14 000 kW 大型巡航救助船電站管理系統設計與應用

陳偉勇

（中國船級社實業公司， 廣州 510250）

1 前言

14 000 kW 大型巡航救助船，主要任務是履行對海上遇險人員、船舶和航空器的搜尋救助，參與全球海上搜救和國際救援行動，配合維護國家海洋權益的職責。同時，具備一定的深遠海遇險船舶拖曳救助、對外消防滅火、應急搶險救助、深水掃測、援潛救生、水下救助打撈的能力。作為救助船隊的指揮中樞、配合維護國家海洋權益的深遠海重要裝備,對船舶的動力裝置的操縱性和船舶電站的可靠性提出了較高的要求。

2 柴電混合動力推進系統的構成

本船為柴電混合動力推進船，主推進裝置由兩臺主柴油機和電動機經減速齒輪箱共同驅動的帶導流罩調距螺旋槳組成。

本船設2 臺主機，采用四沖程、直列、不可逆轉、中速船用柴油機。每臺主機最大持續功率（MCR）為7 200 kW、額定轉速600 r/min；自由端驅動一臺軸帶發電機，額定功率4 500 kW；飛輪端通過高彈性聯軸節經過一段高速軸同主推進齒輪箱連接；2 臺主推進齒輪箱，采用雙進單出形式，輸入軸與主推輸出軸水平偏心的設計方案。除主機輸入外，另設2 臺通過離合器與主推進齒輪箱連接、變頻驅動、額定功率為3 800 kW、轉速0-750 /1 200 r/min 的電動機輸入端；在主推進齒輪箱的兩個輸入端均設有離合器,可以使主推進裝置實現僅由主機驅動的純機械推進模式，又可以由主機和電動機聯合驅動的混合推進模式，以及僅由電動機驅動的純電力推進模式。三種主推進裝置模式可任意切換,確保主推進裝置的平穩運行。

本船首部設有2 臺1 500 kW 首側推、1 臺2 000 kW 伸縮式全回轉推進器 、尾部設有兩臺2 000 kW 尾側推。側推和伸縮推均由變頻器驅動。

本船設有4 臺四沖程、直列、不可逆轉、中速船用柴油機，經過高彈性聯軸節。驅動雙軸承、無刷、自激勵、同步交流發電機的輔柴油發電機組。其中，2 臺柴油發電機組額定功率為3 000 kW、轉速1 000 r/min。自由端通過高彈和增速齒輪箱，分別驅動1 臺對外消防泵，增速齒輪箱內設置離合器；另外2 臺額定功率為2 000 kW、轉速1 000 r/min；設有3 臺額定功率為760 kW、轉速1 000 r/min的停泊柴油發電機組；另外，還設有1 臺額定功率為450 kW、轉速1 500 r/min 的應急柴油發電機組。

全船共設有3個機艙，即前機艙、左機艙和右機艙。機艙與機艙之間設有水密和A60 防火分隔，形成3 個冗余分組：前機艙冗余分組，包括2 臺3 000 kW 輔柴油發電機組和3 臺760 kW 停泊發電機組，并聯運行形成前機艙電站，供電給伸縮推進器等； 左機艙冗余分組，包括1 臺4 500 kW 軸帶發電機和1 臺2 000 kW 輔柴油發電機組，并聯運行形成左機艙電站，供電給前首側推、前尾側推和左可調槳驅動電動機等； 右機艙冗余分組，包括1 臺4 500 kW 軸帶發電機和1 臺2 000 kW 輔柴油發電機組，并聯運行形成右機艙電站，供電給后首側推、后尾側推和右可調槳驅動電動機等；在DP-3 工況下，三個冗余分組完全物理隔離，形成3 個相互獨立的冗余系統，任何一個冗余分組完全失去，均能保證本船所需的動力定位能力。

3 電站功率管理系統（PMS）的設備組成

本船采用西門子公司提供的完全熱冗余的電站功率管理系統（PMS），滿足 CCS 船級社和船東對本船在DP-3 工況閉合 AC6 600 V 主配電板母聯開關運行的要求。 PMS 能獨立地在電網中控制和管理發電設備，保障所有操作狀態中不中斷供電，為用電設備提供足夠的電能；同時，還能根據需要進一步優化利用能源，確保主發電機運行長時間處在經濟工況，提高船舶的運營經濟效益。

