陈伟勇

（中国船级社实业公司， 广州 510250）

1 前言

14 000 kW 大型巡航救助船，主要任务是履行对海上遇险人员、船舶和航空器的搜寻救助，参与全球海上搜救和国际救援行动，配合维护国家海洋权益的职责。同时，具备一定的深远海遇险船舶拖曳救助、对外消防灭火、应急抢险救助、深水扫测、援潜救生、水下救助打捞的能力。作为救助船队的指挥中枢、配合维护国家海洋权益的深远海重要装备,对船舶的动力装置的操纵性和船舶电站的可靠性提出了较高的要求。

2 柴电混合动力推进系统的构成

本船为柴电混合动力推进船，主推进装置由两台主柴油机和电动机经减速齿轮箱共同驱动的带导流罩调距螺旋桨组成。

本船设2 台主机，采用四冲程、直列、不可逆转、中速船用柴油机。每台主机最大持续功率（MCR）为7 200 kW、额定转速600 r/min；自由端驱动一台轴带发电机，额定功率4 500 kW；飞轮端通过高弹性联轴节经过一段高速轴同主推进齿轮箱连接；2 台主推进齿轮箱，采用双进单出形式，输入轴与主推输出轴水平偏心的设计方案。除主机输入外，另设2 台通过离合器与主推进齿轮箱连接、变频驱动、额定功率为3 800 kW、转速0-750 /1 200 r/min 的电动机输入端；在主推进齿轮箱的两个输入端均设有离合器,可以使主推进装置实现仅由主机驱动的纯机械推进模式，又可以由主机和电动机联合驱动的混合推进模式，以及仅由电动机驱动的纯电力推进模式。三种主推进装置模式可任意切换,确保主推进装置的平稳运行。

本船首部设有2 台1 500 kW 首侧推、1 台2 000 kW 伸缩式全回转推进器 、尾部设有两台2 000 kW 尾侧推。侧推和伸缩推均由变频器驱动。

本船设有4 台四冲程、直列、不可逆转、中速船用柴油机，经过高弹性联轴节。驱动双轴承、无刷、自激励、同步交流发电机的辅柴油发电机组。其中，2 台柴油发电机组额定功率为3 000 kW、转速1 000 r/min。自由端通过高弹和增速齿轮箱，分别驱动1 台对外消防泵，增速齿轮箱内设置离合器；另外2 台额定功率为2 000 kW、转速1 000 r/min；设有3 台额定功率为760 kW、转速1 000 r/min的停泊柴油发电机组；另外，还设有1 台额定功率为450 kW、转速1 500 r/min 的应急柴油发电机组。

全船共设有3个机舱，即前机舱、左机舱和右机舱。机舱与机舱之间设有水密和A60 防火分隔，形成3 个冗余分组：前机舱冗余分组，包括2 台3 000 kW 辅柴油发电机组和3 台760 kW 停泊发电机组，并联运行形成前机舱电站，供电给伸缩推进器等； 左机舱冗余分组，包括1 台4 500 kW 轴带发电机和1 台2 000 kW 辅柴油发电机组，并联运行形成左机舱电站，供电给前首侧推、前尾侧推和左可调桨驱动电动机等； 右机舱冗余分组，包括1 台4 500 kW 轴带发电机和1 台2 000 kW 辅柴油发电机组，并联运行形成右机舱电站，供电给后首侧推、后尾侧推和右可调桨驱动电动机等；在DP-3 工况下，三个冗余分组完全物理隔离，形成3 个相互独立的冗余系统，任何一个冗余分组完全失去，均能保证本船所需的动力定位能力。

3 电站功率管理系统（PMS）的设备组成

本船采用西门子公司提供的完全热冗余的电站功率管理系统（PMS），满足 CCS 船级社和船东对本船在DP-3 工况闭合 AC6 600 V 主配电板母联开关运行的要求。 PMS 能独立地在电网中控制和管理发电设备，保障所有操作状态中不中断供电，为用电设备提供足够的电能；同时，还能根据需要进一步优化利用能源，确保主发电机运行长时间处在经济工况，提高船舶的运营经济效益。

