DP-3 動力系統優化設計與海上試驗驗證技術

江練金，洪學武，顏小明

（1.招商局深海裝備研究院（三亞）有限公司，廣東 深圳 518067；2.招商局重工（深圳）有限公司，廣東 深圳 518067）

動力定位系統（Dynamic Positioning，DP）是指通過計算機控制船舶的推進力和方向，使其能夠在水中保持穩定的位置和方向。隨著船舶技術的不斷發展，DP系統的應用越來越廣泛，特別是在海洋石油勘探、深海作業等領域。目前，按照最新的海安會MSC.1/Circ.1580通函要求，國際上最高級別的動力定位系統是設備等級3（下文統稱為DP-3）。

DP-3 動力系統是由兩臺或者兩臺以上獨立的電動機驅動的動力系統，這兩臺或者兩臺以上電動機可以獨立地控制兩個或者兩個以上的推進器，從而實現船舶的精確動力控制和定位，它可以使船舶在各種復雜的海況下穩定地懸停、移動和定位，避免因環境變化而導致的位置漂移和姿態變化等問題，同時其能夠在任意一個艙室或者任意一個水密分隔或者任意一個防火分隔內的所有設備和系統因為失火或者浸水全部失去后，船舶仍能在規定的環境條件下、在規定的作業范圍內自動保持船舶的位置和艏向。據此以一艘14000kW 大型巡航救助船展開設計分析。

1 動力系統閉排設計方案

該救助船采用閉合母排運行DP-3 操作模式，主要方式是通過一條母排將電力傳輸到各個電動機和推進器，從而實現船舶的動力控制和定位。這種閉合母排動力系統可以減少DP-3 操作模式下同時在線的發電機數量和功率，同時可以降低動力系統發生干擾的概率，減少因發電機組維護而停工的時間，從而提高整個船舶系統供電的連續性。DP-3 動力定位系統的設計與物理雙冗余的高冗余度概念以及閉環電網技術的采用，大大提升了系統的可靠性，并且降低了系統能耗[1]。

當采用閉合母排長期運行時，在網的發電機組全部連接在一起，如果單一故障發生時不能快速響應和及時處理就有可能引起電網的共模故障，最終導致全船失電。要滿足DP-3 對電網的要求，環形電網必須采取額外的保護措施[2]。因此有必要針對救助船的DP-3 動力定位相關系統遭到破壞后的裝置故障隔離能力，進行優化設計。

2 DP-3 系統的故障隔離方式及其不足之處

目前，DP-3 系統的故障隔離方式主要包括軟件故障隔離和硬件故障隔離兩種方式。

軟件故障隔離主要是指通過軟件程序對DP-3 系統進行診斷和檢測，識別和隔離系統故障。軟件故障隔離方式可以快速地確定軟件故障的具體位置和原因，從而快速解決問題，減少系統故障的影響范圍和時間；可以通過基于SOM 的故障診斷算法進行故障診斷后，對DP-3 動力定位控制系統的永久故障進行處理，利用系統降級的方式改變系統控制律，隔離故障機[3]；可以通過分析軟件運行的具體情況和錯誤日志，精確地定位軟件故障問題，避免對其他部分造成干擾。

軟件故障隔離方式也存在一些不足之處，其需要技術人員具備深入的軟件和硬件知識，否則可能會導致無法正確診斷和排除故障；成本較高，需要投入大量人力和物力資源，包括對軟件進行分析、測試、修復等過程；另外存在無法隔離硬件故障、對系統性能有一定影響等問題。

硬件故障隔離主要是指通過硬件設備對系統進行診斷和檢測，識別和隔離系統故障。硬件故障隔離方式可以快速地定位和排除硬件故障問題，診斷準確；可以通過簡單的物理檢查和更換來解決硬件故障問題，不需要過多的技術和專業知識；成本較低，因為更換硬件的成本通常比修復軟件問題的成本低得多；安全性高，隔離徹底。

硬件故障隔離的主要缺點為診斷速度慢，需要花費較長的時間來找到和更換故障的硬件部件，這可能會導致系統停機時間較長；故障定位不準確，硬件故障隔離可能會發現硬件故障，但無法確定具體引起故障的原因，從而可能導致難以解決問題或者出現其他問題；風險高，硬件故障隔離可能會對系統造成不可預知的風險和影響，如更換硬件可能存在兼容性問題，或者可能會導致系統其他部分的問題。

3 故障隔離方式優化方案

針對目前的故障隔離方式存在的不足之處，可以采用的解決方案包含：

（1）采用多重故障隔離技術，綜合利用軟件故障隔離和硬件故障隔離兩種方式，提高系統的故障診斷和隔離能力。合排模式下，有非常多的故障模式會在不同冗余組之間傳播，因此在動力定位系統故障模式及其影響分析中，必須按照不同的故障模式進行單點故障傳播分析，在此基礎上考慮不同的配電系統故障情況下的故障傳播情況，并針對這些情況研究故障隔離方式，以確保故障和由此產生的保護功能的影響不會在冗余組之間傳播。如圖1 所示，協調性分析后可以保證當短路發生時，斷路器優先在對系統影響最小、同時最靠近故障端的地方動作以斷開電路，從而將短路故障隔離在最小范圍內。

