客滾船智能配電系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

朱 兵，蔣曉亮，劉紅平，張淇鑫

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

0 引言

船舶電力系統(tǒng)覆蓋了“源-網(wǎng)-荷”3個層級，分別對應(yīng)“電源裝置”“配電系統(tǒng)”“用電負荷”。船舶配電系統(tǒng)由配電板、配電分電箱、啟動器、變壓器、配電線路和相應(yīng)的控制保護設(shè)備組成[1]，對船舶的電能輸送和管理發(fā)揮著承上啟下的作用，關(guān)系著船舶運營的安全及能源利用的效率。與陸上的配電系統(tǒng)相比，船舶配電系統(tǒng)具有船舶電站容量有限、船舶工況多樣、船上工作環(huán)境惡劣等特點。

隨著船舶智能化和自主化技術(shù)的日益發(fā)展，人們對船舶電力系統(tǒng)供電連續(xù)性和可靠性的要求也越來越高。配電系統(tǒng)作為船舶的重要配套設(shè)備，其信息化和智能化水平的提高能夠提升電網(wǎng)供電質(zhì)量和容錯性，提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低船舶的能耗。但目前船舶配電系統(tǒng)本身的智能化程度并不高，突出反映在信息化程度低、狀態(tài)監(jiān)測和管控能力弱等問題上，電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障后難以快速尋找故障源，造成電力系統(tǒng)恢復(fù)緩慢，影響船舶運營安全和效率。

由于需要滿足安全返港的要求，客滾船一般采用多機雙槳的主推進系統(tǒng)，機艙及重要輔助設(shè)備需采用冗余設(shè)計。無論從用電設(shè)備的數(shù)量，還是從電力系統(tǒng)的復(fù)雜性來講，都遠遠超過常規(guī)船型。因此，智能配電系統(tǒng)在客滾船上的應(yīng)用更加復(fù)雜，技術(shù)難度更高。本文在分析智能配電系統(tǒng)的功能和架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對“中華復(fù)興”號客滾船智能配電系統(tǒng)進行設(shè)計，以達到提高船舶電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、可靠性和高效性目的。

1 智能配電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

智能配電系統(tǒng)采用分層管理機制，即系統(tǒng)管理層與設(shè)備控制層2個層級。

系統(tǒng)管理層根據(jù)電力系統(tǒng)“源-荷”平衡的基本原則，從“源-網(wǎng)-荷”動態(tài)平衡出發(fā)，以實現(xiàn)能量從“源”到“荷”的優(yōu)化配置與動態(tài)平衡以及減輕負荷波動對電源系統(tǒng)的沖擊與擾動為目標(biāo)，對各類電源的出力特性以及各類用電設(shè)備在不同工況下的負荷特性進行分析。據(jù)此提供不同工況下與不同運營模式下用電設(shè)備的優(yōu)化運行方案，完成對用電設(shè)備負荷的主動控制，實現(xiàn)對電源出力的主動調(diào)度功能，最終實現(xiàn)配電系統(tǒng)的全設(shè)備能量優(yōu)化管理[2]。

設(shè)備控制層則通過構(gòu)建電量與非電量參數(shù)獲取的智能量測系統(tǒng)，實現(xiàn)對電源、電路、負荷相關(guān)數(shù)據(jù)信息的分布式采集；形成智能配電系統(tǒng)的信息流，為智能配電系統(tǒng)中的能量流向、電路絕緣狀態(tài)、電能質(zhì)量監(jiān)測、發(fā)電功率預(yù)測、負荷波動預(yù)測提供信息支撐；完成智能配電系統(tǒng)信息流對電能的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)對用電設(shè)備的綜合節(jié)能、能量優(yōu)化調(diào)度等功能。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

按照上述功能的需要，智能配電系統(tǒng)的架構(gòu)分為配電網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)兩個網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)圖見圖1。配電網(wǎng)絡(luò)(圖中實線表示)為常規(guī)的電網(wǎng)，負責(zé)為船舶用電負載設(shè)備供電。信息網(wǎng)絡(luò)(圖中虛線表示)采用網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)技術(shù)：下層采用CAN現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，采用分布式冗余設(shè)計，滿足控制系統(tǒng)實時性、可靠性的要求[3]，實時采集和控制用電設(shè)備信息；上層是信息管理網(wǎng)絡(luò)，滿足開放性和共享性的要求，根據(jù)不同權(quán)限的設(shè)置實現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)測、控制和管理等功能。

圖1 智能配電系統(tǒng)示意圖

為了實時將發(fā)電機組、配電板、分電箱直至用電負載的電氣信號采集到信息網(wǎng)絡(luò)，需要在上述系統(tǒng)架構(gòu)中設(shè)置特定功能的智能管控模塊。這些模塊運用快速的DSP微處理器與電力電子技術(shù)，專門針對配電系統(tǒng)智能化需要開發(fā)的電子器件[4]。具體的模塊功能說明見表1。

