摘要：隨著(zhù)現代造船技術(shù)的發(fā)展，船舶對電能管理系統的可靠性和經(jīng)濟性要求越來(lái)越高，因此船舶電站的控制、監視和管理的重要性越來(lái)越突出。根據油 電混合動(dòng)力港作拖輪 電能管理系統的特 點(diǎn)，對該船電力系統的組成和功能要求進(jìn)行分析，在此基礎上，對該船電能管理系統進(jìn)行了詳細設計。本船以西門(mén)子s71200型號PLC作為核心控制器，并對柴油發(fā)電機組和軸帶發(fā)電機組的功能設計及軟件流程作詳細闡述，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
0引言
船舶電能管理系統是船舶自動(dòng)化系統的重要組成部分，是船舶電力系統中主要的電能管理設備，它可以集中、控制、分配發(fā)電機組產(chǎn)生的電能并實(shí)現對用電設備的管理，提高船舶電力系統的穩定性和安全性。
柴油發(fā)電系統以柴油機為原動(dòng)機，以柴油為主燃料，柴油機拖動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，把動(dòng)能轉換成電能，從而為系統電網(wǎng)供電。這是一種起動(dòng)迅速 、操作方便、對環(huán)境的適應性較強的發(fā)電裝置。
軸帶發(fā)電系統由主機通過(guò)軸系驅動(dòng)船舶發(fā)電機，這樣可以利用土機富裕功率，減少能量損耗。軸帶發(fā)電系統可以降低燃油消耗量 ，減少昂貴的輕柴油消耗，降低維修費用并延長(cháng)維修周期。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，軸帶發(fā)電裝置的這些*性引起了各國造船界和航運界的重視 。因此，軸帶發(fā)電系統的研究和應用價(jià)值不斷提高。
1概述
本文介紹的港作拖輪電能管理系統由3臺柴油發(fā)電機和2臺軸帶發(fā)電機組成，如圖1所示。該系統有三種運行情況：1)共同發(fā)電，即軸帶發(fā)電機和柴油發(fā)電機時(shí)布網(wǎng)運行，同向船舶電網(wǎng)供電；2)軸帶發(fā)電，即柴油發(fā)電機解列停機，只有軸帶發(fā)電機網(wǎng)運行，向船舶電網(wǎng)供電；3)柴油發(fā)電，即軸帶發(fā)電機解列停機，只有柴油發(fā)電機在網(wǎng)運行，向船舶電網(wǎng)供電。
該港作拖輪主機為兩臺中速機。由于該船采用定距槳系統，船速是通過(guò)改變主機轉速來(lái)控制的，因此主機轉速時(shí)刻變化，導致軸帶發(fā)電機輸出頻率相應變化。在這種情況下，要獲得頻率恒定的交流電源，需要在發(fā)電機和電站之間連接一臺變頻器。軸帶發(fā)電機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處于柴油發(fā)電模式或軸帶發(fā)電模式。只有當軸帶發(fā)電系統起動(dòng)時(shí)，或者需要負載轉移的情況下，才會(huì )出現較為短暫的同發(fā)電模式。
圖1 該船電能管理系統結構圖
2 組成和功能
2.1組成
該拖輪電能管理系統位于集控室，主要由SIEMENSS7-1200PLC電能管系統主控站、北爾電子X(jué)2 marine觸摸屏(HMI)和PC組成。其中PLC的作川是執行PMS的各種邏輯控制算法；觸摸屏是人機交互界面，它的作用是數據交換和監控數據顯示；PC機是一個(gè)工程師接口，它的作用是對系統中的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口交換機連接。
每套柴油發(fā)電機組配一套PPU，PPU過(guò)485串口通訊總線(xiàn)將發(fā)電機組的電壓、頻率、功率等信息發(fā)送給SIEMENS S7—1200 PLC電能管系統主控站，由主控站完成電能管理系統的主要功能，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)電機組的運行參數、運 行狀態(tài)以及故障情況，還可以通過(guò)觸摸屏手動(dòng)控制機組的起動(dòng)、停車(chē)、同步、解列、合閘、分閘等操作。
2.2主要功能
2.2.1 2種控制模式
該電能管理系統具有手動(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程序根據電 負載情況，自動(dòng)確定投入并網(wǎng)運行的發(fā)電機組數量，從而保證在網(wǎng)機組的容量與負載所需的功率相匹配。當電網(wǎng)負載發(fā)生變化時(shí)，電能管理系統軟件會(huì )自動(dòng)相應增減在網(wǎng)機組。增減機組依據恒定平均功率原則，保證在網(wǎng)發(fā)電機組功率在額定功率的一定范圍內。
恒定平均功率原則是指預先設定增加或減少運行機組數的臨界功率值的電能管理原則。為了保證發(fā)電機的功率輸出及安全，電網(wǎng)功率大于80%Pe。(額定功率)時(shí)增機，小于25％Pe時(shí)減機。
2.2.2 優(yōu)先級管理
電能管理系統用改定優(yōu)先絨的方法來(lái)管理柴油發(fā)電機組的起／停順序，并且支持在線(xiàn)修改機組的優(yōu)先級。通過(guò)事先對柴油發(fā)電機組起／停的優(yōu)先級設定，充分保證了各機組的有序起動(dòng)，避免2臺及以以上機組同時(shí)起動(dòng)并網(wǎng)，提高了機組有效利用率和并網(wǎng)的安全性。當柴油機起動(dòng)成功之后，可以自動(dòng)并網(wǎng)合閘。當電能管理系統收到機組故障信號或輕車(chē)運行時(shí)，可以按照優(yōu)先級自動(dòng)對機組解列／停車(chē)。
2.2.3 功率限制與負載分段
當電動(dòng)機預作為主推進(jìn)系統時(shí)，電動(dòng)機起動(dòng)前，需向電能管理系統發(fā)出重載請求，電能管理系統將起動(dòng)所有柴油發(fā)電機組，然后檢測在網(wǎng)的可用功率。根據在網(wǎng)可用功率情況，電能管理系統對電動(dòng)機發(fā)出起動(dòng)允許和功率限制比例信號。如果，在網(wǎng)功率太小，無(wú)法滿(mǎn)足電動(dòng)機耗能需求，電能管理系統將不允許軸帶電動(dòng)機起動(dòng)。
電能管理系統將船上各類(lèi)負載按照主次順序進(jìn)行分級。當某臺柴油發(fā)電機組發(fā)生故障時(shí)，需要對故障機組解列，導致在網(wǎng)供能減少，需對在網(wǎng)用電設備進(jìn)行功率限制。同時(shí)，電能管理系統將按照負載優(yōu)先級卸載相對次要的負載，以保證主要設備的正常運行。
2.2.4 觸摸屏參數顯示
電能管理系統在觸摸屏上用圖形和表格方式形象直觀(guān)地顯示各發(fā)電機組的工作狀態(tài)及螢要參數值的報警信息，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)監測柴油發(fā)電機組的運行狀態(tài)、發(fā)電機組斷路器狀態(tài)、母排斷路器狀態(tài)和電能分配狀況等；
2)報警顯示功能，對柴油發(fā)電機組重要參數進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)故障報警監測，當故障發(fā)生時(shí)可以發(fā)出警報聲音。
圖2 電能管理系統報警頁(yè)面
3 系統的軟/硬件設計
3.1 硬件設計
考慮到船舶電站實(shí)際運行時(shí)所處的惡劣工作環(huán)境，要求硬件設備具有環(huán)境適應性強和可靠性高等特點(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硬件的較優(yōu)選擇。因此本港作拖輪的電能管理系統SIEMENS S7-1200 PLC作為核心控制器，配合SM 1223 DI16／DQI6數字量輸入／輸出模塊和SM 1234 AI4／AQ2模擬量輸入輸出模塊，完成對電站發(fā)電系統管理的功能。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設備具有分辨率高、操作面板堅固、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應用。
