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
0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。
1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
2 組成和功能
2.1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。
2.2主要功能
2.2.1 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)。
2.2.2 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)。
2.2.3 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。
2.2.4 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
3 系統(tǒng)的軟/硬件設(shè)計(jì)
3.1 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。
3.2 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
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。
4.2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)。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.4系統(tǒng)功能
4.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)人機(jī)界面友好,以配電一次圖的形式直觀顯示配電線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息,動(dòng)態(tài)監(jiān)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(hào)。
4.4.2電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表
系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能,用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來(lái)任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況,即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線(xiàn)用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)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(hù)計(jì)量體系的正確性。
4.4.3詳細(xì)電參量查詢(xún)
在配電一次圖中,當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí),鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?,鼠?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)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(shù)、正向有功電能,并可以查看24小時(shí)相電流趨勢(shì)曲線(xiàn)及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線(xiàn)。
4.4.4運(yùn)行報(bào)表
系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能,所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫(kù),在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數(shù)、時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數(shù)據(jù)等,并通過(guò)報(bào)表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào),支持導(dǎo)出Excel格式文件,還可以根據(jù)用戶(hù)要求導(dǎo)出PDF格式文件。
4.4.5變壓器運(yùn)行監(jiān)視
系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線(xiàn)、主變壓器、重要負(fù)荷出線(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視,用曲線(xiàn)顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì),分析變壓器負(fù)荷率及損耗,方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求,確保供電安全可靠。
4.4.6實(shí)時(shí)報(bào)警
系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能,系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位,保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報(bào)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(tǒng)能夠?qū)b信變位,保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理,方便用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯,查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、事故分析。
4.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè),運(yùn)行維護(hù)人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報(bào)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(yīng)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(jiān)測(cè)功能的電力儀表,不需要可刪除。
4.4.9遙控操作
系統(tǒng)支持對(duì)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能,對(duì)于每次遙控操作,系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄,記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測(cè)控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。
4.4.10用戶(hù)權(quán)限管理
系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)置了用戶(hù)權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如配電回路名稱(chēng)修改等)??梢远x不同級(jí)別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
4.4.11通訊狀態(tài)圖
系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);可在線(xiàn)診斷設(shè)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(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài),及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
4.4.12視頻監(jiān)控
視頻監(jiān)控展示了當(dāng)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(nèi)視頻信息。
4.4.13用戶(hù)報(bào)告
用戶(hù)報(bào)告頁(yè)面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
4.4.14 APP支持
電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“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(bào)警查詢(xún),設(shè)備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。
4.5系統(tǒng)硬件配置清單
5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。
【參考文獻(xiàn)】
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