B.O.S.S系統在動力定位船上的應用

加香君 盧俊奇 張春峰 謝勰

摘? ? 要：B.O.S.S系統可以有效預防電力系統故障，顯著提高船舶運行的可靠性和安全性，也可在電網閉環狀態下使船舶保持動力定位的能力。以公司承建的832 LSE平臺供應船為實例，通過對B.O.S.S系統的詳細分析和實船應用檢驗，介紹B.O.S.S系統的特點和功能，可供類似系統的設計和調試參考。該系統的研究與應用推廣，對于促進船舶電力控制系統的相關技術發展，提高國內船舶相關配套系統的研發、制造具有重要意義。

關鍵詞：B.O.S.S系統;電力推進;動力定位;斷電

中圖分類號：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The blackout safety system （BOSS） can effectively prevent power system failures， significantly improve the reliability and safety of ship operation， and also enable the ship to maintain the dynamic positioning capability in the closed-loop state of the power grid. Taking the 832LSE platform supply ship built by the company as an example， through the detailed analysis and the application test in the actual ship for the BOSS system， the characteristics and functions of the BOSS system are introduced， which can be used as a reference for the design and debugging of the similar system. The research and promotion of this system is of great significance for promoting the development of related technologies of ship power control systems and improving the research and development and manufacture of Chinas ship related supporting systems.

Key words： Blackout Safety System （BOSS）; Electric Propulsion; Dynamic Positioning System; Blackout

1? ? ?前言

近年來，隨著我國海洋工程的設計和建造能力逐步提高，國內各大船廠承建了很多國外的海洋工程項目。與常規的海船不同，海洋工程一般都要求配置動力定位系統（簡稱“DP系統”）和綜合電力推進系統，這些系統的設計需要滿足國外的規范和標準。

平臺供應船（簡稱“PSV”）是海洋工程船的重要組成部分，其主要任務是為海上作業的所有固定式和浮式裝備運送各類物資，提供后勤保障。平臺供應船采用甲板堆放和船艙儲存的運輸方式，物資范圍包括食品、燃料、水、鉆探設備、干散貨、油管等。由于經常需要停靠在海上作業裝置的附近，故基本上所有的PSV都會配置DP系統[6]。

對于申請動力定位DP-2和DP-3入級符號的船舶，規范要求系統的任意單點故障都不會使船舶失去動力定位能力;復雜的電力推進船舶，也要求電網發生故障時，船舶推進系統能夠安全可靠地運行[7]。B.O.S.S系統（Black Out Safety System）在擁有動力定位功能或綜合電力推進系統的船舶中，可以有效地預防電力系統故障，顯著地提高船舶運行的可靠性和安全性;也可在電網閉環狀態下，使船舶保持動力定位的能力。

由我司承建的Havyard 832 L SE系列平臺供應船（PSV）是帶DP-2符號的全電力推進船舶，除常規功能外，還具有溢油回收、甲醇和乙二醇運輸、對外消防等功能，可加裝70 t海洋吊機，進行水下機器人作業，其綜合作業能力位居世界一流水平。該船配備了挪威電力系統公司NES設計的B.O.S.S系統，該系統具有以下主要特點：

（1）有效預防電網單點故障，保持發電機和電力系統安全運行;

（2）對推進變頻器進行直接運行執行與控制;

（3）快速執行推進負荷減負荷動作，從而自動維持船舶穩定運行;

（4）可以在主配電板母聯開關閉合狀態下保持DP-3級別的動力定位作業，提高船舶運營的經濟性。

2? ? B.0.S.S.系統

2.1? ?B.O.S.S系統簡介

在船舶柴油發電機電力推進系統中，主要關注的是在所有情況下保持可用于推進的動力，推進動力的喪失會對人員和船舶的安全造成嚴重影響。因此，擁有DP系統的船舶，需要有一個安全保障系統來監督主電力系統，在任何一個單點故障發生的情況下，主配電板上始終有足夠可用的電力，并且不會發生停電[8]。

B.O.S.S系統是主配電板中的一個集成系統，它收集所有必要的信息，并對電力系統中的意外更改或故障執行正確的操作;它還直接與變頻器通信，以確保在正常情況下良好的加、卸載，以及在出現緊急故障時可以快速卸載。