圖1 6.6kV 配電板短路故障協調性分析

（2）采用分布式控制系統[4]，將系統分為幾個獨立的子系統，每個子系統都有自己的控制器和傳感器。當一個子系統出現故障時，可以將其分離，從而避免故障擴散到整個系統。特別是每一個冗余組中的失敗都不會對其他組的性能產生負面影響，每個冗余組都能夠定位（船舶不會漂移）以及任何單點故障都不會導致船舶失控。例如對發電系統的相關子系統進行冗余驗證如下圖2。

圖2 發電系統冗余驗證表

（3）采用先進的檢測技術，加入傳感器、智能診斷系統等，實時監測動力系統的運行狀態，及時發現和隔離故障。如配電系統增加故障電流方向判斷電子保護器，結合配電板內的電弧檢測裝置進行判斷，從而準確判斷故障區域；為大型變壓器配置預充磁裝置，減小變壓器啟動時的沖擊電流；配置增強型發電機保護系統，在發電機運行時對給定功率和電壓進行監控，并能在故障發生前發出報警，通過啟動備用發電機，切斷故障發電機來保證系統安全穩定運行；配置電弧檢測裝置，如果電弧發生在電纜隔間內，則僅關閉該隔間，而配電盤其它部分正常工作。

（4）備份系統及備用保護：在DP-3 系統中設置備份控制器和傳感器，當主控制器或傳感器出現故障時，備份系統可以自動接管，從而保證系統的連續性和穩定性。而對于短路、接地故障和不平衡保護，將根據保護區域的不同，分別設立兩級保護，故障發生后，當初級保護沒有隔離故障或者由于隱藏故障沒有動作，備用保護能執行動作并隔離故障，以免故障波及到其他系統和設備[5]。

4 實船設計方案

本船設計了三個冗余分組，即：前機艙冗余分組、左機艙冗余分組和右機艙冗余分組。在DP-3 工況下，三個冗余分組完全物理隔離，形成3 個相互獨立的冗余系統。任何一個冗余分組完全失去，均能保證本船所需的動力定位能力。

4.1 DP-3 冗余分組設計

本船前機艙冗余分組包括前機艙2 臺輔柴油發電機組和3 臺停泊發電機組并聯運行形成前機艙電站，供電給伸縮推進器等。左機艙冗余分組包括左機艙1 臺軸帶發電機和1 臺輔柴油發電機組并聯運行形成左機艙電站，供電給前艏側推、前艉側推和左可調槳驅動電動機等。右機艙冗余分組包括右機艙1 臺軸帶發電機和1 臺輔柴油發電機組并聯運行形成右機艙電站，供電給后艏側推、后艉側推和右可調槳驅動電動機等。

4.2 DP 系統控制系統設計

本船的DP 系統控制系統設計了三個操作站，兩個為DP 主操作站，另一個為備用DP 操作站，主操作站與備用操作站之間設有A-60 分隔。在前駕控臺、后駕控臺、兩翼臺設有DP 系統手柄操作終端。至少設有三套UPS，其中一套與其它有A-60 分隔，用于備用DP操作站。駕駛室后左舷控制臺定義為DP 主操作站，設有2 套DP 操作站。

5 海上試驗驗證技術

海上試驗驗證技術是指在船舶海上運行過程中，通過各種測試方法和技術手段，對船舶系統和設備進行驗證和評估的過程。其目的是驗證船舶系統和設備的性能、可靠性和安全性，以確保其符合相關標準和要求，并滿足實際應用需求。

5.1 海上試驗驗證技術的分類

海上試驗驗證技術可以分為功能測試、性能測試、可靠性測試和安全測試等不同分類。功能測試主要是對船舶系統和設備的功能進行測試和驗證；性能測試主要是對船舶系統和設備的性能進行測試和驗證，包括動態性能、靜態性能和精度等指標；可靠性測試主要是對船舶系統和設備的可靠性進行測試和驗證，包括MTBF（平均無故障時間）等指標；安全測試主要是對船舶系統和設備的安全性進行測試和驗證，包括安全性能、安全可靠性和安全性指標等。

5.2 海上試驗驗證技術的方法

海上試驗驗證技術的方法可以分為傳統方法和先進方法兩種。傳統方法主要包括現場測試、試航、實驗室測試等，通過物理實驗和測試手段進行驗證。先進方法主要包括仿真技術、虛擬試驗等，通過計算機模擬和虛擬實驗進行驗證。先進方法具有成本低、效率高、安全性好等優點，但傳統方法更加直觀和可靠。對于救助船閉環DP-3 系統，將對短路、接地、相不平衡進行實船模擬試驗，并對短路和母排接地等進行實船實效試驗，最后在海試試驗中進行DP 系統失效模擬試驗[7]。

5.3 海上試驗驗證技術的應用

海上試驗驗證技術廣泛應用于各類船舶系統和設備的測試和驗證，如動力系統、導航系統、通信系統、救生設備、火災控制系統等。同時，海上試驗驗證技術也應用于新技術、新產品和新材料的研發和驗證，包括新型船舶、新型推進系統、新型材料等。另外應當注意到在進行驗證和測試時，如果考慮寒區作業（＜-10°C）工況，那么相關系統的設備放在露天甲板的就需要進行內置或外置伴熱保溫措施，以保障設備正常運轉[8]。

6 總結

通過分析不同故障隔離方式的優缺點，確定了DP-3 動力定位系統的故障隔離能力理應改進的方向，然后進行救助船的系統設計與設備選型，最后介紹了海上試驗驗證技術。通過這些研究工作，可以進一步提高DP-3 系統的性能和可靠性，為船舶運行安全和穩定性提供有力保障。