陸炳良, 池波

?

基于PLC和PPM的船舶功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸炳良, 池波

(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149 )

本文首先根據(jù)某船的實(shí)際工程應(yīng)用需求，分析了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。然后選用西門(mén)子公司的熱冗余S7-400H系列工業(yè)PLC作為主控制單元，配合DIEF公司的PPM機(jī)組控制器，進(jìn)行了該船的功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的配置說(shuō)明以及基本功能設(shè)計(jì)。冗余的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、透明的監(jiān)控管理以及完善的功能設(shè)計(jì)，有利于操作人員的使用和提高本船的安全、可靠運(yùn)行。

功率管理系統(tǒng) PPM 電力推進(jìn)

0 引言

隨著變頻調(diào)速技術(shù)、大容量電機(jī)制造技術(shù)、自動(dòng)控制等技術(shù)的發(fā)展，電力推進(jìn)船舶的可靠性、機(jī)動(dòng)性和推進(jìn)效率等各項(xiàng)性能指標(biāo)日趨完善。電力推進(jìn)船舶具有機(jī)動(dòng)性好、噪聲小、振動(dòng)小、機(jī)組配置和布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為柴油機(jī)直接推進(jìn)方式的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

功率管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)船舶的機(jī)組啟動(dòng)并車(chē)、解列停機(jī)的控制管理，并對(duì)全船電力負(fù)荷進(jìn)行總體協(xié)調(diào)控制，合理分配利用有限的能量，確保船舶發(fā)電、配電、用電設(shè)備的安全。

目前，功率管理系統(tǒng)成了電力推進(jìn)船舶不可或缺的系統(tǒng)，特別是具有動(dòng)力定位要求的船舶。國(guó)外SIEMENS、ABB等各大系統(tǒng)提供商、集成商均有系列化產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)組成

根據(jù)某船舶的實(shí)際要求，該船的主電站主要有4臺(tái)1000 kW發(fā)電機(jī)組組成。主配電板主要將全船的電能統(tǒng)一分配并啟動(dòng)各種現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)功能。主配電板饋電給2套主推進(jìn)變頻驅(qū)動(dòng)裝置、2套艏側(cè)推裝置，并通過(guò)690 V/400 V變壓器給400 V負(fù)載供電。

本船功率管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)PMS）不僅具有對(duì)船舶電站的監(jiān)視、控制、保護(hù)功能，還將實(shí)現(xiàn)主推進(jìn)變頻器、船舶電站、DP系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。功率管理系統(tǒng)根據(jù)功率的實(shí)時(shí)需求對(duì)每臺(tái)主發(fā)電機(jī)及推進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各發(fā)電機(jī)的工作，并可以對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警和處理，為推進(jìn)系統(tǒng)和其它用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，功率管理系統(tǒng)會(huì)采取各種措施，盡可能保證對(duì)負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。

PMS的監(jiān)控對(duì)象為主發(fā)電機(jī)組及停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組及主配電板內(nèi)的主斷路器、690 V母聯(lián)開(kāi)關(guān)和400 V母聯(lián)開(kāi)關(guān)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)配置

本船采用熱冗余設(shè)計(jì)功率管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)PMS），PMS主控制器采用SIEMENS公司的熱冗余S7-400H系列工業(yè)PLC，配置有2個(gè)同步模塊，通過(guò)光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)同步通訊，兩套S7-400H獨(dú)立運(yùn)行并互為備用。一套S7-400H將在電站功率管理系統(tǒng)中發(fā)揮主控制站的功能，另一套則運(yùn)行在備用控制站的狀態(tài)。一旦主用S7-400H出現(xiàn)故障，備用S7-400H將被自動(dòng)切換成主用控制器。

每臺(tái)主發(fā)電機(jī)均配置獨(dú)立的機(jī)組管理模塊（PPM3-DG），為發(fā)電機(jī)提供保護(hù)。匯流排與發(fā)電機(jī)的電壓和頻率等參數(shù)均獨(dú)立監(jiān)測(cè)。任意一套保護(hù)和功率管理模塊（PPM）故障不會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。如果并車(chē)運(yùn)行的某臺(tái)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)高壓、低壓、高頻、低頻等故障時(shí)，相應(yīng)的故障發(fā)電機(jī)自動(dòng)脫扣。

母聯(lián)開(kāi)關(guān)配置有聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)管理模塊（PPM3-BTB），為母聯(lián)開(kāi)關(guān)提供保護(hù)、同步合閘、分閘控制等。