B.O.S.S系統的主要作用是斷開故障部件，這個部件可能是一臺發電機、一臺變頻器或一個配電板。該系統將在幾毫秒內對整個電力系統中的變化做出準確的決策，并使電力系統穩定可靠。B.O.S.S系統在復位前，發生故障不會將另一個部件斷開。

從電氣角度來看，緊急故障可能有以下幾種情況：

（1）短路;

（2）柴油發電機組過載;

（3）柴油發動機的調速器故障;

（4）調壓器故障;

（5）柴油濾清器堵塞。

B.O.S.S系統的特征如下：

（1）完全控制可用功率;

（2）監控頻率、電壓、有功功率、無功功率和勵磁電流;

（3）系統由發電機組、主配電板和變頻器實現;

（4）變頻器快速卸載（FLR）;

（5）集成在主配電板中;

（6）雙PLC冗余系統。

2.2? B.O.S.S系統架構

B.O.S.S系統是基于Omron CJ2M PLC的雙PLC冗余系統，這兩個PLC在硬件和軟件方面都是相同的。整套系統包含觸摸控制屏一套（帶DP-3符號的項目需配置2套）、PLC兩套（每套均含現場總線接口、以太網接口、延伸接口等）、輸入/輸出裝置（每臺發電機一套）、管理開關等。兩套PLC一主一備，相關數據保持實時同步，任一套PLC發生非預期故障時系統自動轉換到備用PLC，以保證系統連續運行。B.O.S.S系統網絡架構圖，如圖1所示。

圖中，虛線是主配電板中的現場總線環網，在此環網中每個發電機都有一個遠程I/O單元（最多8個），現場總線環網將主配電板和發電機過程數據傳送給PLC。

實線是一個以太網環，該網環將變頻器（推進）的過程數據傳送給PLC，也可用于遙控輔助系統。

環形拓撲，意味著所有連接的設備與B.O.S.S的PLC都有冗余通信。

2.3? B.O.S.S系統硬件配置

B.O.S.S系統的硬件包括：

（1）一個觸摸屏控制面板（如申請DP-3符號則需要兩個）;

（2）兩個配有現場總線和以太網擴展卡的PLC，用于監控主配電板;

（3）每臺發電機一個I /O模塊;

（4）管理開關。

2.4? B.O.S.S系統功能

B.O.S.S系統PLC軟件的主要功能如下：

（1）冗余控制;

（2）計算發電機連接形式;

（3）檢查發電機發電（有功、無功）;

（4）檢查母排電壓和頻率;

（5）控制變頻器輸出功率;

（6）發電機和母聯斷路器脫扣監控;

（7）快速卸載;

（8）柴油發動機油尺位置/柴油機負荷。

B.O.S.S系統對柴油發電機的監測項目包括：

（1）發電機有功功率;

（2）發電機無功功率;

（3）發電機主電流;

（4）發電機勵磁電流;

（5）總線電壓;

（6）總線頻率;

（7）柴油發動機油尺位置/負載量。

除此之外，B.O.S.S系統將收到的發電機開關和母聯開關狀態以及變頻器狀態信息，準確計算每臺發電機或變頻器的健康狀況，并分配可用功率。

如果B.O.S.S系統發現發電機不健康時會斷開發電機。導致發電機斷開的原因主要有：

（1）與所連接的其它發電機相比，勵磁電流高或低;

（2）與所連接的其它發電機相比，有功功率高或低;

（3）與所連接的其它發電機相比，柴油發動機油尺/發動機負載高或低。

除了上述故障之外，還有一些情況需要斷開母聯開關，如：

（1）故障發電機上的發電機斷路器不響應跳閘信號;

（2）頻率高;

（3）低頻率;

（4）高壓;

（5）低電壓。

B.O.S.S系統還可以對推進動力進行控制。變頻器將消耗數據發送給B.O.S.S，B.O.S.S給出功率限制至變頻器。

如果在不需要B.O.S.S的情況下操作船舶，可以啟動B.O.S.S系統的本地模式，此時所有脫扣功能和功率限制將取消。該功能是由位于配電板面板上的轉換開關來實現的。

該系統同時使用兩個信號（NO / NC），以檢測故障開關或斷線。如果發生以上情況，系統將發出警報。

3? ? B.O.S.S系統的試驗

3.1? ?驗證系統設置

在試驗前需要按說明書驗證系統設置。

3.2? ?檢查硬件和軟件版本

在軟件面板主頁面中，檢查軟件版本號是否正確。

3.3? ?檢查I/O設備、網絡與供電

（1）檢查所有I/O 設備上是否有紅色LED燈閃爍（即故障報警）;

