淺談DP2船舶電站母聯閉合

張銘

摘? 要：該文對具有母聯閉合要求的DP2船舶的電站系統進行了分析，并提出了解決方案。并對有DP2入級符合要求的船舶分析了船級社對PMS的要求。除了這些船舶，一些潛水支持船、科考船等許多船舶都需要配備有DP2能力的船舶。據統計，對于有動力定位能力的船舶來講，DP2船舶占的比重是最大的。通常船舶設計與制造過程，DP2船舶的電站母線被分區設計。

關鍵詞：DP2? 母聯閉合? DGMS? PMS

中圖分類號：TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（a）-0026-02

動力定位船舶鑒于其優良的定位性能，在許多船舶中得到了越來越多的應用，通常一座海洋鉆井平臺、工作平臺，或海洋工程船都需要配備數艘具有DP2（Dynamic Positioning，動態定位）能力的輔助船舶為其服務。除了這些船舶，一些潛水支持船、科考船等許多船舶都需要配備有DP2能力的船舶。據統計，對于有動力定位能力的船舶來講，DP2船舶占的比重是最大的。

通常船舶設計與制造過程，DP2船舶的電站母線被分區設計，中間由母線聯絡開關聯接。船舶在DP2狀態工作時，母線聯絡開關斷開，每個區域獨立供電。如圖1某DP2船舶的電力系統單線示意圖，A、B兩段母線分別分布2、3臺發電機，中間由一個母線聯絡開關聯接。

1? DP2船舶對PMS的要求

對DP2船舶，各主流船級社對其電站PMS（power management system，動力管理系統）配置都做了詳細、明確的要求。對于入級DP2的項目來講，由于DP2對冗余的要求，通常認為PMS的配置也需要冗余，尤其是控制器的冗余，有時還配置了多組冗余的控制器。

船級社對入級DP船舶電站功率管理系統（PMS）的要求了解，入級DP2船舶來講，船級社只有有與沒有PMS的要求，根本沒有冗余的要求，對于入級DP2的船舶來講，只要提供PMS系統就滿足規范。

那么大家不禁要問，如果PMS出現故障，如何處理呢？對于這個問題，ABS船級社給予的答復是“A failure in the power management system is to initiate an alarm in the DP control station. When the power management is disconnected， manual operation of the switchboard， as described in 4-8-3/5.5.4 of the Steel Vessel Rules， is to be provided”。也就是說，如果PMS發生了故障，只要PMS系統可以對外送出報警，進行手動操作也是滿足船級社要求的。

2? DP2船舶電站系統母聯閉合

傳統DP2船舶電站系統是通過兩個或兩個以上的獨立的電源系統和多個發電機的在線操作來實現的，電站母線被分區設計，母線上每個發電機的獨立保護，任何發電機發生了異常，系統就將該發電機從電網上斷開，然后通過PMS對整個電網的功率進行管理，控制在網發電機的數量，使整個電站經濟可靠的運行。船舶在DP2作業時，絕大部分情況下推進器的負荷率通常低于30%，這就使得幾個同時使用的發電機的負荷率也很低，母線分的段越多，要求的在線的發電機就越多，發電機的工作效率就越低，這樣勢必增加了排放量和燃油消耗量。

為了最大限度地減少燃料消耗和排放量，必須盡量減少在線發電機組的數量。近兩年來，DP船舶及電機推進系統供商開發了閉合母聯的電站系統，采取閉合母聯（母線聯絡開關閉合）的電站系統可以減少發電機的數量，從而可以充分利用現有的發電容量，因而進一步提高發電機的效率，減少排放量和燃油的消耗量，降低對環境的影響。由于運行發動機數量減少，從而也降低設備維護費用。

在傳統的DP2船舶的電站，將母線聯絡開關閉合起來，系統的效率是提高了，但然而某些類型的故障（比如自動電壓調節裝置（AVR）故障、發電機原動機調速器（governor）故障）僅通過對該故障機的監測是無法監測到的。事實上，這樣的故障可能導致其他的、本來正常的發電機組，為了試圖維護電網的電壓和頻率在正常的限制范圍內而變得異常，這可能導致級聯故障，使得所有的本來正常的發電機脫離電網，而僅余下有故障的發電機組在網。最終在整個電網上，由于沒有健康正常的發電機組來維持電網的正常電壓和頻率，故障機也將會脫扣，最終導致了整個電網的完全失電。但如何保證系統的完整性和在故障情況下保持位置的能力呢？如何解決這個問題呢？

