摘 要：21世紀(jì)是全世界大規(guī)模開發(fā)利用海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的新時(shí)期，各類大型海洋工程爆發(fā)式增長(zhǎng)，需要投入大批優(yōu)質(zhì)的海工船舶，其中作業(yè)能力和功能最強(qiáng)的動(dòng)力定位3級(jí)（簡(jiǎn)稱DP3）船舶起到了關(guān)鍵作用。如何確保DP3船舶在海洋工程中更穩(wěn)定、更可靠的運(yùn)行，船舶電站的管理尤為重要，其中電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的監(jiān)控和管理成為了重中之重。先進(jìn)發(fā)電機(jī)管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱AGS），基于船舶電站管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PMS），相比于傳統(tǒng)的PMS系統(tǒng)，AGS從發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的關(guān)系出發(fā)，通過監(jiān)測(cè)柴油機(jī)油門齒條/有功功率，勵(lì)磁電流/無(wú)功功率，分析電壓和頻率的變化趨勢(shì)，在DROOP（均功）模式下，監(jiān)測(cè)其變化率，從而可以在多臺(tái)并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)中精確的監(jiān)控每一臺(tái)發(fā)電機(jī)，當(dāng)其中某一臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生異常時(shí)，能及時(shí)采取措施，并將其分?jǐn)嗷蚋綦x開來(lái)，保證DP3 船舶的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：AGS；PMS；DP3；有功功率；無(wú)功功率

中圖分類號(hào)：U665.12

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，擁有著1.8萬(wàn)km的海岸線，300多萬(wàn)km2的管轄海域面積，沿海有著豐富的油氣資源和漁業(yè)資源，還可以開發(fā)大量的風(fēng)能資源。習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)這一宏偉的目標(biāo)，需要建造大型的海洋工程，建造先進(jìn)的海洋工程；穩(wěn)定、可靠、安全的海洋工程船舶是必可不少的強(qiáng)兵利器。

我國(guó)的大型DP船舶起步較晚，但依托我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，船舶建造發(fā)展迅速，尤其是船體結(jié)構(gòu)，自動(dòng)化電站，重吊建設(shè)都已接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)目前已成熟掌握DP3船舶的設(shè)計(jì)建造，近期幾艘DP3船舶的交付，代表著國(guó)內(nèi)DP3船舶的建造進(jìn)入了一個(gè)新的階段。這些船舶均配置當(dāng)前世界最先進(jìn)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，全船中壓電站配置采用CLOSE-BUE TIE（中壓系統(tǒng)一字排）模式或CLOSE-RING（中壓環(huán)網(wǎng)），將燃油經(jīng)濟(jì)性和船舶安全性相結(jié)合，在提高燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，對(duì)于船舶電站穩(wěn)定和安全提出更高的要求。DP3船舶在最初發(fā)展時(shí)，從船舶海工作業(yè)安全性考慮，從絕對(duì)冗余出發(fā)，中壓母排都采用分區(qū)供電模式，分區(qū)供電能源效率相對(duì)較低，進(jìn)入到21世紀(jì)，隨著人類的環(huán)保意識(shí)逐步提高，CLOSE-BUSTIE模式逐步運(yùn)用到DP3船舶中，中壓母線采用合排，發(fā)電機(jī)功率可以更合理的分配，但是對(duì)于電站運(yùn)行的穩(wěn)定性要求更高，為保證船舶在DP作業(yè)中絕對(duì)安全性，結(jié)合環(huán)保節(jié)能要求，AGS作為一項(xiàng)新的發(fā)電機(jī)管理模式加入到DP-PMS軟件中，DP3（CLOSE-BUSTIE）采用中壓一字排合排供電，低壓系統(tǒng)分區(qū)供電，可以更加優(yōu)化電力分配，傳統(tǒng)的船舶電網(wǎng)保護(hù)主要分為柴油機(jī)/PMS/中壓配電板等來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)，通過中壓配電板繼保監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的電壓、電流、頻率、差動(dòng)、零序電流等參數(shù)來(lái)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行保護(hù)。AGS從發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率關(guān)系出發(fā)（即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和電壓控制），通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率變化率，通過與自身設(shè)定值以及在網(wǎng)發(fā)電機(jī)參數(shù)比較，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的異常，一旦發(fā)電機(jī)發(fā)生故障達(dá)到設(shè)定臨界點(diǎn)，AGS將切斷故障發(fā)電機(jī)或隔離母排，啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，保證船舶電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。