電站功率管理系統（PMS）主要由控制單元、顯示單元、操作單元組成，見圖 1 所示。

圖1 船舶電站功率管理系統（PMS）圖

3.1 PMS 的控制單元

PMS 的控制單元，主要由中央控制站和分站控制站組成：

（1）中央控制站

采用一對西門子 SIMATIC S7 410H (CPU_A/B) 可編程控制器系統。在兩個冗余的中央控制站(CPU_A/B)之間對電站的運行參數執行同步運行,每個CPU 模塊配備兩個冗余的通訊接口，采用兩根冗余的光纖數據線在兩個冗余的CPU 之間實時數據傳輸。一旦主用可編程邏輯控制器出現故障，備用可編程邏輯控制器將自動切換成主用控制器，控制器的切換時間小于100毫秒。在控制器切換期間，PMS 將維持安全運行,不會對正在執行的功能做任何改變。

數據傳輸采用兩根冗余的以太網光纖電纜，把PMS 的冗余中央控制器連接到西門子自動化系統(VMS)的服務器上，船舶操作人員可以在VMS 的工作站對電站系統實施遙控操作。

（2）分站控制站

采用A、B 兩個型號的分站。A 型號分站為發電機母聯聯絡分站(即用發電機與母聯之間的聯絡，也稱為 bus-coupling 站)；B 型號分站為母聯連接分站(即用于兩個配電板之間的母聯聯絡，也稱為bus-tie 站)。每個分站和一對冗余中央控制站之間的通訊是通過兩根冗余光纖來實現的，且相互熱備用。

3.2 PMS 的顯示單元

一般情況下，PMS 顯示單元只在每臺發電機上設有獨立的顯示單元，安裝在配電板上，顯示發電機的參數（包括：有用功率、無用功率、三相電壓、電流、頻率以及單相電壓、電流等）。

本船PMS 設計為三層可視化界面，即三層人機界面：第一層為多功能電子式保護繼電器可視化界面，由安裝在中壓配電板發電機屏、母聯屏上的多功能電子式保護繼電器實現，在繼電器SIPROTEC 單元上的液晶顯示窗口顯示所有的發電機運行參數，并且在繼電器 SIPROTEC 面板上的功能鍵也有控制功能；第二層為AC6 600 V 主配電板室控制站可視化界面，安裝在中壓配電板室控制站的控制臺上。操作面板通過網絡線直接連接到可編程控制器上，顯示PMS 的運行狀態和參數，可以執行系統的遙控功能，也可以修改電站的設定參數；第三層為全集成自動化系統工作站可視化界面，可視化通過全集成的自動化系統工作站來實現。在每臺工作站上，均可以顯示整個PMS 的運行狀態和系統參數，可以執行系統的遙控功能，也可以修改電站的設定參數。

3.3 PMS 的操作單元

PMS 設有手動、半自動和全自動三種工作模式：

（1）手動工作模式

發電機組的起動和停止可以在原動機的本地控制箱或主配電板上操作。本地控制模式不通過PMS 執行，由獨立的控制部件實現。

（2）半自動模式

需在PMS 的操作面板上對主發電機起動或停止進行操作。發電機起動后處于空載運行狀態，不會自動執行與母排同步的操作，只有在操作人員給出合閘指令后，空載運行的發電機才會投入與母排進行自動同步且合閘運行；同樣，只有在操作人員給出分閘指令后，運行在母排上的發電機才會投入自動卸載且分閘運行。如果只有一臺發電機在母排上運行，該發電機的斷路器不能從PMS 控制站直接分閘，以免造成母排失電，分閘必須到本地轉為手動模式。半自動模式下，PMS 的自動化功能將全部被封鎖。但是，在所有的操作模式下，發電機的保護功能均起作用。例如警報起動、延時停機和自動停機功能始終發揮作用。

（3）全自動工作模式

發電機將自動起動或停止：發電機起動后，將自動投入同步和合閘運行；在發出停止指令后，發電機將自動執行卸載、分閘和停機運行程序；船舶電站的所有自動化功能，都由PMS 來實現。

4 PMS 的控制功能及對故障的處理

PMS 的基本功能，是實現對發電機組和配電系統的電壓、頻率和有功功率分配以及卸載等進行控制。船舶自動化系統(VMS)通過雙冗余網絡與 PMS 系統互聯，PMS 系統的所有功能都可以在VMS 人機界面上實現，相關信息也可在DP 系統人機界面顯示。

