首艘4 000kW遠洋救助船PMS淺析

顧先鋒

（交通運輸部東海救助局，上海 200090）

0 引 言

電力推進系統已有上百年歷史，到20世紀80年代起，供電系統、推進電機及信息技術的迅猛發展，使得電力推進系統得到大力的發展。具有一般電站監控功能的船舶電力系統已不能適應這一發展需要，而擁有PMS能量管理系統的經濟型、安全穩定的大型系統是這一變化發展的必然趨勢。

船舶電力管理系統PMS(power management system)是以計算機為基礎的現代船舶電力系統的綜合自動化系統。其發展來源于陸地電網能量管理系統的概念。隨著科技發展船舶也在往大型化、自動化方向發展，船舶自動化程度要求也越來越高。為滿足船舶電力系統的管理，實現電力系統自動化智能化發展，出現了以數字計算機技術代替模擬計算機技術的船舶電力管理系統。現代船舶電力系統中，PMS系統扮演著重要角色，其主要功能通過軟件實現，目的在于確保為船舶設備提供最優化的可用電力配置，其帶有遠程控制發電、配電監控保護、用電監控管理、系統監測報警的功能。

1 救助船舶PMS系統配置與實際應用

某輪為新型中型遠洋救助拖船，總長69.5 m，型寬14.6 m，型深6.8 m，設計吃水4.4 m，設計航速15 m，系柱拖力550 kN，是國內首艘采用電力推進的中型救助船，主要用于沿海水道、島礁等復雜海域人命救助、財產救助和環境救助。該輪具有一級對外消防滅火作業能力，浮油回收作業能力，DP2級動力定位能力，對外供油、供水、供電能力，滿足IMO 12級風安全航行的穩性要求，可以兼顧高海況下的應急人命救生，滿足CCS 10級風拖帶的穩性要求，可以兼顧高海況下的船舶拖帶救助。

如圖1所示，該船配備有Caterpillar C280-8 大發電機組2臺，輸出功率：2 600 kW，電壓：690 V，頻率：50 Hz；Caterpillar C18小發電機組2臺，輸出功率：450 kW，電壓：690 V，頻率：50 Hz。690 V主配電板（11屏）一座，400 V主配電板（9屏）一座，230V主配電板（3屏）一座。ABB ACS880-37LC-2390A-7變頻器2臺，主推電機2臺，為ABB中國AMI 500L6L BAFTMS 船用水冷鼠籠型變頻調速交流電動機，額定輸出功率：2 000 kW。全回轉舵槳裝置2臺，型號為Wartsila WST-21 FP，艏側推2臺，型號為南京高精船用設備有限公司NCT165，驅動電機功率680 kW，推力100 kN。

圖1 PMS系統電站簡圖

2 PMS系統原理簡介

2.1 工作原理

為滿足船舶電站管理，本船配備了ABB PMS船舶電力管理系統。以下是我輪的PMS船舶電力管理系統的系統設計原理簡介：

如圖2所示，PMS含有2個工作站，分別位于集控室（OS11）和主配電板（OS12）上，集控室為主站PC，帶有工業級主機，從站為觸摸液晶屏面板，安裝于主配電板并車屏上。在主配電板上，單獨設置一個PMS屏，用于安裝PMS的相關部件，主要有CPU處理器、信號采集模塊、信號輸出模塊、網絡交換機、電源模塊等。PMS可完成發電機的啟停、主配電板主開關、功率分配、失電保護與恢復、報警和事件處理等具體內容，以實現船舶電站的合理分配使用。PMS是通過多種控制元件實現其功能的，其控制元件包括了柴油機調速器、發電機自動電壓調節器、發電機控制和安全系統等。

圖2 PMS系統原理圖

CPU處理器采用雙冗余形式通過網絡交換機與PMS工作站進行通訊，信號輸入、輸出模塊與CPU處理器通過CAN總線進行通信，每一個信號輸入、輸出模塊通過CPU服務于PMS軟件系統中相對應的一項應用程序。CPU負責對PMS系統內的信息進行處理，信號采集模塊包括模擬量輸入模塊和開關量輸入模塊，例如：發電柴油機的噴油量通過A/D轉換后通過模擬量輸入模塊輸入PMS；發電柴油機啟動失敗則通過開關量輸入模塊輸入PMS。同樣信號輸出模塊也含有模擬量和開關量輸出2種，例如：CPU接收到工作站發出的“No.1 Propeller Thruster Available Power ”指令處理后再通過信號輸出模塊以模擬量形式發送至No.1主推裝置，以保證主推進裝置正常運轉；CPU接收到工作站發出的“DG3.Engine Stop Command ”指令經處理后再通過信號輸出模塊以開關量形式發送至DG3控制系統，DG3控制系統執行命令停機。

