EGMS在閉合母排運(yùn)行配電系統(tǒng)中的運(yùn)用

陸強(qiáng)云 董博

摘要：隨著綠色航運(yùn)的發(fā)展，閉合母排的配電系統(tǒng)因其經(jīng)濟(jì)環(huán)保性越來越受到船舶所有人的青睞。閉合母排的保護(hù)系統(tǒng)相較于獨(dú)立母排的運(yùn)行系統(tǒng)更為智能、穩(wěn)定、迅速、獨(dú)立，但因其整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，安全性能要求高，建造難度大，致使目前造船市場(chǎng)上成功運(yùn)用的項(xiàng)目并不多。上海振華重工前不久成功交付一艘滿足ABS規(guī)范的DP2閉合母排運(yùn)行的飽和潛水支持船，該項(xiàng)目配電系統(tǒng)配置了發(fā)電機(jī)監(jiān)控增強(qiáng)系統(tǒng)EnhancedGenerator Monitoring System（EGMS）系統(tǒng)，成功地避免了閉合母排運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)。本文簡要闡述EGMS在閉合母排電力系統(tǒng)中的系統(tǒng)組成及保護(hù)動(dòng)作過程。

關(guān)鍵詞：閉合母排;EGMS;DP2

0引言

近年來，隨著技術(shù)的日益成熟，海工造船業(yè)開始推行“綠色船舶”概念，力求減少船舶對(duì)海洋環(huán)境造成的污染，越來越多的海工船舶入DP2附加標(biāo)志，但當(dāng)前采用Closedbus-tie（閉合母排）電網(wǎng)設(shè)計(jì)理念的項(xiàng)目并不常見。ABS規(guī)范2014版指引對(duì)閉合母排有簡單的總括性要求，需要在最短的時(shí)間內(nèi)切斷故障源，即故障發(fā)電機(jī)或者故障母排，避免將現(xiàn)有故障傳遞到另外一段正常工作的匯流排，以滿足最大單點(diǎn)故障時(shí)不會(huì)失去定位能力，此要求對(duì)于配電板保護(hù)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、柴油機(jī)系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及配置十分嚴(yán)格。

1項(xiàng)目簡介

本船為1艘具有DP2動(dòng)力定位能力的300m水深飽和潛水支持船，可在滿足規(guī)定的海區(qū)作業(yè)環(huán)境條件下進(jìn)行作業(yè)，并可在無限航區(qū)航行（除極區(qū)外）。該船主要配有一套嵌入式、最大作業(yè)水深可達(dá)300m的飽和潛水系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有單鐘形式，減壓艙可同時(shí)容納21位潛水員;另外配有一套可下潛至約65m空氣潛水系統(tǒng)，配有雙潛水系統(tǒng)可大大提高該船在潛水作業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。該船配備ABS船級(jí)社認(rèn)可DP2以及EHS-C動(dòng)力定位系統(tǒng)及EGMS，在出現(xiàn)單點(diǎn)故障后，依然可以自動(dòng)保持船舶的位置和首向。此船配有有源前端型（AFE）電力推進(jìn)系統(tǒng)，全船電站由6臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電，總功率達(dá)11400km，在船艏部裝配了變頻調(diào)速折臂式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器（可兼作側(cè)推）和兩個(gè)可調(diào)槳的側(cè)推進(jìn)器，船艉部裝配了兩個(gè)變頻調(diào)速全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。與傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力系統(tǒng)相比，有源前端型電力推進(jìn)系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、驅(qū)動(dòng)力大、體積小、安裝方便、便于維修、諧波、振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，將大大減輕船舶污染和海洋環(huán)境污染，充分體現(xiàn)了“綠色航運(yùn)”和“綠色船舶”的環(huán)保節(jié)能理念。另外此船配有150t折臂式波浪補(bǔ)償起重機(jī)及50t可伸縮式起重機(jī)各1臺(tái)，可滿足不同工況下的海上起重作業(yè)。同時(shí)，該船配備FIFI 1對(duì)外消防系統(tǒng)，具備對(duì)外消防能力，是1艘功能十分強(qiáng)大的高端海工船舶。

2電力系統(tǒng)概述

該船配備的690V電力系統(tǒng)包括1個(gè)4段690V主配電板和1個(gè)2段690V甲板配電板。其中690V主配電板分為4段匯流排，即匯流排A，匯流排B，匯流排C以及匯流排D這4段，互相之間有母聯(lián)開關(guān)連接，而B跟C之間的母聯(lián)開關(guān)可以根據(jù)不同的工況，選擇合上或者斷開，2段匯流排可以選擇性地給折臂推供電，保證折臂推始終在網(wǎng)。這種匯流排設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)配電板在Open bus-tie或者Close bus-tie模式時(shí)出現(xiàn)最大單點(diǎn)故障，至少有1臺(tái)主推、1臺(tái)側(cè)推和1臺(tái)折臂推仍能保持正常工作，有效保障了船舶的定位能力。

