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淺談電能管理系統(tǒng)在混合動力港拖輪中的應用

更新時間：2023-04-03

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：隨著現(xiàn)代造船技術的發(fā)展，船舶對電能管理系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)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(jù)油電混合動力港作拖輪電能管理系統(tǒng)的特點，對該船電力系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)是船舶自動化系統(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備，它可以集中、控制、分配發(fā)電機組產(chǎn)生的電能并實現(xiàn)對用電設備的管理，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(zhuǎn)換成電能，從而為系統(tǒng)電網(wǎng)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(tǒng)由主機通過軸系驅(qū)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(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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)運行，同向船舶電網(wǎng)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(wǎng)運行，向船舶電網(wǎng)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(wǎng)運行，向船舶電網(wǎng)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(tǒng)，船速是通過改變主機轉(zhuǎn)速來控制的，因此主機轉(zhuǎn)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(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。只有當軸帶發(fā)電系統(tǒng)起動時，或者需要負載轉(zhuǎn)移的情況下，才會出現(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 組成和功能

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；觸摸屏是人機交互界面，它的作用是數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示；PC機是一個工程師接口，它的作用是對系統(tǒng)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(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(shù)、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(tǒng)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(tǒng)程序根據(jù)電負載情況，自動確定投入并網(wǎng)運行的發(fā)電機組數(shù)量，從而保證在網(wǎng)機組的容量與負載所需的功率相匹配。當電網(wǎng)負載發(fā)生變化時，電能管理系統(tǒng)軟件會自動相應增減在網(wǎng)機組。增減機組依據(jù)恒定平均功率原則，保證在網(wǎng)發(fā)電機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先設定增加或減少運行機組數(shù)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(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)，提高了機組有效利用率和并網(wǎng)的安全性。當柴油機起動成功之后，可以自動并網(wǎng)合閘。當電能管理系統(tǒng)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(tǒng)時，電動機起動前，需向電能管理系統(tǒng)發(fā)出重載請求，電能管理系統(tǒng)將起動所有柴油發(fā)電機組，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)對電動機發(fā)出起動允許和功率限制比例信號。如果，在網(wǎng)功率太小，無法滿足電動機耗能需求，電能管理系統(tǒng)將不允許軸帶電動機起動。

電能管理系統(tǒng)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(wǎng)供能減少，需對在網(wǎng)用電設備進行功率限制。同時，電能管理系統(tǒng)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(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)電機組的工作狀態(tài)及螢要參數(shù)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(shù)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(tǒng)報警頁面

3 系統(tǒng)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(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(tǒng)只要按照基本功能滿足電網(wǎng)供電需求、合理分配電能、管理用電設備。當電網(wǎng)發(fā)電模式在柴油電機發(fā)電和軸帶電機發(fā)電之間轉(zhuǎn)換時，情況變得有些復雜。為保證在發(fā)電模式轉(zhuǎn)換過程中，電網(wǎng)和用電設備平穩(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 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(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(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、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行細分和統(tǒng)計，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(shù)據(jù)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(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）交通運輸建筑（機場、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 實時監(jiān)測

系統(tǒng)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(shù)、電能等電參數(shù)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(tǒng)計報表

系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)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(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電偏大時可分析追溯，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)槭中危髽藛螕艨刹榭丛摶芈吩敿氹妳⒘浚ㄈ嚯娏鳌⑷嚯妷骸⑷嗫傆泄β省⒖偀o功功率、總功率因數(shù)、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(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能，所有實時采集的數(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)、對應時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導出PDF格式文件。

4.4.5 變壓器運行監(jiān)視

系統(tǒng)對配電系統(tǒng)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(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲鳌⒏綦x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(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)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(tǒng)能夠?qū)︖b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

4.4.8 電能質(zhì)量監(jiān)測

系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)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(tǒng)支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)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(tǒng)自動生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)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(tǒng)為保障系統(tǒng)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(jīng)的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)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(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)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(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.4.12 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。

4.4.13 用戶報告

用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù)，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

4.4.14 APP支持

電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設備檔案"、“待辦事項"、“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、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

4.5 系統(tǒng)硬件配置清單

5 結(jié)語

本文介紹的船舶電站電能管理系統(tǒng)可以實時監(jiān)測該港作拖輪的電力系統(tǒng)運行參數(shù)，適時進行自動起停機組、同步并車、輕車解列、自動接脫排和發(fā)電模式轉(zhuǎn)換等功能操作，對于控制命令和故障報警，響應迅速，控制狀態(tài)切換及時正確，達到了該船舶電站電能管理的設計要求和目的。

【參考文獻】

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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊 2022.05版.

作者簡介：吳柯霓，女，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)與應用