3.2 軟件設計
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PLC程序主要使用SCL編程語(yǔ)言。該船舶電能管理系統控制器的軟件采用模塊化設計。
當發(fā)電模式為柴油發(fā)電機發(fā)電或軸帶電機發(fā)電時(shí)，電能管理系統只要按照基本功能滿(mǎn)足電網(wǎng)供電需求、合理分配電能、管理用電設備。當電網(wǎng)發(fā)電模式在柴油電機發(fā)電和軸帶電機發(fā)電之間轉換時(shí)，情況變得有些復雜。為保證在發(fā)電模式轉換過(guò)程中，電網(wǎng)和用電設備平穩過(guò)渡，本系統采用了工程效果較好的方式。柴油發(fā)電模式轉換到軸帶發(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)電轉軸帶發(fā)電流程圖
圖4 軸帶發(fā)電轉柴油發(fā)電流程圖
4 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案
4.1概述
用戶(hù)端消耗著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對用戶(hù)可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務(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備用電管理解決方案，實(shí)現電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jì)热葜饕ǎ合冗M(jìn)的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶(hù)用電管理系統、需求側管理等課題。
安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)的數據和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。
4.2應用場(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)、金融機構建筑等）；
（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)所等）；
（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等）；
（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；
（6）交通運輸建筑（機場(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。
4.3系統結構
4.4系統功能
4.4.1實(shí)時(shí)監測
系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。
4.4.2電能統計報表
系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況，即該節點(diǎn)進(jìn)線(xiàn)用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護計量體系的正確性。
4.4.3詳細電參量查詢(xún)
在配電一次圖中，當鼠標移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線(xiàn)及24小時(shí)電壓趨勢曲線(xiàn)。
4.4.4運行報表
系統具有實(shí)時(shí)電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數、時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數據等，并通過(guò)報表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶(hù)要求導出PDF格式文件。
4.4.5變壓器運行監視
系統對配電系統總進(jìn)線(xiàn)、主變壓器、重要負荷出線(xiàn)的運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監視，用曲線(xiàn)顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時(shí)掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。
4.4.6實(shí)時(shí)報警
系統具有實(shí)時(shí)報警功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統報警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報警窗口，并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。
4.4.7歷史事件查詢(xún)
系統能夠對遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。
4.4.8電能質(zhì)量監測
系統可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量進(jìn)行持續性的監測，運行維護人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線(xiàn)、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時(shí)采取相應的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監測功能的電力儀表，不需要可刪除。
4.4.9遙控操作
系統支持對斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動(dòng)生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。
4.4.10用戶(hù)權限管理
系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如配電回路名稱(chēng)修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
4.4.11通訊狀態(tài)圖
系統支持實(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構；可在線(xiàn)診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實(shí)時(shí)掌握現場(chǎng)各設備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。
4.4.12視頻監控
視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。
4.4.13用戶(hù)報告
用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進(jìn)行統計分析。
4.4.14 APP支持
電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。
4.5系統硬件配置清單
5結語(yǔ)
本文介紹的船舶電站電能管理系統可以實(shí)時(shí)監測 該港作拖輪的電力系統運行參數，適時(shí)進(jìn)行自動(dòng)起停機組、同步并車(chē)、輕車(chē)解列、自動(dòng)接脫排和發(fā)電模式 轉換等功能操作，對于控制命令和故障報警，響應迅速，控制狀態(tài)切換及時(shí)正確，達到了該船舶電站電能管理的設計要求和目的。
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