功率管理系统冗余结构设计

刘建波

（海军驻上海江南造船集团有限责任公司军事代表室，上海 201913）

功率管理系统冗余结构设计

刘建波

（海军驻上海江南造船集团有限责任公司军事代表室，上海 201913）

当PMS主站出现故障或出现网络故障时，导致全船电力推进系统无法进行操作，致使全船PMS能量管理系统瘫痪，对自航绞吸式挖泥船PMS冗余系统进行讨论，配置热冗余结构的PMS管理系统，经过实际运行表明，该系统运行稳定，可靠性高。

PMS 电力推进 管理系统

0 引言

功率管理系统(Power Management System.简称PMS)是电力推进船舶系统的核心，随着国内电力推进船舶自动化的发展，船舶用户和海事部门越来越需要对电力推进系统中能力管理系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求，从我们作为电力推进系统集成技术研发的角度出发，基于经济性和可靠性的角度来进行分析，配置一个合理的PMS系统是我们整个船舶电力推进系统和船舶先进性最显著的标志。

1 电力系统概况

配电系统由三相三线AC 690 V，50 Hz，AC 400 V/230V，50 Hz及DC 24 V所组成。主要包括主配电板、辅配电板及组合启动屏、应急/停泊配电板和功率管理系统。变频驱动系统为全船提供推进与挖泥作业的动力，包括两条支路，每条支路由整流变压器、变频器（含制动电阻和切换装置）和推进电机组成。系统可以在航行与挖泥工况之间切换。由一套变频驱动控制系统控制。电力驱动系统采用先进的变频调速技术，在推进工况下，控制两台1600 kW交流异步推进电机，调节螺旋桨转速，满足各种作业工况的航速要求。在挖泥工况下，控制一台1600 kW水下泵交流异步电机和一台1200 kW绞刀交流异步电机，调节水下泵和绞刀转速，满足挖泥作业的负荷要求。电力驱动系统通过变频器内的交流负载开关，保证该船航行时不进行挖泥作业，挖泥作业时不航行。电力推进系统的稳定运行及功率分配的关键就是PMS系统的稳定与否。

2 功率管理系统的组成

当PMS主站出现故障或出现网络故障时，导致全船电力推进系统无法进行操作，从而导致全船PMS能量管理系统瘫痪。经过激发分析和讨论 ，对2000方挖泥船PMS冗余结构进行讨论，配置热冗余结构的PMS管理系统。

功率管理系统用于控制和调节本船的电网，包括2台主发电机、1台辅发电机和1台应急/停泊发电机。功率管理系统在挖泥作业、航行工况下为船舶用电设备提供足够的电能，实现不间断供电。此外，功率管理系统还包含对配电板、主发电机和辅发电机的保护监视功能，并对功率管理提供完善的可视化功能。

功率管理系统采用热冗余型可编程逻辑控制器架构，主要包括S7-400H主控制器(包括电源PS407、CPU414H、C443-1)、Y-LINK网络组件(2个IM157、Y型耦合器及总线模块)、 主配电板、辅配电板、应急配电主配电板冗余总线ET200M（含2个IM153-2、Y型耦合器及总线模块、IO模块）完成配电板运行状态输入、热工参数采集、开关控制及机组控制。总线ET200M、各发电机组PPU、OP。可编程逻辑控制器采用热插拔型输入输出模块。PMS网络结构图如图2。S7-400H主控制器(包括电源PS407、CPU414H、C443-1、同步模块、同步光纤)主要完成PPU单网络端口数据收集及其他子站的连接，通过冗余以太网向上位机发送PMS数据。通过冗余CPU的MPI与OP交换数据。

Y-LINK网络组件(2个IM153、Y型耦合器及总线模块)主要实现冗余网络到单总线网络的转换。

主配电板冗余总线ET200M（含2个IM153-2、Y型耦合器及总线模块、IO模块）完成主配电板运行状态输入、热工参数采集、开关控制及机组控制。完成配电板运行状态输入、热工参数采集、开关控制及机组控制。

