陈晓宁 王永珊 樊斌 祁江峰

摘要：基于我公司800t风电平台电力推进系统PMS设计实例，对PMS从系统功能、设计选型及实船应用等方面进行分析研究，总结PMS要点、设计思路及关键技术，为PMS设计研究提供参考。

关键词：电站管理系统（PMS）;设计;应用

中图分类号：U665.12                               文献标识码：A

Abstract： Based on the design example of the power management system （PMS） of 800t wind power platform electric propulsion system， the paper analyzes and studies PMS step by step from the aspects of system function， type selection and real ship application， summarize the key points， design ideas and key technologies of PMS.

Key words： Power management system（PMS）; Design; Application

1 前言

船舶電力系统作为船舶电力的心脏，在船舶设计中占据着重要的地位。近年来，船舶电站功率管理系统（PMS）以高科技、功能多样化、控制智能化、管理高效化为发展方向，采用现代控制系统配合复杂运算系统、网络化分布控制，使得PMS具有强大的功能和广阔的应用前景。

由于船舶电站功率管理系统（PMS）在船舶自动化应用中的巨大发展潜力，各发达国家都争先进行研究，不断开发新型控制技术，丰富船舶电站的功能。经过几十年的努力，很多产品取得了不错的应用效果。如康仕伯、西门子等公司的产品，基本实现了对船舶电力系统的集中管理、合理分配、信息共享、故障处理、在线监控，并且不断地将快速发展的信息技术融入其中，使得船舶电站越来越智能化、功能多样化。

2 PMS概述

电力推进船舶电力系统包含了由发电、配电及负荷分别组成的独立系统。随着船舶的大型化和自动化程度的不断提高，越来越多的船用设备需要用电能来驱动和控制，船舶电力系统复杂庞大。船舶电力系统要切实保证全船的用电需求，必须达到下列基本要求：

（1）安全：在电能的发送、分配和使用中，不发生人身事故和设备事故;

（2）可靠：满足电能用户对供电可靠性即连续供电的要求;

（3）优质：满足电能用户对电压和频率等质量的要求;

（4）经济：电力系统的投资省、运行费用低，并尽可能地节约电能。

对于PMS而言，其主要功能大致归类如下：

（1）发电管理：通过监测发电电压和频率对发电系统全面控制，包括对有功负荷和无功负荷分配进行监测和控制，根据负荷情况确定发电机的起动和停机。由于控制逻辑和联锁功能是电力系统配电板设计中的一个重要组成部分，这些系统的功能必须相互协调;

（2）负荷管理：对负荷功率进行监测，对其它系统的功率限制功能进行协调，根据对系统的可用功率的监测情况对高功耗设备进行功率限制和起动联锁保护;

（3）配电管理：对配电系统的配置和序列进行控制，配电系统的配置应满足船舶实际操作模式的要求。

3 PMS控制原理

电站自动化管理，包括：发电、配电、电能管理及驱动四个环节。其中，电力推进型船舶电站管理对动力的驱动是指对推进马达的电力驱动。

电力推进型船舶电站自动化系统，包括：配电板、发电机控制系统、功率管理系统及推进系统，其中通过配电板对船舶电能进行集中分配，合理分配船舶电站负荷，并且对船舶大功率负荷进行功率限制，保证电站供电质量。

PMS的基本控制功能，包括：发电机的自动启停、并车解列、失电恢复等。

（1）发电机的自动启停

发电机启动停止是船舶电站的最基本功能。由于传统手动控制无法精确满足启动条件，为了快速响应系统启动要求，PMS必须支持自启动功能，在电网有大功率波动时，自动响应。

（2）发电机的并网解列

发电机投入电网时必须判断并网条件，当待并发电机功率、电压、相位与在网发电机的参数完全一样时方可并网;当电站系统中的使用负载需求较大，且在网的发电机组功率不足时，PMS给待并发电机启动信号，根据待并发电机设定的优先级选择实现并网供电;当电站系统中的使用负载较小，PMS给在网发电机解列信号，根据优先级解列优先级最低发电机组。

