淺談電能管理系統(tǒng)在混合動(dòng)力港拖輪中的應(yīng)用

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：隨著現(xiàn)代造船技術(shù)的發(fā)展，船舶對電能管理系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)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(jù)油 電混合動(dòng)力港作拖輪 電能管理系統(tǒng)的特 點(diǎn)，對該船電力系統(tǒng)的組成和功能要求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對該船電能管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。本船以西門子s71200型號(hào)PLC作為核心控制器，并對柴油發(fā)電機(jī)組和軸帶發(fā)電機(jī)組的功能設(shè)計(jì)及軟件流程作詳細(xì)闡述，本船己投入使用，實(shí)用效果良好。 

關(guān)鍵詞：船舶電能管理；軸帶發(fā)電；柴油發(fā)電

 

      船舶電能管理系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，是船舶電力系統(tǒng)中主要的電能管理設(shè)備，它可以集中、控制、分配發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能并實(shí)現(xiàn)對用電設(shè)備的管理，提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

柴油發(fā)電系統(tǒng)以柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī)，以柴油為主燃料，柴油機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，從而為系統(tǒng)電網(wǎng)供電。這是一種起動(dòng)迅速 、操作方便、對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)的發(fā)電裝置。

軸帶發(fā)電系統(tǒng)由主機(jī)通過軸系驅(qū)動(dòng)船舶發(fā)電機(jī)，這樣可以利用土機(jī)富裕功率，減少能量損耗。軸帶發(fā)電系統(tǒng)可以降低燃油消耗量 ，減少昂貴的輕柴油消耗，降低維修費(fèi)用并延長維修周期。隨著電力電子技術(shù)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(yùn)界的重視 。因此，軸帶發(fā)電系統(tǒng)的研究和應(yīng)用價(jià)值不斷提高。

       本文介紹的港作拖輪電能管理系統(tǒng)由3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)和2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)有三種運(yùn)行情況：1)共同發(fā)電，即軸帶發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)時(shí)布網(wǎng)運(yùn)行，同向船舶電網(wǎng)供電；2)軸帶發(fā)電，即柴油發(fā)電機(jī)解列停機(jī)，只有軸帶發(fā)電機(jī)網(wǎng)運(yùn)行，向船舶電網(wǎng)供電；3)柴油發(fā)電，即軸帶發(fā)電機(jī)解列停機(jī)，只有柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，向船舶電網(wǎng)供電。

      該港作拖輪主機(jī)為兩臺(tái)中速機(jī)。由于該船采用定距槳系統(tǒng)，船速是通過改變主機(jī)轉(zhuǎn)速來控制的，因此主機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)刻變化，導(dǎo)致軸帶發(fā)電機(jī)輸出頻率相應(yīng)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(jī)和電站之間連接一臺(tái)變頻器。軸帶發(fā)電機(jī)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(jī)輸出端電能的頻率和電壓如何變化，輸送到船舶電網(wǎng)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(tǒng)處于柴油發(fā)電模式或軸帶發(fā)電模式。只有當(dāng)軸帶發(fā)電系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，或者需要負(fù)載轉(zhuǎn)移的情況下，才會(huì)出現(xiàn)較為短暫的同發(fā)電模式。 

圖1 該船電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

2.1組成 

     該拖輪電能管理系統(tǒng)位于集控室，主要由SIEMENSS7-1200PLC電能管系統(tǒng)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(jī)交互界面，它的作用是數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示；PC機(jī)是一個(gè)工程師接口，它的作用是對系統(tǒng)中的PLC和HMI程序進(jìn)行編寫與優(yōu)化。PLC、HMI與PC之間通過MOXA8口交換機(jī)連接。

