大型挖泥船PMS 電站管理系統分析

白民權

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

自航耙吸式挖泥船（Trailing Suction Hopper Dredger）是裝備大型挖泥裝置，用于沿海，內河的挖泥作業或港口，航道的疏浚工程等，目前此類工程船在全球范圍的應用越來越廣泛。

大連中遠海運重工建造的18 000 m3自航耙吸式挖泥船總長166 m，型寬36 m，型深9 m，載重量30 000 t，最大航速15.5 kn，定員32人。入法國船級社（BV），滿足無人機艙要求，配備DP1動力定位系統。主要設備由6.6 kV配電板供電，輔助設備由440 V配電板供電，照明與小動力系統 由230 V配電板供電，PMS系統對發電機及各級電網進行監測和控制。對比常規運輸船的電站管理系統，此項目的PMS系統配置和功能更為強大。

1 電力系統及PMS 系統設計

1.1 電力系統設計

本項目由3臺7 200 kW，6.6 kV主發電機提供主電源。6.6 kV配電板負載包括2臺7 500 kW推進器，2臺7 000 kW泥泵，1臺3 400 kW水下泥泵，2臺1 250 kW首側推，2臺1 250 kW高壓沖水泵，1 臺500 kW低壓沖水泵，3臺550 kW液壓泵等。這 些大型設備均采用變頻器驅動方案。配置1臺應急發電機440 V，940 kW，兼做停泊發電機使用，其他輔助設備和系統通過440 V配電板，230 V配電板等進行供電，見圖1。

電力系統設計和管理要充分考慮航行、挖泥、排泥等不同運行工況時對應大型設備的利用情況，例如船舶航行與挖泥作業同時進行時，需要通過PMS對推進器的功率輸出進行限制，以確保電站容量滿足泥泵在最佳工作點進行工作，實現最大生產效率。

圖1 電力單線圖

1.2 PMS 系統設計

本項目PMS系統與中控系統共用一套PLC處理器，通過HMI對應的PMS操作界面進對電站系統進行狀態監控和指令發布，在配電板安裝PPM300電源模塊作為對發電機、各級開關等器件進行控制的執行設備。本項目各級電網共配置7套PPM300電源模塊，用來實現發電機、應急發電機、配電板、變壓器及對應斷路器的監測和控制。見圖2。

圖2 PMS 系統配置框架圖

2 PMS 系統功能分析

2.1 PMS 對主要斷路器的控制

2.1.1 對主配電板上發電機電源開關控制

PMS系統對主發電機斷路器的控制有4種控制模式，即：本地手動模式、本地半自動模式、遙控半自動模式和自動模式。

1）本地手動模式。PPM300電源模塊不參與此模式下的同步數據監測等操作。斷路器的開通或關斷操作需要操作人員對配電板安裝的電壓表、頻率表、同步表、指示燈等進行觀察，人為判斷是否達到并車條件進而執行對主開關的開通或關斷操作。

2）本地半自動模式。手動操作配電板面板控制按鈕發出指令，PPM300電源模塊接到指令后對同步數據進行監測和分析，當PPM300電源模塊判定系統各項參數滿足開通或關斷條件時自動完成對應操作。

3）遙控半自動模式。通過中控系統的PMS界面，對PMS發出操作指令，PPM300電源模塊接到指令后對同步數據進行監測和分析，當PPM300電源模塊判定系統各項參數滿足開通或關斷條件時自動完成對應操作。

4）自動模式。根據PMS預先設定的程序，PPM300根據負載設備實際運行情況完成發電機的啟動、停止及對應斷路器的操作。

2.1.2 對6.6 kV配電板母聯開關控制

主配電板母聯開關的控制與主發電機開關一樣有手動、半自動（本地）、半自動（遙控）和自動4種控制方式。在半自動模式下，PMS的PPM300電源模塊會根據檢測到的母排信息判斷開關動作后是否會引起電網失電或故障，如果開關動作將導致電網發生失電或故障，PPM300電源模塊會拒絕執行本地或遙控的操作指令。如操作人員要堅持完成此項操作，則需要將操作模式重新選擇為手動模式進行工作。

2.1.3 對變頻器上級變壓器電源開關控制

推進器、泥泵等設備使用的變頻器，其上級移相變壓器對應的配電板電源開關可以通過配電板面板啟停按鈕控制，也可以用過變頻器發出的遙控信號進行控制，PMS對這些變壓器電源開關沒有遠程遙控功能。