在正常操作模式下，分段匯流母線排HSB1、HSB2、HSB3 互聯形成一個單母線系統，以實現發電機最高效率運行；在DP-3 操作工況下，HSB1、HSB2、HSB3 則分開單獨運行，相互熱備用。所有發電機組均可以并聯運行。

（1）PMS 可以監測所有斷路器的位置狀態，以決定哪些發電機并網；也可以決定 HSB1、HSB2、HSB3是并聯運行還是分別獨立運行；

（2）PMS 所有控制功能均能自動適應各斷路器狀態相對應的操作模式，能檢測HSB1、HSB2、HSB3 和ASB1、ASB2、ASB3 上有關斷路器的狀態；

（3）當PMS 發生故障時，不會向系統外發出錯誤的指令信號；

（4）在AC6 600 V 匯流母線排HSB 上設有手動/自動選擇開關：手動位置時，在HSB 上控制發電機組；自動控制位置時，由PMS 控制發電機速度和負荷； 控制位置轉換時，在PMS 和VMS 人機界面上有聲光報警指示信號；

（5）PMS在任何時刻只在一個控制位置進行操作，即當對某一設備進行操縱時，自動將其它工作站上的相應設備的操作功能進行聯鎖；

（6）PMS 具有對電力系統進行監測、報警、動態短路分析和控制（頻率、防斷電）及發電機有功功率分配的能力；具有根據負載功率自動起動或停止主發電機，或根據出現的系統故障起動或停止發電機的能力；具有主發電機的自動同步、母聯開關的自動同步、重載起動、自動功率儲備等能力；具有發電機在特定操作模式下根據所需功率進行自動或手動停止的能力；具有電網失電恢復供電后，重要負載自動順序啟動等對船舶電站功率管理的能力和對電站故障處理的能力。例如：當一臺發電機突然故障導致在線的其它發電機組過載、一個機艙發生故障導致另一個機艙發電機組過載、一個高壓配電板發生故障導致其它高壓配電板和與其相聯的發電機組過載、一個低壓配電板發生故障導致其它高壓配電板和與其相聯的發電機組過載、系統低頻的情況下，PMS 與發電機保護系統（GPA）相互配合，對發電機、配電系統進行多方面的保護，具備防斷電功能；在DP 系統、起重機系統、拖纜機系統所要求的三種操作模式需求下，DP 控制系統優先級高于其它系統，通過卸載優先級，設定卸載次序；如果由于斷開高壓發電機或發電機組故障導致在線發電機容量下降，PMS 將重新計算電網容量，自動卸除在特定操作模式下一些非重要的設備，起動在備用狀態的主發電機組；如果沒有備用發電機組，會按預先設定的優先級自主卸除一些非重要負荷，也可以通過發電機GPA 對推進器功率進行限制，從而提高船舶電站的防斷電能力和故障處理能力；

（7）在正常情況（即恒頻模式）下，由于負載的有功功率自動分配由柴油機的電子調速器實現，當PMS 系統內發生主控制器失電或通訊中斷等故障時，不會發生發電機跳閘停機故障，只是PMS 系統暫時損失部分功能；同時還具有當柴油機的電子調速器出現故障時，恒頻模式將自動切換到發電機的下垂模式能力，進而從多方面增加了船舶電站的供電可靠性；

（8）PMS 還具有電氣安全聯鎖、連續對系統的故障進行自診斷、與船舶自動化系統、DP 系統、推進器系統相互數據傳輸，在自動化控制系統（VMS）上進行控制操作能力。

5 結論

綜上所述，本船采用西門子新一代一對SIMATIC S7 410H (CPU_A/B) 可編程控制器系統，作為核心主控制單元和多個分站控制單元相互結合組成的PMS，通過對電站各種運行工況的實時在線監測、全面綜合分析、邏輯預判斷，實現船舶電站從發電機發電、負載用電、配電板配電到電力優化的全過程進行綜合自動化管理。為了確保船舶電站PMS 運行的可靠性和經濟性，還采用了熱冗余技術，并結合在DP3 工況閉合AC6 600 V 主配電板母聯開關運行的要求下,進行了完全熱冗余PMS 設計，對進一步提高船舶電站的防斷電能力和故障處理的能力提供了有力的技術保障。