1 DP3（CLOSE-BUSTIE）系統(tǒng)基本模型

以某DP3（CLOSE-BUE TIE）船舶為例，船舶配置8臺(tái)ABB發(fā)電機(jī)（8*5588KVA 11KV 60HZ），中壓配電板分為4段母排（HSB1-4），船舶采用合排運(yùn)行模式，在DP3作業(yè)時(shí)，HSB1-HSB3-HSB4-HSB2母聯(lián)開關(guān)依次相連，HSB1&2之間母聯(lián)開關(guān)斷開。中壓母排連接如圖1所示。

在DP3運(yùn)行過程中低壓主配電板由日用變壓器分別單獨(dú)供電，達(dá)到完全獨(dú)立。為保證船舶在DP3狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行，僅靠PMS的基礎(chǔ)控制功能，不能完全達(dá)到系統(tǒng)要求，需要增加對(duì)發(fā)電機(jī)配電板狀態(tài)監(jiān)控的手段。KONGSBERG公司為船舶配置的K-CHIEF系統(tǒng)，整合了AGS系統(tǒng)，AGS能夠優(yōu)先快速發(fā)現(xiàn)故障機(jī)以及故障排并能及時(shí)采取有效措施，將相應(yīng)的故障發(fā)電機(jī)隔離開來(lái)，并啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)保證剩余三段母排能夠滿足船舶穩(wěn)定運(yùn)行的作業(yè)要求。船舶4段母排（HSB1-4）分別配置一套AGS軟件模塊，模塊整合在每一段母排 Process Station（RCU）內(nèi)，相互之間通過網(wǎng)絡(luò)相連。拓?fù)涫疽馊鐖D2所示。

2 AGS系統(tǒng)原理

某DP3（CLOSE-BUSTIE）船舶AGS系統(tǒng)操作界面如圖3所示。

AGS配置在KCHIEF-PMS中并且操作人員可以選擇打開還是關(guān)閉AGS功能。AGS主要通過對(duì)發(fā)電機(jī)兩大方面參數(shù)進(jìn)行分析來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能：監(jiān)控速度控制系統(tǒng)（active load-sharing）；監(jiān)測(cè)電壓控制系統(tǒng)（reactive load-sharing）。

AGS軟件系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試時(shí)采集的參數(shù)來(lái)建立模型，采集發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的參數(shù)值。ZERO LOAD/FULL LOAD等工況下各項(xiàng)參數(shù)（有功功率，無(wú)功功率，勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電壓，油門刻度，額定電壓，額定電流，實(shí)時(shí)電壓電流，實(shí)時(shí)頻率），動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通過系統(tǒng)模型與實(shí)時(shí)參數(shù)變化率之間的趨勢(shì)對(duì)比，來(lái)分析整個(gè)電站的運(yùn)行狀況，從而保證電站的安全運(yùn)行。單段AGS的系統(tǒng)模型如圖4所示，根據(jù)模型計(jì)算出當(dāng)前工況下發(fā)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)期望值，并將與實(shí)際反饋值對(duì)比，當(dāng)偏差超過設(shè)定時(shí)，AGS將會(huì)作出動(dòng)作切斷故障機(jī)，啟動(dòng)備用機(jī)。具體設(shè)定偏差可根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整，本船AGS偏差限制設(shè)定，DROOP模式下有功功率限制偏差10%，無(wú)功功率限制偏差10%，電壓偏差0.3%，頻率偏差0.3 Hz，偏差及延時(shí)設(shè)定可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況實(shí)際修改[2] 。

2.1 ?監(jiān)控速度控制系統(tǒng)

通過對(duì)發(fā)電機(jī)有功功率和運(yùn)行頻率（柴油機(jī)運(yùn)行速度）。AGS系統(tǒng)持續(xù)通過系統(tǒng)負(fù)載分配設(shè)定點(diǎn)和速度的實(shí)際測(cè)量值對(duì)比來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，通過在網(wǎng)發(fā)電機(jī)參數(shù)的對(duì)比，通過內(nèi)部軟件投票系統(tǒng)，分析出故障機(jī)。某船發(fā)電機(jī)額定頻率60HZ（50HZ船舶原理一致）如圖5所示。

圖5 速度監(jiān)測(cè)模型

監(jiān)控速度控制系統(tǒng)，主要有以下幾種故障模型：

（1）故障機(jī)低頻低功率，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)其他在網(wǎng)發(fā)電機(jī)低頻高功率，變化速率分為慢速和快速，慢速報(bào)警并啟動(dòng)備用機(jī)，快速切斷發(fā)電機(jī)并啟動(dòng)備用機(jī)。

