功率管理技術在艦船電力推進中的應用

劉建波 張浩

（1. 海軍駐上海地區艦炮系統軍事代表室，上海 200135；2. 中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

20世紀 90年代以來，電力推進方式相比傳統機械式推進以其操縱性好、艙室布置靈活、運行經濟性高、安靜性較好等諸多的優勢在艦船推進領域內得到了越來越廣泛的應用。如：英國從混合動力推進的 23型護衛艦到現在全電力推進的45型驅逐艦、美國未來的DDG1000驅逐艦計劃等。由于艦船的推進功率較大以及高性能脈沖艦載武器的出現，造成艦船電力系統的容量逐漸變大、負荷變化性不斷提高。普通意義上的船舶自動電站技術根本不能滿足艦船電力推進系統控制運行的要求。因此，國外專家率先提出并實現了基于信息化、智能化、網絡化的艦船功率管理系統（Power Management System, 簡稱PMS），它能優化艦船電力系統的經濟性、可靠性、穩定性，同時能夠綜合考慮全船發電機組、輸配電保護、推進系統監測報警、用電設備監控管理等[1，3]。因此，艦船功率管理技術成為了未來艦船電力推進系統的核心技術之一。

2 功率管理技術國內外現狀

目前，國外PMS技術發展領先，各大公司相繼推出了基于計算機網絡的分布式PMS產品。這些產品已經以其穩定可靠的性能成功應用于各類電力推進艦船。如：SIEMENS公司的 PMA300系列、DELF的DM-4系列、MARORKA的Maren2系列、KONGSBERG的K-Chief500系列等。

在國內，中船重工武漢船用電力推進裝置研究所、上海船舶運輸科學研究所、哈爾濱工程大學、上海海事大學等單位在艦船功率管理技術做出了相當理論研究。自2007年以來中船重工武漢船用電力推進裝置研究所在國內自主集成設計的10余艘電力推進軍民船舶上開始應用自行設計的國產PMS產品。經過幾年來實船的驗證，國產PMS產品性能穩定，達到了國外同類產品的技術水平。

3 功率管理系統的結構

艦船PMS是一個包含：傳感與變送、計算機與網絡、控制與調節、信息處理與顯示、系統決策與管理的綜合性系統，也是一個能量控制系統：能夠實現電能的管理、失電保護、燃油優化、推進裝置以及其它負荷的功率控制。具體在艦船電力推進系統中，它對電力推進系統的各組成設備實施實時控制、有效故障診斷與保護、自動協調發電機組和電力推進功率、系統設備的運行參數、記錄系統故障事件信息、并自動生成各種工況報表。

通常艦船PMS主要由以下四部分組成：發電機控制模塊（GCM）、中央處理PLC（S7-300）、現地控制子站（ET200M）、帶觸摸屏的圖形終端（HMI），如下圖1所示。中央處理PLC與GCM、ET200M之間的內部通訊采用Profibus-DP總線協議，并利用光纖做傳輸介質，很容易實現內部幾臺發電機組的分布式控制。其中，GCM是 PMS的核心部件之一，它能控制和監視所有發電機組的本地運行參數、接收/執行指令。其基本的功能包括：發電機的電壓調節、發電機組與母線的動態同步、機組頻率控制、負載控制、發電機監視和保護[2]。

圖1 功率管理系統基本結構組成圖

4 功率管理系統的功能

在艦船電力系統中，艦船的過程自動化系統、動力定位（Dynamic Positioning ，簡稱 DP）系統以及自動化系統的其它部件，都控制著電力系統的各自部分。但所有安裝的電力設備的相互作用的結合點就是配電系統。作為一個能量管理系統，PMS監視和全盤控制著配電系統的功能，因而它是全船電力自動化和DP系統的基礎。