2.1.4 負載開關控制

對常規負載開關，PMS具備遠程控制功能。

2.2 PMS 對主發電機的控制

2.2.1 發電機的啟動和停止控制

與對發電機主開關控制類似，PMS 對發電機的啟動和停止控制也分為手動控制、半自動控制（本地）、半自動控制（遙控）和自動控制4 種模式。PMS 對發電機進行啟停控制的前提是發電機控制系統處于外部指令控制模式下進行。如果發電機控制系統工作模式為發電機本地控制，則PMS 無法控制發電機進行啟動或停止。

2.2.2 發電機的優先級選擇設置

PMS 能夠實現對發電機啟動或停止的優先級進行設定。

1）在手動操作模式下，對發電機的的啟停指令直接從配電板按鈕傳遞至發電機控制系統，此種模式下，PMS 的優先級設置及PPM300 電源模塊不會對操作人員的指令產生影響。此時如啟動或停止發電機，此命令將直接傳遞至發電機控制系統，發電機控制系統按照此項指令進行相應的動作。

2）在半自動控制模式下，操作人員可有從配電板的PPM300 操作面板操作優先級次序或者從中控系統遠程發出優先級指令進行發電機的啟動或停止控制。PPM300 電源模塊針對系統狀態進行檢測進行判斷執行此項指令。例如操作人員發出停機指令，PPM300 檢測出對應斷路器開關無法分斷，則將會發出報警提示并取消此指令。反之，如果PPM300 檢測對應斷路器已完成分斷，則根據設定給發電機5 min 進行冷卻，冷卻后完成停機操作。

3）在PMS 自動控制模式下，PPM300 可以根據負載實際輸出情況按照優先級設定次序自動啟動或停止對應選擇的發電機。當負載增加至設定值（本項目設定為80%額定功率）需要新啟動備用發電機時，將按設定啟動順序進行發電機啟動控制。如果指定時間內啟動失敗，則自動切換PMS 將按照母聯-主發電機-應急發電機順序逐及 至下一順序發電機進行啟動控制。

2.2.3 發電機負荷分配控制

1）當多臺發電機并聯運行時，PMS 默認負荷平衡分配，各臺發電機輸出功率相同。

2）本項目PMS 根據船東要求進行不平衡負荷分配設置，根據柴油機油耗曲線選定經濟效益最高的負荷對發電機負荷輸出進行設置，實現經濟效益最大化。

2.3 PMS 對大負荷設備功率輸出限制功能

為防止電網因過載發生失電，本項目對大負荷設備均設置了功率限制保護功能，主要包括主推進器，輸出功率范圍為0 kW～7 500 kW；泥泵的輸出功率范圍為0 kW～7 000 kW；水下泵的輸出功率范圍為0 kW～3 400 kW；高壓沖水泵的輸出功率范圍為0 kW～1 250 kW。PMS 根據設定在不同工況下進行限功保護，例如在挖泥模式下對推進器輸出功率進行限制，最大輸出控制在60%以內。在排泥模式下對推進器最大輸出控制在25%以內。

2.4 PMS 優先脫扣功能

在對大設備進行限功率輸出之前，為防止電網過載，當PMS 計算當電站剩余可用功率低于5%時，PMS 對非核心設備進行切斷。被優先脫扣的設備主要為吊車、空調等與對生產和安全不產生影響的設備。

2.5 PMS 對應急/停泊發電機控制

本項目應急發電機兼做停泊發電機使用。在應急配電板上進行模式選擇，默認模式是應急工作模式，需要按照停泊模式工作時進行手動切換。在應急模式下，PMS 對應急發電機進行獨立操控，應急配電板與主配電板不允許并聯運行。在停泊模式下，應急配電板具備向440 V 主配電板反向供電的能力，因此應急配電板PPM300 模塊與主配電板PPM300 模塊共同完成短時并聯運行，實現負載在線進行主電與應急電之間的切換。短時并聯最大允許時間是35 s，如超過35 s 沒有完成負載轉移，則應急發電機自動進行停止操作。

2.6 PMS 失電恢復控制

本項目當主配電板發生失電時，PMS 自動進入失電恢復操作。此時PPM300 電源模塊如果處于半自動模式，則將會自行切換到自動工作模式。檢測并實現恢復供電的操作。

2.7 PMS 順序啟動功能

本項目通過PMS 實現在失電恢復后對重要設備進行自動順序啟動功能。自動供電設備為照明、發電機控制設備、發電機輔助油泵、各級配電板供電開關等。

3 結論

本項目PMS 功能較為復雜，除了滿足船級社要求之外，針對大型設備在不同運行工況的工作 狀態進行監控，其邏輯設置與挖泥船工作特性緊密相連，對挖泥船各工況下的電氣操作提供了很大的幫助。未來智能化船舶電站將更加成為主流產品，因此對PMS 的學習和應用也越來越重要。在后續的項目中，更需要開拓思維，讓船舶電站更加安全、智能。