目前許多船舶電站制造廠家為了滿足這一要求，已經開發并實船使用了滿足這一要求的電力系統，其中DGMS系統（Diesel generator monitoring System，柴油發電機監控系統）具有代表性。

3? DGMS的架構組成

DGMS可以監測那些有可能使正常發電機脫網的故障，通過監測所有同時在網的發電機，檢查每個發電機的在不同控制模式（PMS設定的）下的行為和調速器，DGMS可以正確地鑒別出有故障的發電機組，如果有需要的話，在發生進一步故障前，將有故障的發電機組從電網上剔除。當然配電板的整定和保護也需要相應的設計。

如某公司在DP2船舶上配置DGMS系統來解決母聯閉合這個問題，該公司的DGMS系統是通過其AC800M PLC控制器和S800 I/O模塊來實現的。通常每個發電機或每段母線上配置一個DGMS單元，所有的DGMS單元通過光纖以太網或銅質以太網連鏈接起來。這些以太網可以組成環網或構成雙網來實現網絡的冗余，各個DGMS單元可以通過該以太網有效、快速地共享所有DGMS單元的數據。

DGMS系統可配置一個顯示屏實現人機交互，方便了操作人員的使用。該屏通過mimic圖可以顯示了被監測發電機的概況，每個活動的報警通過一個詳細的報警列表羅列了出來。此外，該顯示屏還提供了事件列表。通過該面板可以復位閉鎖的脫扣、啟用和禁用脫扣。

每個DGMS供電也推薦通過冗余的電源來供電。

4? DGMS的功能、特點

通常電站系統中的配電板都具有常規保護功能，比如發電機的過流保護、欠壓保護、逆功保護等。但這些常規保護功能并沒有包含所有的保護，比如發電機組原動機燃油的過給（over-fuelling）和不給（under-fuelling）故障的保護、發電機勵磁裝載的過勵（over-excitation）和欠勵（under-excitation）故障的保護。故障發電機保護繼電器不能很容易地探測出這些故障，也很難鑒定出具體的故障點，PMS也無法實現這些保護。而這些故障可以導致那些沒有故障的健康發電機試圖維持系統正確的電壓和頻率而變得過載或吸收功率，從而導致那些健康沒有故障的發電機脫離電網。

DGMS還實現了一些額外的安全功能，如果某個故障發電機的DGMS單元由于某種原因沒有發現其所對應發電機的調速器或勵磁裝置的故障，那么整個電力系統中其他發電機的DGMS單元也可以發現故障發電機的調速器故障或勵磁裝置的故障。

發電機可以運行在如下的運行模式下：

（1）同步負載分配;

（2）下降（有差）負載分配;

（3）基本負載。

DGMS在上述的3種模式中，均可保護發電機。

每個發電機的DGMS單元可以通過每個發電機的DGMS單元讀取每個發電機的狀態，每個發電機的DGMS單元可以利用這些數據來幫助識別和鎖定故障，這就對發生在本段母排和其他母排上的故障提供了很好的保護。

當一個故障被探測到了，DGMS系統將把這個信號送到ICMS系統。如果允許的話，DGMS也會命令PMS啟動備用發電機組。如果形勢惡化，如系統頻率或電壓不能維持在正常范圍內，或引起正常健康的發電機跳閘迫在眉睫，DGMS將送一個預脫扣信號給PMS指示發電機主開關或母線聯絡開關就要脫扣了，不同的預脫扣信號會發至每個斷路器，PMS將正確地應對即將到來的脫扣，如果沒有設備會被損壞，脫扣將會稍微被延時，這樣就為PMS的脫扣贏得了時間。之后DGMS會發出跳閘命令保護電站。該跳閘命令根據故障的位置要么送至有故障發電機的主開關，要么送至母聯開關，為了維護電站系統最小范圍內的失電，這些跳閘（脫扣）功能也是相關協調的，系統首先試圖脫扣有故障的發電機，如果脫扣有故障的發電機沒有成功，則去脫扣母聯。如果脫扣母聯開關很有必要，DGMS將距離故障點最近的母聯開關脫扣。

5? 結語

對于有母聯閉合要求的DP2船舶，特別是在全電力推進系統的DP2船舶上，電站越來越多地配置類似的DGMS的系統，母線采取母聯閉合的方式，這樣不但保證了系統的完整性和在故障下保持位置的能力，而且又最大可能地減少了排放和燃料消耗，減少了對環境的影響。

參考文獻

[1] 安亮.基于網絡控制的船舶電站的研究與設計[D].大連海事大學，2009.

[2] 朱臣生.電站管理系統設計[D].大連海事大學，2006.