表1 配電系統(tǒng)智能管控模塊說明表

2 實船應(yīng)用

2.1 確定管控對象

根據(jù)智能配電系統(tǒng)的功能要求，需要將盡可能多的用電設(shè)備涵蓋進來，以提高信息監(jiān)測域度和管控能力?？蜐L船的用電設(shè)備配置相比于常規(guī)船型設(shè)備數(shù)量更多、分布區(qū)域更廣。這些設(shè)備不僅僅集中在前、后機艙，還包括艏部的前輔助設(shè)備間、上建的空調(diào)機間及艉部的后輔助設(shè)備間等處所，而單組現(xiàn)場總線受通訊距離的限制，因此在上述各個處所設(shè)置網(wǎng)關(guān)用于連接就近現(xiàn)場總線，再通過上層網(wǎng)絡(luò)接入智能配電系統(tǒng)。

系統(tǒng)僅進行監(jiān)測的設(shè)備為各電力分電箱等，監(jiān)測其功率、電壓、電流、頻率等運行參數(shù)；而同時進行監(jiān)測和控制的設(shè)備包括供油單元、分油機、空壓機等機艙設(shè)備及機艙的油水泵、機艙風(fēng)機等。為了滿足旅客和車輛的特殊要求，其空調(diào)系統(tǒng)、車輛艙的通風(fēng)系統(tǒng)等也屬于客滾船的重要系統(tǒng)，占用了大量的能量消耗，因此將以上系統(tǒng)也納入監(jiān)控范圍。智能配電系統(tǒng)監(jiān)控對象見表2。其中：油水泵、風(fēng)機的IMCC智能模塊安裝在各自啟動器內(nèi)；其他自帶控制箱的模塊化設(shè)備，如分油機、供油單元、空調(diào)等采用通訊接口與系統(tǒng)相連，并在分油機、供油單元的控制箱上進行單獨改造，增加IU模塊用于采集電氣信號。另外，根據(jù)中國船級社(CCS)對于客滾船風(fēng)機控制的要求，本船的風(fēng)機控制和監(jiān)測采用了獨立的環(huán)路網(wǎng)絡(luò)，且風(fēng)機啟動器內(nèi)的智能模塊為冗余設(shè)計，保證了任何一處發(fā)生故障，其余風(fēng)機仍能進行正常監(jiān)控。

表2 智能配電系統(tǒng)管控對象列表

通過對全船主要用電設(shè)備的監(jiān)測，可以獲得全船電能的分布情況。大負載設(shè)備在上位機能夠進行遠程啟/?？刂?，既減少了船員的工作量，又可以利用上位機的數(shù)據(jù)分析能力合理分配全船電能。

2.2 能耗控制與管理

通常機艙輔助電氣設(shè)備的參數(shù)都是在滿足給定的極端環(huán)境工況和主推進系統(tǒng)最大負荷運行的情況下確定的。而船舶實際營運過程中，并不會長時間在極端環(huán)境工況下全負荷運行，主機的常用負荷一般為50%～75%，環(huán)境溫度和海水溫度通常也都明顯小于設(shè)定的極端工況。若推進輔助設(shè)備始終在最大負荷下運行，會產(chǎn)生大量不必要的能源消耗，尤其是雙機艙的客滾船，由于輔助設(shè)備的數(shù)量大大增加，使得這一矛盾變得尤其突出。實船采用變頻控制的方式可以有效緩解電能利用不經(jīng)濟的情況。確定變頻控制對象后，選擇與環(huán)境工況和主、輔機工況最緊密相關(guān)的、功率較大且節(jié)能效果明顯的負載，最終確定為4臺機艙風(fēng)機、6臺低溫冷卻淡水泵、6臺主海水冷卻泵。

通常的變頻控制系統(tǒng)，僅依賴參數(shù)對自身系統(tǒng)進行單獨調(diào)節(jié)。為了更好地實現(xiàn)節(jié)能減耗的目的，“中華復(fù)興”號客滾船對不同工況下的外部環(huán)境狀態(tài)、機艙環(huán)境狀態(tài)、主機運行狀態(tài)、輔助設(shè)備運行狀態(tài)等特定輸入信息進行采集，作為所有系統(tǒng)控制的統(tǒng)一輸入?yún)?shù)。各個系統(tǒng)除了調(diào)整自身運行狀態(tài)外，還結(jié)合其他系統(tǒng)的運行狀態(tài)同步協(xié)調(diào)進一步優(yōu)化，使各個系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)和配合，實現(xiàn)總體能源的最優(yōu)運行。能耗影響因素邏輯關(guān)系見圖2。

