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淺談電能管理系統在混合動力港拖輪中的應用

更新時間： 2023-04-03　　點擊次數： 547次

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：隨著現代造船技術的發(fā)展，船舶對電能管理系統的可靠性和經濟性要求越來越高，因此船舶電站的控制、監(jiān)視和管理的重要性越來越突出。根據油電混合動力港作拖輪電能管理系統的特點，對該船電力系統的組成和功能要求進行分析，在此基礎上，對該船電能管理系統進行了詳細設計。本船以西門子s71200型號PLC作為核心控制器，并對柴油發(fā)電機組和軸帶發(fā)電機組的功能設計及軟件流程作詳細闡述，本船己投入使用，實用效果良好。

關鍵詞：船舶電能管理；軸帶發(fā)電；柴油發(fā)電

0引言

船舶電能管理系統是船舶自動化系統的重要組成部分，是船舶電力系統中主要的電能管理設備，它可以集中、控制、分配發(fā)電機組產生的電能并實現對用電設備的管理，提高船舶電力系統的穩(wěn)定性和安全性。

柴油發(fā)電系統以柴油機為原動機，以柴油為主燃料，柴油機拖動發(fā)電機發(fā)電，把動能轉換成電能，從而為系統電網供電。這是一種起動迅速、操作方便、對環(huán)境的適應性較強的發(fā)電裝置。

軸帶發(fā)電系統由主機通過軸系驅動船舶發(fā)電機，這樣可以利用土機富裕功率，減少能量損耗。軸帶發(fā)電系統可以降低燃油消耗量，減少昂貴的輕柴油消耗，降低維修費用并延長維修周期。隨著電力電子技術的發(fā)展，軸帶發(fā)電裝置的這些*性引起了各國造船界和航運界的重視。因此，軸帶發(fā)電系統的研究和應用價值不斷提高。

1概述

本文介紹的港作拖輪電能管理系統由3臺柴油發(fā)電機和2臺軸帶發(fā)電機組成，如圖1所示。該系統有三種運行情況：1)共同發(fā)電，即軸帶發(fā)電機和柴油發(fā)電機時布網運行，同向船舶電網供電；2)軸帶發(fā)電，即柴油發(fā)電機解列停機，只有軸帶發(fā)電機網運行，向船舶電網供電；3)柴油發(fā)電，即軸帶發(fā)電機解列停機，只有柴油發(fā)電機在網運行，向船舶電網供電。

該港作拖輪主機為兩臺中速機。由于該船采用定距槳系統，船速是通過改變主機轉速來控制的，因此主機轉速時刻變化，導致軸帶發(fā)電機輸出頻率相應變化。在這種情況下，要獲得頻率恒定的交流電源，需要在發(fā)電機和電站之間連接一臺變頻器。軸帶發(fā)電機輸出端連接變頻器的整流部分，變頻器的逆變部分連接船舶電。變頻器使得不論軸帶發(fā)電機輸出端電能的頻率和電壓如何變化，輸送到船舶電網上的電能頻率和電壓將保持恒定。

人多情況下，該拖輪電能管理系統處于柴油發(fā)電模式或軸帶發(fā)電模式。只有當軸帶發(fā)電系統起動時，或者需要負載轉移的情況下，才會出現較為短暫的同發(fā)電模式。

圖1 該船電能管理系統結構圖

2 組成和功能

2.1組成

該拖輪電能管理系統位于集控室，主要由SIEMENSS7-1200PLC電能管系統主控站、北爾電子X2 marine觸摸屏(HMI)和PC組成。其中PLC的作川是執(zhí)行PMS的各種邏輯控制算法；觸摸屏是人機交互界面，它的作用是數據交換和監(jiān)控數據顯示；PC機是一個工程師接口，它的作用是對系統中的PLC和HMI程序進行編寫與優(yōu)化。PLC、HMI與PC之間通過MOXA8口交換機連接。

每套柴油發(fā)電機組配一套PPU，PPU過485串口通訊總線將發(fā)電機組的電壓、頻率、功率等信息發(fā)送給SIEMENS S7—1200 PLC電能管系統主控站，由主控站完成電能管理系統的主要功能，并在觸摸屏上進行工況顯示。

觸摸顯示屏選用北爾電子X2 marine，可以顯示該船舶電站各發(fā)電機組的運行參數、運行狀態(tài)以及故障情況，還可以通過觸摸屏手動控制機組的起動、停車、同步、解列、合閘、分閘等操作。

2.2主要功能

2.2.1 2種控制模式

該電能管理系統具有手動和自動2種控制模式。手動模式是指通過觸摸屏手動控制發(fā)電機組的起動、停車、合閘、分閘、同步、解列等操作。自動模式是電能管理系統程序根據電負載情況，自動確定投入并網運行的發(fā)電機組數量，從而保證在網機組的容量與負載所需的功率相匹配。當電網負載發(fā)生變化時，電能管理系統軟件會自動相應增減在網機組。增減機組依據恒定平均功率原則，保證在網發(fā)電機組功率在額定功率的一定范圍內。

恒定平均功率原則是指預先設定增加或減少運行機組數的臨界功率值的電能管理原則。為了保證發(fā)電機的功率輸出及安全，電網功率大于80%Pe。(額定功率)時增機，小于25％Pe時減機。

