EGMS在閉合母排運行配電系統中的運用

陸強云 董博

摘要：隨著綠色航運的發展，閉合母排的配電系統因其經濟環保性越來越受到船舶所有人的青睞。閉合母排的保護系統相較于獨立母排的運行系統更為智能、穩定、迅速、獨立，但因其整個系統的設計要求嚴格，安全性能要求高，建造難度大，致使目前造船市場上成功運用的項目并不多。上海振華重工前不久成功交付一艘滿足ABS規范的DP2閉合母排運行的飽和潛水支持船，該項目配電系統配置了發電機監控增強系統EnhancedGenerator Monitoring System（EGMS）系統，成功地避免了閉合母排運行帶來的風險。本文簡要闡述EGMS在閉合母排電力系統中的系統組成及保護動作過程。

關鍵詞：閉合母排;EGMS;DP2

0引言

近年來，隨著技術的日益成熟，海工造船業開始推行“綠色船舶”概念，力求減少船舶對海洋環境造成的污染，越來越多的海工船舶入DP2附加標志，但當前采用Closedbus-tie（閉合母排）電網設計理念的項目并不常見。ABS規范2014版指引對閉合母排有簡單的總括性要求，需要在最短的時間內切斷故障源，即故障發電機或者故障母排，避免將現有故障傳遞到另外一段正常工作的匯流排，以滿足最大單點故障時不會失去定位能力，此要求對于配電板保護系統、發電機保護系統、柴油機系統、調速器系統設計及配置十分嚴格。

1項目簡介

本船為1艘具有DP2動力定位能力的300m水深飽和潛水支持船，可在滿足規定的海區作業環境條件下進行作業，并可在無限航區航行（除極區外）。該船主要配有一套嵌入式、最大作業水深可達300m的飽和潛水系統，該系統配有單鐘形式，減壓艙可同時容納21位潛水員;另外配有一套可下潛至約65m空氣潛水系統，配有雙潛水系統可大大提高該船在潛水作業市場的競爭力。該船配備ABS船級社認可DP2以及EHS-C動力定位系統及EGMS，在出現單點故障后，依然可以自動保持船舶的位置和首向。此船配有有源前端型（AFE）電力推進系統，全船電站由6臺柴油發電機組供電，總功率達11400km，在船艏部裝配了變頻調速折臂式全回轉推進器（可兼作側推）和兩個可調槳的側推進器，船艉部裝配了兩個變頻調速全回轉推進器。與傳統的船舶動力系統相比，有源前端型電力推進系統具有調速范圍廣、驅動力大、體積小、安裝方便、便于維修、諧波、振動和噪聲小等優點，將大大減輕船舶污染和海洋環境污染，充分體現了“綠色航運”和“綠色船舶”的環保節能理念。另外此船配有150t折臂式波浪補償起重機及50t可伸縮式起重機各1臺，可滿足不同工況下的海上起重作業。同時，該船配備FIFI 1對外消防系統，具備對外消防能力，是1艘功能十分強大的高端海工船舶。

2電力系統概述

該船配備的690V電力系統包括1個4段690V主配電板和1個2段690V甲板配電板。其中690V主配電板分為4段匯流排，即匯流排A，匯流排B，匯流排C以及匯流排D這4段，互相之間有母聯開關連接，而B跟C之間的母聯開關可以根據不同的工況，選擇合上或者斷開，2段匯流排可以選擇性地給折臂推供電，保證折臂推始終在網。這種匯流排設計的優點在于，當配電板在Open bus-tie或者Close bus-tie模式時出現最大單點故障，至少有1臺主推、1臺側推和1臺折臂推仍能保持正常工作，有效保障了船舶的定位能力。

690V配電板可以在母排閉合模式下運行，每段匯流排有多個控制屏，包含了發電機輸入端、變壓器輸出端、推進器驅動輸出端、甲板配電板輸出端和軟起動輸出端。690v甲板輔助配電板提供起重機和FIFI設備電源;甲板配電板供電通過兩個互鎖的開關690V主配電板相連，即不管主配電板哪一段失電，都可以保證甲板配電板在網，甲板吊車跟FIFI系統仍能正常工作。

690v電力系統示意圖如圖1所示。

3配電系統保護設計

對于傳統的DP船型，通常的設計方案是2段或者以上獨立匯流排，為了滿足定位能力所需功率要求，往往都是每個匯流排的發電機全部在網，然而這必然增加運營成本，也增加了廢氣排放量。當前船舶市場經濟下行，國際海事組織發布了一系列保護海洋環境減少船舶污染的公約與規定，國際造船業大力提倡綠色運營，船東急于尋找更好的配電設計方案，以減少發電機在線數量。在此背景下，Close bus-tie的設計應運而生，可以充分使用發電機在線能力，提高發電機使用率，從而降低了發電機在線數量，運營成本和船舶排放量均顯著降低。

