电力推进船功率管理系统的功能与设计

电力推进船功率管理系统的功能与设计

阮昊

（西门子能源有限公司 上海 杨浦 200082）

摘 要：

随着电力推进船舶技术的发展，它的技术优势在船舶领域得到了广泛的认同，海洋工程船、豪华邮轮、科考船等大量使用电力推进方案，功率管理系统（Power Management System, PMS）在电推船配电系统中扮演着重要角色。本文详细介绍了电力推进船功率管理系统的基本功能，基于西门子功率管理系统解决方案，阐述了电力推进船舶功率管理系统的软件、硬件设计及功能实现。

关键词:电力推进船、功率管理系统，PLC控制，功能与设计

0. 引言

在现代电力推进船中，用电设备需求大，所需发电机的数量很多，对于电能的分配及发电机的管理提出了更高的要求。尤其是船级社规范要求动力定位等级为DP2和DP3的船舶必须配置功率管理系统，促使船舶功率管理系统（PMS）功能不断完善发展，在电推船管理系统中扮演着越来越重要的角色。世界各大船舶设备公司如西门子、ABB、康斯伯格都拥有非常成熟的电推船功率管理系统解决方案。西门子公司作为船舶行业电力推进系统的巨头，其功率管理系统广泛应用于各种电推船上，本文基于西门子功率管理系统，详细介绍电推船功率管理系统的功能，软件、硬件的设计开发。

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0. 船舶功率管理系统的功能

电力推进船舶上的用电设备多，功率需求大，主要用电设备有：主推进装置、侧推装置、日用负载、吊机、空压机等，通常电力推进船舶都会配四台及以上发电机，以满足全船的用电需求。

功率管理系统主要是用来管理发电、配电及负载，保障全船电网的用电安全，合理分配电能，减少电压波动和电网冲击。对于有动力定位等级的船舶，功率管理系统更是关系到船舶的安全。

功率管理系统主要有以下一些功能：

0. 1. 发电机及母联开关的控制

功率管理系统的控制功能通常分为半自动（Semi-Auto）和自动（Auto）模式,在半自动模式下，船员可以在通过点击触摸屏上的按钮对发电机及母联开关等进行操作。而在自动模式下，则无需船员操作，发电机及母联开关等设备将根据船上负载情况或相应报警信息自动启停或分合闸。

0. 2. 主发电机及母联开关自动同步

当主发电机开关或母联开关在功率管理系统触摸屏上点击合闸后，功率管理系统会将待并网发电机的频率与母排频率作比较，然后给柴油机发出加、减速命令，调节待并网发电机的频率，使其与母排频率的误差Δf小于设定值，则发电机开关将合闸并网。

0. 3. 根据负载的功率自动起动或停止发电机

船员首先在功率管理系统中设置自动起机和停机的功率值，在自动模式下，备用发电机将根据该设定值起机并网或分闸停机，这样能有效利用船上发电机，节省燃油消耗。

0. 4. 断电自动启动（Blackout Recovery）

为了避免全船失电对船舶运营和安全造成的影响，功率管理系统都具有断电自动启动功能。当船上最后一台发电机因故障突然分闸造成全船失电后，备用发电机要在船级社规定的时间内启动并网供电，通常要求断电45s内，主配电板恢复供电。

0. 5. 根据出现的故障起动、停发电机

当运行的发电机出现故障报警时，功率管理系统将根据故障类型选择立即停机（Shutdown）或等待备用机合闸并网后，再停止该发电机（Delay Stop）。这样可以最大程度的保证发电机及电网的安全。

1.6重载问询功能

船上有一些大功率设备如吊机、压载泵及非变频控制的大功率电机，当它们需要启动时，需首先发出启动问询信号至功率管理系统是否允许启动，功率管理系统将判断剩余可用功率是否足够，如果可用功率不足，将会自动启动备用发电机组，增加可用功率。当可用功率足够了，将给问询设备发出允许启动的信号，重载设备再将运行信号反馈给功率管理系统，则一个问询周期结束。重载问询功能可有效避免大功率设备突然使用，造成在网发电机功率负荷过大而跳闸。

1. 7. 电气设备的分级卸载

当船舶上用电设备功率突然增加，而船上无备用发电机可以启动或备用发电机来不及启动，导致在网发电机负荷超过一定设定值，为保护发电机及重要设备用电，将会分级把一些非重要负载如厨房设备、辅助系统等从电网上脱扣。通常在功率管理系统中非重要负载脱扣功能，会分成2-3级，优先脱扣重要性最低的设备。

