淺談電能管理系統(tǒng)在混合動力港拖輪中的應用

時間：2023-04-10作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：96

楊翠
安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801


摘要：隨著現(xiàn)代造船技術(shù)的發(fā)展，船舶對電能管理系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性要求越來越高，因此船舶電站的控制、監(jiān)視和管理的重要性越來越**。根據(jù)油 電混合動力港作拖輪 電能管理系統(tǒng)的特 點，對該船電力系統(tǒng)的組成和功能要求進行分析，在此基礎(chǔ)上，對該船電能管理系統(tǒng)進行了詳細設計。本船以西門子s71200型號PLC作為**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備，它可以集中、控制、分配發(fā)電機組產(chǎn)生的電能并實現(xiàn)對用電設備的管理，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)以柴油機為原動機，以柴油為主燃料，柴油機拖動發(fā)電機發(fā)電，把動能轉(zhuǎn)換成電能，從而為系統(tǒng)電網(wǎng)供電。這是一種起動* 、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(tǒng)由主機通過軸系驅(qū)動船舶發(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(tǒng)可以降低燃油消耗量 ，減少昂貴的輕柴油消耗，降低維修費用并延長維修周期。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，軸帶發(fā)電裝置的這些優(yōu)越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(tǒng)的研究和應用**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(tǒng)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(tǒng)，船速是通過改變主機轉(zhuǎn)速來控制的，因此主機轉(zhuǎn)速時刻變化，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(tǒng)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(tǒng)起動時，或者需要負載轉(zhuǎn)移的情況下，才會出現(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)位于室，主要由SIEMENSS7-1200PLC電能管系統(tǒng)主控站、北爾電子X2 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；觸摸屏是人機交互界面，它的作用是數(shù)據(jù)交換和監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示；PC機是一個工程師接口，它的作用是對系統(tǒng)中的PLC和HMI程序進行編寫與優(yōu)化。PLC、HMI與PC之間通過MOXA8換機連接。
每套柴油發(fā)電機組配一套PPU，PPU過485串口通訊總線將發(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(tǒng)主控站，由主控站完成電能管理系統(tǒng)的主要功能，并在觸摸屏上進行工況顯示。
觸摸顯示屏選用北爾電子X2 marine，可以顯示該船舶電站各發(fā)電機組的運行參數(shù)、運 行狀態(tài)以及故障情況，還可以通過觸摸屏手動控制機組的起動、停車、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)具有手動和自動2種控制模式。手動模式是指通過觸摸屏手動控制發(fā)電機組的起動、停車、合閘、分閘、同步、解列等操作。自動模式是電能管理系統(tǒng)程序根據(jù)電 負載情況，自動確定投入并網(wǎng)運行的發(fā)電機組數(shù)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，電能管理系統(tǒng)軟件會自動相應增減在網(wǎng)機組。增減機組依據(jù)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(nèi)。
恒定平均功率原則是指預先設定增加或減少運行機組數(shù)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)時增機，小于25％Pe時減機。
 
2.2.2 **級管理
            電能管理系統(tǒng)用改定**絨的方法來管理柴油發(fā)電機組的起／停順序，并且支持在線修改機組的**級。通過事先對柴油發(fā)電機組起／停的**級設定，充分保證了各機組的有序起動，避免2臺及以以上機組同時起動并網(wǎng)，提高了機組有效利用率和并網(wǎng)的安全性。當柴油機起動成功之后，可以自動并網(wǎng)合閘。當電能管理系統(tǒng)收到機組故障信號或輕車運行時，可以按照**級自動對機組解列／停車。
 
2.2.3 功率限制與負載分段
       當電動機預作為主推進系統(tǒng)時，電動機起動前，需向電能管理系統(tǒng)發(fā)出重載請求，電能管理系統(tǒng)將起動所有柴油發(fā)電機組，然后檢測在網(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)對電動機發(fā)出起動允許和功率限制比例信號。如果，在網(wǎng)功率太小，無法滿足電動機耗能需求，電能管理系統(tǒng)將不允許軸帶電動機起動。
       電能管理系統(tǒng)將船上各類負載按照主次順序進行分級。當某臺柴油發(fā)電機組發(fā)生故障時，需要對故障機組解列，導致在網(wǎng)供能減少，需對在網(wǎng)用電設備進行功率限制。同時，電能管理系統(tǒng)將按照負載**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(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)電機組的工作狀態(tài)及螢要參數(shù)值的報警信息，如圖2所示。觸摸屏主要有以下功能：
      1)彩色動態(tài)顯示功能，觸摸屏上動態(tài)實時監(jiān)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(shù)進行動態(tài)實時故障報警監(jiān)測，當故障發(fā)生時可以發(fā)出警報聲音。


圖2 電能管理系統(tǒng)報警頁面
 
3 系統(tǒng)的軟/硬件設計 
3.1 硬件設計
      考慮到船舶電站實際運行時所處的惡劣工作環(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。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**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，完成對電站發(fā)電系統(tǒng)管理的功能。S7-1200 PLC功能可靠、價格實惠，具有靈活的可擴展性，代表了未來小型PLC的發(fā)展方向，自動化新潮流。
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，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)軟件進行組態(tài)和編程，組態(tài)軟件支持梯形圖和SCL編程語言。 SCL語言類似C語言，本系統(tǒng)PLC程序主要使用SCL編程語言。該船舶電能管理系統(tǒng)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，電能管理系統(tǒng)只要按照基本功能滿足電網(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(zhuǎn)換時，情況變得有些復雜。為保在發(fā)電模式轉(zhuǎn)換過程中，電網(wǎng)和用電設備平穩(wěn)過渡，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
     用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：**的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統(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對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計，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用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。
4.2應用場所
    （1）辦公（商務辦公、大型公共建筑等）；
    （2）商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)建筑等）；
    （3）旅游建筑（賓館飯店、場所等）；
    （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）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)


 
4.4系統(tǒng)功能
4.4.1實時監(jiān)測
     系統(tǒng)人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。


 
4.4.2電能統(tǒng)計報表
      系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)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
     在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中危髽藛螕艨刹榭丛摶芈吩敿氹妳⒘?，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。





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