船舶自動電站功率管理系統設計解析

王躍定

摘 要：船舶自動電站功率管理系統（以下簡稱PMS）是一個復雜的控制系統，根據多年來對規范的理解、系統的研究和船舶電氣的設計經驗，介紹PMS設計的基本要求、功能要素和組成構件，總結解析出關于PMS設計的主要控制流程。

關鍵詞：船舶電站;功率管理;系統功能;設計解析

中圖分類號：U665.12 文獻標識碼：A

0 前言

隨著自動化技術的發展，船舶電站的技術水平也在不斷發展。早在21世紀初期，我國在建和運營的大部分船舶的電站還都是靠人工手動控制和管理，幾乎找不到完全自動化控制和功率管理的船舶電站。但是經過不到二十年的發展，局面已經完全改變。PMS的性能直接影響著船舶電站供電的可靠性和船舶運行的安全性。本文通過分析常規PMS的控制要求和保護特性，闡述PMS的設計要素，供設計人員設計借鑒。

1 PMS設計依據

PMS設計的目的是提高電能的質量，改善運行管理人員的勞動強度和勞動條件，同時提高船舶運行的經濟性。但作為一個船舶設備運行的重要組成部分，必須建立在滿足規范要求的前提下，保證船舶供電的安全性和可靠性。船舶自動化電站的具體要求在各船級社的船舶建造規范中均有反映，這些也是進行PMS設計的依據。主要規納如下：（1）失電時，備用發電機組應盡快自動起動并連接至主配電板，恢復電網供電，最好在失電后30 s內完成，最長不超過45 s。（2）因短路故障而失電后，發電機斷路器僅能合閘1 次。（3）如由于主匯流排長時間的電壓或頻率波動原因而起動備用發電機組，則有故障的發電機組應在該備用發電機組接入主匯流排之前盡快切斷。（4）船舶電站過載時，應能自動卸除非重要負載。（5）應設有避免兩臺及以上發電機同時接入主配電板公共匯流排的措施。（6）電網的瞬變信號不應使備用發電機組產生不必要的自動啟動，如電動機起動電流。（7）起動大功率設備時，起動期間引起的瞬態電壓降不應超過額定電壓的15%。沒有足夠的功率起動大功率設備時，應阻止大功率設備起動，并按要求起動備用發電機，然后允許起動重載設備。（8）故障失電后恢復供電時，為主推進系統服務的負載應能按順序起動，避免過大的沖擊電流使發電機主開關跳閘，造成二次失電。（9） PMS的故障應不引起在網發電機的替換。（10）應設有手動功能，當自動功能停止工作或失效時，應能方便地實現手動操作。

2 PMS組件和功能要點

2.1 PMS主要硬件

（1）控制電源：按照船級社規范要求，為推進系統服務的電力系統應保證不因單一故障造成電源的全部中斷。通常在配置功率管理控制系統電源時提供兩路電源。其中一路來自機艙UPS或充放電板。（2）信號采集模塊：主要用于采集發電機、配電板、重要用電設備的實時參數。這些參數包括電流、電壓、頻率、功率、功率因數、運行狀態、負荷狀態等。（3）發電機控制保護模塊：目前在PMS中普遍采用的有DEIF的PPU、Kongsberg的DPU等產品，具有對船用發動機組起/停、安全系統保護、同步及負荷分配等功能。（4）可編程控制器：包括CPU、輸入輸出模塊、人機界面、通訊模塊、通訊電纜等。品牌有西門子、ABB、三菱等多種，用于系統數據傳輸、處理、運行監測、儲存、故障診斷、報警顯示等。

2.2 PMS主要功能

（1）發電機組自動起動功能。電站在自動模式下，電網失電、或在網發電機過載、或在網發電機故障情況時，備用發電機組根據電站管理指令自動起動、運行、投入或并網。（2）輕載自動解列功能。在網發電機并聯運行中，電站總負荷降低到設定值時，根據預先設定的流程，自動卸載一臺發電機，提高發電機的使用效率，保護發電機和節約能源。（3）自動調頻調載、負荷分配。自動調節發電機轉速，使電網頻率維持在設定的范圍。兩臺及以上機組并聯運行時，使各機組承擔的有功功率按機組容量合理均衡分配。（4）自動分級卸載。電站出現超負荷時，自動卸除非重要負載。為適應不同程度的過載條件，可以實現多級卸載。必要時，次重要設備也可予以卸載，保證對重要設備的供電連續性。（5）重載問詢自動應答功能。重載問詢是指在起動大功率電動機設備前，自動檢查正在運行的發電機組剩余功率是否能滿足用電及起動要求。若能夠滿足則允許起動。否則應先起動備用發電機并網，滿足要求后才允許起動。（6）自動分級順序起動。電網從斷電狀態到恢復供電，為防止多個設備同時起動對電網產生過大的沖擊電流，按照設備重要程度自動分級順序（延時）起動。（7）故障監測和報警顯示功能。監視電站的工作狀態，如功率分配是否平衡，電壓、頻率是否正常，自動分級卸載、自動合閘失敗、開關異常脫扣、系統對地絕緣電阻等。根據監測的結果，對異?；蚬收习l出聲光報警。（8）自檢功能。自動電站投入時自動運行自檢功能程序。

