摘要：隨著現(xiàn)代造船技術(shù)的發(fā)展，船舶對(duì)電能管理系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高，因此船舶電站的控制、監(jiān)視和管理的重要性越來(lái)越突出。根據(jù)油 電混合動(dòng)力港作拖輪 電能管理系統(tǒng)的特 點(diǎn)，對(duì)該船電力系統(tǒng)的組成和功能要求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)該船電能管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。本船以西門(mén)子s71200型號(hào)PLC作為核心控制器，并對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組和軸帶發(fā)電機(jī)組的功能設(shè)計(jì)及軟件流程作詳細(xì)闡述，本船己投入使用，實(shí)用效果良好。
關(guān)鍵詞：船舶電能管理；軸帶發(fā)電；柴油發(fā)電
引言
船舶電能管理系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，是船舶電力系統(tǒng)中主要的電能管理設(shè)備，它可以集中、控制、分配發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能并實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的管理，提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
柴油發(fā)電系統(tǒng)以柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī)，以柴油為主燃料，柴油機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，從而為系統(tǒng)電網(wǎng)供電。這是一種起動(dòng)迅速 、操作方便、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)的發(fā)電裝置。
軸帶發(fā)電系統(tǒng)由主機(jī)通過(guò)軸系驅(qū)動(dòng)船舶發(fā)電機(jī)，這樣可以利用土機(jī)富裕功率，減少能量損耗。軸帶發(fā)電系統(tǒng)可以降低燃油消耗量 ，減少昂貴的輕柴油消耗，降低維修費(fèi)用并延長(zhǎng)維修周期。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，軸帶發(fā)電裝置的這些*性引起了各國(guó)造船界和航運(yùn)界的重視 。因此，軸帶發(fā)電系統(tǒng)的研究和應(yīng)用價(jià)值不斷提高。
一概述
本文介紹的港作拖輪電能管理系統(tǒng)由3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)和2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)有三種運(yùn)行情況：1)共同發(fā)電，即軸帶發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)時(shí)布網(wǎng)運(yùn)行，同向船舶電網(wǎng)供電；2)軸帶發(fā)電，即柴油發(fā)電機(jī)解列停機(jī)，只有軸帶發(fā)電機(jī)網(wǎng)運(yùn)行，向船舶電網(wǎng)供電；3)柴油發(fā)電，即軸帶發(fā)電機(jī)解列停機(jī)，只有柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，向船舶電網(wǎng)供電。
該港作拖輪主機(jī)為兩臺(tái)中速機(jī)。由于該船采用定距槳系統(tǒng)，船速是通過(guò)改變主機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制的，因此主機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)刻變化，導(dǎo)致軸帶發(fā)電機(jī)輸出頻率相應(yīng)變化。在這種情況下，要獲得頻率恒定的交流電源，需要在發(fā)電機(jī)和電站之間連接一臺(tái)變頻器。軸帶發(fā)電機(jī)輸出端連接變頻器的整流部分，變頻器的逆變部分連接船舶電。變頻器使得不論軸帶發(fā)電機(jī)輸出端電能的頻率和電壓如何變化，輸送到船舶電網(wǎng)上的電能頻率和電壓將保持恒定。
人多情況下，該拖輪電能管理系統(tǒng)處于柴油發(fā)電模式或軸帶發(fā)電模式。只有當(dāng)軸帶發(fā)電系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，或者需要負(fù)載轉(zhuǎn)移的情況下，才會(huì)出現(xiàn)較為短暫的同發(fā)電模式。
圖1 該船電能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
二組成和功能
1組成
該拖輪電能管理系統(tǒng)位于集控室，主要由SIEMENSS7-1200PLC電能管系統(tǒng)主控站、北爾電子X(jué)2 marine觸摸屏(HMI)和PC組成。其中PLC的作川是執(zhí)行PMS的各種邏輯控制算法；觸摸屏是人機(jī)交互界面，它的作用是數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示；PC機(jī)是一個(gè)工程師接口，它的作用是對(duì)系統(tǒng)中的PLC和HMI程序進(jìn)行編寫(xiě)與優(yōu)化。PLC、HMI與PC之間通過(guò)MOXA8口交換機(jī)連接。
每套柴油發(fā)電機(jī)組配一套PPU，PPU過(guò)485串口通訊總線(xiàn)將發(fā)電機(jī)組的電壓、頻率、功率等信息發(fā)送給SIEMENS S7—1200 PLC電能管系統(tǒng)主控站，由主控站完成電能管理系統(tǒng)的主要功能，并在觸摸屏上進(jìn)行工況顯示。