變壓器副端開(kāi)關(guān)配置有聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)管理模塊（PPM3-BTB）,為變壓器副端開(kāi)關(guān)提供保護(hù)、同步合閘、分閘控制等。停泊/應(yīng)急機(jī)組停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組能和4 臺(tái)主發(fā)電機(jī)組當(dāng)中的任意一臺(tái)進(jìn)行短時(shí)并車(chē)做不斷電負(fù)荷轉(zhuǎn)移。

停泊/應(yīng)急機(jī)組配置獨(dú)立的應(yīng)急機(jī)組管理模塊（PPM3-EDG），為停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)提供控制、保護(hù)。

為確保電網(wǎng)異常情況確保供電連續(xù)性，為每段母線配置功率適配模塊（PAM）1個(gè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組負(fù)荷率和主開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并按照機(jī)組負(fù)荷率和開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)功率進(jìn)行穩(wěn)態(tài)功率限制及暫態(tài)快速降低推進(jìn)功率，以防止負(fù)荷突變引起發(fā)電機(jī)過(guò)載，防止出現(xiàn)全船停電而影響船舶安全。

2.2 系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成

為了確保供電連續(xù)性和系統(tǒng)可靠性，PMS采用兩級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)完成，如圖1所示。上層采用冗余的PROFIBUS控制網(wǎng)絡(luò)，PLC控制器采用西門(mén)子的兩套S7-400H熱冗余控制器。

上層PROFIBUS通過(guò)Y-link連接DEIF公司的PPM。PPM是一個(gè)真正的多主站系統(tǒng)，其功率管理功能是依靠PPM計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)內(nèi)部選定一個(gè)控制單元為“命令單元”。該控制單元負(fù)責(zé)發(fā)電機(jī)保護(hù)、起動(dòng)優(yōu)先級(jí)和其它相關(guān)功率管理功能的計(jì)算。

下層網(wǎng)絡(luò)采用冗余的CANbus連接各個(gè)PPM，命令單元一旦出現(xiàn)故障，另一個(gè)正常工作的PPM會(huì)自動(dòng)接替命令單元的計(jì)算功能。

與機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的接口采用冗余的雙路工業(yè)以太網(wǎng)，采用TCP協(xié)議發(fā)送PMS系統(tǒng)狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)。

PMS配置兩個(gè)12寸觸摸屏（MP377）作為人機(jī)界面交互，互為備用，分別布置在配電板和機(jī)艙集控臺(tái)，可進(jìn)行相關(guān)PMS控制操作、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警顯示。

3 系統(tǒng)工作模式與功能

3.1 工作模式

PMS設(shè)置有手動(dòng)模式、半自動(dòng)模式以及自動(dòng)模式三種控制模式，可通過(guò)安裝于功率管理屏面板的模式選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。

“手動(dòng)模式”下，電站控制功能由主配電板中獨(dú)立電路完成，主控制器不參與操作，僅與機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)通訊，不執(zhí)行任何控制功能，HMI面板只顯示供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。

“半自動(dòng)模式”下，船員可在主配電板上或PPM面板對(duì)PMS進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)或停止、主斷路器合閘或分?jǐn)嗖僮?。在船員給出合閘指令后，發(fā)電機(jī)起動(dòng)后自動(dòng)投入與電網(wǎng)自動(dòng)同步并車(chē)運(yùn)行。只有在船員給出分閘指令后，運(yùn)行在網(wǎng)的機(jī)組才會(huì)自動(dòng)卸載且分閘運(yùn)行。在半自動(dòng)模式下，PMS的自動(dòng)化功能會(huì)被封鎖，但是發(fā)電機(jī)的功率管理模塊PPM均起作用。

“自動(dòng)模式”下，PMS自動(dòng)對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行管理。發(fā)電機(jī)組根據(jù)負(fù)荷情況將自動(dòng)起動(dòng)或停止；發(fā)電機(jī)起動(dòng)后也將自動(dòng)投入同步并車(chē)運(yùn)行；在主控制器發(fā)出停止指令后，發(fā)電機(jī)將執(zhí)行自動(dòng)卸載、分閘和停機(jī)運(yùn)行程序。

3.2 功能

1) 機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)

供電系統(tǒng)在網(wǎng)機(jī)組功率總和達(dá)到設(shè)定值，在經(jīng)過(guò)一個(gè)設(shè)定的延遲時(shí)間后自動(dòng)啟動(dòng)備用機(jī)組。