（2）檢查交換機上是否有紅色LED燈處于活動狀態;

（3）檢查以太網單元顯示屏是否顯示任何故障代碼及是否僅顯示IP地址;

（4）斷開一個PLC電源并檢查另一個PLC是否仍然在線，以檢查系統電源是否冗余。

3.4? 功能測試

（1）發電機脫扣試驗

包括在過勵磁、欠勵磁、有功功率高、低狀狀態下，發電機開關斷開時滅磁繼電器動作，B.O.S.S系統面板顯示報警，同時發送綜合故障報警至全船監測報警系統;

（2）母聯開關脫扣試驗

包括在電壓高、電壓低、頻率高、頻率低狀態下，母聯開關脫扣，B.O.S.S系統面板顯示報警，同時發送綜合故障報警至全船監測報警系統;

（3）發電機開關故障試驗

發電機開關在收到脫扣指令后，實際開關狀態信號無變化，此時發電機開關先斷開;而系統發現發電機開關在收到脫扣指令后實際狀態無變化時，會給出脫扣指令至母聯開關來斷開母聯開關。B.O.S.S系統面板顯示報警，同時發送綜合警告至全船監測報警系統;

（4）B.O.S.S報警點試驗

包括IO設備、控制器、通訊設備、電源等等故障或者斷線，將觸發報警并顯示在B.O.S.S面板，同時送至全船監測報警系統;

（5）功率限制及減載試驗（見表1）。

4? ? B.O.S.S系統的實船應用

832 LSE PSV項目是具有DP-2級動力定位能力的海洋工程船，主要的電力推進設備為：4臺1 500 kW主發電機組;2臺1 600 kW全回轉主推進器;2臺800 kW電動側推。主推、側推電機均由“AFE”變頻器控制。

該項目配備了挪威電氣公司（NES）提供的B.O.S.S系統。在設備訂貨階段，通過技術溝通將B.O.S.S系統與主配電板、應急配電板、變頻器、主發電機、推進電機整體打包，設備來貨后無其它安裝工作，僅需在項目系泊試驗時進行少量檢查工作，其余工作均在船舶試航時完成;進行B.O.S.S系統調試、報驗前，需先完成主發電機組試驗、主推進器及控制系統試驗、側推裝置及控制系統試驗等項目。

B.O.S.S系統試驗的主要內容是模擬電網單一故障發生時，該系統能確保船舶電站安全運行。如在航行工況時，人為脫扣一臺主發電機裝置，此時B.O.S.S系統將自動檢測電網總功率與推進系統需求情況，在保證電網不會斷電的情況下，第一時間先通過推進變頻器降低螺旋槳速度，同時自動起動備用發電機組，恢復電網充足的電力供應。船舶駕駛員不需要人為判斷電站的電負荷率，極大地提高了操縱便利性。該系統也可根據主發電機組的負荷率，自動起/停發電機組，保持發電機組的經濟運行。

5? ? B.0.S.S.系統的推廣及應用前景

B.O.S.S系統配置簡單、調試方便，在我司832LSE PSV項目上運行可靠、穩定，極大提升了船舶運行的安全性和便利性。鑒于目前國內其它類似項目還較少應用，希望本文可以對國內類似系統的研發、推廣起到一定作用。

參考文獻

[1] IMO. Code for the Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling?Units[S]. 2009.

[2] Bureau Veritas Rules. Rules for the Classification of Steel Ships[S]. 2013.

[3] IEC61892. Mobile and Fixed Offshore Units - Electrical Installations - Part 2[S]. 2012.

[4] IMO. MSC/Circ. 645. Guidelines For Vessels With Dynamic Positioning?System[S]. 1994.

[5]劉文達，郝衛明. 6000HP深水平臺供應船電力推進系統概述[J]. 船電技術， 2016 （11）.

[6]楊輝. 船舶動力定位系統的自適應控制研究[J]. 艦船科學技術. 2019 （10）.

[7]李嚴，李素美，劉蘇粵. “海洋石油286”船三級動力定位系統配置分析[J]. 廣東造船， 2017 （3）.

[8]王金苓. DP2動力定位工作船電氣設計要點[J]. 山東工業技術， 2016 （12）.

[9]中國船級社. 海上移動平臺入級規范[S]. 2016.