2.2 PMS系統實際應用的幾種模式簡介

電站管理系統集成電站保護系統，系統可以監測突發或長期電站的無功/有功分配不均的情況，并能同時監測電網頻率。當AVR或發電機發生故障時，經電站保護系統直接發出報警甚至脫扣發電機。該系統有5種自動模式，一種自定義模式（手動模式）。當發電機和各聯絡開關都處于自動狀態時，可以按用戶需要手動切換5種自動模式。

（1）全速模式 ：使用兩臺2 600 kW發電機組向全船供電，負荷率超過90%時，良好海況時起動單臺450 kW發電機組，兩大一小發電機組向電網供電，自動電站自動限制450 kW發電機組的負荷率在80%。如遇惡劣海況起動兩臺450 kW發電機組進行負載轉移，將450 kW和2 600 kW發電機進行分區供電，2 600 kW發電機組驅動主推進器，450 kW發電機組驅動機艙泵、風機等400 V負載，同時將400 V匯流排聯絡開關斷開。

（2）救險、消防作業模式：根據實際負荷率使用兩臺2 600 kW發電機組。當2臺發電機組在網的負荷率低于40%，自動解列1臺發電機組。

（3）靠港工況模式：使用2臺2 600 kW發電機組，驅動主推進器、艏側推器和全船用電負載。

（4）DP工況模式：使用2臺2 600 kW發電機組分區向全船供電，保證冗余。

（5）停泊工況模式：使用單臺450 kW發電機組。

（6）自定義模式（手動模式）：為滿足用戶需要，該系統還設置了手動模式，發電機組和聯絡開關可按照用戶的實際需要進行自定義操作。

2.3 DGMS簡介

ABB PMS系統還設置了DGMS（Diesel Generator Monitoring System），以更好的控制發電機的運行。每臺發電機配備1臺DGMS，并且每一個DGMS在控制箱上都有液晶顯示面板。DGMS的作用是保護發電機，防止主配電板保護裝置失效時造成發電機損壞。例如：發電柴油機燃油過量或不足、發電機的過勵磁和欠勵磁等故障不易被PMS保護系統及時監測到，而設置DGMS可及時監測到故障并采取相關應對措施，防止發電機進一步損壞。

由圖3可知，DGMS單元通過以太網、總線等與PMS其他單元進行通信，在PMS控制下執行命令到AVR(Automatic Voltage Regulator)和ECS(Engine Control System),最終完成發電機的正常運行等動作。同時，DGMS還將信息傳遞至IAS(Integrated Automation System)。每一個DGMS單元有兩路電源供電，一個主電源一個備用電源(UPS)，內部裝有電源模塊以保證電壓正常，兩路電源被持續監測以防止電源故障影響DGMS單元的正常運行。

圖3 PMS系統的DGMS控制原理圖

DGMS的動作順序如下：

（1）故障檢測和報警

（2）向PMS發出啟動備用發電機請求

（3）向PMS發出故障預跳閘警告信號

（4）因故障原因導致發電機停機或滅磁

（5）故障發電機跳閘

（6）匯流排跳閘并將故障匯流排與其他發電機匯流排隔離（如果故障發電機沒發生跳閘）。

主發電機負載分配模式常用有4種，在PMS工作站操作界面上可對其進行更改，具體模式如下：

固定降模式,僅運行在PMS手動模式下，由調速器控制負載分配，在選擇固定降模式的情況下，將一臺發電機切換到手動模式，給發電機增加/減少負載命令，發電機負載將遵循增加/減少命令。

補償降模式，PMS控制負載分配，此模式類似于ISO模式，兩臺發電機都處于自動模式，并且選擇了補償降，增加了系統的負載，隨著負載增加兩臺發電機平均分配總負載。

固定負載模式，僅運行在PMS手動模式下，由PMS控制負載分配，將1臺發電機切換到手動模式，并選擇固定負載模式。給該發電機設定一個功率負載百分比，該發電機將承擔設定百分比功率負載，其余負載則由另一臺連接的發電機將承擔。

