王 平,秦 輝 ,王金苓,林從煥,曹硯培

(廣新海事重工股份有限公司，中山528437)

1 引言

90 m DP2 RDSV項(xiàng)目是我司承接的一艘采用電力推進(jìn)、具有較高技術(shù)水平的平臺(tái)輔助船，該項(xiàng)目入級(jí)ABS。

本船規(guī)格書要求電力系統(tǒng)具有 閉合匯流排（Closed-bustie）時(shí)的二級(jí)動(dòng)力定位功能，這是一種非常規(guī)的動(dòng)力定位電力系統(tǒng)，當(dāng)工作于Closed-bustie時(shí)電力系統(tǒng)是沒有冗余的，其設(shè)計(jì)理念是與規(guī)范和現(xiàn)行FMEA要求的冗余設(shè)計(jì)相沖突的。這種要求是船東希望在非惡劣海況時(shí)減少發(fā)電機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)以節(jié)省資源，因此在2013之前的DP 指引中并沒有相關(guān)的說明。ABS 2013版指引對(duì)closed-bustie有簡單的總括性要求，即要以極快的速度在故障由一部分傳遞到另一部分之前切除掉出現(xiàn)故障的部分，以滿足單點(diǎn)故障不致失去定位能力的要求。因此，本項(xiàng)目在進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備訂貨時(shí)，首先要考慮的就是如何在closed-bustie DP2時(shí)，從設(shè)備和系統(tǒng)保護(hù)方面滿足FMEA單點(diǎn)故障不致引起定位失效的要求。

該項(xiàng)目要求特殊，在國內(nèi)尚無完成先例，故下面簡述該項(xiàng)目訂貨及技術(shù)談判中的一些需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)，供大家參考。

2 電力系統(tǒng)單線圖

本項(xiàng)目電力系統(tǒng)單線圖如圖1所示。 AC690V主匯流排分為A、B、C三段，A段和C段匯流排分別向一首側(cè)推和一尾主推供電，B段匯流排專用于向艏部第三臺(tái)側(cè)推供電，AC440V和AC230V配電板匯流排相應(yīng)也分為三部分。這種匯流排分段設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)主配電板在Open-bustie或Closed-bustie時(shí)出現(xiàn)最大單點(diǎn)故障，即A段或C段匯流排短路時(shí)，至少仍有兩臺(tái)側(cè)推和一臺(tái)尾推正常運(yùn)行，Open-bustie時(shí)不需要進(jìn)行任何切換，Closed-bustie時(shí)僅需要斷開離故障點(diǎn)最近的匯流排斷路器。

當(dāng)工作于Open-bustie狀態(tài)時(shí)，所有配電板匯流排斷路器均打開；當(dāng)工作于Closed-bustie時(shí)，AC690V配電板匯流排斷路器閉合，其它配電板匯流排斷路器打開。

AC440V 600A ROV與Diving接口交叉布置在A段和C段匯流排下級(jí)，同時(shí)A段和C段匯流排與440V Diving配電板通過兩臺(tái)1 000 kVA變壓器連接，以保證在出現(xiàn)最大單點(diǎn)故障時(shí)ROV和Diving設(shè)備不失電。如果出現(xiàn)機(jī)艙電源全部失去，仍可通過專用Diving發(fā)電機(jī)保證ROV和Diving設(shè)備及人員的安全。

一臺(tái)4×350 kW功率海工吊的四個(gè)電機(jī)分別布置在A、C兩段匯流排下級(jí)，可以保證出現(xiàn)最大單點(diǎn)故障時(shí)海工吊仍有一定的起吊能力。