2.2.2 優(yōu)先級管理

電能管理系統用改定優(yōu)先絨的方法來管理柴油發(fā)電機組的起／停順序，并且支持在線修改機組的優(yōu)先級。通過事先對柴油發(fā)電機組起／停的優(yōu)先級設定，充分保證了各機組的有序起動，避免2臺及以以上機組同時起動并網，提高了機組有效利用率和并網的安全性。當柴油機起動成功之后，可以自動并網合閘。當電能管理系統收到機組故障信號或輕車運行時，可以按照優(yōu)先級自動對機組解列／停車。

2.2.3 功率限制與負載分段

當電動機預作為主推進系統時，電動機起動前，需向電能管理系統發(fā)出重載請求，電能管理系統將起動所有柴油發(fā)電機組，然后檢測在網的可用功率。根據在網可用功率情況，電能管理系統對電動機發(fā)出起動允許和功率限制比例信號。如果，在網功率太小，無法滿足電動機耗能需求，電能管理系統將不允許軸帶電動機起動。

電能管理系統將船上各類負載按照主次順序進行分級。當某臺柴油發(fā)電機組發(fā)生故障時，需要對故障機組解列，導致在網供能減少，需對在網用電設備進行功率限制。同時，電能管理系統將按照負載優(yōu)先級卸載相對次要的負載，以保證主要設備的正常運行。

2.2.4 觸摸屏參數顯示

電能管理系統在觸摸屏上用圖形和表格方式形象直觀地顯示各發(fā)電機組的工作狀態(tài)及螢要參數值的報警信息，如圖2所示。觸摸屏主要有以下功能：

1)彩色動態(tài)顯示功能，觸摸屏上動態(tài)實時監(jiān)測柴油發(fā)電機組的運行狀態(tài)、發(fā)電機組斷路器狀態(tài)、母排斷路器狀態(tài)和電能分配狀況等；

2)報警顯示功能，對柴油發(fā)電機組重要參數進行動態(tài)實時故障報警監(jiān)測，當故障發(fā)生時可以發(fā)出警報聲音。

圖2 電能管理系統報警頁面

3 系統的軟/硬件設計

3.1 硬件設計

考慮到船舶電站實際運行時所處的惡劣工作環(huán)境，要求硬件設備具有環(huán)境適應性強和可靠性高等特點。SIEMENS PLC (可編程控制器)擁有邏輯控制功能和抗干擾能力，是該船舶電能管理系統硬件的較優(yōu)選擇。因此本港作拖輪的電能管理系統SIEMENS S7-1200 PLC作為核心控制器，配合SM 1223 DI16／DQI6數字量輸入／輸出模塊和SM 1234 AI4／AQ2模擬量輸入輸出模塊，完成對電站發(fā)電系統管理的功能。S7-1200 PLC功能可靠、價格實惠，具有靈活的可擴展性，代表了未來小型PLC的發(fā)展方向，自動化新潮流。

所選的HMI設備具有分辨率高、操作面板堅固、耐腐蝕塑料外殼和安裝靈活方便等優(yōu)點，適合船舶上各種HMI應用。

3.2 軟件設計

SIEMENS S7-1200 PLC采用工程組態(tài)軟件進行組態(tài)和編程，組態(tài)軟件支持梯形圖和SCL編程語言。 SCL語言類似C語言，本系統PLC程序主要使用SCL編程語言。該船舶電能管理系統控制器的軟件采用模塊化設計。

當發(fā)電模式為柴油發(fā)電機發(fā)電或軸帶電機發(fā)電時，電能管理系統只要按照基本功能滿足電網供電需求、合理分配電能、管理用電設備。當電網發(fā)電模式在柴油電機發(fā)電和軸帶電機發(fā)電之間轉換時，情況變得有些復雜。為保證在發(fā)電模式轉換過程中，電網和用電設備平穩(wěn)過渡，本系統采用了工程效果較好的方式。柴油發(fā)電模式轉換到軸帶發(fā)電模式軟件流程如圖3所示，軸帶發(fā)電模式轉換到柴油發(fā)電模式軟件流程如圖4所示。

圖3 柴油發(fā)電轉軸帶發(fā)電流程圖

圖4 軸帶發(fā)電轉柴油發(fā)電流程圖

4 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案

4.1概述

用戶端消耗著整個電網80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統、需求側管理等課題。

安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

4.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

4.3系統結構

4.4系統功能

4.4.1實時監(jiān)測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、告警等信號。

4.4.2電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯，維護計量體系的正確性。

4.4.3詳細電參量查詢

在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。

4.4.4運行報表

系統具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

4.4.5變壓器運行監(jiān)視

系統對配電系統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

4.4.6實時報警

系統具有實時報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒。

4.4.7歷史事件查詢

系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

4.4.8電能質量監(jiān)測

系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量進行持續(xù)性的監(jiān)測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表，不需要可刪除。

4.4.9遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

4.4.10用戶權限管理

系統為保障系統安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.4.11通訊狀態(tài)圖

系統支持實時監(jiān)視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩(wěn)定運行。