（3）发电机的失电恢复

由于船舶电站容量较小，运营海况环境恶劣，船舶电站故障率较高，常见的故障有系统短路、过载等，发电机故障会导致船舶电站电力系统断电。为了避免系统出现故障导致意外的发生，必须第一时间恢复电力，并切除故障负载。PMS会启动所有正常的发电机组完成并网供电，并按照工作模式下负载优先级顺序起动，恢复相关系统的初始运行状态。

对于电力推进船舶的PMS，除了具备电站基本的控制功能之外，还需设置更多的功能，以确保船舶电力系统安全、可靠、优质和经济运行。总体控制框图，如图1所示：

4 PMS总体设计

电力推进船舶电站功率管理系统（PMS）的主要功能：保障船舶稳定可靠的电力供应，实现对系统高效快速稳定的自动控制，使船舶电力系统能完成各自工作任务;在系统故障时，能给出故障报警信号，为操作人员提供故障处理提示，记录历史故障信息以及处理方案以便船舶及时维护与故障处理。

PMS的设计分为下位机控制和上位机监控显示两个部分：下位机在电气连接基础上，实现对发电机组、负载、配电板各电气信号的检测;上位机通过友好的用户界面把电站系统信息传递给操作人员，操作人员结合工作需要在上位机发出指令，通过下位机的PLC程序实现控制过程。

4.1 系统结构选型设计

功率管理系统一般以PLC控制器为核心，在电气设备建立电气连接后，PLC获取系统硬件发电机、负载、电网总线信息，通过传感器将电气信号传输给PLC;PLC通过通信协议建立与上位机的通信，上位机监控系统运行，操作人员通过上位机给出的控制指令，调用相应模块PLC程序，實现对电气硬件的控制。

4.2 重要元器件选型

（1）电子调速器

PMS对调速器的调速性能要求非常高，因为模拟量调节信号容易受到电磁信号干扰的影响，所以PMS采用数字量信号进行速度控制时，要尽量选择性能较高的数字量调速器。

一般电力推进船舶的柴油机调速器具有ISO模式和DROOP模式：在ISO模式下，各并联发电机通过负载分配线进行有功负荷分配;而在DROOP模式下，由PMS执行并联发电机间有功功率的分配功能。在PMS中，DROOP模式一般被当成默认工作模式。

（2）负荷分配器

负荷分配器可以实现多机组的并网控制，具有发电机保护和监测及逻辑编程功能。当PMS选择运行在ISO模式或DROOP模式时，可以利用自带的发电保护及断路器控制功能实现PMS的监测和保护。

（3）控制系统

因PMS对浮点数及整数的运算量较大，通过系统的预估计算，选取运算速度能达到预设计要求的处理器，并且可以通过系统扩展设计保证系统的可靠性。

（4）变送器

PMS对每台发电机的控制参数实时性要求高，所以应选择响应时间尽量少的变送器，以能达到PMS的信号采样指标。

4.3 PMS主要功能设置

（1）系统功能设置

根据模块化设计思路，按照功能将系统划分为三大模块：电源模块、负载模块、报警模块（见图2）。

电源模块负责发动机的启停、并车解列、失电快速恢复;

负载模块控制负载的断开闭合、功率限制、重载询问;

报警模块反馈系统运行状况、异常时发出报警信号，提示故障解决方案。

（2）控制模式设置

PMS一般设置有三种控制模式：手动、半自动、自动。

（A）手动模式

发电机的起动、停止，发电机主开关的分合闸，以及调频调载由人工完成;

（B）半自动模式

发电机的起动、停止由人工手动完成。需要并车时，在触摸屏按主开关同步按钮，发并车命令给发电机并车保护模块PPU自动进行调频，满足并车条件后自动合闸进行调频调载;多台发电机并网，若轻载触摸屏发电机允许解列指示灯亮，在触摸屏按下主开关解列按钮发解列命令给发电机并车保护模块 PPU，发电机自动进行负载转移，负载转移完成后分闸;