圖2 能耗影響因素邏輯關(guān)系

例如：本船的機艙通風(fēng)系統(tǒng)隨著船舶航行工況和設(shè)備運行的變化，其機艙的溫度也會分時間、分區(qū)域變化。這一變化直接影響機艙通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)包括溫度和風(fēng)量，因此必須為每臺機艙風(fēng)機增加溫度傳感器(TS)及壓差傳感器(DPS)。此外，主機、分油機、鍋爐等也會影響機艙總熱量，所以主機負荷、各設(shè)備運行狀態(tài)等參數(shù)也可作為通風(fēng)系統(tǒng)的控制依據(jù)。基于所有這些參數(shù)的分析，對機艙風(fēng)機轉(zhuǎn)速、調(diào)風(fēng)門開度等設(shè)備進行控制，調(diào)控各設(shè)備區(qū)域通風(fēng)的優(yōu)先級，實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的更優(yōu)節(jié)能。機艙風(fēng)機的自動運行控制策略見圖3。以前機艙2號送風(fēng)機為例，當(dāng)處于主機油門突加工況時，該風(fēng)機在一段時間內(nèi)定頻運行不作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；處于常規(guī)工況時，首先以壓差信號作為控制依據(jù)調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速,在保證機艙壓力滿足設(shè)定要求的前提下，再以溫度信號作為控制依據(jù)調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，直到機艙壓差(DP)和溫度(T)均滿足設(shè)定要求[5]。

2.3 電路絕緣監(jiān)測與定位

由于客滾船采用前、后主配電板分區(qū)供電，相關(guān)設(shè)備為滿足安全返港要求采用雙路供電，使得整個電力網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)復(fù)雜，且船舶的工作環(huán)境相對惡劣，導(dǎo)致電路絕緣故障的發(fā)生率較高。因此，采用絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測及故障定位的技術(shù)十分有必要[6]。

通過絕緣監(jiān)測裝置向船舶電網(wǎng)電纜導(dǎo)體上注入某一特定頻率的交流電壓，測量等效接地點相應(yīng)頻率響應(yīng)電流，掃頻辨識出電網(wǎng)等效阻抗，即電路的等效絕緣電阻和電路對地泄漏電容等，判斷電路絕緣情況。在此基礎(chǔ)上，通過不同回路的環(huán)形互感器檢測獲取與絕緣監(jiān)測裝置注入信號成正比的信號，使其用于定位并自動鑒別故障回路。

圖3 機艙風(fēng)機自動運行控制策略

實船在主配電板、應(yīng)急配電板每個饋電回路均安裝有絕緣監(jiān)測儀，用于監(jiān)測主、應(yīng)配電板每個饋電回路的絕緣狀態(tài)。此外，由于機艙、廚房、洗衣間和車輛艙的環(huán)境較為惡劣，容易發(fā)生絕緣故障，因此在廚房分電箱、洗衣設(shè)備分電箱、機艙區(qū)域和貨艙區(qū)域的照明分電箱內(nèi)也安裝有絕緣監(jiān)測儀，從而保證了供電的連續(xù)性，提高了整個電網(wǎng)的可靠性。電路絕緣示意圖見圖4。

1G、2G、3G—1號發(fā)電機、2號發(fā)電機、3號發(fā)電機。

2.4 負荷分析與能量調(diào)度

智能配電系統(tǒng)的另一大技術(shù)特點就是設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，完整記錄船舶運營過程中在信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，同時基于這些數(shù)據(jù)及專家數(shù)據(jù)庫，結(jié)合配電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行系統(tǒng)性優(yōu)化，綜合控制全船電力設(shè)備，對能量進行調(diào)度管理。通過合理的能量管理技術(shù)對能源的出力、負荷的分配進行較為精準(zhǔn)地控制，可減小“源-網(wǎng)-荷”波動對船舶電網(wǎng)的影響，達到提升電網(wǎng)質(zhì)量的目標(biāo)，從而保證船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。

例如：基于電力負荷的分析可以得出航行工況下電網(wǎng)的波動大部分來自空壓機的啟動和停止。實船通過智能配電系統(tǒng)獲得了全船能耗分布情況，因此可根據(jù)當(dāng)前負荷狀態(tài)調(diào)整空壓機啟動時間，當(dāng)電站負荷不高時，遠程控制空壓機啟動進行補氣。在主機穩(wěn)定運行后，還可自動調(diào)整啟動壓力的設(shè)置，避免空壓機的頻繁啟動，使全船電力負荷更加穩(wěn)定。

3 結(jié)語

上述智能配電系統(tǒng)通過合理配置智能管控模塊，建立配電系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡(luò)，并賦予智能化的管控機制，提升了船舶電力系統(tǒng)的信息化和智能化水平，改善了船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量。經(jīng)過實船的運行檢驗，本文設(shè)計的智能配電系統(tǒng)有效降低了船舶電網(wǎng)的運行成本，增強了配電系統(tǒng)的管控能力，降低了船員的勞動強度，提高了船舶電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性和高效性，達到了節(jié)能降耗的目的。從客滾船的應(yīng)用結(jié)果看出，船舶智能配電系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用具有普適性，同樣適用于其他船型的電力系統(tǒng)，可以作為其智能化設(shè)計參考。