艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

2 功率管理技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，國外PMS技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先，各大公司相繼推出了基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分布式PMS產(chǎn)品。這些產(chǎn)品已經(jīng)以其穩(wěn)定可靠的性能成功應(yīng)用于各類電力推進(jìn)艦船。如：SIEMENS公司的 PMA300系列、DELF的DM-4系列、MARORKA的Maren2系列、KONGSBERG的K-Chief500系列等。

在國內(nèi)，中船重工武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所、上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所、哈爾濱工程大學(xué)、上海海事大學(xué)等單位在艦船功率管理技術(shù)做出了相當(dāng)理論研究。自2007年以來中船重工武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所在國內(nèi)自主集成設(shè)計(jì)的10余艘電力推進(jìn)軍民船舶上開始應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的國產(chǎn)PMS產(chǎn)品。經(jīng)過幾年來實(shí)船的驗(yàn)證，國產(chǎn)PMS產(chǎn)品性能穩(wěn)定，達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。

3 功率管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

艦船PMS是一個(gè)包含：傳感與變送、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)、控制與調(diào)節(jié)、信息處理與顯示、系統(tǒng)決策與管理的綜合性系統(tǒng)，也是一個(gè)能量控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)電能的管理、失電保護(hù)、燃油優(yōu)化、推進(jìn)裝置以及其它負(fù)荷的功率控制。具體在艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)中，它對電力推進(jìn)系統(tǒng)的各組成設(shè)備實(shí)施實(shí)時(shí)控制、有效故障診斷與保護(hù)、自動協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)組和電力推進(jìn)功率、系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、記錄系統(tǒng)故障事件信息、并自動生成各種工況報(bào)表。

通常艦船PMS主要由以下四部分組成：發(fā)電機(jī)控制模塊（GCM）、中央處理PLC（S7-300）、現(xiàn)地控制子站（ET200M）、帶觸摸屏的圖形終端（HMI），如下圖1所示。中央處理PLC與GCM、ET200M之間的內(nèi)部通訊采用Profibus-DP總線協(xié)議，并利用光纖做傳輸介質(zhì)，很容易實(shí)現(xiàn)內(nèi)部幾臺發(fā)電機(jī)組的分布式控制。其中，GCM是 PMS的核心部件之一，它能控制和監(jiān)視所有發(fā)電機(jī)組的本地運(yùn)行參數(shù)、接收/執(zhí)行指令。其基本的功能包括：發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)組與母線的動態(tài)同步、機(jī)組頻率控制、負(fù)載控制、發(fā)電機(jī)監(jiān)視和保護(hù)[2]。

圖1 功率管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成圖

4 功率管理系統(tǒng)的功能

在艦船電力系統(tǒng)中，艦船的過程自動化系統(tǒng)、動力定位（Dynamic Positioning ，簡稱 DP）系統(tǒng)以及自動化系統(tǒng)的其它部件，都控制著電力系統(tǒng)的各自部分。但所有安裝的電力設(shè)備的相互作用的結(jié)合點(diǎn)就是配電系統(tǒng)。作為一個(gè)能量管理系統(tǒng)，PMS監(jiān)視和全盤控制著配電系統(tǒng)的功能，因而它是全船電力自動化和DP系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

PMS根據(jù)負(fù)載的實(shí)時(shí)功率需求和電網(wǎng)的運(yùn)行狀況對每臺柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各臺柴油發(fā)電機(jī)組的工作，動態(tài)調(diào)整對機(jī)組的控制指令，對供電分系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警和處理，為電力推進(jìn)系統(tǒng)及其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。在供電分系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，功率管理系統(tǒng)能采取相應(yīng)的措施，盡可能保證對負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電以確保船舶的安全性。該系統(tǒng)的主要功能如下[3]：

4.1 機(jī)組的自動啟動

供電系統(tǒng)在網(wǎng)機(jī)組功率總和達(dá)到90%額定功率總和，此時(shí)儲備功率不足，備用機(jī)組應(yīng)自動啟動。備用機(jī)組的優(yōu)先順序可人工設(shè)定。啟動成功達(dá)到投網(wǎng)電壓后自動投入的時(shí)間小于30s。

當(dāng)在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組因柴油機(jī)報(bào)警（二類故障）時(shí)，經(jīng)延時(shí)后能自動啟動備用機(jī)組，備用機(jī)組并入電網(wǎng)成功后，逐步卸去故障機(jī)組負(fù)荷并對故障機(jī)組發(fā)出停機(jī)指令，并發(fā)出報(bào)警信號。

當(dāng)在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組因柴油機(jī)故障（一類故障）時(shí)，能自動啟動備用機(jī)組，并發(fā)出報(bào)警信號。

機(jī)組啟動指令的發(fā)出不超過三次，具有三次啟動失敗報(bào)警功能。當(dāng)PMS收到一套機(jī)組啟動失敗信息后，則能自動將啟動指令轉(zhuǎn)至下一套備用機(jī)組，并發(fā)出報(bào)警信號。