PMS根據負載的實時功率需求和電網的運行狀況對每臺柴油發電機組進行監控并協調各臺柴油發電機組的工作，動態調整對機組的控制指令，對供電分系統進行故障報警和處理，為電力推進系統及其他用電設備提供可靠、穩定及優化配置的電力能源。在供電分系統出現故障時，功率管理系統能采取相應的措施，盡可能保證對負載的連續供電，避免電站斷電以確保船舶的安全性。該系統的主要功能如下[3]：

4.1 機組的自動啟動

供電系統在網機組功率總和達到90%額定功率總和，此時儲備功率不足，備用機組應自動啟動。備用機組的優先順序可人工設定。啟動成功達到投網電壓后自動投入的時間小于30s。

當在網運行機組因柴油機報警（二類故障）時，經延時后能自動啟動備用機組，備用機組并入電網成功后，逐步卸去故障機組負荷并對故障機組發出停機指令，并發出報警信號。

當在網運行機組因柴油機故障（一類故障）時，能自動啟動備用機組，并發出報警信號。

機組啟動指令的發出不超過三次，具有三次啟動失敗報警功能。當PMS收到一套機組啟動失敗信息后，則能自動將啟動指令轉至下一套備用機組，并發出報警信號。

能對每套機組的自動啟動予以閉鎖，以便能安全地進行維修。

4.2 機組投入和并聯運行

母線無電時，待用機組在達到一定電壓和頻率后立即投入。母線有電時，待并機組可自動同步，自動合閘。同時，設計有預防措施，以避免兩個或兩個以上發電機組開關同時合閘。

自動并聯后，具有有功功率自動分配功能。在機組正常工作時，保證任意發電機組長期并聯運行。當總負荷率在 20%～100%和功率因數在0.6～0.9（滯后）范圍變化時，保證有功功率分配差度不大于5%（相同功率機組）或10%（不同功率機組的小機組），無功功率分配差度不大于 10%。

機組投入運行后，頻率調節精度為 50±0.5 Hz。

當電網出現短路故障而造成在網發電機主開關脫扣時，在人工應答復位前防止各發電機組開關重新合閘。

自動并車主要技術指標：合閘頻差可調范圍為：±0.1～0.5 Hz；合閘電壓差: ≤5% UN（可調）；允許合閘相角差: 0～10°（可調）。

4.3 機組的解列和停機

若指定機組解列后，其實時功率小于60%的可用功率時，則指定機組自動解列、停機。

在解列過程中，除嚴重故障之外，均能平滑地自動轉移負荷。當解列發電機組經負荷轉移后，負荷率低于10%，電流不超過30% In時，發出分閘指令。

機組發生超速或滑油失壓等嚴重故障時，使故障機組緊急停機，并啟動備用機組投入。

當負荷減少而自動減機時，在網機組按指令設定的順序減少機組。

被解列的發電機組在分斷發電機主斷路器并空載運行3 min后，按規定程序發出停機指令。若發出停機指令15 s后，柴油機仍未停機，發出停機失敗報警。

4.4 發電機組起、停序列設定功能

通過母聯屏觸摸屏可設定供電系統各發電機組的自動啟、停的優先級并可在人機界面上修改。

4.5 跨接開關控制及聯鎖功能

對各區跨接開關實行指定自動合、分閘控制功能，并實現各區雙跨接線下跨接開關之間的聯鎖保護功能。

母線開關實行自動合、分功能，并帶有聯鎖保護功能；對船電、岸電的不停電切換功能。

4.6 重載詢問功能

在啟動大容量的用電設備之前（如主推進裝置）用電設備應先向 PMS發出啟動請求，PMS會根據機組在網情況，判斷是否能滿足它們的用電和起動要求，若能夠滿足時，則發出啟動允許信號，允許啟動；若不能滿足時，則應在一臺備用發電機組啟動、并網且在網機組功率貯備足夠時，才發出啟動允許，允許它們投入電網用電。

