王躍定

摘 要：船舶自動電站功率管理系統(tǒng)（以下簡稱PMS）是一個復雜的控制系統(tǒng)，根據(jù)多年來對規(guī)范的理解、系統(tǒng)的研究和船舶電氣的設計經(jīng)驗，介紹PMS設計的基本要求、功能要素和組成構件，總結(jié)解析出關于PMS設計的主要控制流程。

關鍵詞：船舶電站;功率管理;系統(tǒng)功能;設計解析

中圖分類號：U665.12 文獻標識碼：A

0 前言

隨著自動化技術的發(fā)展，船舶電站的技術水平也在不斷發(fā)展。早在21世紀初期，我國在建和運營的大部分船舶的電站還都是靠人工手動控制和管理，幾乎找不到完全自動化控制和功率管理的船舶電站。但是經(jīng)過不到二十年的發(fā)展，局面已經(jīng)完全改變。PMS的性能直接影響著船舶電站供電的可靠性和船舶運行的安全性。本文通過分析常規(guī)PMS的控制要求和保護特性，闡述PMS的設計要素，供設計人員設計借鑒。

1 PMS設計依據(jù)

PMS設計的目的是提高電能的質(zhì)量，改善運行管理人員的勞動強度和勞動條件，同時提高船舶運行的經(jīng)濟性。但作為一個船舶設備運行的重要組成部分，必須建立在滿足規(guī)范要求的前提下，保證船舶供電的安全性和可靠性。船舶自動化電站的具體要求在各船級社的船舶建造規(guī)范中均有反映，這些也是進行PMS設計的依據(jù)。主要規(guī)納如下：（1）失電時，備用發(fā)電機組應盡快自動起動并連接至主配電板，恢復電網(wǎng)供電，最好在失電后30 s內(nèi)完成，最長不超過45 s。（2）因短路故障而失電后，發(fā)電機斷路器僅能合閘1 次。（3）如由于主匯流排長時間的電壓或頻率波動原因而起動備用發(fā)電機組，則有故障的發(fā)電機組應在該備用發(fā)電機組接入主匯流排之前盡快切斷。（4）船舶電站過載時，應能自動卸除非重要負載。（5）應設有避免兩臺及以上發(fā)電機同時接入主配電板公共匯流排的措施。（6）電網(wǎng)的瞬變信號不應使備用發(fā)電機組產(chǎn)生不必要的自動啟動，如電動機起動電流。（7）起動大功率設備時，起動期間引起的瞬態(tài)電壓降不應超過額定電壓的15%。沒有足夠的功率起動大功率設備時，應阻止大功率設備起動，并按要求起動備用發(fā)電機，然后允許起動重載設備。（8）故障失電后恢復供電時，為主推進系統(tǒng)服務的負載應能按順序起動，避免過大的沖擊電流使發(fā)電機主開關跳閘，造成二次失電。（9） PMS的故障應不引起在網(wǎng)發(fā)電機的替換。（10）應設有手動功能，當自動功能停止工作或失效時，應能方便地實現(xiàn)手動操作。

2 PMS組件和功能要點

2.1 PMS主要硬件

（1）控制電源：按照船級社規(guī)范要求，為推進系統(tǒng)服務的電力系統(tǒng)應保證不因單一故障造成電源的全部中斷。通常在配置功率管理控制系統(tǒng)電源時提供兩路電源。其中一路來自機艙UPS或充放電板。（2）信號采集模塊：主要用于采集發(fā)電機、配電板、重要用電設備的實時參數(shù)。這些參數(shù)包括電流、電壓、頻率、功率、功率因數(shù)、運行狀態(tài)、負荷狀態(tài)等。（3）發(fā)電機控制保護模塊：目前在PMS中普遍采用的有DEIF的PPU、Kongsberg的DPU等產(chǎn)品，具有對船用發(fā)動機組起/停、安全系統(tǒng)保護、同步及負荷分配等功能。（4）可編程控制器：包括CPU、輸入輸出模塊、人機界面、通訊模塊、通訊電纜等。品牌有西門子、ABB、三菱等多種，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、處理、運行監(jiān)測、儲存、故障診斷、報警顯示等。