觸摸顯示屏選用北爾電子X(jué)2 marine，可以顯示該船舶電站各發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn) 行狀態(tài)以及故障情況，還可以通過(guò)觸摸屏手動(dòng)控制機(jī)組的起動(dòng)、停車(chē)、同步、解列、合閘、分閘等操作。
2主要功能
（1） 2種控制模式
該電能管理系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式。手動(dòng)模式是指通過(guò)觸摸屏手動(dòng)控制發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)、停車(chē)、合閘、分閘、同步、解列等操作。自動(dòng)模式是電能管理系統(tǒng)程序根據(jù)電 負(fù)載情況，自動(dòng)確定投入并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組數(shù)量，從而保證在網(wǎng)機(jī)組的容量與負(fù)載所需的功率相匹配。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電能管理系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)相應(yīng)增減在網(wǎng)機(jī)組。增減機(jī)組依據(jù)恒定平均功率原則，保證在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組功率在額定功率的一定范圍內(nèi)。
恒定平均功率原則是指預(yù)先設(shè)定增加或減少運(yùn)行機(jī)組數(shù)的臨界功率值的電能管理原則。為了保證發(fā)電機(jī)的功率輸出及安全，電網(wǎng)功率大于80%Pe。(額定功率)時(shí)增機(jī)，小于25％Pe時(shí)減機(jī)。
（2） 優(yōu)先級(jí)管理
電能管理系統(tǒng)用改定優(yōu)先絨的方法來(lái)管理柴油發(fā)電機(jī)組的起／停順序，并且支持在線(xiàn)修改機(jī)組的優(yōu)先級(jí)。通過(guò)事先對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組起／停的優(yōu)先級(jí)設(shè)定，充分保證了各機(jī)組的有序起動(dòng)，避免2臺(tái)及以以上機(jī)組同時(shí)起動(dòng)并網(wǎng)，提高了機(jī)組有效利用率和并網(wǎng)的安全性。當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)成功之后，可以自動(dòng)并網(wǎng)合閘。當(dāng)電能管理系統(tǒng)收到機(jī)組故障信號(hào)或輕車(chē)運(yùn)行時(shí)，可以按照優(yōu)先級(jí)自動(dòng)對(duì)機(jī)組解列／停車(chē)。
（3）功率限制與負(fù)載分段
當(dāng)電動(dòng)機(jī)預(yù)作為主推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，需向電能管理系統(tǒng)發(fā)出重載請(qǐng)求，電能管理系統(tǒng)將起動(dòng)所有柴油發(fā)電機(jī)組，然后檢測(cè)在網(wǎng)的可用功率。根據(jù)在網(wǎng)可用功率情況，電能管理系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)發(fā)出起動(dòng)允許和功率限制比例信號(hào)。如果，在網(wǎng)功率太小，無(wú)法滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)耗能需求，電能管理系統(tǒng)將不允許軸帶電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。
電能管理系統(tǒng)將船上各類(lèi)負(fù)載按照主次順序進(jìn)行分級(jí)。當(dāng)某臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，需要對(duì)故障機(jī)組解列，導(dǎo)致在網(wǎng)供能減少，需對(duì)在網(wǎng)用電設(shè)備進(jìn)行功率限制。同時(shí)，電能管理系統(tǒng)將按照負(fù)載優(yōu)先級(jí)卸載相對(duì)次要的負(fù)載，以保證主要設(shè)備的正常運(yùn)行。
（4）觸摸屏參數(shù)顯示
電能管理系統(tǒng)在觸摸屏上用圖形和表格方式形象直觀地顯示各發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)及螢要參數(shù)值的報(bào)警信息，如圖2所示。觸摸屏主要有以下功能：
1)彩色動(dòng)態(tài)顯示功能，觸摸屏上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電機(jī)組斷路器狀態(tài)、母排斷路器狀態(tài)和電能分配狀況等；
2)報(bào)警顯示功能，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組重要參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)故障報(bào)警監(jiān)測(cè)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可以發(fā)出警報(bào)聲音。
圖2 電能管理系統(tǒng)報(bào)警頁(yè)面
三系統(tǒng)的軟/硬件設(shè)計(jì)
1 硬件設(shè)計(jì)
