加香君 盧俊奇 張春峰 謝勰

摘? ? 要：B.O.S.S系統(tǒng)可以有效預防電力系統(tǒng)故障，顯著提高船舶運行的可靠性和安全性，也可在電網(wǎng)閉環(huán)狀態(tài)下使船舶保持動力定位的能力。以公司承建的832 LSE平臺供應船為實例，通過對B.O.S.S系統(tǒng)的詳細分析和實船應用檢驗，介紹B.O.S.S系統(tǒng)的特點和功能，可供類似系統(tǒng)的設計和調試參考。該系統(tǒng)的研究與應用推廣，對于促進船舶電力控制系統(tǒng)的相關技術發(fā)展，提高國內(nèi)船舶相關配套系統(tǒng)的研發(fā)、制造具有重要意義。

關鍵詞：B.O.S.S系統(tǒng);電力推進;動力定位;斷電

中圖分類號：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The blackout safety system （BOSS） can effectively prevent power system failures， significantly improve the reliability and safety of ship operation， and also enable the ship to maintain the dynamic positioning capability in the closed-loop state of the power grid. Taking the 832LSE platform supply ship built by the company as an example， through the detailed analysis and the application test in the actual ship for the BOSS system， the characteristics and functions of the BOSS system are introduced， which can be used as a reference for the design and debugging of the similar system. The research and promotion of this system is of great significance for promoting the development of related technologies of ship power control systems and improving the research and development and manufacture of Chinas ship related supporting systems.

Key words： Blackout Safety System （BOSS）; Electric Propulsion; Dynamic Positioning System; Blackout

1? ? ?前言

近年來，隨著我國海洋工程的設計和建造能力逐步提高，國內(nèi)各大船廠承建了很多國外的海洋工程項目。與常規(guī)的海船不同，海洋工程一般都要求配置動力定位系統(tǒng)（簡稱“DP系統(tǒng)”）和綜合電力推進系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的設計需要滿足國外的規(guī)范和標準。

平臺供應船（簡稱“PSV”）是海洋工程船的重要組成部分，其主要任務是為海上作業(yè)的所有固定式和浮式裝備運送各類物資，提供后勤保障。平臺供應船采用甲板堆放和船艙儲存的運輸方式，物資范圍包括食品、燃料、水、鉆探設備、干散貨、油管等。由于經(jīng)常需要?？吭诤Ｉ献鳂I(yè)裝置的附近，故基本上所有的PSV都會配置DP系統(tǒng)[6]。

對于申請動力定位DP-2和DP-3入級符號的船舶，規(guī)范要求系統(tǒng)的任意單點故障都不會使船舶失去動力定位能力;復雜的電力推進船舶，也要求電網(wǎng)發(fā)生故障時，船舶推進系統(tǒng)能夠安全可靠地運行[7]。B.O.S.S系統(tǒng)（Black Out Safety System）在擁有動力定位功能或綜合電力推進系統(tǒng)的船舶中，可以有效地預防電力系統(tǒng)故障，顯著地提高船舶運行的可靠性和安全性;也可在電網(wǎng)閉環(huán)狀態(tài)下，使船舶保持動力定位的能力。

由我司承建的Havyard 832 L SE系列平臺供應船（PSV）是帶DP-2符號的全電力推進船舶，除常規(guī)功能外，還具有溢油回收、甲醇和乙二醇運輸、對外消防等功能，可加裝70 t海洋吊機，進行水下機器人作業(yè)，其綜合作業(yè)能力位居世界一流水平。該船配備了挪威電力系統(tǒng)公司NES設計的B.O.S.S系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下主要特點：

（1）有效預防電網(wǎng)單點故障，保持發(fā)電機和電力系統(tǒng)安全運行;

（2）對推進變頻器進行直接運行執(zhí)行與控制;

（3）快速執(zhí)行推進負荷減負荷動作，從而自動維持船舶穩(wěn)定運行;

（4）可以在主配電板母聯(lián)開關閉合狀態(tài)下保持DP-3級別的動力定位作業(yè)，提高船舶運營的經(jīng)濟性。

2? ? B.0.S.S.系統(tǒng)

2.1? ?B.O.S.S系統(tǒng)簡介

在船舶柴油發(fā)電機電力推進系統(tǒng)中，主要關注的是在所有情況下保持可用于推進的動力，推進動力的喪失會對人員和船舶的安全造成嚴重影響。因此，擁有DP系統(tǒng)的船舶，需要有一個安全保障系統(tǒng)來監(jiān)督主電力系統(tǒng)，在任何一個單點故障發(fā)生的情況下，主配電板上始終有足夠可用的電力，并且不會發(fā)生停電[8]。

B.O.S.S系統(tǒng)是主配電板中的一個集成系統(tǒng)，它收集所有必要的信息，并對電力系統(tǒng)中的意外更改或故障執(zhí)行正確的操作;它還直接與變頻器通信，以確保在正常情況下良好的加、卸載，以及在出現(xiàn)緊急故障時可以快速卸載。

