功率管理技术在舰船电力推进中的应用

刘建波 张浩

（1. 海军驻上海地区舰炮系统军事代表室，上海 200135；2. 中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

20世纪 90年代以来，电力推进方式相比传统机械式推进以其操纵性好、舱室布置灵活、运行经济性高、安静性较好等诸多的优势在舰船推进领域内得到了越来越广泛的应用。如：英国从混合动力推进的 23型护卫舰到现在全电力推进的45型驱逐舰、美国未来的DDG1000驱逐舰计划等。由于舰船的推进功率较大以及高性能脉冲舰载武器的出现，造成舰船电力系统的容量逐渐变大、负荷变化性不断提高。普通意义上的船舶自动电站技术根本不能满足舰船电力推进系统控制运行的要求。因此，国外专家率先提出并实现了基于信息化、智能化、网络化的舰船功率管理系统（Power Management System, 简称PMS），它能优化舰船电力系统的经济性、可靠性、稳定性，同时能够综合考虑全船发电机组、输配电保护、推进系统监测报警、用电设备监控管理等[1，3]。因此，舰船功率管理技术成为了未来舰船电力推进系统的核心技术之一。

2 功率管理技术国内外现状

目前，国外PMS技术发展领先，各大公司相继推出了基于计算机网络的分布式PMS产品。这些产品已经以其稳定可靠的性能成功应用于各类电力推进舰船。如：SIEMENS公司的 PMA300系列、DELF的DM-4系列、MARORKA的Maren2系列、KONGSBERG的K-Chief500系列等。

在国内，中船重工武汉船用电力推进装置研究所、上海船舶运输科学研究所、哈尔滨工程大学、上海海事大学等单位在舰船功率管理技术做出了相当理论研究。自2007年以来中船重工武汉船用电力推进装置研究所在国内自主集成设计的10余艘电力推进军民船舶上开始应用自行设计的国产PMS产品。经过几年来实船的验证，国产PMS产品性能稳定，达到了国外同类产品的技术水平。

3 功率管理系统的结构

舰船PMS是一个包含：传感与变送、计算机与网络、控制与调节、信息处理与显示、系统决策与管理的综合性系统，也是一个能量控制系统：能够实现电能的管理、失电保护、燃油优化、推进装置以及其它负荷的功率控制。具体在舰船电力推进系统中，它对电力推进系统的各组成设备实施实时控制、有效故障诊断与保护、自动协调发电机组和电力推进功率、系统设备的运行参数、记录系统故障事件信息、并自动生成各种工况报表。

通常舰船PMS主要由以下四部分组成：发电机控制模块（GCM）、中央处理PLC（S7-300）、现地控制子站（ET200M）、带触摸屏的图形终端（HMI），如下图1所示。中央处理PLC与GCM、ET200M之间的内部通讯采用Profibus-DP总线协议，并利用光纤做传输介质，很容易实现内部几台发电机组的分布式控制。其中，GCM是 PMS的核心部件之一，它能控制和监视所有发电机组的本地运行参数、接收/执行指令。其基本的功能包括：发电机的电压调节、发电机组与母线的动态同步、机组频率控制、负载控制、发电机监视和保护[2]。

图1 功率管理系统基本结构组成图

4 功率管理系统的功能

在舰船电力系统中，舰船的过程自动化系统、动力定位（Dynamic Positioning ，简称 DP）系统以及自动化系统的其它部件，都控制着电力系统的各自部分。但所有安装的电力设备的相互作用的结合点就是配电系统。作为一个能量管理系统，PMS监视和全盘控制着配电系统的功能，因而它是全船电力自动化和DP系统的基础。

PMS根据负载的实时功率需求和电网的运行状况对每台柴油发电机组进行监控并协调各台柴油发电机组的工作，动态调整对机组的控制指令，对供电分系统进行故障报警和处理，为电力推进系统及其他用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源。在供电分系统出现故障时，功率管理系统能采取相应的措施，尽可能保证对负载的连续供电，避免电站断电以确保船舶的安全性。该系统的主要功能如下[3]：

4.1 机组的自动启动

供电系统在网机组功率总和达到90%额定功率总和，此时储备功率不足，备用机组应自动启动。备用机组的优先顺序可人工设定。启动成功达到投网电压后自动投入的时间小于30s。

当在网运行机组因柴油机报警（二类故障）时，经延时后能自动启动备用机组，备用机组并入电网成功后，逐步卸去故障机组负荷并对故障机组发出停机指令，并发出报警信号。

当在网运行机组因柴油机故障（一类故障）时，能自动启动备用机组，并发出报警信号。

机组启动指令的发出不超过三次，具有三次启动失败报警功能。当PMS收到一套机组启动失败信息后，则能自动将启动指令转至下一套备用机组，并发出报警信号。

能对每套机组的自动启动予以闭锁，以便能安全地进行维修。

4.2 机组投入和并联运行

母线无电时，待用机组在达到一定电压和频率后立即投入。母线有电时，待并机组可自动同步，自动合闸。同时，设计有预防措施，以避免两个或两个以上发电机组开关同时合闸。

自动并联后，具有有功功率自动分配功能。在机组正常工作时，保证任意发电机组长期并联运行。当总负荷率在 20%～100%和功率因数在0.6～0.9（滞后）范围变化时，保证有功功率分配差度不大于5%（相同功率机组）或10%（不同功率机组的小机组），无功功率分配差度不大于 10%。

