電力推進船舶電站管理系統(PMS)的設計研究與應用

陳曉寧 王永珊 樊斌 祁江峰

摘要：基于我公司800t風電平臺電力推進系統PMS設計實例，對PMS從系統功能、設計選型及實船應用等方面進行分析研究，總結PMS要點、設計思路及關鍵技術，為PMS設計研究提供參考。

關鍵詞：電站管理系統（PMS）;設計;應用

中圖分類號：U665.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Based on the design example of the power management system （PMS） of 800t wind power platform electric propulsion system， the paper analyzes and studies PMS step by step from the aspects of system function， type selection and real ship application， summarize the key points， design ideas and key technologies of PMS.

Key words： Power management system（PMS）; Design; Application

1 前言

船舶電力系統作為船舶電力的心臟，在船舶設計中占據著重要的地位。近年來，船舶電站功率管理系統（PMS）以高科技、功能多樣化、控制智能化、管理高效化為發展方向，采用現代控制系統配合復雜運算系統、網絡化分布控制，使得PMS具有強大的功能和廣闊的應用前景。

由于船舶電站功率管理系統（PMS）在船舶自動化應用中的巨大發展潛力，各發達國家都爭先進行研究，不斷開發新型控制技術，豐富船舶電站的功能。經過幾十年的努力，很多產品取得了不錯的應用效果。如康仕伯、西門子等公司的產品，基本實現了對船舶電力系統的集中管理、合理分配、信息共享、故障處理、在線監控，并且不斷地將快速發展的信息技術融入其中，使得船舶電站越來越智能化、功能多樣化。

2 PMS概述

電力推進船舶電力系統包含了由發電、配電及負荷分別組成的獨立系統。隨著船舶的大型化和自動化程度的不斷提高，越來越多的船用設備需要用電能來驅動和控制，船舶電力系統復雜龐大。船舶電力系統要切實保證全船的用電需求，必須達到下列基本要求：

（1）安全：在電能的發送、分配和使用中，不發生人身事故和設備事故;

（2）可靠：滿足電能用戶對供電可靠性即連續供電的要求;

（3）優質：滿足電能用戶對電壓和頻率等質量的要求;

（4）經濟：電力系統的投資省、運行費用低，并盡可能地節約電能。

對于PMS而言，其主要功能大致歸類如下：

（1）發電管理：通過監測發電電壓和頻率對發電系統全面控制，包括對有功負荷和無功負荷分配進行監測和控制，根據負荷情況確定發電機的起動和停機。由于控制邏輯和聯鎖功能是電力系統配電板設計中的一個重要組成部分，這些系統的功能必須相互協調;

（2）負荷管理：對負荷功率進行監測，對其它系統的功率限制功能進行協調，根據對系統的可用功率的監測情況對高功耗設備進行功率限制和起動聯鎖保護;

（3）配電管理：對配電系統的配置和序列進行控制，配電系統的配置應滿足船舶實際操作模式的要求。

3 PMS控制原理

電站自動化管理，包括：發電、配電、電能管理及驅動四個環節。其中，電力推進型船舶電站管理對動力的驅動是指對推進馬達的電力驅動。

電力推進型船舶電站自動化系統，包括：配電板、發電機控制系統、功率管理系統及推進系統，其中通過配電板對船舶電能進行集中分配，合理分配船舶電站負荷，并且對船舶大功率負荷進行功率限制，保證電站供電質量。

PMS的基本控制功能，包括：發電機的自動啟停、并車解列、失電恢復等。

（1）發電機的自動啟停

發電機啟動停止是船舶電站的最基本功能。由于傳統手動控制無法精確滿足啟動條件，為了快速響應系統啟動要求，PMS必須支持自啟動功能，在電網有大功率波動時，自動響應。

（2）發電機的并網解列

發電機投入電網時必須判斷并網條件，當待并發電機功率、電壓、相位與在網發電機的參數完全一樣時方可并網;當電站系統中的使用負載需求較大，且在網的發電機組功率不足時，PMS給待并發電機啟動信號，根據待并發電機設定的優先級選擇實現并網供電;當電站系統中的使用負載較小，PMS給在網發電機解列信號，根據優先級解列優先級最低發電機組。