若PMS處于具有自動增機功能的模式時，則在進行重載詢問判斷電站現時供電發電機的功率貯備是否能滿足大容量用電設備的用電要求時，應使大容量用電設備起用后的電站總負載量不超過重載判斷條件中的臨界值。在無備用發電機組可用的情況下，不得發出啟動允許。

4.7 分級自動卸載功能

當電網在線負載的總用電量超過供電發電機的額定輸出能力，并持續一定的時間之后，應能自動將在線負載中的次要負載以一級或分作幾級的方式從電網分斷，以確保對重要負載的連續供電。

4.8 其它保護功能

系統中低壓回路的過載、短路及絕緣監測等保護功能。

4.9 功率限制功能

對主推進裝置運行過程中，負荷增加達到供電系統設定要求時，實現功率限制。

4.10 供電的平衡性

在分區供電時，主要設備可根據左、右舷電能的配置狀態，自動選擇其供電電源，從而使電能分配合理、平衡。

4.11 人機界面監測功能

對電力系統重要參數的實時監控是實現PMS功能的前提保障。PMS可以根據電網的運行狀況、每套發電機組的運行情況，動態調整對機組的控制指令。主要有以下功能：

彩色人機界面的動態顯示：在母聯屏 OP人機界面上動態實時監測柴油發電機組的運行狀態、母線的運行狀態、電能分配狀況等，同時可以在線修改PMS設置參數；

報警功能：對柴油發電機組進行動態實時故障報警監測，并對故障進行相應的處理；

圖形顯示：以動態圖形顯示電站系統，當情況異常時，予以變色或閃動；

頁面顯示：含參數頁、報警頁；

報警窗口：當有報警時，彈出當前的報警信息小窗口。

5 功率限制和功率保護

艦船電力推進中，螺旋槳負載一般是整個電力系統中最大的負荷。在惡劣海況航行中，螺旋槳負載可能突然在 10%～100%的負荷率下變動工作。這樣可能造成在網發電機組的瞬時過功率運行，這種狀態的反復出現可能引起整個艦船電網的崩潰。同時，系統正常滿負荷運行過程中某1臺或幾臺發電機組突然的非正常脫扣也會造成系統瞬時運行在過負荷狀態。這種狀態同樣會造成整個艦船電力系統的崩潰。因此，PMS在艦船電力推進中的一個關鍵的技術就是推進功率的限制和保護。

目前一種基于事件算法的 PMS功率限制和保護方法在 ABB等國外大公司中開始應用。其通過配電板現地子站采集的發電機斷路器狀態量和中央處理 PLC采集系統各點后的計算量相結合，通過硬線和光纖網絡的方法，快速實現推進功率的限制與保護[4]。如圖2所示。

圖2 基于事件算法的PMS功率限制和保護

采用這種斷路器狀態和系統算法相結合的復合方法后，能夠將利用變頻器的快速響應性在500 ms至 1000 ms以內快速限制推進負載的功率，并迅速起到整個保護整個電網安全的目的。

6 結束語

PMS實質是一個以能量優化為目標的一個綜合控制系統，是未來艦船全綜合電力推進系統的一個關鍵子系統。隨著未來大功率推進器和高能武器的使用，PMS還存在面對燃氣輪機、燃料電池等新型混合原動力的條件下，如何增強電網系統在抗打擊能力和重構能力下的穩定可靠性，功率優化配置的合理性等諸多問題。因此，還要對PMS系統的組成、結構、算法進入更深一步的研究。

[1] 管洋,戚正偉. ReWorks嵌入式操作系統在船舶 PMS上的應用[J]. 船舶工程, 2010（1）, 37-41.

[2] 查輔江. 基于 PLC的船舶電站控制系統設計與應用[J]. 造船技術, 2008（4）, 27-29.

[3] 徐永法等. 船舶能量管理系統 PMS研究[J]. 中國航海, 2005（3）, 78-81.

[4] Damir Radan. Integrated control of marine electrical power systems, THESES FOR THE DEGREE OF PHILOSOPHIAE DOCTOR, Department of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology, 2008.