Isochronous 模式，由調速器控制負載分配，該模式使用發電機系統自帶的恒頻模塊，負載分配更迅速、穩定。正常航行建議采用Isochronous模式。

2.4 PMS功率控制

自動模式下發電機的啟動和停止都是由PMS預設的邏輯程序控制的。在PMS工作站可以設定自動模式下在網最小、最大在網發電機數量和啟動順序。PMS則會根據負載控制發電機啟動/停止，也會根據在網發電機故障情況控制備用發電機等等。

（1）PMS根據負載處理發電機的啟動動作

如圖4所示，PMS根據工作站預先設定的發電機啟動優先級和時限設置啟動自動模式下的發電機組。當負載功率達到在網發電機額定功率80%～90%時，延時T1后,PMS發出增機命令，備用發電機啟動并入電網。當負載功率達到在網發電機額定功率90%以上時，延時T2，備用發電機啟動并入電，其中T1＞T2。

圖4 PMS根據負載處理發電機的啟動順序圖

（2） PMS根據在網負載處理發電機的停止動作

如圖5所示，PMS根據工作站預先設定的發電機停止順序和時限設置停止自動模式下的發電機組。當負載功率降到在網發電機單機（優先級）額定功率30%及以下時，延時T3后，PMS發出減機命令，發電機（次級）卸載停機。

圖5 PMS根據在網負載處理發電機的停止順序圖

（3）PMS處理發電機報警動作

如圖6所示，當在網發電機在自動狀態時突然發生故障（如冷卻水溫度高、燃油壓力低、繞組溫度高、軸承溫度高等），PMS系統監測到發電機出現故障后，立即發出命令啟動備用發電機并入電網，隨后故障機卸載，斷開其主開關脫離電網，同時在PMS用戶界面和報警列表上發出報警。

圖6 PMS處理發電機報警動作的原理圖

（4）PMS處理發電機異常停動作

如圖7所示，當在網發電機在自動狀態時突然發生異常停機（如安保故障：超速、滑油壓力低、曲軸箱油霧濃度高等），PMS系統監測到發電機異常停機后，立即發出命令斷開該發電機主開關，同時發出命令啟動備用發電機并入電網（如在網僅一臺發電機則會造成電網短暫失電）。PMS隨即更改該故障機模式為手動狀態，并從PMS自動啟動、停止發電機順序中摘除該故障機，同時在PMS用戶界面和報警列表上發出報警。

圖7 PMS處理發電機異常停動作的原理圖

2.5 船舶電網的工作特性

全船自動化系統為基于計算機和網絡的系統，各個不同的系統應根據規范要求提供必要的冗余。所有電子設備應有適當保護，以消除持續和瞬時的過電壓及電磁干擾。應優先采用標準化和經過良好驗證的模塊和系統，并盡可能滿足實際要求。自動化系統要有兩路（冗余）供電，并有電源的自動切換和報警功能，在由 UPS 供電情況下應能工作不少于30 min。

（1）當電網失電時備用電源會自動投入電網供電。柴油發電機單機供電時，如果空氣斷路器跳閘，備用柴油發電機自動起動并合閘供電，其自動起動系統具備在30 s內承載額定負載的功能。單機柴油主發電機供電時，如負荷超過額定值的 80%，則發出起動指令，自動起動備用的柴油發電機組并作自動合閘和調頻調載實現雙機并聯運行供電。

（2）電網負載超過 95%具有自動卸載的功能，延時10 s作一級自動卸載的項目有機修設備、廚房設備、空調、艙室風機等非重要負載；電網負荷減少時運行機組自動解列；柴油主發電機在雙機并聯運行時，如果功率小于60% 總功率，并且持續時間超過 15 min，后并聯上去的柴油主發電機即作自動負載轉移并自動解列脫離電網。

（3）重要負載按原順序的重新自起動：當電網失電恢復供電后指定的重要負載（如為主機系統服務的泵類負載）按設定的程序重新自動起動，總計的累積起動時間不大于1 min，以免引起過大的起動沖擊電流而使相關的空氣斷路器過電流跳閘。

