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(yù)防電力系統(tǒng)故障，顯著提高船舶運(yùn)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(dòng)力定位的能力。以公司承建的832 LSE平臺(tái)供應(yīng)船為實(shí)例，通過對(duì)B.O.S.S系統(tǒng)的詳細(xì)分析和實(shí)船應(yīng)用檢驗(yàn)，介紹B.O.S.S系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能，可供類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試參考。該系統(tǒng)的研究與應(yīng)用推廣，對(duì)于促進(jìn)船舶電力控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展，提高國內(nèi)船舶相關(guān)配套系統(tǒng)的研發(fā)、制造具有重要意義。

關(guān)鍵詞：B.O.S.S系統(tǒng);電力推進(jìn);動(dòng)力定位;斷電

中圖分類號(hào)：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shè)計(jì)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(xiàng)目。與常規(guī)的海船不同，海洋工程一般都要求配置動(dòng)力定位系統(tǒng)（簡稱“DP系統(tǒng)”）和綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足國外的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

平臺(tái)供應(yīng)船（簡稱“PSV”）是海洋工程船的重要組成部分，其主要任務(wù)是為海上作業(yè)的所有固定式和浮式裝備運(yùn)送各類物資，提供后勤保障。平臺(tái)供應(yīng)船采用甲板堆放和船艙儲(chǔ)存的運(yùn)輸方式，物資范圍包括食品、燃料、水、鉆探設(shè)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(huì)配置DP系統(tǒng)[6]。

對(duì)于申請(qǐng)動(dòng)力定位DP-2和DP-3入級(jí)符號(hào)的船舶，規(guī)范要求系統(tǒng)的任意單點(diǎn)故障都不會(huì)使船舶失去動(dòng)力定位能力;復(fù)雜的電力推進(jìn)船舶，也要求電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，船舶推進(jìn)系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行[7]。B.O.S.S系統(tǒng)（Black Out Safety System）在擁有動(dòng)力定位功能或綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶中，可以有效地預(yù)防電力系統(tǒng)故障，顯著地提高船舶運(yùn)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(dòng)力定位的能力。

由我司承建的Havyard 832 L SE系列平臺(tái)供應(yīng)船（PSV）是帶DP-2符號(hào)的全電力推進(jìn)船舶，除常規(guī)功能外，還具有溢油回收、甲醇和乙二醇運(yùn)輸、對(duì)外消防等功能，可加裝70 t海洋吊機(jī)，進(jìn)行水下機(jī)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(shè)計(jì)的B.O.S.S系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：

（1）有效預(yù)防電網(wǎng)單點(diǎn)故障，保持發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行;

（2）對(duì)推進(jìn)變頻器進(jìn)行直接運(yùn)行執(zhí)行與控制;

（3）快速執(zhí)行推進(jìn)負(fù)荷減負(fù)荷動(dòng)作，從而自動(dòng)維持船舶穩(wěn)定運(yùn)行;

（4）可以在主配電板母聯(lián)開關(guān)閉合狀態(tài)下保持DP-3級(jí)別的動(dòng)力定位作業(yè)，提高船舶運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)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(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)中，主要關(guān)注的是在所有情況下保持可用于推進(jìn)的動(dòng)力，推進(jìn)動(dòng)力的喪失會(huì)對(duì)人員和船舶的安全造成嚴(yán)重影響。因此，擁有DP系統(tǒng)的船舶，需要有一個(gè)安全保障系統(tǒng)來監(jiān)督主電力系統(tǒng)，在任何一個(gè)單點(diǎn)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(huì)發(fā)生停電[8]。

B.O.S.S系統(tǒng)是主配電板中的一個(gè)集成系統(tǒng)，它收集所有必要的信息，并對(duì)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(shí)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(gè)部件可能是一臺(tái)發(fā)電機(jī)、一臺(tái)變頻器或一個(gè)配電板。該系統(tǒng)將在幾毫秒內(nèi)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)中的變化做出準(zhǔn)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(fù)位前，發(fā)生故障不會(huì)將另一個(gè)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(jī)組過載;

（3）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速器故障;

（4）調(diào)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(lì)磁電流;

（3）系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)組、主配電板和變頻器實(shí)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(gòu)

B.O.S.S系統(tǒng)是基于Omron CJ2M PLC的雙PLC冗余系統(tǒng)，這兩個(gè)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(hào)的項(xiàng)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(tái)發(fā)電機(jī)一套）、管理開關(guān)等。兩套PLC一主一備，相關(guān)數(shù)據(jù)保持實(shí)時(shí)同步，任一套PLC發(fā)生非預(yù)期故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到備用PLC，以保證系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。B.O.S.S系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(gè)發(fā)電機(jī)都有一個(gè)遠(yuǎn)程I/O單元（最多8個(gè)），現(xiàn)場總線環(huán)網(wǎng)將主配電板和發(fā)電機(jī)過程數(shù)據(jù)傳送給PLC。

實(shí)線是一個(gè)以太網(wǎng)環(huán)，該網(wǎng)環(huán)將變頻器（推進(jìn)）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?fù)?，意味著所有連接的設(shè)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(gè)觸摸屏控制面板（如申請(qǐng)DP-3符號(hào)則需要兩個(gè)）;

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

（3）每臺(tái)發(fā)電機(jī)一個(gè)I /O模塊;

（4）管理開關(guān)。

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(jì)算發(fā)電機(jī)連接形式;

（3）檢查發(fā)電機(jī)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(jī)和母聯(lián)斷路器脫扣監(jiān)控;

（7）快速卸載;

（8）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油尺位置/柴油機(jī)負(fù)荷。

B.O.S.S系統(tǒng)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：

（1）發(fā)電機(jī)有功功率;

（2）發(fā)電機(jī)無功功率;