（C）自动模式

发电机的起动、停止、并车、解列由功率管理系统自动完成。

4.4 系统硬件结构设计

（1）控制器的配置

目前现代工业设备中比较有代表性的控制方式，主要有：继电器控制系统、单片机控制系统、可编程序控制系统（PLC）、微型计算机系统等控制类型。

由于PLC控制系统拥有比其它控制系统更加强大的CPU控制芯片，系统可以集成多种外界设备，具有抗干扰能力强、可靠性高特点，并且目前PLC在软件方面的进步，使得PLC的应用带来更多的空间。因此，PLC控制器是船舶电站功率管理系统的良好选择。

（2）上位机的设计

上位机主要是给操作人提供监视控制船舶电站的窗口，把系统的信息集中呈现在操作人员面前，友好的人机界面方便用户处理。通过上位机，操作人员可以了解电站功率管理系统运行状况，并根据需要给出操作指令控制电站运行。上位机系统主要由服务器和PC计算机构成，上位机硬件配置根据系统设计需要，基于功能性、兼容性、性价比等因素综合考虑。

（3）总线选择

系统可以采取多种连网方式，一般采用的方案是：上位机之间通信以及与PLC采用工业以太网;PLC与各种电气设备之间采用现场总线通信（如PROFIBUS总线、CAN总线）。这主要是接口方式的原因，上位机直接通过网口就可以通信，而下位机与电气设备由于需要采集信号，而各种信号多种多样，现场总线正好满足这种需求。

4.5 系统软件算法设计

（1）电源模块软件设计

电源模块是PMS的动力所在，是船舶电站的心脏。电能的质量好坏在于电量的稳定，稳定的主要指标是电压、频率、波形。电源模块主要是实现发动机的启停、并车解列、失电时快速恢复。

电源模块总控制思路为：系统选择对应工作模式，调用该模式下的启动程序，查询待启动机组，检测待启动机组是否正常，正常则继续调用发电机启动模块，否则启动待用发电机;如果发电机组过剩，则计算过剩功率，然后计算待解列发电机台数，启动发电机解列模块：在电压模块异常时，调用报警模块启动相关报警。

（2）负载模块算法设计

船舶上大功率用电设备很多，由于船舶电站容量比较小，如果直接启动这些大功率设备可能出现过载现象，对电网的冲击相当大，所以系统中的重载询问设计尤为重要。当启动的用电设备功率超过发电机额定容量时，会给负载管理单元发送重载询问信号，接收到重载询问信号后进行剩余功率的计算环节;然后将剩余功率与要启动的大功率负载的额定功率进行比较，如果大于负载的额定功率则允许启动，如果小于负载的额定功率则判断是否有备用发电机组，如果有则进行备用发电机组自动启动、自动并车以及调频调载投入运行;之后再进行剩余功率计算，直到可以启动大负载设备;如果机组全部用完，则要进行报警并执行分级卸载操作。

（3）监控模块的设计

监控模块不仅可以提示系统故障，还会给出故障解决提示，以便操作人员可以查找故障原因，并记录故障发生的时间信息，待故障解决后，可以添加故障解决报告，以便下次故障时操作人员参考。

监控模块的具体功能有：实进监控、故障报警、故障检修提示、故障记录等。

5 PMS实船安装应用

以我公司承建的800t自升式风电安装平台PMS为例：

800t自升式风电安装平台配电板设计4台柴油发电机为全船负载进行供电， 4台发电机功率为：DG1、DG2、DG3各为1700kW， DG4为750kW。设置PMS一套，采用主从结构，用PLC作为控制主站，为每台发电机组设置一套PPU作为控制从站，在同步屏设置一套触摸屏作为人机界面，用于全船电力推进系统的控制、保护和监测。系统的硬件配置框图，如图3所示：

5.1 电站功能

配电板设置1个优先级选择旋钮：分别为1号、2号、3号、4号主发电机优先级;

配电板设置1个手动、1个半自动、1个自动选择旋钮。

（1）汇流排失电

若选为 1 号主发电机优先，自动起 1 号主发电机并网供电;若选为 2 号主发电机优先，自动起 2 号主发电机并网供电;依次类推。

（2）过载增机

（A）若G1过载（达到自身额定功率85%，延时15s），G2自动起动;若G2起动失败，G3自动起动;若G3起动失败，G4自动起动;