690V配電板可以在母排閉合模式下運(yùn)行，每段匯流排有多個(gè)控制屏，包含了發(fā)電機(jī)輸入端、變壓器輸出端、推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)輸出端、甲板配電板輸出端和軟起動(dòng)輸出端。690v甲板輔助配電板提供起重機(jī)和FIFI設(shè)備電源;甲板配電板供電通過兩個(gè)互鎖的開關(guān)690V主配電板相連，即不管主配電板哪一段失電，都可以保證甲板配電板在網(wǎng)，甲板吊車跟FIFI系統(tǒng)仍能正常工作。

690v電力系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

3配電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于傳統(tǒng)的DP船型，通常的設(shè)計(jì)方案是2段或者以上獨(dú)立匯流排，為了滿足定位能力所需功率要求，往往都是每個(gè)匯流排的發(fā)電機(jī)全部在網(wǎng)，然而這必然增加運(yùn)營成本，也增加了廢氣排放量。當(dāng)前船舶市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下行，國際海事組織發(fā)布了一系列保護(hù)海洋環(huán)境減少船舶污染的公約與規(guī)定，國際造船業(yè)大力提倡綠色運(yùn)營，船東急于尋找更好的配電設(shè)計(jì)方案，以減少發(fā)電機(jī)在線數(shù)量。在此背景下，Close bus-tie的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，可以充分使用發(fā)電機(jī)在線能力，提高發(fā)電機(jī)使用率，從而降低了發(fā)電機(jī)在線數(shù)量，運(yùn)營成本和船舶排放量均顯著降低。

由于閉合母排自身特性導(dǎo)致其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也顯著高于獨(dú)立母排，閉合母排因整個(gè)電網(wǎng)采用電氣連接，相互冗余的系統(tǒng)單點(diǎn)故障很容易延伸到另外一段，從而導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)失電，比如一段母排短路時(shí)，會(huì)引起兩段母排同時(shí)瞬間電壓非常低，造成另外一段母排的開關(guān)或設(shè)備脫扣，進(jìn)而導(dǎo)致故障范圍超出最大冗余設(shè)計(jì)目的。所以閉合母排在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先考慮各設(shè)備或者系統(tǒng)的故障穿越能力，能有效地隔離和限制故障導(dǎo)致的失效范圍。

為了解決這一問題，需要額外的保護(hù)系統(tǒng)，在blackout前提前分析故障類型，將有故障的母排或者發(fā)電機(jī)脫扣，不會(huì)影響正常運(yùn)行的母排或者發(fā)電機(jī)。根據(jù)這一要求，我們額外增加了EGMS，額外擴(kuò)展了系統(tǒng)保護(hù)功能，通過時(shí)時(shí)檢測(cè)和分析相關(guān)信號(hào)，判斷相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這樣可以瞬間監(jiān)測(cè)并移除故障發(fā)電機(jī)或者故障母排，降低失電后失去位置的風(fēng)險(xiǎn)。

4EGMS在典型塊狀電力設(shè)計(jì)中應(yīng)用

作為塊狀電力設(shè)計(jì)系統(tǒng)，EGMS是不可或缺的一部分，一般都是每臺(tái)發(fā)電機(jī)單獨(dú)有一套EGMS，每套EGMS系統(tǒng)可以通過網(wǎng)線或者光纖建立通訊，互相單獨(dú)識(shí)別讀取數(shù)據(jù)。

EGMS可用于多種電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圖2是一個(gè)典型的設(shè)計(jì)方案，2臺(tái)放電機(jī)分別供電給母排，分別獨(dú)自配置了EGMS系統(tǒng)。這種獨(dú)立分隔的塊狀電力系統(tǒng)有效地確保EGMS運(yùn)行時(shí)，一旦檢測(cè)供電網(wǎng)絡(luò)有故障，會(huì)瞬間自動(dòng)移除有故障的發(fā)電機(jī)，或者斷開有故障的配電板，避免故障影響其他正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)或者配電母排，從而保證對(duì)電力系統(tǒng)的影響被限制在單個(gè)電源區(qū)域。

該飽和潛水支持船的全船配電方案由GE提供，針對(duì)閉合母排的特殊技術(shù)要求，每臺(tái)發(fā)電機(jī)都設(shè)置了一套EGMS，與PMS系統(tǒng)協(xié)同保護(hù)整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。EGMS與PMS信號(hào)接口如圖3。

5EGMS功能描述與保護(hù)動(dòng)作

船舶發(fā)電機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，EGMS一直監(jiān)控電力系統(tǒng)的有功功率和無功功率。EGMS工作基本的原理是檢測(cè)出有故障的柴油機(jī)或發(fā)電機(jī)，在故障延伸到傳統(tǒng)保護(hù)繼電器模塊之前將有故障的柴油機(jī)或者發(fā)電機(jī)脫開，避免全船失電。