推進(jìn)設(shè)備、ROV和Diving設(shè)備的輔助電源分別與其主電源匯流排相對(duì)應(yīng)。

圖1 電力系統(tǒng)單線圖

3 Closed-bustie DP的關(guān)鍵問題

3.1 主匯流排斷路器的數(shù)量

參見ABS 2013 DP指引的要求，最少需要提供兩個(gè)斷路器用于閉合匯流排的系統(tǒng)中，因該斷路器容量達(dá)到6 300 A，價(jià)格昂貴，我們一度按照兩個(gè)進(jìn)行配置。在與某電力系統(tǒng)集成商進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)談判的時(shí)候，提到了一個(gè)隱性故障的問題，即當(dāng)出現(xiàn)最大單點(diǎn)故障時(shí)，如果由于斷路器本身的原因而無法打開，那么按此配置就會(huì)至少失去A和B，或者B和C兩段匯流排，導(dǎo)致定位能力下降較大，解決的辦法就是對(duì)匯流排主斷路器進(jìn)行冗余，即按四個(gè)進(jìn)行配置。

事后再次詳細(xì)理解DP指引要求，指引中針對(duì)的是兩段式匯流排，本項(xiàng)目AC690V主匯流排分為三段，每段上均掛有推進(jìn)器，因此配置四個(gè)斷路器是合理的。

3.2 主匯流排斷路器短延時(shí)的選擇性保護(hù)

Closed-bustie有非動(dòng)力定位正常航行和動(dòng)力定位兩種情況。這兩種情況的選擇性保護(hù)都要求滿足，兩者的區(qū)別在于動(dòng)力定位選擇性保護(hù)需要多考慮系統(tǒng)的冗余問題，即當(dāng)匯流排發(fā)生故障時(shí)要求快速斷開匯流排斷路器，防止故障蔓延。

當(dāng)采用兩段式匯流排時(shí)，匯流排故障只需要斷開兩段匯流排之間的斷路器即可。本項(xiàng)目采用三段式匯流排，有兩個(gè)斷點(diǎn)，每段匯流排均掛有推進(jìn)器，為了不影響其它匯流排的工作，就需要進(jìn)行一定的判斷，本項(xiàng)目采用電流方向探測來確定故障點(diǎn)的辦法。

圖2 AC690V匯流排斷路器方向性保護(hù)配置

如圖2所示，P10和P6、P7和P11分別設(shè)定有相同的故障電流檢測方向，P7和P10作為兩個(gè)方向主斷路器，分?jǐn)鄷r(shí)間為0.53 s;P6和P11作為冗余從斷路器，分?jǐn)鄷r(shí)間為0.65 s。任一排發(fā)生故障時(shí)，具有相同電流參考方向的主斷路器先動(dòng)作，主斷路器失效，則與之相鄰的相反方向的斷路器動(dòng)作。

3.3 有功（頻率）和無功（電壓）的監(jiān)測

同一匯流排并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)中，某一臺(tái)出現(xiàn)有功或者無功故障（如調(diào)速器故障、油門齒條卡死、傳感器失效、AVR故障、信號(hào)線路斷線、PMS故障等問題），嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致非故障發(fā)電機(jī)斷路器因過載或逆功而動(dòng)作，最終全船失電而失去定位能力。這在常規(guī)動(dòng)力定位船中不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分為兩部分工作，而Closed-bustie則可能出現(xiàn)，這是不允許的。因此需要對(duì)頻率和電壓的變化進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)變化超過一定值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警或打開主匯流排斷路器，將系統(tǒng)恢復(fù)到冗余狀態(tài)，再對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行處理。

本項(xiàng)目對(duì)每臺(tái)發(fā)電機(jī)，均增加了專門進(jìn)行頻率和電壓監(jiān)測并集成到PMS中的發(fā)電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)（AGS），圖3是該系統(tǒng)的基本組成。

圖3 發(fā)電機(jī)電壓和頻率監(jiān)測模型

該系統(tǒng)的工作過程是由AGS系統(tǒng)不斷監(jiān)測發(fā)電機(jī)組的電壓、電流、勵(lì)磁電流、油門尺條位置并與系統(tǒng)內(nèi)預(yù)置的數(shù)據(jù)比較，產(chǎn)生偏差時(shí)先交由PMS調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)失敗偏差進(jìn)一步擴(kuò)大且達(dá)到一定值時(shí)，AGS通知PMS啟動(dòng)備用機(jī)組并切除故障發(fā)電機(jī)，如故障仍然存在則分?jǐn)鄥R流排斷路器。

