功率管理系統(tǒng)冗余結構設計

劉建波

（海軍駐上海江南造船集團有限責任公司軍事代表室，上海 201913）

功率管理系統(tǒng)冗余結構設計

劉建波

（海軍駐上海江南造船集團有限責任公司軍事代表室，上海 201913）

當PMS主站出現(xiàn)故障或出現(xiàn)網(wǎng)絡故障時，導致全船電力推進系統(tǒng)無法進行操作，致使全船PMS能量管理系統(tǒng)癱瘓，對自航絞吸式挖泥船PMS冗余系統(tǒng)進行討論，配置熱冗余結構的PMS管理系統(tǒng)，經(jīng)過實際運行表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高。

PMS 電力推進 管理系統(tǒng)

0 引言

功率管理系統(tǒng)(Power Management System.簡稱PMS)是電力推進船舶系統(tǒng)的核心，隨著國內(nèi)電力推進船舶自動化的發(fā)展，船舶用戶和海事部門越來越需要對電力推進系統(tǒng)中能力管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求，從我們作為電力推進系統(tǒng)集成技術研發(fā)的角度出發(fā)，基于經(jīng)濟性和可靠性的角度來進行分析，配置一個合理的PMS系統(tǒng)是我們整個船舶電力推進系統(tǒng)和船舶先進性最顯著的標志。

1 電力系統(tǒng)概況

配電系統(tǒng)由三相三線AC 690 V，50 Hz，AC 400 V/230V，50 Hz及DC 24 V所組成。主要包括主配電板、輔配電板及組合啟動屏、應急/停泊配電板和功率管理系統(tǒng)。變頻驅動系統(tǒng)為全船提供推進與挖泥作業(yè)的動力，包括兩條支路，每條支路由整流變壓器、變頻器（含制動電阻和切換裝置）和推進電機組成。系統(tǒng)可以在航行與挖泥工況之間切換。由一套變頻驅動控制系統(tǒng)控制。電力驅動系統(tǒng)采用先進的變頻調(diào)速技術，在推進工況下，控制兩臺1600 kW交流異步推進電機，調(diào)節(jié)螺旋槳轉速，滿足各種作業(yè)工況的航速要求。在挖泥工況下，控制一臺1600 kW水下泵交流異步電機和一臺1200 kW絞刀交流異步電機，調(diào)節(jié)水下泵和絞刀轉速，滿足挖泥作業(yè)的負荷要求。電力驅動系統(tǒng)通過變頻器內(nèi)的交流負載開關，保證該船航行時不進行挖泥作業(yè)，挖泥作業(yè)時不航行。電力推進系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及功率分配的關鍵就是PMS系統(tǒng)的穩(wěn)定與否。

2 功率管理系統(tǒng)的組成

當PMS主站出現(xiàn)故障或出現(xiàn)網(wǎng)絡故障時，導致全船電力推進系統(tǒng)無法進行操作，從而導致全船PMS能量管理系統(tǒng)癱瘓。經(jīng)過激發(fā)分析和討論 ，對2000方挖泥船PMS冗余結構進行討論，配置熱冗余結構的PMS管理系統(tǒng)。

功率管理系統(tǒng)用于控制和調(diào)節(jié)本船的電網(wǎng)，包括2臺主發(fā)電機、1臺輔發(fā)電機和1臺應急/停泊發(fā)電機。功率管理系統(tǒng)在挖泥作業(yè)、航行工況下為船舶用電設備提供足夠的電能，實現(xiàn)不間斷供電。此外，功率管理系統(tǒng)還包含對配電板、主發(fā)電機和輔發(fā)電機的保護監(jiān)視功能，并對功率管理提供完善的可視化功能。

功率管理系統(tǒng)采用熱冗余型可編程邏輯控制器架構，主要包括S7-400H主控制器(包括電源PS407、CPU414H、C443-1)、Y-LINK網(wǎng)絡組件(2個IM157、Y型耦合器及總線模塊)、 主配電板、輔配電板、應急配電主配電板冗余總線ET200M（含2個IM153-2、Y型耦合器及總線模塊、IO模塊）完成配電板運行狀態(tài)輸入、熱工參數(shù)采集、開關控制及機組控制?？偩€ET200M、各發(fā)電機組PPU、OP?？删幊踢壿嬁刂破鞑捎脽岵灏涡洼斎胼敵瞿K。PMS網(wǎng)絡結構圖如圖2。S7-400H主控制器(包括電源PS407、CPU414H、C443-1、同步模塊、同步光纖)主要完成PPU單網(wǎng)絡端口數(shù)據(jù)收集及其他子站的連接，通過冗余以太網(wǎng)向上位機發(fā)送PMS數(shù)據(jù)。通過冗余CPU的MPI與OP交換數(shù)據(jù)。

