劉建波

（海軍駐上海江南造船集團(tuán)有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913）

功率管理系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉建波

（海軍駐上海江南造船集團(tuán)有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913）

當(dāng)PMS主站出現(xiàn)故障或出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，導(dǎo)致全船電力推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行操作，致使全船PMS能量管理系統(tǒng)癱瘓，對(duì)自航絞吸式挖泥船PMS冗余系統(tǒng)進(jìn)行討論，配置熱冗余結(jié)構(gòu)的PMS管理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。

PMS 電力推進(jìn) 管理系統(tǒng)

0 引言

功率管理系統(tǒng)(Power Management System.簡(jiǎn)稱(chēng)PMS)是電力推進(jìn)船舶系統(tǒng)的核心，隨著國(guó)內(nèi)電力推進(jìn)船舶自動(dòng)化的發(fā)展，船舶用戶(hù)和海事部門(mén)越來(lái)越需要對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)中能力管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求，從我們作為電力推進(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)的角度出發(fā)，基于經(jīng)濟(jì)性和可靠性的角度來(lái)進(jìn)行分析，配置一個(gè)合理的PMS系統(tǒng)是我們整個(gè)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)和船舶先進(jìn)性最顯著的標(biāo)志。

1 電力系統(tǒng)概況

配電系統(tǒng)由三相三線AC 690 V，50 Hz，AC 400 V/230V，50 Hz及DC 24 V所組成。主要包括主配電板、輔配電板及組合啟動(dòng)屏、應(yīng)急/停泊配電板和功率管理系統(tǒng)。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為全船提供推進(jìn)與挖泥作業(yè)的動(dòng)力，包括兩條支路，每條支路由整流變壓器、變頻器（含制動(dòng)電阻和切換裝置）和推進(jìn)電機(jī)組成。系統(tǒng)可以在航行與挖泥工況之間切換。由一套變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)，在推進(jìn)工況下，控制兩臺(tái)1600 kW交流異步推進(jìn)電機(jī)，調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速，滿(mǎn)足各種作業(yè)工況的航速要求。在挖泥工況下，控制一臺(tái)1600 kW水下泵交流異步電機(jī)和一臺(tái)1200 kW絞刀交流異步電機(jī)，調(diào)節(jié)水下泵和絞刀轉(zhuǎn)速，滿(mǎn)足挖泥作業(yè)的負(fù)荷要求。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)變頻器內(nèi)的交流負(fù)載開(kāi)關(guān)，保證該船航行時(shí)不進(jìn)行挖泥作業(yè)，挖泥作業(yè)時(shí)不航行。電力推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及功率分配的關(guān)鍵就是PMS系統(tǒng)的穩(wěn)定與否。

2 功率管理系統(tǒng)的組成

當(dāng)PMS主站出現(xiàn)故障或出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，導(dǎo)致全船電力推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行操作，從而導(dǎo)致全船PMS能量管理系統(tǒng)癱瘓。經(jīng)過(guò)激發(fā)分析和討論 ，對(duì)2000方挖泥船PMS冗余結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，配置熱冗余結(jié)構(gòu)的PMS管理系統(tǒng)。

功率管理系統(tǒng)用于控制和調(diào)節(jié)本船的電網(wǎng)，包括2臺(tái)主發(fā)電機(jī)、1臺(tái)輔發(fā)電機(jī)和1臺(tái)應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)。功率管理系統(tǒng)在挖泥作業(yè)、航行工況下為船舶用電設(shè)備提供足夠的電能，實(shí)現(xiàn)不間斷供電。此外，功率管理系統(tǒng)還包含對(duì)配電板、主發(fā)電機(jī)和輔發(fā)電機(jī)的保護(hù)監(jiān)視功能，并對(duì)功率管理提供完善的可視化功能。

功率管理系統(tǒng)采用熱冗余型可編程邏輯控制器架構(gòu)，主要包括S7-400H主控制器(包括電源PS407、CPU414H、C443-1)、Y-LINK網(wǎng)絡(luò)組件(2個(gè)IM157、Y型耦合器及總線模塊)、 主配電板、輔配電板、應(yīng)急配電主配電板冗余總線ET200M（含2個(gè)IM153-2、Y型耦合器及總線模塊、IO模塊）完成配電板運(yùn)行狀態(tài)輸入、熱工參數(shù)采集、開(kāi)關(guān)控制及機(jī)組控制?？偩€ET200M、各發(fā)電機(jī)組PPU、OP?？删幊踢壿嬁刂破鞑捎脽岵灏涡洼斎胼敵瞿K。PMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2。S7-400H主控制器(包括電源PS407、CPU414H、C443-1、同步模塊、同步光纖)主要完成PPU單網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)據(jù)收集及其他子站的連接，通過(guò)冗余以太網(wǎng)向上位機(jī)發(fā)送PMS數(shù)據(jù)。通過(guò)冗余CPU的MPI與OP交換數(shù)據(jù)。