對(duì)于所有正常運(yùn)轉(zhuǎn)的船舶供電網(wǎng)絡(luò)，PMS應(yīng)該在任何時(shí)候控制電力系統(tǒng)，保證供電網(wǎng)絡(luò)地安全可靠。只有在PMS檢測(cè)出設(shè)備故障或者供電網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)候，EGMS應(yīng)該會(huì)立即介入保護(hù)系統(tǒng)，瞬間動(dòng)作。EGMS有一套成熟可靠的時(shí)時(shí)在線計(jì)算識(shí)別判斷軟件，能夠瞬間識(shí)別出PMS失效的嚴(yán)重程度及導(dǎo)致產(chǎn)生的供電網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性，計(jì)算軟件會(huì)根據(jù)結(jié)果，自行采取相對(duì)應(yīng)級(jí)別的保護(hù)動(dòng)作。

根據(jù)故障和嚴(yán)重程度，EGMS將采取以下步驟，并按階段分組：

（1）階段1：報(bào)警

EGMS有內(nèi)部自檢模塊，能對(duì)內(nèi)部故障模式發(fā)出警報(bào)，例如線路中斷或網(wǎng)絡(luò)故障。

（2）階段2：PMS介入

當(dāng)出現(xiàn)此命令請(qǐng)求時(shí)，PMS系統(tǒng)一般都會(huì)采取以下動(dòng)作：

①啟動(dòng)同一段母排上的一個(gè)新的柴油機(jī)（如有），為下一階段轉(zhuǎn)移負(fù)載，斷開故障機(jī)做準(zhǔn)備;

②同步并車&負(fù)載轉(zhuǎn)移至新發(fā)電機(jī);

③故障機(jī)卸負(fù)載;

④斷開目標(biāo)故障機(jī)。

（3）階段3：強(qiáng)制發(fā)電機(jī)為droop（有差調(diào)速）模式

當(dāng)發(fā)出此命令時(shí)，電力系統(tǒng)的行為動(dòng)作預(yù)期如下所述：

①EGMS將向故障母排上的所有柴油機(jī)機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)送單獨(dú)的信號(hào);

②PMS接收到EGMS單獨(dú)發(fā)出的信號(hào)后將停止相關(guān)柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)的負(fù)載分配動(dòng)作;

③調(diào)速器退出Isochronous（無差調(diào)速）模式，回到droop模式;

③如果隨后請(qǐng)求PMS執(zhí)行階段2的停止動(dòng)作，而EGMS同時(shí)發(fā)送階段3信號(hào)，此時(shí)PMS必須仍然能夠加載和卸載。

（4）階段4：斷開發(fā)電機(jī)開關(guān)

EGMS通過發(fā)電機(jī)保護(hù)繼電器發(fā)送開關(guān)斷開命令，階段4操作可以通過以下方式執(zhí)行：

①EGMS將會(huì)發(fā)送斷開信號(hào)至發(fā)電機(jī)保護(hù)繼電器;

②執(zhí)行器接收到斷開信號(hào)命令，會(huì)瞬間斷開配電板上的發(fā)電機(jī)母聯(lián)開關(guān);

③斷開信號(hào)已經(jīng)發(fā)送，如果檢測(cè)到發(fā)電機(jī)母聯(lián)開關(guān)未斷開，EGMS將直接斷開故障發(fā)電機(jī)所在的匯流排兩端開關(guān)

④如果就1臺(tái)發(fā)電機(jī)在線，階段4的跳閘斷開將被抑制;

⑤根據(jù)柴油機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)和負(fù)載依賴性啟動(dòng)特性，PMS將自動(dòng)啟動(dòng)1臺(tái)可用的柴油機(jī)。

（5）階段5：斷開匯流排開關(guān)

只有在先前幾個(gè)階段的保護(hù)動(dòng)作失敗的情況下，EGMS才有可能發(fā)送階段5的跳閘斷開信號(hào)。

6結(jié)語

隨著各港口對(duì)船舶排放要求越來越高，環(huán)保經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式得到各船東公司的重視，促使閉合母排運(yùn)行的船舶在海工市場(chǎng)的需求日益增長，而EGMS系統(tǒng)在整個(gè)電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，能夠保證船舶在最大單點(diǎn)故障情況下可以繼續(xù)正常運(yùn)行。本項(xiàng)目也是我們首艘成功運(yùn)用此技術(shù)的項(xiàng)目，在該船的海試過程中各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均得到船東、船檢、FMEA等各方的高度贊賞，成功地積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)類似船舶做好了技術(shù)儲(chǔ)備工作。