（4）重載詢問功能：起動大功率負載前(例如艏側推、拖纜機)，必須向電網做出詢問，如果在網的柴油發電機容量不夠，則自動起動備用的柴油發電機組自動合閘向電網供電，以保證所有原先在網設備不失電。

（5）自檢功能：系統投入運行前，會自動進行自檢，用以檢測運行情況和故障所在位置，并呈現給客戶。

（6）應急配電板上設有 400 A 的岸電開關和對外供電開關，兩者互為連鎖。應急配電板向舵槳回轉電機、空壓機、部分通信導航設備、應急照明、應急消防泵、蓄電池充放電板等設備供電。應急發電機的主斷路器與主配電板聯絡開關應有聯鎖。

3 PMS系統運行中故障簡介

我輪ABB PMS系統運行已一年有余，目前系統運行相對穩定，但也發生過一些問題。現將實際運行中發生問題作以下介紹：

（1）某次船舶試DP工況模式時，電網由2臺主發電機（2 600 kW）分區供電，在主推變頻器、主推電機運行時，再去啟動該分區的側推，瞬間造成側推主開關跳閘、變頻器主開關過電壓跳閘、發電機差動保護緊急停機。試驗另一分區，故障現象一致。

（2）某次船舶航行訓練中，電網由2臺主發電機（2 600 kW）并網供電，雙主推進裝置運行中。PMS上發電機模式放在手動，3個聯絡開關放在自動，2#主發電機機油霧濃度報警停車（實際沒有停），這時2#主發電機出現逆功，達到-400 kW左右，持續超過1 min，轉速下降至960 rpm，1#主發電機轉速也被拉低至960 rpm，2#主發電機逆功保護沒有動作。PMS系統未監測到故障導致船舶主推跳電。

（3）某日船舶單車雙槳航行訓練時，我輪備1#主發電機供電主配電板，聯絡開關BT4（400 V匯流排F排和E排）、BT5（220 V匯流排H排和G排）處于斷開狀態，1#、2#照明變壓器分區供電。訓練期間供電正常，訓練結束拋錨前出現1#照明變壓器TR3副邊開關和2#照明變壓器TR4副邊開關同時跳閘現象，造成220 V匯流排失電。隨即在PMS上對TR3副邊開關和TR4副邊開關合閘成功，恢復220 V供電。

以上問題的出現表明PMS系統運行還未達到穩定狀態。其中包括故障（1）DP模式下，先啟動主推變頻器工作，主推變頻器對電網有一定影響，造成側推軟啟動時，啟動電流異常，啟動失敗跳閘，同時啟動過程也對電網產生進一步干擾，造成發電機電流不均衡，差動保護動作停機。在故障（2）兩臺發電機并網供電時，其中一臺發電機出現油霧濃度報警停車故障，DGMS監測到該故障，但PMS系統并未發出報警并采取措施，以致整個電網頻率降低，導致主推跳電。在故障（3）單車雙槳狀態時，電網承載的負荷沖擊能力較小，易發生電網不穩定造成跳電事故，同時也易對其他設備造成一定損傷。在實際運行中還出現過其他的問題，在此不具體列舉。正是各種問題的出現才使得我輪PMS運行不斷的優化，以保證船舶電網運行更加穩定。通過對PMS系統管理，有以下幾點體會：

（1）PMS系統能自動或者人為手動配置電網功率，并能夠優化船舶電力分配，使電能分配更合理、更平衡，減輕了操作員的勞動強度。

（2）PMS軟件系統還需優化，消除卡頓現象，其部分人機交互界面不夠精細，相關功能有待進一步完善。

（3）PMS系統是一個集監測、控制、管理與保護為一體的綜合性船舶管理系統，自動化程度很高，其維護管理對輪機員提出了較大挑戰。一旦系統出現問題，不易解決，特別是針對PMS系統涉及內置程序的問題。因此，要求其管理者不但要有較強的設備管理技術，還需要較為豐富的自動化理論知識提高管理水平。

4 結 語

本文針對我輪設備配置介紹了PMS工作原理以及實際運用中的幾種工作模式，并通過介紹PMS針對發電機功率控制詳細介紹了船舶電力控制系統的運行特點。PMS作為功能比較全面的船舶電力管理系統體現出了良好的工作性能和安全性，會在未來的船舶制造中得到大力推廣。本文在介紹中還存在諸多不足之處，懇請指正。