（B）若G2过载（达到自身额定功率85%，延时15s），G3自动起动;若G3起动失败，G1自动起动;若G1起动失败，G4自动起动;

（C）若G3过载（达到自身额定功率85%，延时 15s），G1自动起动;若G1起动失败，G2自动起动;若G2起动失败，G4自动起动。

（3）轻载减机

多台发电机并网运行轻载时，根据优先级解列中优先级最低发电机先解列原则（若G4停泊发电机在网，G4优先解列）。

（4）重载问询

发电机单机供电、双机供电、三机供电，重载问询，自动判断当前在网有功功率+重载功率是否大于在网总额定功率85%。

（A）若当前在网有功功率+重载功率大于在网总额定功率85%，自动增机，并网成功发送重载允许信号;

（B）若当前在网有功功率+重载功率小于在网总额定功率 85%，直接发送重载允许信号;

（C）G1、G2、G3、G4 四机供电，重载问询，直接发送重载起动允许信号;重载运行期间，不轻载减机。

（5）故障换机

（A）若G1供电，综合故障时，换G2供电;

（B）若G2供电，综合故障时，换G3供电;

（C）若G3供电，综合故障时，换G1供电;

（D）若G1、G2、G3 均综合故障时，换G4供电。

（6）主配发电机供电转换至应急配电板停泊模式供电

AC690V主配电板1台发电机供电，在AC400V配电板旋至遥控状态下，将模式开关旋至停泊模式，对应急发电机进行控制：当额定功率为750kW的DG4负载功率小于340kW 时，允许转换至应急发电机停泊模式。AC400V主配电板侧联络开关合闸，再合闸应急配电板联络开关，起动应急发电机，发半自动合闸命令至应急发电机PPU，应急发电机增速，将负载转移至应急发电机后，分 AC690/400V 变压器次级断路器。

（7）应急配电板停泊模式供电转至主配发电机供电

应急配电板停泊模式，应急发电机给 AC400V 主配电板供电，主配电板起动 DG4。合 DG4开关，合一个变压器初级，给变压器次级 PPU 发送半自动同步信号，合闸后应急发电机 PPU 发半自动解列信号，应急发电机分闸停机。

5.2实船安装

通过800t自升式风电平台PMS实船安装案例分析，PMS在实船安装时，除按照PMS基本功能设计外，还应根据船舶作业功能需求做特殊的考虑和设计：

（1）工况选择设置

对于作业工况比较简单的船舶，其PMS一般不会考虑工况选择功能，功率分配根据负荷状况进行电站的启动和负载解列等;但对于作业情况复杂的工程船，为了方便PMS的管理和船员操作，一般会考虑设置工况选择功能。由于800t风电平台的工况过多，如设置工况选择会让操作变得更为复杂，所以经过多重考虑，最终800t风电平台未设置工况选择。

（2）优先级设置

在PMS设计时，要考虑设计优先级设置功能，对发电机的优先级可以根据具体情况进行设置和改变。例如：800t风电平台配置4台发电机，当选择DG1发电机，则备用发电机分别为DG2、DG3、DG4;同理，当选择DG2发电机，则备用发电机分别为DG3、DG4、DG1。这样更有利于对发电机的管理和维护。

（3）MINIC图设置

每型船的电力系统配置都不尽相同，所以MINIC图的设计都是根据实船具体情况来设置，并适当考虑用户的操作习惯，主要考虑系统的功能信息、界面综合布置等内容。

6结束语

PMS作为船舶建造的核心技术，随着我国电气、电子、计算机信息化技术方面的高速发展，对船舶电站的发展起到了带动作用。加上在军民技术融合方面对高性能、高可靠、高智能化产品的需求，国内越来越多的科研单位加大了对船舶PMS的研究工作，并取得了一些可喜的成果。比如：上海船舶运输科学研究所、江苏常熟瑞特、镇江赛尔尼柯等，开发了船舶PMS。本文主要从船舶PMS的功能、原理、结构、设计选型等方面做了深入分析，并结合我司承建的800t自升式风电平台实船PMS設计和装船为案例，分析了PMS实船安装的设计要点，为船舶PMS的设计和安装提供参考。

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