（2）故障機(jī)高頻高功率，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)其他在網(wǎng)發(fā)電機(jī)高頻低功率，變化速率分為慢速和快速 ，慢速報(bào)警，快速切斷發(fā)電機(jī)并啟動(dòng)備用機(jī)。

（3）zone protection，其他排發(fā)電機(jī)高頻高功率，導(dǎo)致當(dāng)前母排發(fā)電機(jī)高頻低功率（逆功），變化速率分為慢速和快速，慢速報(bào)警，快速系統(tǒng)切斷BUSTIE。

（4）zone protection，其他排發(fā)電機(jī)低頻高功率，導(dǎo)致當(dāng)前母排發(fā)電機(jī)低頻高功率（過載>100%），變化速率分為慢速和快速，慢速報(bào)警并啟動(dòng)備用機(jī)，快速切斷并啟動(dòng)備用機(jī)。

（5）電網(wǎng)過載低頻，功率限制降低失敗，導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)低頻，系統(tǒng)切斷BUSTIE 并啟動(dòng)備用機(jī) 。

速度控制系統(tǒng)，主要針對(duì)于柴油機(jī)調(diào)速器，高壓油泵等發(fā)生可能故障時(shí)，作出的應(yīng)急反應(yīng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速異常導(dǎo)致的功率分配異常，在發(fā)電機(jī)電流電壓頻率達(dá)到配電板繼電保護(hù)器設(shè)定保護(hù)范圍之前，可以準(zhǔn)確的分析判斷出故障機(jī)，保證剩余在網(wǎng)設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 監(jiān)測(cè)電壓控制系統(tǒng)

AGS通過實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓，在網(wǎng)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流（AVR）三個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并與軟件設(shè)定模型分析對(duì)比，通過變化率和趨勢(shì)對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障機(jī)，切斷故障源，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過在網(wǎng)發(fā)電機(jī)之間參數(shù)的對(duì)比，采取軟件對(duì)比投票功能，計(jì)算無(wú)功功率，勵(lì)磁電流和電壓的偏差，從而分析得出故障機(jī)，并及時(shí)報(bào)警切斷。

監(jiān)測(cè)電壓控制系統(tǒng)，主要有以下幾種故障模型：

（1）AVR電壓反饋丟失，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流增加，電網(wǎng)電壓增加，無(wú)功功率增加，導(dǎo)致在網(wǎng)剩余發(fā)電機(jī)高電壓低無(wú)功（逆無(wú)功）。

（2）AVR故障，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流降低或者為0，無(wú)功功率降低，導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓整體下降，剩余發(fā)電機(jī)無(wú)功增加。

（3）電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功功率增加，電網(wǎng)電壓下降。

電壓控制系統(tǒng)，主要針對(duì)于發(fā)電機(jī)AVR異常，無(wú)功功率分配異常等狀態(tài)，作出應(yīng)急反應(yīng)。

Zone protection是AGS的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能，它通過切斷母排主開關(guān)的方式，將故障排隔離。以某輪為例，將一字母排分開，分為4段，根據(jù)DP3的要求，至少可以保證3段母排正常運(yùn)行，達(dá)到DP3的要求。

3 AGS/PMS/柴油機(jī)安保系統(tǒng)/中壓配電板繼電保護(hù)器保護(hù)范圍對(duì)比

以某輪為例船舶電站主要由以下4種方式管理，確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行：PMS/AGS/柴油機(jī)安保系統(tǒng)/中壓配電板繼電保護(hù)器。具體見表1。

表1 AGS/PMS/柴油機(jī)安保模塊/中壓配電板

繼電保護(hù)器保護(hù)范圍

通過表格1可以看出，PMS主要側(cè)重于船舶電網(wǎng)電站的功率管理，功率分配，重載問詢，發(fā)電機(jī)啟停并網(wǎng)等基本 功能，并監(jiān)控所有的參數(shù)數(shù)據(jù) ；柴油機(jī)安保系統(tǒng)（ESM）主要側(cè)重于對(duì)柴油機(jī)本身硬件系統(tǒng)的保護(hù)，對(duì)于會(huì)造成機(jī)損可能的故障作出應(yīng)急反應(yīng)，及時(shí)切斷故障柴油機(jī)；中壓配電板繼電保護(hù)器主要通過測(cè)量發(fā)電機(jī)電流電壓頻率功率等參數(shù)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，某些參數(shù)達(dá)到臨界值時(shí)，繼電器保護(hù)器切斷發(fā)電機(jī)或者母聯(lián)開關(guān)，達(dá)到保護(hù)整個(gè)電網(wǎng)的目的。相比于這3種措施，AGS通過監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，通過對(duì)比，在柴油機(jī)或發(fā)電機(jī)故障發(fā)生初期，可以更快的發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的異常，在電流電壓頻率等參數(shù)未達(dá)到繼保整定值，即柴油機(jī)安保系統(tǒng)/發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)器介入之前，可以將故障隔離出來(lái)，切換故障發(fā)電機(jī)及故障排，從而保證剩余電網(wǎng)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