能對每套機(jī)組的自動啟動予以閉鎖，以便能安全地進(jìn)行維修。

4.2 機(jī)組投入和并聯(lián)運(yùn)行

母線無電時(shí)，待用機(jī)組在達(dá)到一定電壓和頻率后立即投入。母線有電時(shí)，待并機(jī)組可自動同步，自動合閘。同時(shí)，設(shè)計(jì)有預(yù)防措施，以避免兩個(gè)或兩個(gè)以上發(fā)電機(jī)組開關(guān)同時(shí)合閘。

自動并聯(lián)后，具有有功功率自動分配功能。在機(jī)組正常工作時(shí)，保證任意發(fā)電機(jī)組長期并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)總負(fù)荷率在 20%～100%和功率因數(shù)在0.6～0.9（滯后）范圍變化時(shí)，保證有功功率分配差度不大于5%（相同功率機(jī)組）或10%（不同功率機(jī)組的小機(jī)組），無功功率分配差度不大于 10%。

機(jī)組投入運(yùn)行后，頻率調(diào)節(jié)精度為 50±0.5 Hz。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障而造成在網(wǎng)發(fā)電機(jī)主開關(guān)脫扣時(shí)，在人工應(yīng)答復(fù)位前防止各發(fā)電機(jī)組開關(guān)重新合閘。

自動并車主要技術(shù)指標(biāo)：合閘頻差可調(diào)范圍為：±0.1～0.5 Hz；合閘電壓差: ≤5% UN（可調(diào)）；允許合閘相角差: 0～10°（可調(diào)）。

4.3 機(jī)組的解列和停機(jī)

若指定機(jī)組解列后，其實(shí)時(shí)功率小于60%的可用功率時(shí)，則指定機(jī)組自動解列、停機(jī)。

在解列過程中，除嚴(yán)重故障之外，均能平滑地自動轉(zhuǎn)移負(fù)荷。當(dāng)解列發(fā)電機(jī)組經(jīng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移后，負(fù)荷率低于10%，電流不超過30% In時(shí)，發(fā)出分閘指令。

機(jī)組發(fā)生超速或滑油失壓等嚴(yán)重故障時(shí)，使故障機(jī)組緊急停機(jī)，并啟動備用機(jī)組投入。

當(dāng)負(fù)荷減少而自動減機(jī)時(shí)，在網(wǎng)機(jī)組按指令設(shè)定的順序減少機(jī)組。

被解列的發(fā)電機(jī)組在分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)主斷路器并空載運(yùn)行3 min后，按規(guī)定程序發(fā)出停機(jī)指令。若發(fā)出停機(jī)指令15 s后，柴油機(jī)仍未停機(jī)，發(fā)出停機(jī)失敗報(bào)警。

4.4 發(fā)電機(jī)組起、停序列設(shè)定功能

通過母聯(lián)屏觸摸屏可設(shè)定供電系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)組的自動啟、停的優(yōu)先級并可在人機(jī)界面上修改。

4.5 跨接開關(guān)控制及聯(lián)鎖功能

對各區(qū)跨接開關(guān)實(shí)行指定自動合、分閘控制功能，并實(shí)現(xiàn)各區(qū)雙跨接線下跨接開關(guān)之間的聯(lián)鎖保護(hù)功能。

母線開關(guān)實(shí)行自動合、分功能，并帶有聯(lián)鎖保護(hù)功能；對船電、岸電的不停電切換功能。

4.6 重載詢問功能

在啟動大容量的用電設(shè)備之前（如主推進(jìn)裝置）用電設(shè)備應(yīng)先向 PMS發(fā)出啟動請求，PMS會根據(jù)機(jī)組在網(wǎng)情況，判斷是否能滿足它們的用電和起動要求，若能夠滿足時(shí)，則發(fā)出啟動允許信號，允許啟動；若不能滿足時(shí)，則應(yīng)在一臺備用發(fā)電機(jī)組啟動、并網(wǎng)且在網(wǎng)機(jī)組功率貯備足夠時(shí)，才發(fā)出啟動允許，允許它們投入電網(wǎng)用電。

若PMS處于具有自動增機(jī)功能的模式時(shí)，則在進(jìn)行重載詢問判斷電站現(xiàn)時(shí)供電發(fā)電機(jī)的功率貯備是否能滿足大容量用電設(shè)備的用電要求時(shí)，應(yīng)使大容量用電設(shè)備起用后的電站總負(fù)載量不超過重載判斷條件中的臨界值。在無備用發(fā)電機(jī)組可用的情況下，不得發(fā)出啟動允許。

4.7 分級自動卸載功能

當(dāng)電網(wǎng)在線負(fù)載的總用電量超過供電發(fā)電機(jī)的額定輸出能力，并持續(xù)一定的時(shí)間之后，應(yīng)能自動將在線負(fù)載中的次要負(fù)載以一級或分作幾級的方式從電網(wǎng)分?jǐn)?，以確保對重要負(fù)載的連續(xù)供電。