2.2 PMS主要功能

（1）發(fā)電機組自動起動功能。電站在自動模式下，電網(wǎng)失電、或在網(wǎng)發(fā)電機過載、或在網(wǎng)發(fā)電機故障情況時，備用發(fā)電機組根據(jù)電站管理指令自動起動、運行、投入或并網(wǎng)。（2）輕載自動解列功能。在網(wǎng)發(fā)電機并聯(lián)運行中，電站總負荷降低到設定值時，根據(jù)預先設定的流程，自動卸載一臺發(fā)電機，提高發(fā)電機的使用效率，保護發(fā)電機和節(jié)約能源。（3）自動調(diào)頻調(diào)載、負荷分配。自動調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使電網(wǎng)頻率維持在設定的范圍。兩臺及以上機組并聯(lián)運行時，使各機組承擔的有功功率按機組容量合理均衡分配。（4）自動分級卸載。電站出現(xiàn)超負荷時，自動卸除非重要負載。為適應不同程度的過載條件，可以實現(xiàn)多級卸載。必要時，次重要設備也可予以卸載，保證對重要設備的供電連續(xù)性。（5）重載問詢自動應答功能。重載問詢是指在起動大功率電動機設備前，自動檢查正在運行的發(fā)電機組剩余功率是否能滿足用電及起動要求。若能夠滿足則允許起動。否則應先起動備用發(fā)電機并網(wǎng)，滿足要求后才允許起動。（6）自動分級順序起動。電網(wǎng)從斷電狀態(tài)到恢復供電，為防止多個設備同時起動對電網(wǎng)產(chǎn)生過大的沖擊電流，按照設備重要程度自動分級順序（延時）起動。（7）故障監(jiān)測和報警顯示功能。監(jiān)視電站的工作狀態(tài)，如功率分配是否平衡，電壓、頻率是否正常，自動分級卸載、自動合閘失敗、開關異常脫扣、系統(tǒng)對地絕緣電阻等。根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，對異?；蚬收习l(fā)出聲光報警。（8）自檢功能。自動電站投入時自動運行自檢功能程序。

3 PMS設計

在具有多臺發(fā)電機組并聯(lián)供電的系統(tǒng)中，為實現(xiàn)前面所列舉的各項控制和保護功能，對PMS的控制程序進行綜合梳理，設置以下自動管理流程：

（1）主匯流排失電管理流程：在滿足已自動模式，聯(lián)絡開關已合閘，主匯流排已失電條件下，延時（約3 s）判斷是否有備用發(fā)電機。如果有，第一備用發(fā)電機起動，發(fā)電機起動成功、電壓建立，主開關合閘，電站恢復供電。如果發(fā)電機備機、起動成功、電壓建立、主開關合閘中任何環(huán)節(jié)沒有滿足或執(zhí)行失敗，立即相應項報警，并檢測下一備用發(fā)電機，重復前面的流程至備用發(fā)電機投入，恢復電網(wǎng)供電。

（2）超載起動備用發(fā)電機管理流程：在滿足已自動模式，聯(lián)絡開關已合閘，在網(wǎng)發(fā)電機功率超過預設條件時（如85%發(fā)電機額定功率）判斷是否有備用發(fā)電機。如果有，第一備用發(fā)電機起動，發(fā)電機起動成功、電壓建立，主開關同步合閘，備用發(fā)電機投入電網(wǎng)供電。如果發(fā)電機備機、起動成功、電壓建立、主開關同步合閘中任何環(huán)節(jié)沒有滿足或執(zhí)行失敗，立即相應項報警，并檢測下一備用發(fā)電機，重復前面的流程至備用發(fā)電機并網(wǎng)供電。

（3）優(yōu)先脫扣管理流程：電站運行過程中，發(fā)電機實際負荷超過預設的允許值（如98%發(fā)電機額定功率），延時（預設一級如30 s）發(fā)出一級非重要負載脫扣指令，非重要負載脫扣并報警。發(fā)電機實際負荷超過預設的二級允許功率值延時（預設如60 s）發(fā)出二級非重要負載脫扣指令，完成非重要負載脫扣并報警。