當(dāng)在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，經(jīng)延時(shí)后能自動(dòng)起動(dòng)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(duì)故障機(jī)組發(fā)出停機(jī)指令，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

當(dāng)運(yùn)行機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重故障停機(jī)時(shí)，備用機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)后自動(dòng)并網(wǎng)。

在發(fā)出機(jī)組啟動(dòng)命令后，如果在三次起動(dòng)嘗試次數(shù)后沒(méi)有收到“柴油機(jī)運(yùn)行”或發(fā)電機(jī)電壓大于85%的信號(hào)，該故障機(jī)組將停機(jī)，并啟動(dòng)備用機(jī)組。

能對(duì)每臺(tái)機(jī)組的自動(dòng)和遙控啟動(dòng)予以閉鎖，以便能安全地進(jìn)行維修。機(jī)組的啟動(dòng)和運(yùn)行在發(fā)電機(jī)控制屏和PMS及同步屏有指示。

當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，所有機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，最先啟動(dòng)成功的機(jī)組自動(dòng)投網(wǎng)供電。

2) 機(jī)組投入和并聯(lián)運(yùn)行

母線無(wú)電時(shí)，待并機(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)組自動(dòng)同步，自動(dòng)合閘。

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(kāi)關(guān)同時(shí)合閘。

自動(dòng)并聯(lián)后，具備有功功率、無(wú)功功率自動(dòng)分配功能。保證任意主發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，保證有功分配差度滿足要求。

非對(duì)稱(chēng)功率分配模式，每條獨(dú)立母線可選擇一臺(tái)機(jī)組處于基本負(fù)載模式。

3) 機(jī)組的解列和停機(jī)

若指定機(jī)組解列后，實(shí)時(shí)負(fù)載功率仍小于剩余在網(wǎng)機(jī)組可用功率的60%（可設(shè)定）時(shí)，則指定機(jī)組自動(dòng)解列、停機(jī)。

自動(dòng)工況下，因負(fù)載減少而執(zhí)行自動(dòng)減機(jī)時(shí)，PMS自動(dòng)根據(jù)設(shè)定順序減少機(jī)組。

進(jìn)出港及靠離平臺(tái)時(shí)，在自動(dòng)工況下，PMS控制電站只增機(jī)不減機(jī)。

除嚴(yán)重故障之外，解列過(guò)程中PMS均能平滑地自動(dòng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷。當(dāng)解列發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷低于該發(fā)電機(jī)組額定功率的10%（可設(shè)定），電流低于額定電流的30%（可設(shè)定）時(shí)PMS發(fā)出分閘指令。

4) 機(jī)組和斷路器的監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)功能

5) 發(fā)電機(jī)組起、停序列設(shè)定功能

通過(guò)PMS及并車(chē)屏柜門(mén)上的HMI可設(shè)定各發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起、停的優(yōu)先級(jí)。

1) 重載問(wèn)詢(xún)功能

2) 功率較大的負(fù)載（如艏側(cè)推）在啟動(dòng)時(shí)需進(jìn)行重載問(wèn)詢(xún)，電站滿足要求后方可啟動(dòng)，否則不能啟動(dòng)。重載詢(xún)問(wèn)的應(yīng)答有自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。

3) 分級(jí)卸載功能（優(yōu)先脫扣功能）

4) 應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)組功能

5) 應(yīng)急切斷功能

6) 功率限制及快速降負(fù)荷功能

7) 機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)接口功能

8) DP接口功能

9) 人機(jī)界面監(jiān)測(cè)功能

通過(guò)HMI對(duì)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、每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)機(jī)組的控制指令。

4 結(jié)束語(yǔ)

船舶功率管理系統(tǒng)主要完成船舶發(fā)電、配電以及負(fù)載的管理，完善的功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)提高電力推進(jìn)船舶的可靠性、機(jī)動(dòng)性以及減少燃料消耗有重要作用。

[1] 羅成漢，陳輝. 船舶能量管理系統(tǒng)PMS對(duì)策[J].中國(guó)航海, 2007, 73(4): 87-91.

[2] 柯常國(guó)，王勁. 基于PLC和PPU的艦船功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 船電技術(shù), 2007, 73(4):15-19.

[3] Designer’s Reference Handbook: PROTECTION AND POWER ANAGEMENT, PPM-3, DIEF, Denmark, 2012.

Design of Shipboard PMS Based on PLC and PPM

Lu Binliang , Chi Bo

（China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China）

U664.14

A

1003-4862（2014）09-0025-03

2014-08-25

陸炳良（1955-），男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)。