B.O.S.S系統(tǒng)的主要作用是斷開故障部件，這個部件可能是一臺發(fā)電機、一臺變頻器或一個配電板。該系統(tǒng)將在幾毫秒內(nèi)對整個電力系統(tǒng)中的變化做出準確的決策，并使電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。B.O.S.S系統(tǒng)在復位前，發(fā)生故障不會將另一個部件斷開。

從電氣角度來看，緊急故障可能有以下幾種情況：

（1）短路;

（2）柴油發(fā)電機組過載;

（3）柴油發(fā)動機的調速器故障;

（4）調壓器故障;

（5）柴油濾清器堵塞。

B.O.S.S系統(tǒng)的特征如下：

（1）完全控制可用功率;

（2）監(jiān)控頻率、電壓、有功功率、無功功率和勵磁電流;

（3）系統(tǒng)由發(fā)電機組、主配電板和變頻器實現(xiàn);

（4）變頻器快速卸載（FLR）;

（5）集成在主配電板中;

（6）雙PLC冗余系統(tǒng)。

2.2? B.O.S.S系統(tǒng)架構

B.O.S.S系統(tǒng)是基于Omron CJ2M PLC的雙PLC冗余系統(tǒng)，這兩個PLC在硬件和軟件方面都是相同的。整套系統(tǒng)包含觸摸控制屏一套（帶DP-3符號的項目需配置2套）、PLC兩套（每套均含現(xiàn)場總線接口、以太網(wǎng)接口、延伸接口等）、輸入/輸出裝置（每臺發(fā)電機一套）、管理開關等。兩套PLC一主一備，相關數(shù)據(jù)保持實時同步，任一套PLC發(fā)生非預期故障時系統(tǒng)自動轉換到備用PLC，以保證系統(tǒng)連續(xù)運行。B.O.S.S系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖，如圖1所示。

圖中，虛線是主配電板中的現(xiàn)場總線環(huán)網(wǎng)，在此環(huán)網(wǎng)中每個發(fā)電機都有一個遠程I/O單元（最多8個），現(xiàn)場總線環(huán)網(wǎng)將主配電板和發(fā)電機過程數(shù)據(jù)傳送給PLC。

實線是一個以太網(wǎng)環(huán)，該網(wǎng)環(huán)將變頻器（推進）的過程數(shù)據(jù)傳送給PLC，也可用于遙控輔助系統(tǒng)。

環(huán)形拓撲，意味著所有連接的設備與B.O.S.S的PLC都有冗余通信。

2.3? B.O.S.S系統(tǒng)硬件配置

B.O.S.S系統(tǒng)的硬件包括：

（1）一個觸摸屏控制面板（如申請DP-3符號則需要兩個）;

（2）兩個配有現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)擴展卡的PLC，用于監(jiān)控主配電板;

（3）每臺發(fā)電機一個I /O模塊;

（4）管理開關。

2.4? B.O.S.S系統(tǒng)功能

B.O.S.S系統(tǒng)PLC軟件的主要功能如下：

（1）冗余控制;

（2）計算發(fā)電機連接形式;

（3）檢查發(fā)電機發(fā)電（有功、無功）;

（4）檢查母排電壓和頻率;

（5）控制變頻器輸出功率;

（6）發(fā)電機和母聯(lián)斷路器脫扣監(jiān)控;

（7）快速卸載;

（8）柴油發(fā)動機油尺位置/柴油機負荷。

B.O.S.S系統(tǒng)對柴油發(fā)電機的監(jiān)測項目包括：

（1）發(fā)電機有功功率;

（2）發(fā)電機無功功率;

（3）發(fā)電機主電流;

（4）發(fā)電機勵磁電流;

（5）總線電壓;

（6）總線頻率;

（7）柴油發(fā)動機油尺位置/負載量。

除此之外，B.O.S.S系統(tǒng)將收到的發(fā)電機開關和母聯(lián)開關狀態(tài)以及變頻器狀態(tài)信息，準確計算每臺發(fā)電機或變頻器的健康狀況，并分配可用功率。

如果B.O.S.S系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機不健康時會斷開發(fā)電機。導致發(fā)電機斷開的原因主要有：

（1）與所連接的其它發(fā)電機相比，勵磁電流高或低;

（2）與所連接的其它發(fā)電機相比，有功功率高或低;

（3）與所連接的其它發(fā)電機相比，柴油發(fā)動機油尺/發(fā)動機負載高或低。

除了上述故障之外，還有一些情況需要斷開母聯(lián)開關，如：

（1）故障發(fā)電機上的發(fā)電機斷路器不響應跳閘信號;

（2）頻率高;

（3）低頻率;

（4）高壓;