（3）發電機的失電恢復

由于船舶電站容量較小，運營海況環境惡劣，船舶電站故障率較高，常見的故障有系統短路、過載等，發電機故障會導致船舶電站電力系統斷電。為了避免系統出現故障導致意外的發生，必須第一時間恢復電力，并切除故障負載。PMS會啟動所有正常的發電機組完成并網供電，并按照工作模式下負載優先級順序起動，恢復相關系統的初始運行狀態。

對于電力推進船舶的PMS，除了具備電站基本的控制功能之外，還需設置更多的功能，以確保船舶電力系統安全、可靠、優質和經濟運行。總體控制框圖，如圖1所示：

4 PMS總體設計

電力推進船舶電站功率管理系統（PMS）的主要功能：保障船舶穩定可靠的電力供應，實現對系統高效快速穩定的自動控制，使船舶電力系統能完成各自工作任務;在系統故障時，能給出故障報警信號，為操作人員提供故障處理提示，記錄歷史故障信息以及處理方案以便船舶及時維護與故障處理。

PMS的設計分為下位機控制和上位機監控顯示兩個部分：下位機在電氣連接基礎上，實現對發電機組、負載、配電板各電氣信號的檢測;上位機通過友好的用戶界面把電站系統信息傳遞給操作人員，操作人員結合工作需要在上位機發出指令，通過下位機的PLC程序實現控制過程。

4.1 系統結構選型設計

功率管理系統一般以PLC控制器為核心，在電氣設備建立電氣連接后，PLC獲取系統硬件發電機、負載、電網總線信息，通過傳感器將電氣信號傳輸給PLC;PLC通過通信協議建立與上位機的通信，上位機監控系統運行，操作人員通過上位機給出的控制指令，調用相應模塊PLC程序，實現對電氣硬件的控制。

4.2 重要元器件選型

（1）電子調速器

PMS對調速器的調速性能要求非常高，因為模擬量調節信號容易受到電磁信號干擾的影響，所以PMS采用數字量信號進行速度控制時，要盡量選擇性能較高的數字量調速器。

一般電力推進船舶的柴油機調速器具有ISO模式和DROOP模式：在ISO模式下，各并聯發電機通過負載分配線進行有功負荷分配;而在DROOP模式下，由PMS執行并聯發電機間有功功率的分配功能。在PMS中，DROOP模式一般被當成默認工作模式。

（2）負荷分配器

負荷分配器可以實現多機組的并網控制，具有發電機保護和監測及邏輯編程功能。當PMS選擇運行在ISO模式或DROOP模式時，可以利用自帶的發電保護及斷路器控制功能實現PMS的監測和保護。

（3）控制系統

因PMS對浮點數及整數的運算量較大，通過系統的預估計算，選取運算速度能達到預設計要求的處理器，并且可以通過系統擴展設計保證系統的可靠性。

（4）變送器

PMS對每臺發電機的控制參數實時性要求高，所以應選擇響應時間盡量少的變送器，以能達到PMS的信號采樣指標。

4.3 PMS主要功能設置

（1）系統功能設置

根據模塊化設計思路，按照功能將系統劃分為三大模塊：電源模塊、負載模塊、報警模塊（見圖2）。

電源模塊負責發動機的啟停、并車解列、失電快速恢復;

負載模塊控制負載的斷開閉合、功率限制、重載詢問;

報警模塊反饋系統運行狀況、異常時發出報警信號，提示故障解決方案。

（2）控制模式設置

PMS一般設置有三種控制模式：手動、半自動、自動。

（A）手動模式

發電機的起動、停止，發電機主開關的分合閘，以及調頻調載由人工完成;

（B）半自動模式

發電機的起動、停止由人工手動完成。需要并車時，在觸摸屏按主開關同步按鈕，發并車命令給發電機并車保護模塊PPU自動進行調頻，滿足并車條件后自動合閘進行調頻調載;多臺發電機并網，若輕載觸摸屏發電機允許解列指示燈亮，在觸摸屏按下主開關解列按鈕發解列命令給發電機并車保護模塊 PPU，發電機自動進行負載轉移，負載轉移完成后分閘;