Y-LINK網(wǎng)絡(luò)組件(2個(gè)IM153、Y型耦合器及總線模塊)主要實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)到單總線網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換。

主配電板冗余總線ET200M（含2個(gè)IM153-2、Y型耦合器及總線模塊、IO模塊）完成主配電板運(yùn)行狀態(tài)輸入、熱工參數(shù)采集、開(kāi)關(guān)控制及機(jī)組控制。完成配電板運(yùn)行狀態(tài)輸入、熱工參數(shù)采集、開(kāi)關(guān)控制及機(jī)組控制。

OP面板作為PMS人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，分別與冗余的AS414H的MPI口進(jìn)行連接。

PMS系統(tǒng)檢測(cè)主配電板上所有斷路器以及輔配電板上重要設(shè)備斷路器的狀態(tài)。對(duì)匯流排與發(fā)電機(jī)的電壓和頻率等參數(shù)獨(dú)立監(jiān)測(cè)，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。

當(dāng)主用可編程邏輯控制器出現(xiàn)故障時(shí)，備用可編程邏輯控制器立刻被自動(dòng)切換成主用。發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的保護(hù)功能不能受到任何影響。一套可編程邏輯控制器出現(xiàn)故障不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成任何影響。PMS發(fā)生故障時(shí)不會(huì)導(dǎo)致發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤的指令信號(hào)。

熱備模式的S7-414H的運(yùn)行是根據(jù)主動(dòng)冗余結(jié)構(gòu)原理，在發(fā)生故障時(shí)兩個(gè)子單元都在運(yùn)行狀態(tài)。如果發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨(dú)立完成整個(gè)過(guò)程的控制。

3 功率管理系統(tǒng)的功能

功率管理系統(tǒng)對(duì)全船的功率實(shí)施統(tǒng)一優(yōu)化管理，安裝于主配電板中母聯(lián)及功率管理屏內(nèi)（如圖3所示），主要設(shè)備包括PMS主控制器、機(jī)組數(shù)據(jù)采集控制子站ET200M、發(fā)電機(jī)保護(hù)并車(chē)單元PPU及PMS人機(jī)界面等，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS連接，組成功率管理系統(tǒng)。

功率管理系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載的實(shí)時(shí)功率需求和電網(wǎng)的運(yùn)行狀況對(duì)每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的工作，動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)機(jī)組的控制指令，對(duì)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(duì)負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電以確保船舶的安全性。

功率管理系統(tǒng)的功能包括主發(fā)電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載、自動(dòng)加載、自動(dòng)卸載、重載詢(xún)問(wèn)、順序起動(dòng)等功能，2臺(tái)主發(fā)電機(jī)可以長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行。主發(fā)電機(jī)與輔發(fā)電機(jī)之間可短時(shí)并車(chē)進(jìn)行不斷電負(fù)載轉(zhuǎn)移。任一臺(tái)在網(wǎng)機(jī)組失電時(shí)，備用發(fā)電機(jī)應(yīng)盡快自動(dòng)起動(dòng)，并合閘供電，在失電后30 s內(nèi)完成，同時(shí)給應(yīng)急配電板經(jīng)延時(shí)的啟動(dòng)信號(hào)。

a) PMS操作地點(diǎn)在母聯(lián)屏，PMS實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)、自動(dòng)、越控三種控制方式。

b) 機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)

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

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

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(dòng)備用機(jī)組投入。

能對(duì)每套機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)予以閉鎖，以便能安全地進(jìn)行維修。

c) 機(jī)組投入和并聯(lián)運(yùn)行

母線無(wú)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(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，具有有功功率自動(dòng)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(zhǎng)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%，無(wú)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(kāi)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(kāi)關(guān)重新合閘。

d) 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%（可設(shè)定）的可用功率時(shí)，則指定機(jī)組自動(dòng)解列、停機(jī)。

在解列過(guò)程中，除嚴(yán)重故障之外，均能平滑地自動(dòng)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%（可調(diào)），電流不超過(guò)30% In（可調(diào)）時(shí)發(fā)出分閘指令。