Y-LINK網(wǎng)絡組件(2個IM153、Y型耦合器及總線模塊)主要實現(xiàn)冗余網(wǎng)絡到單總線網(wǎng)絡的轉換。

主配電板冗余總線ET200M（含2個IM153-2、Y型耦合器及總線模塊、IO模塊）完成主配電板運行狀態(tài)輸入、熱工參數(shù)采集、開關控制及機組控制。完成配電板運行狀態(tài)輸入、熱工參數(shù)采集、開關控制及機組控制。

OP面板作為PMS人機界面實現(xiàn)人機交互，分別與冗余的AS414H的MPI口進行連接。

PMS系統(tǒng)檢測主配電板上所有斷路器以及輔配電板上重要設備斷路器的狀態(tài)。對匯流排與發(fā)電機的電壓和頻率等參數(shù)獨立監(jiān)測，如果并車運行的某臺發(fā)電機出現(xiàn)高壓、低壓、高頻、低頻等故障時，相應的故障發(fā)電機自動脫扣。

當主用可編程邏輯控制器出現(xiàn)故障時，備用可編程邏輯控制器立刻被自動切換成主用。發(fā)電機和電網(wǎng)的保護功能不能受到任何影響。一套可編程邏輯控制器出現(xiàn)故障不會對電網(wǎng)造成任何影響。PMS發(fā)生故障時不會導致發(fā)出一個錯誤的指令信號。

熱備模式的S7-414H的運行是根據(jù)主動冗余結構原理，在發(fā)生故障時兩個子單元都在運行狀態(tài)。如果發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨立完成整個過程的控制。

3 功率管理系統(tǒng)的功能

功率管理系統(tǒng)對全船的功率實施統(tǒng)一優(yōu)化管理，安裝于主配電板中母聯(lián)及功率管理屏內(nèi)（如圖3所示），主要設備包括PMS主控制器、機組數(shù)據(jù)采集控制子站ET200M、發(fā)電機保護并車單元PPU及PMS人機界面等，通過現(xiàn)場總線PROFIBUS連接，組成功率管理系統(tǒng)。

功率管理系統(tǒng)能根據(jù)負載的實時功率需求和電網(wǎng)的運行狀況對每臺柴油發(fā)電機組進行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各臺柴油發(fā)電機組的工作，動態(tài)調(diào)整對機組的控制指令，對供電分系統(tǒng)進行故障報警和處理，為電力推進系統(tǒng)及其他用電設備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。在供電分系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，功率管理系統(tǒng)能采取相應的措施，盡可能保證對負載的連續(xù)供電，避免電站斷電以確保船舶的安全性。

功率管理系統(tǒng)的功能包括主發(fā)電機自動起動、自動調(diào)頻調(diào)載、自動加載、自動卸載、重載詢問、順序起動等功能，2臺主發(fā)電機可以長期并聯(lián)運行。主發(fā)電機與輔發(fā)電機之間可短時并車進行不斷電負載轉移。任一臺在網(wǎng)機組失電時，備用發(fā)電機應盡快自動起動，并合閘供電，在失電后30 s內(nèi)完成，同時給應急配電板經(jīng)延時的啟動信號。

a) PMS操作地點在母聯(lián)屏，PMS實現(xiàn)半自動、自動、越控三種控制方式。

b) 機組的自動啟動

供電系統(tǒng)在網(wǎng)機組功率總和達到90%（可設定）額定功率總和，儲備功率不足，備用機組應自動啟動。備用機組的優(yōu)先順序也可人工設定。啟動成功達到投網(wǎng)電壓后自動投入的時間小于30 s。

機組啟動指令的發(fā)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(fā)出報警信號。

機組發(fā)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。

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。

c) 機組投入和并聯(lián)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。

有預防措施，以避免兩個或兩個以上發(fā)電機組開關同時合閘。

自動并聯(lián)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(fā)電機組長期并聯(lián)運行，當總負荷率在20%～100%和功率因數(shù)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%，無功功率分配差度不大于10%。