（C）自動模式

發電機的起動、停止、并車、解列由功率管理系統自動完成。

4.4 系統硬件結構設計

（1）控制器的配置

目前現代工業設備中比較有代表性的控制方式，主要有：繼電器控制系統、單片機控制系統、可編程序控制系統（PLC）、微型計算機系統等控制類型。

由于PLC控制系統擁有比其它控制系統更加強大的CPU控制芯片，系統可以集成多種外界設備，具有抗干擾能力強、可靠性高特點，并且目前PLC在軟件方面的進步，使得PLC的應用帶來更多的空間。因此，PLC控制器是船舶電站功率管理系統的良好選擇。

（2）上位機的設計

上位機主要是給操作人提供監視控制船舶電站的窗口，把系統的信息集中呈現在操作人員面前，友好的人機界面方便用戶處理。通過上位機，操作人員可以了解電站功率管理系統運行狀況，并根據需要給出操作指令控制電站運行。上位機系統主要由服務器和PC計算機構成，上位機硬件配置根據系統設計需要，基于功能性、兼容性、性價比等因素綜合考慮。

（3）總線選擇

系統可以采取多種連網方式，一般采用的方案是：上位機之間通信以及與PLC采用工業以太網;PLC與各種電氣設備之間采用現場總線通信（如PROFIBUS總線、CAN總線）。這主要是接口方式的原因，上位機直接通過網口就可以通信，而下位機與電氣設備由于需要采集信號，而各種信號多種多樣，現場總線正好滿足這種需求。

4.5 系統軟件算法設計

（1）電源模塊軟件設計

電源模塊是PMS的動力所在，是船舶電站的心臟。電能的質量好壞在于電量的穩定，穩定的主要指標是電壓、頻率、波形。電源模塊主要是實現發動機的啟停、并車解列、失電時快速恢復。

電源模塊總控制思路為：系統選擇對應工作模式，調用該模式下的啟動程序，查詢待啟動機組，檢測待啟動機組是否正常，正常則繼續調用發電機啟動模塊，否則啟動待用發電機;如果發電機組過剩，則計算過剩功率，然后計算待解列發電機臺數，啟動發電機解列模塊：在電壓模塊異常時，調用報警模塊啟動相關報警。

（2）負載模塊算法設計

船舶上大功率用電設備很多，由于船舶電站容量比較小，如果直接啟動這些大功率設備可能出現過載現象，對電網的沖擊相當大，所以系統中的重載詢問設計尤為重要。當啟動的用電設備功率超過發電機額定容量時，會給負載管理單元發送重載詢問信號，接收到重載詢問信號后進行剩余功率的計算環節;然后將剩余功率與要啟動的大功率負載的額定功率進行比較，如果大于負載的額定功率則允許啟動，如果小于負載的額定功率則判斷是否有備用發電機組，如果有則進行備用發電機組自動啟動、自動并車以及調頻調載投入運行;之后再進行剩余功率計算，直到可以啟動大負載設備;如果機組全部用完，則要進行報警并執行分級卸載操作。

（3）監控模塊的設計

監控模塊不僅可以提示系統故障，還會給出故障解決提示，以便操作人員可以查找故障原因，并記錄故障發生的時間信息，待故障解決后，可以添加故障解決報告，以便下次故障時操作人員參考。

監控模塊的具體功能有：實進監控、故障報警、故障檢修提示、故障記錄等。

5 PMS實船安裝應用

以我公司承建的800t自升式風電安裝平臺PMS為例：

800t自升式風電安裝平臺配電板設計4臺柴油發電機為全船負載進行供電， 4臺發電機功率為：DG1、DG2、DG3各為1700kW， DG4為750kW。設置PMS一套，采用主從結構，用PLC作為控制主站，為每臺發電機組設置一套PPU作為控制從站，在同步屏設置一套觸摸屏作為人機界面，用于全船電力推進系統的控制、保護和監測。系統的硬件配置框圖，如圖3所示：

5.1 電站功能

配電板設置1個優先級選擇旋鈕：分別為1號、2號、3號、4號主發電機優先級;

配電板設置1個手動、1個半自動、1個自動選擇旋鈕。

（1）匯流排失電

若選為 1 號主發電機優先，自動起 1 號主發電機并網供電;若選為 2 號主發電機優先，自動起 2 號主發電機并網供電;依次類推。

（2）過載增機

（A）若G1過載（達到自身額定功率85%，延時15s），G2自動起動;若G2起動失敗，G3自動起動;若G3起動失敗，G4自動起動;