4 AGS 模型參數(shù)設(shè)定

AGS系統(tǒng)軟件參數(shù)設(shè)定實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前在網(wǎng)發(fā)電機(jī)及母排有功功率及無(wú)功功率，其他母排在線功率，功率因素等分別記錄每臺(tái)發(fā)電機(jī)measured load（反饋負(fù)載），estimated load（期望負(fù)載）；measured reactive load（反饋無(wú)功），estimated reactive load（期望無(wú)功）；measured gen.current（反饋電流），measured filed current（反饋勵(lì)磁電流），estimated field current（期望勵(lì)磁電流）;measured fuel rack position（反饋油門齒條），estimated fuel rack position（期望油門齒條）；measured net frequency（反饋頻率），estimated net frequency（期望頻率）；并在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定發(fā)電機(jī)額定功率，額定電流，勵(lì)磁電流最小值，高功率因素0.95時(shí)勵(lì)磁電流，低功率因素0.85時(shí)勵(lì)磁電流，可計(jì)算勵(lì)磁電流最大值。通過這些參數(shù)設(shè)定，建立系統(tǒng)模型，通過監(jiān)測(cè)運(yùn)行參數(shù)的變化趨勢(shì)，與模型計(jì)算預(yù)期值作出對(duì)比，當(dāng)偏差超出設(shè)定值可作出報(bào)警提示并動(dòng)作?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)工況分別設(shè)定DEVIATION LIMITS（偏差限制），ALARM DELAY（報(bào)警延時(shí)），TRIP DELAY（脫扣延時(shí)）等時(shí)間參數(shù)。隨著柴油機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，工況可能會(huì)發(fā)生改變，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定值，修改部分設(shè)定值，比如油門齒條等參數(shù)。具體的參數(shù)設(shè)定可參考圖6。

5 船舶AGS調(diào)試測(cè)試結(jié)果

表2中為某船系統(tǒng)建模和測(cè)試時(shí)，相應(yīng)AGS速度控制測(cè)試（部分），從中可以看出AGS對(duì)于電網(wǎng)頻率和有功功率的監(jiān)測(cè)通過對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)變化率的監(jiān)測(cè)，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障機(jī)，切斷故障源保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表3中為某船系統(tǒng)建模和測(cè)試時(shí)，相應(yīng)AGS電壓控制測(cè)試記錄（部分），從中可以看出AGS對(duì)于電網(wǎng)電壓和無(wú)功功率的監(jiān)測(cè)通過對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)變化率的監(jiān)測(cè)，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障機(jī)，切斷故障源保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜合比較可以看出，相比與傳統(tǒng)PMS系統(tǒng)（電站管理，功率分配）和繼電保護(hù)器對(duì)于電站的監(jiān)測(cè)和防護(hù)（過載，欠壓，低頻，差動(dòng)等）AGS結(jié)合DP3船舶的最新運(yùn)行要求，將船舶安全、日常管理、靈活控制各方面優(yōu)化結(jié)合；從電網(wǎng)兩個(gè)最重要的參數(shù)出發(fā)，通過對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)分析對(duì)比，將在網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)有功功率和無(wú)功功率對(duì)比，通過分析變化率關(guān)系，投票表決對(duì)比，能夠發(fā)現(xiàn)故障的端倪；在電流電壓等參數(shù)均在繼保測(cè)量正常范圍內(nèi)，達(dá)到危險(xiǎn)值之前，能夠提前分析出故障的方向，發(fā)現(xiàn)故障機(jī)的存在，提前采取有效的方案措施，切斷故障發(fā)電機(jī)或匯流排，保證船舶在DP模式下的安全運(yùn)行。隨著船舶電網(wǎng)拓?fù)湎駽LOSE –BUETIE和CLOSE- RING的發(fā)展，AGS在未來(lái)DP船舶中應(yīng)用也將更為廣泛。

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作者簡(jiǎn)介：

沈濤，輪機(jī)長(zhǎng)，大專，研究方向：動(dòng)力定位船舶電站及設(shè)備，（E-mail）daozi_8402@163.com，13621826905