3 PMS設計

在具有多臺發電機組并聯供電的系統中，為實現前面所列舉的各項控制和保護功能，對PMS的控制程序進行綜合梳理，設置以下自動管理流程：

（1）主匯流排失電管理流程：在滿足已自動模式，聯絡開關已合閘，主匯流排已失電條件下，延時（約3 s）判斷是否有備用發電機。如果有，第一備用發電機起動，發電機起動成功、電壓建立，主開關合閘，電站恢復供電。如果發電機備機、起動成功、電壓建立、主開關合閘中任何環節沒有滿足或執行失敗，立即相應項報警，并檢測下一備用發電機，重復前面的流程至備用發電機投入，恢復電網供電。

（2）超載起動備用發電機管理流程：在滿足已自動模式，聯絡開關已合閘，在網發電機功率超過預設條件時（如85%發電機額定功率）判斷是否有備用發電機。如果有，第一備用發電機起動，發電機起動成功、電壓建立，主開關同步合閘，備用發電機投入電網供電。如果發電機備機、起動成功、電壓建立、主開關同步合閘中任何環節沒有滿足或執行失敗，立即相應項報警，并檢測下一備用發電機，重復前面的流程至備用發電機并網供電。

（3）優先脫扣管理流程：電站運行過程中，發電機實際負荷超過預設的允許值（如98%發電機額定功率），延時（預設一級如30 s）發出一級非重要負載脫扣指令，非重要負載脫扣并報警。發電機實際負荷超過預設的二級允許功率值延時（預設如60 s）發出二級非重要負載脫扣指令，完成非重要負載脫扣并報警。

電站運行過程中如出現任意一臺發電機主開關異常脫扣，立即發出非重要負載脫扣指令并報警。

（4）發電機輕載解裂管理流程：滿足已自動模式，聯絡開關已合閘，在網并聯運行的發電機功率低于預設條件時（如60%在網發電機額定功率），判斷沒有重載問詢、沒有重載設備運行、沒有設置輕載抑制。如果滿足條件，延時（預設如10 min）執行后投入發電機負載轉移，主開關分閘、發電機停機，后投入電網的發電機脫離電網，完成輕載解裂。如果在執行發電機負載轉移，主開關分閘、發電機停機等命令過程中任何環節沒有滿足或執行失敗，電站立即停止當前進程并報警。

（5）電壓、頻率異常管理流程：第一種故障情況，電網電壓或頻率低于預設條件時（如90%額定電壓或95%額定頻率），延時（預設如10 s）發出發電機故障報警。如果滿足已自動模式，聯絡開關已合閘，則非重要負載脫扣并報警。

第二種故障情況，電網電壓或頻率高于預設條件時（如106%額定電壓或105%額定頻率），延時（預設如10 s）發出發電機故障報警。

以上每種故障中，滿足已自動模式，聯絡開關已合閘，如果有重載問詢允許的設備在運行，則取消重載允許信號;如沒有，判斷是否備用發電機，起動備用發電機，起動成功、電壓建立，分故障發電機主開關、分閘成功、合備用發電機主開關，備用發電機投入，恢復電網供電，故障發電機停機。如果發電機備機、起動成功、電壓建立、分故障發電機主開關、合備用發電機主開關中任何一個環節沒有滿足或執行失敗，立即相應項報警，并檢測下一備用發電機組，重復前面的流程至故障發電機主開關分閘、故障發電機停機，電網恢復正常供電。

如果檢測到電網電壓超過120%額定電壓，延時（預設如5 s）發出發電機故障報警，分發電機主開關，分閘成功，停故障發電機，按照主匯流排失電管理流程起動備用發電機恢復電網供電。如果分故障發電機主開關失敗，立即作出報警。

如果檢測到電網頻率低于90%額定頻率，延時（預設如10 s）發出發電機故障報警，分發電機主開關，分閘成功，停故障發電機，按照主匯流排失電管理流程起動備用發電機恢復電網供電。如果分故障發電機主開關失敗，立即作出報警。

（6）重載問詢管理流程：滿足已自動模式，聯絡開關已合閘，有重載設備問詢，可根據對不同重載問詢設備預設的條件判斷執行相應的流程。如：起動備用發電機、限制在網發電機的臺數等。如果仍不能滿足預設條件，則發出重載問詢失敗報警。

（7）應急匯流排失電管理流程：自動模式下，如果應急匯流排失電，延時（約3 s～25 s）起動應急發電機，起動成功、電壓建立，主開關合閘，應急匯流排恢復供電。

（8）主配電板恢復對應急匯流排供電管理流程：因主匯流排失電，導致應急匯流排失電、應急配電板聯絡開關欠壓脫扣。如果按主匯流排失電管理流程起動備用發電機，恢復主匯流排供電和應急配電板聯絡開關的供電，應急配電板發出應急發電機主開關分閘命令，開關分閘，應急配電板聯絡開關自動合閘，應急匯流排恢復供電。從應急匯流排失電到恢復供電的時間最長不允許超過45 s。

4 結束語

PMS是一個相當復雜的系統，涉及到電站檢測、保護和控制等很多方面，對于不同系統組成的自動電站，要求更加復雜多樣。以上僅就船舶電站的主要功能、基本組成和控制流程進行概要性的解析，涉及到更詳細的設計和控制要求，以及各國船級社對電站管理的不同要求，可以在此基礎加以擴展。

參考文獻：

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