4.8 其它保護(hù)功能

系統(tǒng)中低壓回路的過載、短路及絕緣監(jiān)測等保護(hù)功能。

4.9 功率限制功能

對主推進(jìn)裝置運(yùn)行過程中，負(fù)荷增加達(dá)到供電系統(tǒng)設(shè)定要求時(shí)，實(shí)現(xiàn)功率限制。

4.10 供電的平衡性

在分區(qū)供電時(shí)，主要設(shè)備可根據(jù)左、右舷電能的配置狀態(tài)，自動選擇其供電電源，從而使電能分配合理、平衡。

4.11 人機(jī)界面監(jiān)測功能

對電力系統(tǒng)重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)PMS功能的前提保障。PMS可以根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況、每套發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，動態(tài)調(diào)整對機(jī)組的控制指令。主要有以下功能：

彩色人機(jī)界面的動態(tài)顯示：在母聯(lián)屏 OP人機(jī)界面上動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、母線的運(yùn)行狀態(tài)、電能分配狀況等，同時(shí)可以在線修改PMS設(shè)置參數(shù)；

報(bào)警功能：對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)故障報(bào)警監(jiān)測，并對故障進(jìn)行相應(yīng)的處理；

圖形顯示：以動態(tài)圖形顯示電站系統(tǒng)，當(dāng)情況異常時(shí)，予以變色或閃動；

頁面顯示：含參數(shù)頁、報(bào)警頁；

報(bào)警窗口：當(dāng)有報(bào)警時(shí)，彈出當(dāng)前的報(bào)警信息小窗口。

5 功率限制和功率保護(hù)

艦船電力推進(jìn)中，螺旋槳負(fù)載一般是整個(gè)電力系統(tǒng)中最大的負(fù)荷。在惡劣海況航行中，螺旋槳負(fù)載可能突然在 10%～100%的負(fù)荷率下變動工作。這樣可能造成在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的瞬時(shí)過功率運(yùn)行，這種狀態(tài)的反復(fù)出現(xiàn)可能引起整個(gè)艦船電網(wǎng)的崩潰。同時(shí)，系統(tǒng)正常滿負(fù)荷運(yùn)行過程中某1臺或幾臺發(fā)電機(jī)組突然的非正常脫扣也會造成系統(tǒng)瞬時(shí)運(yùn)行在過負(fù)荷狀態(tài)。這種狀態(tài)同樣會造成整個(gè)艦船電力系統(tǒng)的崩潰。因此，PMS在艦船電力推進(jìn)中的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)就是推進(jìn)功率的限制和保護(hù)。

目前一種基于事件算法的 PMS功率限制和保護(hù)方法在 ABB等國外大公司中開始應(yīng)用。其通過配電板現(xiàn)地子站采集的發(fā)電機(jī)斷路器狀態(tài)量和中央處理 PLC采集系統(tǒng)各點(diǎn)后的計(jì)算量相結(jié)合，通過硬線和光纖網(wǎng)絡(luò)的方法，快速實(shí)現(xiàn)推進(jìn)功率的限制與保護(hù)[4]。如圖2所示。

圖2 基于事件算法的PMS功率限制和保護(hù)

采用這種斷路器狀態(tài)和系統(tǒng)算法相結(jié)合的復(fù)合方法后，能夠?qū)⒗米冾l器的快速響應(yīng)性在500 ms至 1000 ms以內(nèi)快速限制推進(jìn)負(fù)載的功率，并迅速起到整個(gè)保護(hù)整個(gè)電網(wǎng)安全的目的。

6 結(jié)束語

PMS實(shí)質(zhì)是一個(gè)以能量優(yōu)化為目標(biāo)的一個(gè)綜合控制系統(tǒng)，是未來艦船全綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)。隨著未來大功率推進(jìn)器和高能武器的使用，PMS還存在面對燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等新型混合原動力的條件下，如何增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)在抗打擊能力和重構(gòu)能力下的穩(wěn)定可靠性，功率優(yōu)化配置的合理性等諸多問題。因此，還要對PMS系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、算法進(jìn)入更深一步的研究。

[1] 管洋,戚正偉. ReWorks嵌入式操作系統(tǒng)在船舶 PMS上的應(yīng)用[J]. 船舶工程, 2010（1）, 37-41.

[2] 查輔江. 基于 PLC的船舶電站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 造船技術(shù), 2008（4）, 27-29.

[3] 徐永法等. 船舶能量管理系統(tǒng) PMS研究[J]. 中國航海, 2005（3）, 78-81.

[4] Damir Radan. Integrated control of marine electrical power systems, THESES FOR THE DEGREE OF PHILOSOPHIAE DOCTOR, Department of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology, 2008.