機組投入運行后，頻率調(diào)節(jié)精度為50±0.5 Hz。

當電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障而造成在網(wǎng)發(fā)電機主開關脫扣時，在人工應答復位前防止各發(fā)電機組開關重新合閘。

d) 機組的解列和停機

若指定機組解列后其實時功率小于60%（可設定）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(fā)電機組經(jīng)負荷轉移后，負荷率低于10%（可調(diào)），電流不超過30% In（可調(diào)）時發(fā)出分閘指令。

被解列的發(fā)電機組在分斷發(fā)電機主開關并空載運行3 min后，按設定程序發(fā)出停機指令。

e) 機組起、停序列設定功能

通過母聯(lián)屏OP可設定供電系統(tǒng)各發(fā)電機組的自動起、停的優(yōu)先級并可在人機界面上修改。

f) 根據(jù)設定工況信號準備電站

控制方式選擇為“自動”或“越控”時，可根據(jù)駕駛室設定的工況信號完成適合各工況的電站準備，設定工況包括“航行工況”、“停泊工況”、“進出港工況”和“疏浚作業(yè)工況”。

g) 重載詢問功能

在啟動大容量的用電設備之前，用電設備應先向功率管理系統(tǒng)發(fā)出啟動請求，功率管理系統(tǒng)根據(jù)機組在網(wǎng)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(fā)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(fā)電機組啟動、并網(wǎng)且在網(wǎng)機組功率貯備足夠時，才發(fā)出啟動允許，允許它們投入電網(wǎng)用電。

h) 分級自動卸載功能

當電網(wǎng)在線負載的總用電量超過供電發(fā)電機的額定輸出能力，并持續(xù)一定的時間之后，應能自動將在線負載中的次要負載以四級的方式從電網(wǎng)分斷，以確保對重要負載的連續(xù)供電。

i) 人機界面監(jiān)測功能

對電力系統(tǒng)重要參數(shù)的實時監(jiān)控是實現(xiàn)PMS功能的前提保障。PMS可以根據(jù)電網(wǎng)的運行狀況、每套發(fā)電機組的運行情況，動態(tài)調(diào)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(tài)顯示：在母聯(lián)屏人機界面上動態(tài)實時監(jiān)測柴油發(fā)電機組的運行狀態(tài)、母線的運行狀態(tài)、電能分配狀況等，同時可以在線修改PMS設置參數(shù)；

報警功能：對柴油發(fā)電機組進行動態(tài)實時故障報警監(jiān)測，并對故障進行相應的處理；

圖形顯示：以動態(tài)圖形顯示電站系統(tǒng)，當情況異常時，予以變色或閃動；

報警窗口：當有報警時，彈出當前的報警信息小窗口。

4 結論

經(jīng)過實際運行表明，當主用可編程邏輯控制器出現(xiàn)故障時，備用可編程邏輯控制器立刻被自動切換成主用。發(fā)電機和電網(wǎng)的保護功能不能受到任何影響。一套可編程邏輯控制器出現(xiàn)故障不會對電網(wǎng)造成任何影響。PMS發(fā)生故障時不會導致發(fā)出一個錯誤的指令信號。熱備模式的S7-414H的運行是根據(jù)主動冗余結構原理，在發(fā)生故障時兩個子單元都在運行狀態(tài)。如果發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨立完成整個過程的控制。通訊冗余結構使得當網(wǎng)絡線路出現(xiàn)故障時，不影響整個能量管理系統(tǒng)的正常運行，船舶運行的可靠性和穩(wěn)定性得到提高。

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Design of PMS Redundant Structure

Liu Jianbo

(Naval Representatives Office in Jiangnan Delta Refco Group Ltd, Shanghai 201913, China)

When fault happens in PMS main plant or in the network, the electric propulsion system can’t work, which leads to a breakdown of PMS. This paper discusses PMS redundant system of the 2000 cubic dredger and disposes hot redundant structure of PMS. The actual operation indicates that the system is stable and reliable.

PMS; electric propulsion; management system

TM711

A

1003-4862（2013）05-0051-04

2012-11-15

劉建波（1970-），男，高級工程師。研究方向：艦船電力推進。