（5）低電壓。

B.O.S.S系統(tǒng)還可以對推進動力進行控制。變頻器將消耗數(shù)據(jù)發(fā)送給B.O.S.S，B.O.S.S給出功率限制至變頻器。

如果在不需要B.O.S.S的情況下操作船舶，可以啟動B.O.S.S系統(tǒng)的本地模式，此時所有脫扣功能和功率限制將取消。該功能是由位于配電板面板上的轉換開關來實現(xiàn)的。

該系統(tǒng)同時使用兩個信號（NO / NC），以檢測故障開關或斷線。如果發(fā)生以上情況，系統(tǒng)將發(fā)出警報。

3? ? B.O.S.S系統(tǒng)的試驗

3.1? ?驗證系統(tǒng)設置

在試驗前需要按說明書驗證系統(tǒng)設置。

3.2? ?檢查硬件和軟件版本

在軟件面板主頁面中，檢查軟件版本號是否正確。

3.3? ?檢查I/O設備、網(wǎng)絡與供電

（1）檢查所有I/O 設備上是否有紅色LED燈閃爍（即故障報警）;

（2）檢查交換機上是否有紅色LED燈處于活動狀態(tài);

（3）檢查以太網(wǎng)單元顯示屏是否顯示任何故障代碼及是否僅顯示IP地址;

（4）斷開一個PLC電源并檢查另一個PLC是否仍然在線，以檢查系統(tǒng)電源是否冗余。

3.4? 功能測試

（1）發(fā)電機脫扣試驗

包括在過勵磁、欠勵磁、有功功率高、低狀狀態(tài)下，發(fā)電機開關斷開時滅磁繼電器動作，B.O.S.S系統(tǒng)面板顯示報警，同時發(fā)送綜合故障報警至全船監(jiān)測報警系統(tǒng);

（2）母聯(lián)開關脫扣試驗

包括在電壓高、電壓低、頻率高、頻率低狀態(tài)下，母聯(lián)開關脫扣，B.O.S.S系統(tǒng)面板顯示報警，同時發(fā)送綜合故障報警至全船監(jiān)測報警系統(tǒng);

（3）發(fā)電機開關故障試驗

發(fā)電機開關在收到脫扣指令后，實際開關狀態(tài)信號無變化，此時發(fā)電機開關先斷開;而系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機開關在收到脫扣指令后實際狀態(tài)無變化時，會給出脫扣指令至母聯(lián)開關來斷開母聯(lián)開關。B.O.S.S系統(tǒng)面板顯示報警，同時發(fā)送綜合警告至全船監(jiān)測報警系統(tǒng);

（4）B.O.S.S報警點試驗

包括IO設備、控制器、通訊設備、電源等等故障或者斷線，將觸發(fā)報警并顯示在B.O.S.S面板，同時送至全船監(jiān)測報警系統(tǒng);

（5）功率限制及減載試驗（見表1）。

4? ? B.O.S.S系統(tǒng)的實船應用

832 LSE PSV項目是具有DP-2級動力定位能力的海洋工程船，主要的電力推進設備為：4臺1 500 kW主發(fā)電機組;2臺1 600 kW全回轉主推進器;2臺800 kW電動側推。主推、側推電機均由“AFE”變頻器控制。

該項目配備了挪威電氣公司（NES）提供的B.O.S.S系統(tǒng)。在設備訂貨階段，通過技術溝通將B.O.S.S系統(tǒng)與主配電板、應急配電板、變頻器、主發(fā)電機、推進電機整體打包，設備來貨后無其它安裝工作，僅需在項目系泊試驗時進行少量檢查工作，其余工作均在船舶試航時完成;進行B.O.S.S系統(tǒng)調試、報驗前，需先完成主發(fā)電機組試驗、主推進器及控制系統(tǒng)試驗、側推裝置及控制系統(tǒng)試驗等項目。

B.O.S.S系統(tǒng)試驗的主要內(nèi)容是模擬電網(wǎng)單一故障發(fā)生時，該系統(tǒng)能確保船舶電站安全運行。如在航行工況時，人為脫扣一臺主發(fā)電機裝置，此時B.O.S.S系統(tǒng)將自動檢測電網(wǎng)總功率與推進系統(tǒng)需求情況，在保證電網(wǎng)不會斷電的情況下，第一時間先通過推進變頻器降低螺旋槳速度，同時自動起動備用發(fā)電機組，恢復電網(wǎng)充足的電力供應。船舶駕駛員不需要人為判斷電站的電負荷率，極大地提高了操縱便利性。該系統(tǒng)也可根據(jù)主發(fā)電機組的負荷率，自動起/停發(fā)電機組，保持發(fā)電機組的經(jīng)濟運行。

5? ? B.0.S.S.系統(tǒng)的推廣及應用前景

B.O.S.S系統(tǒng)配置簡單、調試方便，在我司832LSE PSV項目上運行可靠、穩(wěn)定，極大提升了船舶運行的安全性和便利性。鑒于目前國內(nèi)其它類似項目還較少應用，希望本文可以對國內(nèi)類似系統(tǒng)的研發(fā)、推廣起到一定作用。

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