2. 电推船功率管理系统的硬件及网络架构

   7. 电推船功率管理系统的硬件

要实现电推船功率管理系统的功能，通常都需要PLC处理单元、采集模块、操作屏等硬件设备，以西门子电推船功率管理系统为例，它的主要硬件组成如表1：

序号	设备名称	备注
1	PLC	S7-400 CPU
2	操作屏	西门子MP377触摸屏
3	信号采集单元	ET200S采集模块
4	开关保护单元	西门子Siprotec综保装置
5	交换机	工业以太网交换机

表1：功率管理系统主要设备

西门子功率管理系统中央控制站使用的是SIMATIC S410-5H冗余CPU,其配备2个S7-410 控制器，可通过2根冗余的光纤热备运行以及实时数据同步，一旦主用可编程逻辑控制器出现故障，备用可编程逻辑控制器将被自动切换成主用控制器。控制器的切换时间小于100毫秒。完全满足船级社动力定位等级DP2和DP3的要求。

信号采集单元使用的是西门子ET200S采集模块，每一个发电机组及每一个母联开关都配有一套ET200S站，用于信号数据的采集及命令的发出。

西门子功率管理系统使用Siprotec多功能保护继电器对主发电机提供短路/过电流保护、热过载/过电流保护、逆功率保护、低/过频保护、低/过压保护、差动保护等保护功能。

1. 7. 电推船功率管理系统的网络架构

西门子功率管理系统网络架构中最底层的采集分站采用Profibu DP协议与冗余PLC进行通讯，通讯电缆使用的是冗余双光纤环网，最大传输速率可达100M，单点故障将不会影响到系统的正常运行，有效的保障了系统的冗余性和安全性。

上层交换机主要用于操作屏访问PLC数据，交换机采用光纤网络通讯，最大传输速率可达1000M，同时也可以将功率管理系统数据传输给船上的监测报警系统。

图1是西门子电推船功率管理系统的网络结构图。

图1 电推船功率管理系统网络图

3. 电推船功率管理系统的软件设计

西门子电推船功率管理系统软件使用的是Simatic Step7编程软件，Step7软件是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件。在功率管理系统中STEP7软件用于S7-400CPU的组态及功能块、数据块的设计及程序的编写。

在功率管理系统软件中发电机和母联，使用的是西门子功率管理系统软件库（ESM库）中的标准CFC程序块，这些CFC程序已经将一些基本功能集成在里面，如图2所示，每个发电机或母联都一样，编程者可选用需要的外部接口进行连接，及调整相应参数设置，使用起来比较直观。

如果需要额外功能，也可以直接调用软件库中的相应的功能块（FB块）来实现逻辑功能。

图2 Step7软件的CFC程序

4. 电推船功率管理系统可视化操作画面

西门子电推船功率管理系统具备两层可视化界面，用于主要参数及报警的显示，船员的操作及设置。

• 多功能电子式保护继电器可视化界面

第一层：在安装在主配电板上的发电机屏、母联屏上的多功能电子式保护继电器实现。在多功能电子式保护继电器SIPROTEC单元上的液晶显示窗口上显示发电机及母联的主要运行参数，同时组合在多功能电子式保护继电器SIPROTEC面板上的功能键可以用于发电机开关的控制功能。

• 主配电板间触摸屏可视化界面

第二层：在安装在主配电板间的触摸屏上实现。西门子电推船功率管理系统使用的是MP377 15英寸触摸屏，该屏用西门子Simatic Wincc Flexible软件进行画面设计，发电机、母联开关等都是模块化标准设计，使得操作和使用都很便捷直观，功率管理系统触摸屏操作界面见图3。

触摸屏通过以太网线直接连接到功率管理系统的可编程控制器CPU，可以显示整个功率管理系统的运行状态和参数，同时可以执行系统的遥控功能， 也可以修改系统设定参数。

图3 电推船功率管理系统触摸屏操作界面

5. 结语

电力推进船功率管理系统为全船电网集中控制和发电设备的管理提供了一套综合解决方案，极大的保障了船舶电网的安全和用电设备的平稳运行，减少了船舶的燃油消耗。随着现在船舶电力技术的发展，电池技术、直流解决方案也开始在一些新型电推船舶上应用，功率管理系统技术同样也在不断发展以适应各种电力解决方案，始终是船舶电力管理上的重要一环。

参考文献

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