机组投入运行后，频率调节精度为 50±0.5 Hz。

当电网出现短路故障而造成在网发电机主开关脱扣时，在人工应答复位前防止各发电机组开关重新合闸。

自动并车主要技术指标：合闸频差可调范围为：±0.1～0.5 Hz；合闸电压差: ≤5% UN（可调）；允许合闸相角差: 0～10°（可调）。

4.3 机组的解列和停机

若指定机组解列后，其实时功率小于60%的可用功率时，则指定机组自动解列、停机。

在解列过程中，除严重故障之外，均能平滑地自动转移负荷。当解列发电机组经负荷转移后，负荷率低于10%，电流不超过30% In时，发出分闸指令。

机组发生超速或滑油失压等严重故障时，使故障机组紧急停机，并启动备用机组投入。

当负荷减少而自动减机时，在网机组按指令设定的顺序减少机组。

被解列的发电机组在分断发电机主断路器并空载运行3 min后，按规定程序发出停机指令。若发出停机指令15 s后，柴油机仍未停机，发出停机失败报警。

4.4 发电机组起、停序列设定功能

通过母联屏触摸屏可设定供电系统各发电机组的自动启、停的优先级并可在人机界面上修改。

4.5 跨接开关控制及联锁功能

对各区跨接开关实行指定自动合、分闸控制功能，并实现各区双跨接线下跨接开关之间的联锁保护功能。

母线开关实行自动合、分功能，并带有联锁保护功能；对船电、岸电的不停电切换功能。

4.6 重载询问功能

在启动大容量的用电设备之前（如主推进装置）用电设备应先向 PMS发出启动请求，PMS会根据机组在网情况，判断是否能满足它们的用电和起动要求，若能够满足时，则发出启动允许信号，允许启动；若不能满足时，则应在一台备用发电机组启动、并网且在网机组功率贮备足够时，才发出启动允许，允许它们投入电网用电。

若PMS处于具有自动增机功能的模式时，则在进行重载询问判断电站现时供电发电机的功率贮备是否能满足大容量用电设备的用电要求时，应使大容量用电设备起用后的电站总负载量不超过重载判断条件中的临界值。在无备用发电机组可用的情况下，不得发出启动允许。

4.7 分级自动卸载功能

当电网在线负载的总用电量超过供电发电机的额定输出能力，并持续一定的时间之后，应能自动将在线负载中的次要负载以一级或分作几级的方式从电网分断，以确保对重要负载的连续供电。

4.8 其它保护功能

系统中低压回路的过载、短路及绝缘监测等保护功能。

4.9 功率限制功能

对主推进装置运行过程中，负荷增加达到供电系统设定要求时，实现功率限制。

4.10 供电的平衡性

在分区供电时，主要设备可根据左、右舷电能的配置状态，自动选择其供电电源，从而使电能分配合理、平衡。

4.11 人机界面监测功能

对电力系统重要参数的实时监控是实现PMS功能的前提保障。PMS可以根据电网的运行状况、每套发电机组的运行情况，动态调整对机组的控制指令。主要有以下功能：

彩色人机界面的动态显示：在母联屏 OP人机界面上动态实时监测柴油发电机组的运行状态、母线的运行状态、电能分配状况等，同时可以在线修改PMS设置参数；

报警功能：对柴油发电机组进行动态实时故障报警监测，并对故障进行相应的处理；

图形显示：以动态图形显示电站系统，当情况异常时，予以变色或闪动；

页面显示：含参数页、报警页；

报警窗口：当有报警时，弹出当前的报警信息小窗口。

5 功率限制和功率保护

舰船电力推进中，螺旋桨负载一般是整个电力系统中最大的负荷。在恶劣海况航行中，螺旋桨负载可能突然在 10%～100%的负荷率下变动工作。这样可能造成在网发电机组的瞬时过功率运行，这种状态的反复出现可能引起整个舰船电网的崩溃。同时，系统正常满负荷运行过程中某1台或几台发电机组突然的非正常脱扣也会造成系统瞬时运行在过负荷状态。这种状态同样会造成整个舰船电力系统的崩溃。因此，PMS在舰船电力推进中的一个关键的技术就是推进功率的限制和保护。

目前一种基于事件算法的 PMS功率限制和保护方法在 ABB等国外大公司中开始应用。其通过配电板现地子站采集的发电机断路器状态量和中央处理 PLC采集系统各点后的计算量相结合，通过硬线和光纤网络的方法，快速实现推进功率的限制与保护[4]。如图2所示。

图2 基于事件算法的PMS功率限制和保护

采用这种断路器状态和系统算法相结合的复合方法后，能够将利用变频器的快速响应性在500 ms至 1000 ms以内快速限制推进负载的功率，并迅速起到整个保护整个电网安全的目的。

6 结束语

PMS实质是一个以能量优化为目标的一个综合控制系统，是未来舰船全综合电力推进系统的一个关键子系统。随着未来大功率推进器和高能武器的使用，PMS还存在面对燃气轮机、燃料电池等新型混合原动力的条件下，如何增强电网系统在抗打击能力和重构能力下的稳定可靠性，功率优化配置的合理性等诸多问题。因此，还要对PMS系统的组成、结构、算法进入更深一步的研究。

[1] 管洋,戚正伟. ReWorks嵌入式操作系统在船舶 PMS上的应用[J]. 船舶工程, 2010（1）, 37-41.

[2] 查辅江. 基于 PLC的船舶电站控制系统设计与应用[J]. 造船技术, 2008（4）, 27-29.

[3] 徐永法等. 船舶能量管理系统 PMS研究[J]. 中国航海, 2005（3）, 78-81.

[4] Damir Radan. Integrated control of marine electrical power systems, THESES FOR THE DEGREE OF PHILOSOPHIAE DOCTOR, Department of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology, 2008.