船舶岸電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究

周伯偉

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299）

0 引言

船舶?？看a頭時，使用船上的輔機發(fā)電滿足用電需求，不僅成本較高，同時也會產(chǎn)生大量的廢氣和噪聲等污染。為有效解決該問題，一些國家和地區(qū)開始推廣應(yīng)用碼頭岸電，岸電技術(shù)是指船只在?？看a頭期間不運行船舶柴油發(fā)電機組，改用碼頭岸電電源給船舶供電的一種技術(shù)，其中無縫并網(wǎng)環(huán)節(jié)是岸電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)港口岸電向靠港船舶輸送可靠電能。船舶靠港使用岸電既是綠色港口的一個重要發(fā)展趨勢，又是實現(xiàn)船舶減排的關(guān)鍵路徑。本文對大型滾裝船船載岸電監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能進(jìn)行研究，當(dāng)船舶處于靠港工況時，利用岸電替代發(fā)電機組為船舶負(fù)載供電，減少船舶污染排放；當(dāng)船舶處于離港工況時，發(fā)電機組自動啟動并網(wǎng)，岸電自動解列。系統(tǒng)選用西門子S7-300 PLC 作為主控制器，PLC 兼具穩(wěn)定性好和抗干擾性強的特點，可以適用于船舶機艙惡劣環(huán)境，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)岸電系統(tǒng)自動并網(wǎng)、岸電系統(tǒng)自動解列以及對岸電系統(tǒng)的監(jiān)控等功能。

1 船舶岸電并網(wǎng)研究

本文以大型滾裝船為例，對船舶岸電并網(wǎng)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計與研究，船舶?？看a頭期間實現(xiàn)岸電自動并網(wǎng)，替代發(fā)電機組供電，減輕排放污染。

1.1 船舶岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

船舶岸電技術(shù)是指船舶在?？看a頭時，通過接入外部港口電能來完成對自身所需電力負(fù)荷供應(yīng)，自身輔機發(fā)電暫停工作的一種技術(shù)。岸電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)一般分為3 個方面：岸基碼頭供電系統(tǒng)、船岸交互部分以及船舶受電系統(tǒng)[2]。岸電的受電設(shè)施主要包括標(biāo)準(zhǔn)受電插頭、碼頭電纜、電纜管理系統(tǒng)、碼頭岸電箱和配電板[3]，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。船舶低壓岸電受電設(shè)施實際建造中，多采用斷網(wǎng)切換方式，船舶受電設(shè)施一般不具備智能控制系統(tǒng)，這樣連接岸電時，會使在網(wǎng)輔機設(shè)備停機，增加設(shè)備的啟動次數(shù)影響使用壽命，同時加大了機艙值班人員的工作量。而船舶岸電智能系統(tǒng)采用并網(wǎng)切換方式，能夠安全自動切換，可以有效避免上述問題。

圖1 船舶岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 船舶岸電運行方式研究

岸電的運行方式主要分為岸電并網(wǎng)和岸電解列兩個過程[4]。如圖2 所示，為保證船舶電力供應(yīng)不間斷，岸電并網(wǎng)流程和岸電離網(wǎng)流程均受船舶岸電監(jiān)控系統(tǒng)控制，當(dāng)船舶?？看a頭連接岸電后，調(diào)整發(fā)電機組輸出的電壓、頻率、相位，使之與岸電插頭電力參數(shù)差值控制在允許范圍之內(nèi)，經(jīng)過準(zhǔn)同步并聯(lián)運行后，將柴油發(fā)電機組負(fù)載轉(zhuǎn)移至碼頭岸電，解列船舶輔機并停止運行；當(dāng)船舶駛離碼頭時，首先啟動優(yōu)先發(fā)電機組，當(dāng)船舶輔機發(fā)電電壓、頻率、相位和岸電一致時，經(jīng)過準(zhǔn)同步并車，并聯(lián)運行發(fā)電機組，通過加大原動機油門，將負(fù)載轉(zhuǎn)移至船舶柴油發(fā)電機組，當(dāng)碼頭岸電所剩負(fù)載滿足切除條件時，將碼頭岸電切除，全部由發(fā)電機組供電。