电站功率管理系统（PMS）主要由控制单元、显示单元、操作单元组成，见图 1 所示。

图1 船舶电站功率管理系统（PMS）图

3.1 PMS 的控制单元

PMS 的控制单元，主要由中央控制站和分站控制站组成：

（1）中央控制站

采用一对西门子 SIMATIC S7 410H (CPU_A/B) 可编程控制器系统。在两个冗余的中央控制站(CPU_A/B)之间对电站的运行参数执行同步运行,每个CPU 模块配备两个冗余的通讯接口，采用两根冗余的光纤数据线在两个冗余的CPU 之间实时数据传输。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自动切换成主用控制器，控制器的切换时间小于100毫秒。在控制器切换期间，PMS 将维持安全运行,不会对正在执行的功能做任何改变。

数据传输采用两根冗余的以太网光纤电缆，把PMS 的冗余中央控制器连接到西门子自动化系统(VMS)的服务器上，船舶操作人员可以在VMS 的工作站对电站系统实施遥控操作。

（2）分站控制站

采用A、B 两个型号的分站。A 型号分站为发电机母联联络分站(即用发电机与母联之间的联络，也称为 bus-coupling 站)；B 型号分站为母联连接分站(即用于两个配电板之间的母联联络，也称为bus-tie 站)。每个分站和一对冗余中央控制站之间的通讯是通过两根冗余光纤来实现的，且相互热备用。

3.2 PMS 的显示单元

一般情况下，PMS 显示单元只在每台发电机上设有独立的显示单元，安装在配电板上，显示发电机的参数（包括：有用功率、无用功率、三相电压、电流、频率以及单相电压、电流等）。

本船PMS 设计为三层可视化界面，即三层人机界面：第一层为多功能电子式保护继电器可视化界面，由安装在中压配电板发电机屏、母联屏上的多功能电子式保护继电器实现，在继电器SIPROTEC 单元上的液晶显示窗口显示所有的发电机运行参数，并且在继电器 SIPROTEC 面板上的功能键也有控制功能；第二层为AC6 600 V 主配电板室控制站可视化界面，安装在中压配电板室控制站的控制台上。操作面板通过网络线直接连接到可编程控制器上，显示PMS 的运行状态和参数，可以执行系统的遥控功能，也可以修改电站的设定参数；第三层为全集成自动化系统工作站可视化界面，可视化通过全集成的自动化系统工作站来实现。在每台工作站上，均可以显示整个PMS 的运行状态和系统参数，可以执行系统的遥控功能，也可以修改电站的设定参数。

3.3 PMS 的操作单元

PMS 设有手动、半自动和全自动三种工作模式：

（1）手动工作模式

发电机组的起动和停止可以在原动机的本地控制箱或主配电板上操作。本地控制模式不通过PMS 执行，由独立的控制部件实现。

（2）半自动模式

需在PMS 的操作面板上对主发电机起动或停止进行操作。发电机起动后处于空载运行状态，不会自动执行与母排同步的操作，只有在操作人员给出合闸指令后，空载运行的发电机才会投入与母排进行自动同步且合闸运行；同样，只有在操作人员给出分闸指令后，运行在母排上的发电机才会投入自动卸载且分闸运行。如果只有一台发电机在母排上运行，该发电机的断路器不能从PMS 控制站直接分闸，以免造成母排失电，分闸必须到本地转为手动模式。半自动模式下，PMS 的自动化功能将全部被封锁。但是，在所有的操作模式下，发电机的保护功能均起作用。例如警报起动、延时停机和自动停机功能始终发挥作用。

（3）全自动工作模式

发电机将自动起动或停止：发电机起动后，将自动投入同步和合闸运行；在发出停止指令后，发电机将自动执行卸载、分闸和停机运行程序；船舶电站的所有自动化功能，都由PMS 来实现。

4 PMS 的控制功能及对故障的处理

PMS 的基本功能，是实现对发电机组和配电系统的电压、频率和有功功率分配以及卸载等进行控制。船舶自动化系统(VMS)通过双冗余网络与 PMS 系统互联，PMS 系统的所有功能都可以在VMS 人机界面上实现，相关信息也可在DP 系统人机界面显示。