由于閉合母排自身特性導致其運行風險也顯著高于獨立母排，閉合母排因整個電網采用電氣連接，相互冗余的系統單點故障很容易延伸到另外一段，從而導致整個電網失電，比如一段母排短路時，會引起兩段母排同時瞬間電壓非常低，造成另外一段母排的開關或設備脫扣，進而導致故障范圍超出最大冗余設計目的。所以閉合母排在整個系統設計時應先考慮各設備或者系統的故障穿越能力，能有效地隔離和限制故障導致的失效范圍。

為了解決這一問題，需要額外的保護系統，在blackout前提前分析故障類型，將有故障的母排或者發電機脫扣，不會影響正常運行的母排或者發電機。根據這一要求，我們額外增加了EGMS，額外擴展了系統保護功能，通過時時檢測和分析相關信號，判斷相關設備的運行狀態，這樣可以瞬間監測并移除故障發電機或者故障母排，降低失電后失去位置的風險。

4EGMS在典型塊狀電力設計中應用

作為塊狀電力設計系統，EGMS是不可或缺的一部分，一般都是每臺發電機單獨有一套EGMS，每套EGMS系統可以通過網線或者光纖建立通訊，互相單獨識別讀取數據。

EGMS可用于多種電力系統設計，圖2是一個典型的設計方案，2臺放電機分別供電給母排，分別獨自配置了EGMS系統。這種獨立分隔的塊狀電力系統有效地確保EGMS運行時，一旦檢測供電網絡有故障，會瞬間自動移除有故障的發電機，或者斷開有故障的配電板，避免故障影響其他正常運行的發電機或者配電母排，從而保證對電力系統的影響被限制在單個電源區域。

該飽和潛水支持船的全船配電方案由GE提供，針對閉合母排的特殊技術要求，每臺發電機都設置了一套EGMS，與PMS系統協同保護整個配電網絡系統。EGMS與PMS信號接口如圖3。

5EGMS功能描述與保護動作

船舶發電機處于工作狀態時，EGMS一直監控電力系統的有功功率和無功功率。EGMS工作基本的原理是檢測出有故障的柴油機或發電機，在故障延伸到傳統保護繼電器模塊之前將有故障的柴油機或者發電機脫開，避免全船失電。

對于所有正常運轉的船舶供電網絡，PMS應該在任何時候控制電力系統，保證供電網絡地安全可靠。只有在PMS檢測出設備故障或者供電網絡不穩定時候，EGMS應該會立即介入保護系統，瞬間動作。EGMS有一套成熟可靠的時時在線計算識別判斷軟件，能夠瞬間識別出PMS失效的嚴重程度及導致產生的供電網絡不穩定性，計算軟件會根據結果，自行采取相對應級別的保護動作。

根據故障和嚴重程度，EGMS將采取以下步驟，并按階段分組：

（1）階段1：報警

EGMS有內部自檢模塊，能對內部故障模式發出警報，例如線路中斷或網絡故障。

（2）階段2：PMS介入

當出現此命令請求時，PMS系統一般都會采取以下動作：

①啟動同一段母排上的一個新的柴油機（如有），為下一階段轉移負載，斷開故障機做準備;

②同步并車&負載轉移至新發電機;

③故障機卸負載;

④斷開目標故障機。

（3）階段3：強制發電機為droop（有差調速）模式

當發出此命令時，電力系統的行為動作預期如下所述：

①EGMS將向故障母排上的所有柴油機機，發電機發送單獨的信號;

②PMS接收到EGMS單獨發出的信號后將停止相關柴油機，發電機的負載分配動作;

③調速器退出Isochronous（無差調速）模式，回到droop模式;

③如果隨后請求PMS執行階段2的停止動作，而EGMS同時發送階段3信號，此時PMS必須仍然能夠加載和卸載。

（4）階段4：斷開發電機開關

EGMS通過發電機保護繼電器發送開關斷開命令，階段4操作可以通過以下方式執行：

①EGMS將會發送斷開信號至發電機保護繼電器;

②執行器接收到斷開信號命令，會瞬間斷開配電板上的發電機母聯開關;

③斷開信號已經發送，如果檢測到發電機母聯開關未斷開，EGMS將直接斷開故障發電機所在的匯流排兩端開關

④如果就1臺發電機在線，階段4的跳閘斷開將被抑制;

⑤根據柴油機的自動啟動和負載依賴性啟動特性，PMS將自動啟動1臺可用的柴油機。

（5）階段5：斷開匯流排開關

只有在先前幾個階段的保護動作失敗的情況下，EGMS才有可能發送階段5的跳閘斷開信號。

6結語

隨著各港口對船舶排放要求越來越高，環保經濟的運行模式得到各船東公司的重視，促使閉合母排運行的船舶在海工市場的需求日益增長，而EGMS系統在整個電網保護系統中發揮著重要作用，能夠保證船舶在最大單點故障情況下可以繼續正常運行。本項目也是我們首艘成功運用此技術的項目，在該船的海試過程中各項試驗結果均得到船東、船檢、FMEA等各方的高度贊賞，成功地積累了相關經驗，為后續類似船舶做好了技術儲備工作。