（3）發(fā)電機(jī)主電流;

（4）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流;

（5）總線電壓;

（6）總線頻率;

（7）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油尺位置/負(fù)載量。

除此之外，B.O.S.S系統(tǒng)將收到的發(fā)電機(jī)開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)以及變頻器狀態(tài)信息，準(zhǔn)確計(jì)算每臺(tái)發(fā)電機(jī)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(jī)不健康時(shí)會(huì)斷開發(fā)電機(jī)。導(dǎo)致發(fā)電機(jī)斷開的原因主要有：

（1）與所連接的其它發(fā)電機(jī)相比，勵(lì)磁電流高或低;

（2）與所連接的其它發(fā)電機(jī)相比，有功功率高或低;

（3）與所連接的其它發(fā)電機(jī)相比，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油尺/發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(guān)，如：

（1）故障發(fā)電機(jī)上的發(fā)電機(jī)斷路器不響應(yīng)跳閘信號(hào);

（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(duì)推進(jìn)動(dòng)力進(jìn)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(dòng)B.O.S.S系統(tǒng)的本地模式，此時(shí)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(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。

該系統(tǒng)同時(shí)使用兩個(gè)信號(hào)（NO / NC），以檢測(cè)故障開關(guān)或斷線。如果發(fā)生以上情況，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。

3? ? B.O.S.S系統(tǒng)的試驗(yàn)

3.1? ?驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)置

在試驗(yàn)前需要按說明書驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)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(hào)是否正確。

3.3? ?檢查I/O設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)與供電

（1）檢查所有I/O 設(shè)備上是否有紅色LED燈閃爍（即故障報(bào)警）;

（2）檢查交換機(jī)上是否有紅色LED燈處于活動(dòng)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(gè)PLC電源并檢查另一個(gè)PLC是否仍然在線，以檢查系統(tǒng)電源是否冗余。

3.4? 功能測(cè)試

（1）發(fā)電機(jī)脫扣試驗(yàn)

包括在過勵(lì)磁、欠勵(lì)磁、有功功率高、低狀狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)開關(guān)斷開時(shí)滅磁繼電器動(dòng)作，B.O.S.S系統(tǒng)面板顯示報(bào)警，同時(shí)發(fā)送綜合故障報(bào)警至全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng);

（2）母聯(lián)開關(guān)脫扣試驗(yàn)

包括在電壓高、電壓低、頻率高、頻率低狀態(tài)下，母聯(lián)開關(guān)脫扣，B.O.S.S系統(tǒng)面板顯示報(bào)警，同時(shí)發(fā)送綜合故障報(bào)警至全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng);

（3）發(fā)電機(jī)開關(guān)故障試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)開關(guān)在收到脫扣指令后，實(shí)際開關(guān)狀態(tài)信號(hào)無變化，此時(shí)發(fā)電機(jī)開關(guān)先斷開;而系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)開關(guān)在收到脫扣指令后實(shí)際狀態(tài)無變化時(shí)，會(huì)給出脫扣指令至母聯(lián)開關(guān)來斷開母聯(lián)開關(guān)。B.O.S.S系統(tǒng)面板顯示報(bào)警，同時(shí)發(fā)送綜合警告至全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng);

（4）B.O.S.S報(bào)警點(diǎn)試驗(yàn)

包括IO設(shè)備、控制器、通訊設(shè)備、電源等等故障或者斷線，將觸發(fā)報(bào)警并顯示在B.O.S.S面板，同時(shí)送至全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng);

（5）功率限制及減載試驗(yàn)（見表1）。

4? ? B.O.S.S系統(tǒng)的實(shí)船應(yīng)用

832 LSE PSV項(xiàng)目是具有DP-2級(jí)動(dòng)力定位能力的海洋工程船，主要的電力推進(jìn)設(shè)備為：4臺(tái)1 500 kW主發(fā)電機(jī)組;2臺(tái)1 600 kW全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器;2臺(tái)800 kW電動(dòng)側(cè)推。主推、側(cè)推電機(jī)均由“AFE”變頻器控制。

該項(xiàng)目配備了挪威電氣公司（NES）提供的B.O.S.S系統(tǒng)。在設(shè)備訂貨階段，通過技術(shù)溝通將B.O.S.S系統(tǒng)與主配電板、應(yīng)急配電板、變頻器、主發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)整體打包，設(shè)備來貨后無其它安裝工作，僅需在項(xiàng)目系泊試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行少量檢查工作，其余工作均在船舶試航時(shí)完成;進(jìn)行B.O.S.S系統(tǒng)調(diào)試、報(bào)驗(yàn)前，需先完成主發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)、主推進(jìn)器及控制系統(tǒng)試驗(yàn)、側(cè)推裝置及控制系統(tǒng)試驗(yàn)等項(xiàng)目。

B.O.S.S系統(tǒng)試驗(yàn)的主要內(nèi)容是模擬電網(wǎng)單一故障發(fā)生時(shí)，該系統(tǒng)能確保船舶電站安全運(yùn)行。如在航行工況時(shí)，人為脫扣一臺(tái)主發(fā)電機(jī)裝置，此時(shí)B.O.S.S系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)總功率與推進(jìn)系統(tǒng)需求情況，在保證電網(wǎng)不會(huì)斷電的情況下，第一時(shí)間先通過推進(jìn)變頻器降低螺旋槳速度，同時(shí)自動(dòng)起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，恢復(fù)電網(wǎng)充足的電力供應(yīng)。船舶駕駛員不需要人為判斷電站的電負(fù)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(jī)組的負(fù)荷率，自動(dòng)起/停發(fā)電機(jī)組，保持發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5? ? B.0.S.S.系統(tǒng)的推廣及應(yīng)用前景

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

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