圖2 岸電與船電切換流程

1.3 船舶岸電監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

船舶電力系統(tǒng)通常由多個獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成，任何負(fù)載的投切都會影響到其他負(fù)載和發(fā)電機，岸電監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖3 所示，主要分為發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)，岸電監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測靠港船舶的功率需求，保證岸電電力負(fù)荷輸送上船，防止船舶電網(wǎng)斷電，與此同時該系統(tǒng)一項主要功能是控制岸電通斷，因而能夠確保在岸電正常通斷的情況下，船舶電網(wǎng)不斷電。

圖3 船舶岸電船載監(jiān)控系統(tǒng)功能構(gòu)成

1.4 船舶岸電無縫并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1 岸電并聯(lián)運行的條件

碼頭岸電箱與整個陸地電網(wǎng)相連，所以可將其看作是一臺超級容量機組。岸電與船電進(jìn)行并聯(lián)操作可以等效為兩臺機組的并車過程。

假設(shè)岸電電壓為：

船舶發(fā)電機組的電壓為：

兩者電壓差為：

岸電合閘瞬間產(chǎn)生的環(huán)流為：

式中，為機組超瞬變電抗；xs為系統(tǒng)的等效電抗。由式（4）可知：并網(wǎng)時Δu 越大，im越大。沖擊電流較大會導(dǎo)致船舶電網(wǎng)和岸電設(shè)備中的電器元件損壞。因此將產(chǎn)生的環(huán)流限定在允許范圍之內(nèi)是實現(xiàn)并聯(lián)運行環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。

岸電并聯(lián)運行時要求合閘瞬間出現(xiàn)的沖擊電流足夠小，合閘后能夠迅速投入同步運行[5]。因此岸電并車必須滿足相關(guān)條件。一般認(rèn)為，岸電和船舶電網(wǎng)兩者可以實現(xiàn)準(zhǔn)同步無縫并網(wǎng)必須滿足以下4點：1）相序一致；2）電壓相等；3）初相位相同；4）電壓頻率一致。

實際并車要想滿足理想準(zhǔn)同步并車條件極其困難。在實際操作過程中只需將所有條件進(jìn)行限定確保產(chǎn)生的沖擊電流在限定范圍之內(nèi)，從而使實現(xiàn)并車。實際準(zhǔn)同步并車條件限制如下：

通常岸電箱上安裝相序檢測設(shè)備（即相序指示器），根據(jù)指示燈調(diào)整岸電插頭任意兩條線的連接次序，能夠確保碼頭岸電和船電相序相同。式（5）中，Ue和fe為船舶電網(wǎng)額定電壓和頻率，船舶正常運行工況時，發(fā)電機組電壓差調(diào)整率為±0.5%，可以達(dá)到電壓差要求，±1%fe為±0.5Hz 也易于實現(xiàn)，因此相位差的捕捉是實現(xiàn)并聯(lián)運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.4.2 岸電準(zhǔn)同步無縫并網(wǎng)設(shè)計

本文進(jìn)行船舶岸電并網(wǎng)控制設(shè)計時，默認(rèn)機組人員已將碼頭岸電和船舶電網(wǎng)相序設(shè)為一致，只需要將在網(wǎng)機組的電壓、頻率、與岸電之間的相位差調(diào)整為允許范圍之內(nèi)，并且在此時岸電主開關(guān)立即合閘，使之成功并車。岸電準(zhǔn)同步無縫并網(wǎng)控制是由相位檢測、頻率檢測、電壓差檢測、并車條件檢測以及超前時間或超前相位角采集等環(huán)節(jié)組成，岸電準(zhǔn)同步無縫并網(wǎng)控制原理如圖4所示。

圖4 岸電準(zhǔn)同步無縫并網(wǎng)控制原理圖

本文選用恒定超前時間自動并車方式，主控制器在下達(dá)合閘指令時要經(jīng)過短暫的延時，主開關(guān)才能閉合，延時時間取決于主開關(guān)固有動作時間，從主控器下達(dá)合閘命令到岸電電壓同機組電壓相位一致所度過的時間稱為超前時間，為獲取恒定超前時間，需對岸電電壓、在網(wǎng)機組發(fā)電電壓進(jìn)行方波轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖5 所示。

圖5 波形變換電路圖

將岸電電壓和在網(wǎng)機組電壓進(jìn)行方波轉(zhuǎn)換后，對二者波形上升沿實施檢測，通過比較兩者的時間差能夠判定提前合閘時間。方波轉(zhuǎn)換后的波形圖如圖6 所示。