OP面板作为PMS人机界面实现人机交互，分别与冗余的AS414H的MPI口进行连接。

PMS系统检测主配电板上所有断路器以及辅配电板上重要设备断路器的状态。对汇流排与发电机的电压和频率等参数独立监测，如果并车运行的某台发电机出现高压、低压、高频、低频等故障时，相应的故障发电机自动脱扣。

当主用可编程逻辑控制器出现故障时，备用可编程逻辑控制器立刻被自动切换成主用。发电机和电网的保护功能不能受到任何影响。一套可编程逻辑控制器出现故障不会对电网造成任何影响。PMS发生故障时不会导致发出一个错误的指令信号。

热备模式的S7-414H的运行是根据主动冗余结构原理，在发生故障时两个子单元都在运行状态。如果发生故障，正常工作的子单元能独立完成整个过程的控制。

3 功率管理系统的功能

功率管理系统对全船的功率实施统一优化管理，安装于主配电板中母联及功率管理屏内（如图3所示），主要设备包括PMS主控制器、机组数据采集控制子站ET200M、发电机保护并车单元PPU及PMS人机界面等，通过现场总线PROFIBUS连接，组成功率管理系统。

功率管理系统能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。

功率管理系统的功能包括主发电机自动起动、自动调频调载、自动加载、自动卸载、重载询问、顺序起动等功能，2台主发电机可以长期并联运行。主发电机与辅发电机之间可短时并车进行不断电负载转移。任一台在网机组失电时，备用发电机应尽快自动起动，并合闸供电，在失电后30 s内完成，同时给应急配电板经延时的启动信号。

a) PMS操作地点在母联屏，PMS实现半自动、自动、越控三种控制方式。

b) 机组的自动启动

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

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。

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。

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。

c) 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。

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%，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。

d) 机组的解列和停机

若指定机组解列后其实时功率小于60%（可设定）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%（可调），电流不超过30% In（可调）时发出分闸指令。

被解列的发电机组在分断发电机主开关并空载运行3 min后，按设定程序发出停机指令。

e) 机组起、停序列设定功能

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

f) 根据设定工况信号准备电站

控制方式选择为“自动”或“越控”时，可根据驾驶室设定的工况信号完成适合各工况的电站准备，设定工况包括“航行工况”、“停泊工况”、“进出港工况”和“疏浚作业工况”。

g) 重载询问功能

在启动大容量的用电设备之前，用电设备应先向功率管理系统发出启动请求，功率管理系统根据机组在网情况，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。

h) 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四级的方式从电网分断，以确保对重要负载的连续供电。

i) 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；

报警窗口：当有报警时，弹出当前的报警信息小窗口。

4 结论

经过实际运行表明，当主用可编程逻辑控制器出现故障时，备用可编程逻辑控制器立刻被自动切换成主用。发电机和电网的保护功能不能受到任何影响。一套可编程逻辑控制器出现故障不会对电网造成任何影响。PMS发生故障时不会导致发出一个错误的指令信号。热备模式的S7-414H的运行是根据主动冗余结构原理，在发生故障时两个子单元都在运行状态。如果发生故障，正常工作的子单元能独立完成整个过程的控制。通讯冗余结构使得当网络线路出现故障时，不影响整个能量管理系统的正常运行，船舶运行的可靠性和稳定性得到提高。

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Design of PMS Redundant Structure

Liu Jianbo

(Naval Representatives Office in Jiangnan Delta Refco Group Ltd, Shanghai 201913, China)

When fault happens in PMS main plant or in the network, the electric propulsion system can’t work, which leads to a breakdown of PMS. This paper discusses PMS redundant system of the 2000 cubic dredger and disposes hot redundant structure of PMS. The actual operation indicates that the system is stable and reliable.

PMS; electric propulsion; management system

TM711

A

1003-4862（2013）05-0051-04

2012-11-15

刘建波（1970-），男，高级工程师。研究方向：舰船电力推进。