（B）若G2過載（達到自身額定功率85%，延時15s），G3自動起動;若G3起動失敗，G1自動起動;若G1起動失敗，G4自動起動;

（C）若G3過載（達到自身額定功率85%，延時 15s），G1自動起動;若G1起動失敗，G2自動起動;若G2起動失敗，G4自動起動。

（3）輕載減機

多臺發電機并網運行輕載時，根據優先級解列中優先級最低發電機先解列原則（若G4停泊發電機在網，G4優先解列）。

（4）重載問詢

發電機單機供電、雙機供電、三機供電，重載問詢，自動判斷當前在網有功功率+重載功率是否大于在網總額定功率85%。

（A）若當前在網有功功率+重載功率大于在網總額定功率85%，自動增機，并網成功發送重載允許信號;

（B）若當前在網有功功率+重載功率小于在網總額定功率 85%，直接發送重載允許信號;

（C）G1、G2、G3、G4 四機供電，重載問詢，直接發送重載起動允許信號;重載運行期間，不輕載減機。

（5）故障換機

（A）若G1供電，綜合故障時，換G2供電;

（B）若G2供電，綜合故障時，換G3供電;

（C）若G3供電，綜合故障時，換G1供電;

（D）若G1、G2、G3 均綜合故障時，換G4供電。

（6）主配發電機供電轉換至應急配電板停泊模式供電

AC690V主配電板1臺發電機供電，在AC400V配電板旋至遙控狀態下，將模式開關旋至停泊模式，對應急發電機進行控制：當額定功率為750kW的DG4負載功率小于340kW 時，允許轉換至應急發電機停泊模式。AC400V主配電板側聯絡開關合閘，再合閘應急配電板聯絡開關，起動應急發電機，發半自動合閘命令至應急發電機PPU，應急發電機增速，將負載轉移至應急發電機后，分 AC690/400V 變壓器次級斷路器。

（7）應急配電板停泊模式供電轉至主配發電機供電

應急配電板停泊模式，應急發電機給 AC400V 主配電板供電，主配電板起動 DG4。合 DG4開關，合一個變壓器初級，給變壓器次級 PPU 發送半自動同步信號，合閘后應急發電機 PPU 發半自動解列信號，應急發電機分閘停機。

5.2實船安裝

通過800t自升式風電平臺PMS實船安裝案例分析，PMS在實船安裝時，除按照PMS基本功能設計外，還應根據船舶作業功能需求做特殊的考慮和設計：

（1）工況選擇設置

對于作業工況比較簡單的船舶，其PMS一般不會考慮工況選擇功能，功率分配根據負荷狀況進行電站的啟動和負載解列等;但對于作業情況復雜的工程船，為了方便PMS的管理和船員操作，一般會考慮設置工況選擇功能。由于800t風電平臺的工況過多，如設置工況選擇會讓操作變得更為復雜，所以經過多重考慮，最終800t風電平臺未設置工況選擇。

（2）優先級設置

在PMS設計時，要考慮設計優先級設置功能，對發電機的優先級可以根據具體情況進行設置和改變。例如：800t風電平臺配置4臺發電機，當選擇DG1發電機，則備用發電機分別為DG2、DG3、DG4;同理，當選擇DG2發電機，則備用發電機分別為DG3、DG4、DG1。這樣更有利于對發電機的管理和維護。

（3）MINIC圖設置

每型船的電力系統配置都不盡相同，所以MINIC圖的設計都是根據實船具體情況來設置，并適當考慮用戶的操作習慣，主要考慮系統的功能信息、界面綜合布置等內容。

6結束語

PMS作為船舶建造的核心技術，隨著我國電氣、電子、計算機信息化技術方面的高速發展，對船舶電站的發展起到了帶動作用。加上在軍民技術融合方面對高性能、高可靠、高智能化產品的需求，國內越來越多的科研單位加大了對船舶PMS的研究工作，并取得了一些可喜的成果。比如：上海船舶運輸科學研究所、江蘇常熟瑞特、鎮江賽爾尼柯等，開發了船舶PMS。本文主要從船舶PMS的功能、原理、結構、設計選型等方面做了深入分析，并結合我司承建的800t自升式風電平臺實船PMS設計和裝船為案例，分析了PMS實船安裝的設計要點，為船舶PMS的設計和安裝提供參考。

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