在正常操作模式下，分段汇流母线排HSB1、HSB2、HSB3 互联形成一个单母线系统，以实现发电机最高效率运行；在DP-3 操作工况下，HSB1、HSB2、HSB3 则分开单独运行，相互热备用。所有发电机组均可以并联运行。

（1）PMS 可以监测所有断路器的位置状态，以决定哪些发电机并网；也可以决定 HSB1、HSB2、HSB3是并联运行还是分别独立运行；

（2）PMS 所有控制功能均能自动适应各断路器状态相对应的操作模式，能检测HSB1、HSB2、HSB3 和ASB1、ASB2、ASB3 上有关断路器的状态；

（3）当PMS 发生故障时，不会向系统外发出错误的指令信号；

（4）在AC6 600 V 汇流母线排HSB 上设有手动/自动选择开关：手动位置时，在HSB 上控制发电机组；自动控制位置时，由PMS 控制发电机速度和负荷； 控制位置转换时，在PMS 和VMS 人机界面上有声光报警指示信号；

（5）PMS在任何时刻只在一个控制位置进行操作，即当对某一设备进行操纵时，自动将其它工作站上的相应设备的操作功能进行联锁；

（6）PMS 具有对电力系统进行监测、报警、动态短路分析和控制（频率、防断电）及发电机有功功率分配的能力；具有根据负载功率自动起动或停止主发电机，或根据出现的系统故障起动或停止发电机的能力；具有主发电机的自动同步、母联开关的自动同步、重载起动、自动功率储备等能力；具有发电机在特定操作模式下根据所需功率进行自动或手动停止的能力；具有电网失电恢复供电后，重要负载自动顺序启动等对船舶电站功率管理的能力和对电站故障处理的能力。例如：当一台发电机突然故障导致在线的其它发电机组过载、一个机舱发生故障导致另一个机舱发电机组过载、一个高压配电板发生故障导致其它高压配电板和与其相联的发电机组过载、一个低压配电板发生故障导致其它高压配电板和与其相联的发电机组过载、系统低频的情况下，PMS 与发电机保护系统（GPA）相互配合，对发电机、配电系统进行多方面的保护，具备防断电功能；在DP 系统、起重机系统、拖缆机系统所要求的三种操作模式需求下，DP 控制系统优先级高于其它系统，通过卸载优先级，设定卸载次序；如果由于断开高压发电机或发电机组故障导致在线发电机容量下降，PMS 将重新计算电网容量，自动卸除在特定操作模式下一些非重要的设备，起动在备用状态的主发电机组；如果没有备用发电机组，会按预先设定的优先级自主卸除一些非重要负荷，也可以通过发电机GPA 对推进器功率进行限制，从而提高船舶电站的防断电能力和故障处理能力；

（7）在正常情况（即恒频模式）下，由于负载的有功功率自动分配由柴油机的电子调速器实现，当PMS 系统内发生主控制器失电或通讯中断等故障时，不会发生发电机跳闸停机故障，只是PMS 系统暂时损失部分功能；同时还具有当柴油机的电子调速器出现故障时，恒频模式将自动切换到发电机的下垂模式能力，进而从多方面增加了船舶电站的供电可靠性；

（8）PMS 还具有电气安全联锁、连续对系统的故障进行自诊断、与船舶自动化系统、DP 系统、推进器系统相互数据传输，在自动化控制系统（VMS）上进行控制操作能力。

5 结论

综上所述，本船采用西门子新一代一对SIMATIC S7 410H (CPU_A/B) 可编程控制器系统，作为核心主控制单元和多个分站控制单元相互结合组成的PMS，通过对电站各种运行工况的实时在线监测、全面综合分析、逻辑预判断，实现船舶电站从发电机发电、负载用电、配电板配电到电力优化的全过程进行综合自动化管理。为了确保船舶电站PMS 运行的可靠性和经济性，还采用了热冗余技术，并结合在DP3 工况闭合AC6 600 V 主配电板母联开关运行的要求下,进行了完全热冗余PMS 设计，对进一步提高船舶电站的防断电能力和故障处理的能力提供了有力的技术保障。