每套柴油發(fā)電機(jī)組配一套PPU，PPU過485串口通訊總線將發(fā)電機(jī)組的電壓、頻率、功率等信息發(fā)送給SIEMENS S7—1200 PLC電能管系統(tǒng)主控站，由主控站完成電能管理系統(tǒng)的主要功能，并在觸摸屏上進(jìn)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(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn) 行狀態(tài)以及故障情況，還可以通過觸摸屏手動(dòng)控制機(jī)組的起動(dòng)、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(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式。手動(dòng)模式是指通過觸摸屏手動(dòng)控制發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)、停車、合閘、分閘、同步、解列等操作。自動(dòng)模式是電能管理系統(tǒng)程序根據(jù)電 負(fù)載情況，自動(dòng)確定投入并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組數(shù)量，從而保證在網(wǎng)機(jī)組的容量與負(fù)載所需的功率相匹配。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電能管理系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)相應(yīng)增減在網(wǎng)機(jī)組。增減機(jī)組依據(jù)恒定平均功率原則，保證在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組功率在額定功率的一定范圍內(nèi)。

恒定平均功率原則是指預(yù)先設(shè)定增加或減少運(yùn)行機(jī)組數(shù)的臨界功率值的電能管理原則。為了保證發(fā)電機(jī)的功率輸出及安全，電網(wǎng)功率大于80%Pe。(額定功率)時(shí)增機(jī)，小于25％Pe時(shí)減機(jī)。

 

2.2.2 優(yōu)先級(jí)管理

            電能管理系統(tǒng)用改定優(yōu)先絨的方法來管理柴油發(fā)電機(jī)組的起／停順序，并且支持在線修改機(jī)組的優(yōu)先級(jí)。通過事先對柴油發(fā)電機(jī)組起／停的優(yōu)先級(jí)設(shè)定，充分保證了各機(jī)組的有序起動(dòng)，避免2臺(tái)及以以上機(jī)組同時(shí)起動(dòng)并網(wǎng)，提高了機(jī)組有效利用率和并網(wǎng)的安全性。當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)成功之后，可以自動(dòng)并網(wǎng)合閘。當(dāng)電能管理系統(tǒng)收到機(jī)組故障信號(hào)或輕車運(yùn)行時(shí)，可以按照優(yōu)先級(jí)自動(dòng)對機(jī)組解列／停車。

 

2.2.3 功率限制與負(fù)載分段

       當(dāng)電動(dòng)機(jī)預(yù)作為主推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，需向電能管理系統(tǒng)發(fā)出重載請求，電能管理系統(tǒng)將起動(dòng)所有柴油發(fā)電機(jī)組，然后檢測在網(wǎng)的可用功率。根據(jù)在網(wǎng)可用功率情況，電能管理系統(tǒng)對電動(dòng)機(jī)發(fā)出起動(dòng)允許和功率限制比例信號(hào)。如果，在網(wǎng)功率太小，無法滿足電動(dòng)機(jī)耗能需求，電能管理系統(tǒng)將不允許軸帶電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

       電能管理系統(tǒng)將船上各類負(fù)載按照主次順序進(jìn)行分級(jí)。當(dāng)某臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，需要對故障機(jī)組解列，導(dǎo)致在網(wǎng)供能減少，需對在網(wǎng)用電設(shè)備進(jìn)行功率限制。同時(shí)，電能管理系統(tǒng)將按照負(fù)載優(yōu)先級(jí)卸載相對次要的負(fù)載，以保證主要設(shè)備的正常運(yùn)行。

 

2.2.4 觸摸屏參數(shù)顯示

      電能管理系統(tǒng)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(jī)組的工作狀態(tài)及螢要參數(shù)值的報(bào)警信息，如圖2所示。觸摸屏主要有以下功能：

      1)彩色動(dòng)態(tài)顯示功能，觸摸屏上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電機(jī)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(bào)警顯示功能，對柴油發(fā)電機(jī)組重要參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)故障報(bào)警監(jiān)測，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可以發(fā)出警報(bào)聲音。

圖2 電能管理系統(tǒng)報(bào)警頁面

 

3.1 硬件設(shè)計(jì)