考慮到船舶電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)所處的惡劣工作環(huán)境，要求硬件設(shè)備具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)。SIEMENS PLC (可編程控制器)擁有邏輯控制功能和抗干擾能力，是該船舶電能管理系統(tǒng)硬件的較優(yōu)選擇。因此本港作拖輪的電能管理系統(tǒng)SIEMENS S7-1200 PLC作為核心控制器，配合SM 1223 DI16／DQI6數(shù)字量輸入／輸出模塊和SM 1234 AI4／AQ2模擬量輸入輸出模塊，完成對(duì)電站發(fā)電系統(tǒng)管理的功能。S7-1200 PLC功能可靠、價(jià)格實(shí)惠，具有靈活的可擴(kuò)展性，代表了未來(lái)小型PLC的發(fā)展方向，自動(dòng)化新潮流。
所選的HMI設(shè)備具有分辨率高、操作面板堅(jiān)固、耐腐蝕塑料外殼和安裝靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，適合船舶上各種HMI應(yīng)用。
2 軟件設(shè)計(jì)
SIEMENS S7-1200 PLC采用工程組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)和編程，組態(tài)軟件支持梯形圖和SCL編程語(yǔ)言。 SCL語(yǔ)言類(lèi)似C語(yǔ)言，本系統(tǒng)PLC程序主要使用SCL編程語(yǔ)言。該船舶電能管理系統(tǒng)控制器的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。
當(dāng)發(fā)電模式為柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電或軸帶電機(jī)發(fā)電時(shí)，電能管理系統(tǒng)只要按照基本功能滿(mǎn)足電網(wǎng)供電需求、合理分配電能、管理用電設(shè)備。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)電模式在柴油電機(jī)發(fā)電和軸帶電機(jī)發(fā)電之間轉(zhuǎn)換時(shí)，情況變得有些復(fù)雜。為保證在發(fā)電模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電網(wǎng)和用電設(shè)備平穩(wěn)過(guò)渡，本系統(tǒng)采用了工程效果較好的方式。柴油發(fā)電模式轉(zhuǎn)換到軸帶發(fā)電模式軟件流程如圖3所示，軸帶發(fā)電模式轉(zhuǎn)換到柴油發(fā)電模式軟件流程如圖4所示。
圖3 柴油發(fā)電轉(zhuǎn)軸帶發(fā)電流程圖
圖4 軸帶發(fā)電轉(zhuǎn)柴油發(fā)電流程圖
四安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案
1概述
用戶(hù)端消耗著整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對(duì)用戶(hù)可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶(hù)端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jī)?nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶(hù)用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。
安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對(duì)用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項(xiàng)用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
2應(yīng)用場(chǎng)所
（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；
（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；
（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè)場(chǎng)所等）；
（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；
（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；
（6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。
3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4系統(tǒng)功能
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表；詳細(xì)電參量查詢(xún)；運(yùn)行報(bào)表；變壓器運(yùn)行監(jiān)視；實(shí)時(shí)報(bào)警；歷史事件查詢(xún)
電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)；遙控操作；用戶(hù)權(quán)限管理；通訊狀態(tài)圖；視頻監(jiān)控；用戶(hù)報(bào)告； APP支持
5系統(tǒng)硬件配置清單
五結(jié)語(yǔ)
本文介紹的船舶電站電能管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 該港作拖輪的電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，適時(shí)進(jìn)行自動(dòng)起停機(jī)組、同步并車(chē)、輕車(chē)解列、自動(dòng)接脫排和發(fā)電模式 轉(zhuǎn)換等功能操作，對(duì)于控制命令和故障報(bào)警，響應(yīng)迅速，控制狀態(tài)切換及時(shí)正確，達(dá)到了該船舶電站電能管理的設(shè)計(jì)要求和目的。
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