被解列的發(fā)電機(jī)組在分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)并空載運(yùn)行3 min后，按設(shè)定程序發(fā)出停機(jī)指令。

e) 機(jī)組起、停序列設(shè)定功能

通過(guò)母聯(lián)屏OP可設(shè)定供電系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起、停的優(yōu)先級(jí)并可在人機(jī)界面上修改。

f) 根據(jù)設(shè)定工況信號(hào)準(zhǔn)備電站

控制方式選擇為“自動(dòng)”或“越控”時(shí)，可根據(jù)駕駛室設(shè)定的工況信號(hào)完成適合各工況的電站準(zhǔn)備，設(shè)定工況包括“航行工況”、“停泊工況”、“進(jìn)出港工況”和“疏浚作業(yè)工況”。

g) 重載詢(xún)問(wèn)功能

在啟動(dòng)大容量的用電設(shè)備之前，用電設(shè)備應(yīng)先向功率管理系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)請(qǐng)求，功率管理系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組在網(wǎng)情況，判斷是否能滿(mǎn)足它們的用電和起動(dòng)要求，若能夠滿(mǎn)足時(shí)，則發(fā)出啟動(dòng)允許信號(hào)，允許啟動(dòng)；若不能滿(mǎn)足時(shí)，則應(yīng)在一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)、并網(wǎng)且在網(wǎng)機(jī)組功率貯備足夠時(shí)，才發(fā)出啟動(dòng)允許，允許它們投入電網(wǎng)用電。

h) 分級(jí)自動(dòng)卸載功能

當(dāng)電網(wǎng)在線負(fù)載的總用電量超過(guò)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(dòng)將在線負(fù)載中的次要負(fù)載以四級(jí)的方式從電網(wǎng)分?jǐn)啵源_保對(duì)重要負(fù)載的連續(xù)供電。

i) 人機(jī)界面監(jiān)測(cè)功能

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、每套發(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。主要有以下功能：

彩色人機(jī)界面的動(dòng)態(tài)顯示：在母聯(lián)屏人機(jī)界面上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)故障報(bào)警監(jiān)測(cè)，并對(duì)故障進(jìn)行相應(yīng)的處理；

圖形顯示：以動(dòng)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(dòng)；

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。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行表明，當(dāng)主用可編程邏輯控制器出現(xiàn)故障時(shí)，備用可編程邏輯控制器立刻被自動(dòng)切換成主用。發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的保護(hù)功能不能受到任何影響。一套可編程邏輯控制器出現(xiàn)故障不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成任何影響。PMS發(fā)生故障時(shí)不會(huì)導(dǎo)致發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤的指令信號(hào)。熱備模式的S7-414H的運(yùn)行是根據(jù)主動(dòng)冗余結(jié)構(gòu)原理，在發(fā)生故障時(shí)兩個(gè)子單元都在運(yùn)行狀態(tài)。如果發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨(dú)立完成整個(gè)過(guò)程的控制。通訊冗余結(jié)構(gòu)使得當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路出現(xiàn)故障時(shí)，不影響整個(gè)能量管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行，船舶運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性得到提高。

[1] 周東華,葉銀忠. 現(xiàn)代故障診斷與容錯(cuò)控制[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[2] 張乃堯,閻平凡. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[3] M.Chow，P.M.Mangun，and S.O.Yee. A neural network approach to real-time condition monitoring of induction motors. IEEE Trans. OIE，1991, (10): 448-453.

[4] 徐永法，韓旗，杜軍等. 船舶能量管理系統(tǒng)PMS研究[J]. 中國(guó)航海，2005，(3):78-80.

[5] 管小銘. 船舶電力系統(tǒng)及自動(dòng)化[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社, 1999.

[6] 鄭元璋，冀路明，李海量. 艦船綜合電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 中國(guó)航海，2005, (4):83-80.

Design of PMS Redundant Structure

Liu Jianbo

(Naval Representatives Office in Jiangnan Delta Refco Group Ltd, Shanghai 201913, China)

When fault happens in PMS main plant or in the network, the electric propulsion system can’t work, which leads to a breakdown of PMS. This paper discusses PMS redundant system of the 2000 cubic dredger and disposes hot redundant structure of PMS. The actual operation indicates that the system is stable and reliable.

PMS; electric propulsion; management system

TM711

A

1003-4862（2013）05-0051-04

2012-11-15

劉建波（1970-），男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船電力推進(jìn)。