3.4 匯流排短路電壓瞬變的跨越

當(dāng)電網(wǎng)有大功率電機(jī)啟動(dòng)或匯流排短路等情況時(shí)，較大的電壓降會(huì)引起斷路器的欠壓保護(hù)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)變頻器也會(huì)停機(jī)。特殊是當(dāng)匯流排發(fā)生短路時(shí)，電壓會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)降到0，必然會(huì)觸發(fā)欠壓保護(hù)動(dòng)作，因此要采取一些措施。

匯流排斷路器應(yīng)設(shè)置成瞬時(shí)分?jǐn)?，將發(fā)生短路的匯流排切除。同時(shí)要對(duì)與動(dòng)力定位系統(tǒng)相關(guān)輔助設(shè)備負(fù)荷開關(guān)設(shè)置UVR欠壓釋放保護(hù)，并設(shè)定合適的重啟動(dòng)組和時(shí)間，既要避免重啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成再次沖擊，又要保證從電源到驅(qū)動(dòng)的順序。這些設(shè)備包括機(jī)艙風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的供油泵、冷卻水泵、驅(qū)動(dòng)變頻器冷卻泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻泵等。

為避免匯流排短路時(shí)變頻器欠壓停機(jī)，變頻器應(yīng)在短路期間使直流部分維持一定的電壓。當(dāng)檢測到直流部分電壓降低到一定程度時(shí)，即轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)模式（仍然在旋轉(zhuǎn)的螺旋槳和電動(dòng)機(jī)向變頻器供電，維持變頻器不關(guān)機(jī)，直到短路故障被分離），本項(xiàng)目變頻器可以維持1.5s的時(shí)間，滿足切除故障的時(shí)間要求。

3.5 電站管理系統(tǒng)

電站管理系統(tǒng)是整個(gè)電站的核心，在Closed-bustie時(shí)PMS分為主用和備用兩部分：主用PMS監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，任一點(diǎn)的故障都可能引起PMS發(fā)出錯(cuò)誤命令，引起所有推進(jìn)器強(qiáng)行減負(fù)荷或網(wǎng)絡(luò)保護(hù)動(dòng)作。首先，PMS的冗余應(yīng)得到充分保證，在主用PMS發(fā)生故障時(shí)，備用PMS應(yīng)能無間斷切換。要求主備用PMS要進(jìn)行熱備份實(shí)時(shí)通信并有通信故障的報(bào)警，并且通信需要有冗余。其次，PMS要具有判斷故障點(diǎn)的能力，即在電網(wǎng)異常時(shí)先切除造成電網(wǎng)異常的部分，而不是直接對(duì)定位系統(tǒng)發(fā)送故障信息。

4 結(jié)語

Closed-bustie的動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種較新的系統(tǒng)，在與船級(jí)社、FMEA分析公司和電氣集成商的溝通中，明顯感覺他們對(duì)這種要求也是不太了解。本文簡述了FMEA分析最為關(guān)注的幾個(gè)主要問題，在類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中需要與FMEA緊密配合，以避免日后設(shè)備成型造成大修改。Closed-bustie對(duì)船東來說是一種更經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)配置，可以減少動(dòng)力定位時(shí)發(fā)電機(jī)開機(jī)的數(shù)量，同時(shí)作為一種技術(shù)的進(jìn)步也具有較大的意義。

[1]Guide for Dynamic Positioning Systems,ABS 2013.

[2]A Guide to Dp Electrical Power and Control Systems,IMCA M206.

[3]Methods of Establishing the Safety and Reliability of Dynamic Positioning System.IMCA M04/04.

[4]Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) of Redundant Systems.DNVRP-D102.

[5]王文義.船舶電站[M]..哈爾濱工程大學(xué)出版社.