      考慮到船舶電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)所處的惡劣工作環(huán)境，要求硬件設(shè)備具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)。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(tǒng)硬件的較優(yōu)選擇。因此本港作拖輪的電能管理系統(tǒng)SIEMENS S7-1200 PLC作為核心控制器，配合SM 1223 DI16／DQI6數(shù)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(tǒng)管理的功能。S7-1200 PLC功能可靠、價(jià)格實(shí)惠，具有靈活的可擴(kuò)展性，代表了未來小型PLC的發(fā)展方向，自動(dòng)化新潮流。

所選的HMI設(shè)備具有分辨率高、操作面板堅(jiān)固、耐腐蝕塑料外殼和安裝靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，適合船舶上各種HMI應(yīng)用。

 

3.2 軟件設(shè)計(jì)

      SIEMENS S7-1200 PLC采用工程組態(tài)軟件進(jìn)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(tǒng)PLC程序主要使用SCL編程語言。該船舶電能管理系統(tǒng)控制器的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。

當(dāng)發(fā)電模式為柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電或軸帶電機(jī)發(fā)電時(shí)，電能管理系統(tǒng)只要按照基本功能滿足電網(wǎng)供電需求、合理分配電能、管理用電設(shè)備。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)電模式在柴油電機(jī)發(fā)電和軸帶電機(jī)發(fā)電之間轉(zhuǎn)換時(shí)，情況變得有些復(fù)雜。為保證在發(fā)電模式轉(zhuǎn)換過程中，電網(wǎng)和用電設(shè)備平穩(wěn)過渡，本系統(tǒng)采用了工程效果較好的方式。柴油發(fā)電模式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸帶發(fā)電流程圖

圖4 軸帶發(fā)電轉(zhuǎn)柴油發(fā)電流程圖

 

4.1概述

     用戶端消耗著整個(gè)電網(wǎng)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(gòu)建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動(dòng)。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)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(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項(xiàng)用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

4.2應(yīng)用場所

    （1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

    （2）商業(yè)建筑（商場、金融機(jī)構(gòu)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(shù)據(jù)中心等）；

    （6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場、車站、碼頭建筑等）。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測

     系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。

 

4.4.2電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表

      系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護(hù)計(jì)量體系的正確性。

 

4.4.3詳細(xì)電參量查詢

     在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?，鼠?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)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(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線及24小時(shí)電壓趨勢曲線。

 

4.4.4運(yùn)行報(bào)表

    系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報(bào)表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日報(bào)、月報(bào)，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。

 

4.4.5變壓器運(yùn)行監(jiān)視

     系統(tǒng)對配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。

 

4.4.6實(shí)時(shí)報(bào)警

    系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x開關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報(bào)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(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

 

 

4.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測

      系統(tǒng)可以對整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)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(shí)采取相應(yīng)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(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對于每次遙控操作，系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。

 

4.4.10用戶權(quán)限管理

     系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

 

4.4.11通訊狀態(tài)圖

      系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

 

4.4.12視頻監(jiān)控

      視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

 

4.4.13用戶報(bào)告

     用戶報(bào)告頁面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

 

4.4.14 APP支持

      電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

 

4.5系統(tǒng)硬件配置清單

 

      本文介紹的船舶電站電能管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測 該港作拖輪的電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，適時(shí)進(jìn)行自動(dòng)起停機(jī)組、同步并車、輕車解列、自動(dòng)接脫排和發(fā)電模式 轉(zhuǎn)換等功能操作，對于控制命令和故障報(bào)警，響應(yīng)迅速，控制狀態(tài)切換及時(shí)正確，達(dá)到了該船舶電站電能管理的設(shè)計(jì)要求和目的。

    [1]李晶.周曉偉.唐少華.混合動(dòng)力港作拖輪的電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.

    [2]馬偉明.艦船動(dòng)力發(fā)展的方向一綜合電力系統(tǒng)[J].海洋工程大學(xué)學(xué)報(bào),2002(6):1-5，9．

    [3]吳志良.船舶電站及其自動(dòng)化系統(tǒng)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社，2012．

    [4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊 2022.05版.

 

作者簡介：任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。