圖6 電壓與相位波形圖

設(shè)Tw、fw、TG、fG、tz、tk依次為岸基電源電壓周期、岸基電源電壓頻率、在網(wǎng)機組電壓周期、在網(wǎng)機組電壓頻率、在網(wǎng)機組滯后岸基電源電壓時間、主開關(guān)固有動作時間。

設(shè)定tz是恒定的，因而tz可表示為：

如果tz對應(yīng)的相角差為Δθ，則

頻率周期Ts表示為：

為抵消相位角差Δθ，所需要的時間tk' 是：

經(jīng)過時間tk' 后，Δθ 為零，即tk'=tk，此時對應(yīng)的tz' 為：

由上式可知，在自動并車過程中主控器運行程序需不斷地比較tz與tz' 的值，當(dāng)兩者相等時即為合閘時刻，與此同時下達(dá)合閘命令，經(jīng)過主開關(guān)的固有動作時間，相位角差正好消除，船舶電網(wǎng)沖擊電流最小，岸電成功并入船舶電網(wǎng)。

2 岸電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 主控制器選型

本系統(tǒng)主控制器采用西門子S7-300 PLC，選用CPU 314C-2PN/DP 型號的中央處理器，其優(yōu)點是經(jīng)濟(jì)性好、運行速度快、程序適中且支持多種通信方式。CPU 314C-2PN/DP 模塊的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 CPU 314C-2PN/DP 模塊主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 主控制器PLC 組態(tài)

本系統(tǒng)采用PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)連接主控制器S7-300 PLC 與上位機監(jiān)控軟件WinCC 進(jìn)行實時通信，岸電監(jiān)控系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測、岸電并網(wǎng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移、輔機停機、輔機啟動、輔機并網(wǎng)、岸電離網(wǎng)等功能。

2.1.3 PLC 接口設(shè)置

船舶岸電監(jiān)控系統(tǒng)控制器主要I/O 地址的分配如表2 所示。

表2 主要I/O 地址的分配

2.1.4 系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測

岸電監(jiān)控系統(tǒng)功能之一是進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測，即檢測功率、頻率、電壓、相位等多種現(xiàn)場電信號并進(jìn)行監(jiān)控，若想采集這類電信號就需要借助各式各樣的傳感器、變送器等電子元件。電子元件的選用及其接口電路的設(shè)計直接關(guān)系到監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性。以電壓采集為例，本設(shè)計選用施耐德公司推出的RMCV60BD 型電壓變送器，其與PLC模擬量輸入模塊接線如圖7 所示。

圖7 電壓變送器接線

2.2 并聯(lián)運行軟件設(shè)計

船舶使用岸電?？?、駛離港口都需要岸電與船電短暫并聯(lián)運行，并進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，因此要求執(zhí)行相關(guān)程序，對系統(tǒng)參數(shù)實時判斷和調(diào)整，以至于達(dá)到并聯(lián)操作的要求。由圖8 可知，并聯(lián)運行程序開始運行后，第一步需要監(jiān)測電壓參數(shù)，如若監(jiān)測到在網(wǎng)機組與碼頭岸電之間的電壓差高于額定電壓的10% 時，主控制器會發(fā)出電壓異常警報，程序自動終止。如若電壓差在允許范圍之內(nèi)，會執(zhí)行下一步程序進(jìn)行頻差條件監(jiān)測，這時就需要分清負(fù)荷是從發(fā)電機組轉(zhuǎn)移到碼頭岸電，還是從碼頭岸電轉(zhuǎn)移到發(fā)電機組。當(dāng)船舶電力負(fù)荷由船電供應(yīng)轉(zhuǎn)接到由岸電供應(yīng)時，需要確保船舶電網(wǎng)的頻率稍低于碼頭岸電的頻率。碼頭岸電直接由陸地電網(wǎng)供電，默認(rèn)為其電力參數(shù)是不能調(diào)節(jié)的，因此為了創(chuàng)造準(zhǔn)同步并車條件，只好單方面調(diào)整發(fā)電機組電力參數(shù)，如若發(fā)電機組與碼頭岸電的頻差超出允許范圍，那么系統(tǒng)會通過調(diào)整柴油原動機的油門大小來改變機組頻率，如若不能在設(shè)定的時間內(nèi)完成頻率調(diào)節(jié)，系統(tǒng)會發(fā)出頻率異常報警，程序自動終止。如若頻差可以在設(shè)定的時間內(nèi)調(diào)整為允許的范圍，會執(zhí)行下一步程序。為了使碼頭岸電在并聯(lián)運行時能更加順利地承接船舶用電負(fù)荷，特設(shè)置碼頭岸電與船舶電網(wǎng)的允許頻差區(qū)間為+0.1 Hz～+0.25 Hz。當(dāng)頻差低于0.1 Hz 時，岸電切換系統(tǒng)會發(fā)出減小柴油發(fā)電機組油門指令，進(jìn)行減速調(diào)節(jié)，使頻差增大；當(dāng)頻差大于0.25 Hz 時，岸電切換系統(tǒng)會發(fā)出加大柴油發(fā)電機組油門指令，進(jìn)行加速調(diào)節(jié)，使頻差減小，直至頻差達(dá)到允許范圍。頻差滿足要求后，下一步進(jìn)行相位差監(jiān)測，判定相位差能否滿足合閘要求，如若相位差條件不滿足，則繼續(xù)監(jiān)測并判定，直至相位差符合要求，此時系統(tǒng)發(fā)出合閘命令，岸電主開關(guān)閉合，岸電與發(fā)電機組成功并聯(lián)運行。