電站運行過程中如出現(xiàn)任意一臺發(fā)電機主開關異常脫扣，立即發(fā)出非重要負載脫扣指令并報警。

（4）發(fā)電機輕載解裂管理流程：滿足已自動模式，聯(lián)絡開關已合閘，在網(wǎng)并聯(lián)運行的發(fā)電機功率低于預設條件時（如60%在網(wǎng)發(fā)電機額定功率），判斷沒有重載問詢、沒有重載設備運行、沒有設置輕載抑制。如果滿足條件，延時（預設如10 min）執(zhí)行后投入發(fā)電機負載轉(zhuǎn)移，主開關分閘、發(fā)電機停機，后投入電網(wǎng)的發(fā)電機脫離電網(wǎng)，完成輕載解裂。如果在執(zhí)行發(fā)電機負載轉(zhuǎn)移，主開關分閘、發(fā)電機停機等命令過程中任何環(huán)節(jié)沒有滿足或執(zhí)行失敗，電站立即停止當前進程并報警。

（5）電壓、頻率異常管理流程：第一種故障情況，電網(wǎng)電壓或頻率低于預設條件時（如90%額定電壓或95%額定頻率），延時（預設如10 s）發(fā)出發(fā)電機故障報警。如果滿足已自動模式，聯(lián)絡開關已合閘，則非重要負載脫扣并報警。

第二種故障情況，電網(wǎng)電壓或頻率高于預設條件時（如106%額定電壓或105%額定頻率），延時（預設如10 s）發(fā)出發(fā)電機故障報警。

以上每種故障中，滿足已自動模式，聯(lián)絡開關已合閘，如果有重載問詢允許的設備在運行，則取消重載允許信號;如沒有，判斷是否備用發(fā)電機，起動備用發(fā)電機，起動成功、電壓建立，分故障發(fā)電機主開關、分閘成功、合備用發(fā)電機主開關，備用發(fā)電機投入，恢復電網(wǎng)供電，故障發(fā)電機停機。如果發(fā)電機備機、起動成功、電壓建立、分故障發(fā)電機主開關、合備用發(fā)電機主開關中任何一個環(huán)節(jié)沒有滿足或執(zhí)行失敗，立即相應項報警，并檢測下一備用發(fā)電機組，重復前面的流程至故障發(fā)電機主開關分閘、故障發(fā)電機停機，電網(wǎng)恢復正常供電。

如果檢測到電網(wǎng)電壓超過120%額定電壓，延時（預設如5 s）發(fā)出發(fā)電機故障報警，分發(fā)電機主開關，分閘成功，停故障發(fā)電機，按照主匯流排失電管理流程起動備用發(fā)電機恢復電網(wǎng)供電。如果分故障發(fā)電機主開關失敗，立即作出報警。

如果檢測到電網(wǎng)頻率低于90%額定頻率，延時（預設如10 s）發(fā)出發(fā)電機故障報警，分發(fā)電機主開關，分閘成功，停故障發(fā)電機，按照主匯流排失電管理流程起動備用發(fā)電機恢復電網(wǎng)供電。如果分故障發(fā)電機主開關失敗，立即作出報警。

（6）重載問詢管理流程：滿足已自動模式，聯(lián)絡開關已合閘，有重載設備問詢，可根據(jù)對不同重載問詢設備預設的條件判斷執(zhí)行相應的流程。如：起動備用發(fā)電機、限制在網(wǎng)發(fā)電機的臺數(shù)等。如果仍不能滿足預設條件，則發(fā)出重載問詢失敗報警。

（7）應急匯流排失電管理流程：自動模式下，如果應急匯流排失電，延時（約3 s～25 s）起動應急發(fā)電機，起動成功、電壓建立，主開關合閘，應急匯流排恢復供電。

（8）主配電板恢復對應急匯流排供電管理流程：因主匯流排失電，導致應急匯流排失電、應急配電板聯(lián)絡開關欠壓脫扣。如果按主匯流排失電管理流程起動備用發(fā)電機，恢復主匯流排供電和應急配電板聯(lián)絡開關的供電，應急配電板發(fā)出應急發(fā)電機主開關分閘命令，開關分閘，應急配電板聯(lián)絡開關自動合閘，應急匯流排恢復供電。從應急匯流排失電到恢復供電的時間最長不允許超過45 s。

4 結(jié)束語

PMS是一個相當復雜的系統(tǒng)，涉及到電站檢測、保護和控制等很多方面，對于不同系統(tǒng)組成的自動電站，要求更加復雜多樣。以上僅就船舶電站的主要功能、基本組成和控制流程進行概要性的解析，涉及到更詳細的設計和控制要求，以及各國船級社對電站管理的不同要求，可以在此基礎加以擴展。

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