圖8 岸電自動并聯(lián)運行程序流程圖

2.3 自動轉(zhuǎn)移負(fù)載與解列軟件設(shè)計

本文主要對船舶發(fā)電機組向碼頭岸電進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移進(jìn)行了設(shè)計，而碼頭岸電向船舶發(fā)電機組進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移與之同理。當(dāng)船舶停靠碼頭，岸電與在網(wǎng)機組成功并聯(lián)運行后，系統(tǒng)發(fā)出負(fù)載轉(zhuǎn)移指令，使船舶電力負(fù)荷向岸電轉(zhuǎn)移，具體過程如圖9 所示。岸電監(jiān)控系統(tǒng)第一步先監(jiān)測發(fā)電機組輸出功率， 然后再判定其數(shù)值大小，若發(fā)電機組輸出功率沒有達(dá)到設(shè)定值，則主控制器自動進(jìn)行調(diào)速脈寬計算，將減速脈沖信號發(fā)送至船舶發(fā)電機原動機的變頻器上，負(fù)載逐漸由船舶柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)移至岸電，主控制器會循環(huán)執(zhí)行這套程序，直至主控制器發(fā)出船舶柴油發(fā)電機組主開關(guān)分閘指令，柴油發(fā)電機組脫離電網(wǎng)，負(fù)載全部轉(zhuǎn)移至岸電。船舶柴油發(fā)電機組冷卻一段時間后，主控制器發(fā)出停機指令，使其停機，從而完成這一負(fù)載轉(zhuǎn)移全過程。

圖9 船舶發(fā)電機組負(fù)荷轉(zhuǎn)移、解列流程圖

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計

船舶岸電切換船載監(jiān)控系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面由SIMATIC HMI WinCC V7.5 開發(fā)完成， 船舶岸電切換監(jiān)控界面如圖10 所示，包含岸基電源、1#2#3# 發(fā)電機、主電網(wǎng)顯示面板，主配電板以及岸電使用條件面板，能夠更加直觀有效的對岸電切換過程進(jìn)行監(jiān)控，提高了值班人員工作效率。

圖10 船舶岸電監(jiān)控界面

3 結(jié)語

本文通過以岸電技術(shù)在大型滾裝船上應(yīng)用為例，對船舶岸電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與研究。

通過研究分析岸電船電并聯(lián)運行條件，對岸電準(zhǔn)同步無縫并網(wǎng)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，合理設(shè)置基于PLC的岸電切換控制流程，實現(xiàn)船舶岸電自動切換。船舶處于靠港工況時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)岸電自動并網(wǎng)功能，使用岸電代替柴油發(fā)電機為船舶負(fù)載供電，減少船舶排放污染；船舶處于離港工況時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)柴油發(fā)電機組自動啟動并網(wǎng)，岸電自動解列功能。并通過WinCC flexible 組態(tài)軟件對船舶岸電監(jiān)控系統(tǒng)人機交互界面進(jìn)行設(shè)計，使工作人員能夠更加直觀地對船舶岸電切換過程進(jìn)行監(jiān)控，確保船舶電力系統(tǒng)安全運轉(zhuǎn)。同時本文也可為后期船舶、港口岸電設(shè)計和改進(jìn)工作研究提供參考。