B.O.S.S系统在动力定位船上的应用

加香君 卢俊奇 张春峰 谢勰

摘    要：B.O.S.S系统可以有效预防电力系统故障，显著提高船舶运行的可靠性和安全性，也可在电网闭环状态下使船舶保持动力定位的能力。以公司承建的832 LSE平台供应船为实例，通过对B.O.S.S系统的详细分析和实船应用检验，介绍B.O.S.S系统的特点和功能，可供类似系统的设计和调试参考。该系统的研究与应用推广，对于促进船舶电力控制系统的相关技术发展，提高国内船舶相关配套系统的研发、制造具有重要意义。

关键词：B.O.S.S系统;电力推进;动力定位;断电

中图分类号：U674.98                              文献标识码：A

Abstract： The blackout safety system （BOSS） can effectively prevent power system failures， significantly improve the reliability and safety of ship operation， and also enable the ship to maintain the dynamic positioning capability in the closed-loop state of the power grid. Taking the 832LSE platform supply ship built by the company as an example， through the detailed analysis and the application test in the actual ship for the BOSS system， the characteristics and functions of the BOSS system are introduced， which can be used as a reference for the design and debugging of the similar system. The research and promotion of this system is of great significance for promoting the development of related technologies of ship power control systems and improving the research and development and manufacture of Chinas ship related supporting systems.

Key words： Blackout Safety System （BOSS）; Electric Propulsion; Dynamic Positioning System; Blackout

1     前言

近年来，随着我国海洋工程的设计和建造能力逐步提高，国内各大船厂承建了很多国外的海洋工程项目。与常规的海船不同，海洋工程一般都要求配置动力定位系统（简称“DP系统”）和综合电力推进系统，这些系统的设计需要满足国外的规范和标准。

平台供应船（简称“PSV”）是海洋工程船的重要组成部分，其主要任务是为海上作业的所有固定式和浮式装备运送各类物资，提供后勤保障。平台供应船采用甲板堆放和船舱储存的运输方式，物资范围包括食品、燃料、水、钻探设备、干散货、油管等。由于经常需要停靠在海上作业装置的附近，故基本上所有的PSV都会配置DP系统[6]。

对于申请动力定位DP-2和DP-3入级符号的船舶，规范要求系统的任意单点故障都不会使船舶失去动力定位能力;复杂的电力推进船舶，也要求电网发生故障时，船舶推进系统能够安全可靠地运行[7]。B.O.S.S系统（Black Out Safety System）在拥有动力定位功能或综合电力推进系统的船舶中，可以有效地预防电力系统故障，显著地提高船舶运行的可靠性和安全性;也可在电网闭环状态下，使船舶保持动力定位的能力。

由我司承建的Havyard 832 L SE系列平台供应船（PSV）是带DP-2符号的全电力推进船舶，除常规功能外，还具有溢油回收、甲醇和乙二醇运输、对外消防等功能，可加装70 t海洋吊机，进行水下机器人作业，其综合作业能力位居世界一流水平。该船配备了挪威电力系统公司NES设计的B.O.S.S系统，该系统具有以下主要特点：

（1）有效预防电网单点故障，保持发电机和电力系统安全运行;

（2）對推进变频器进行直接运行执行与控制;

（3）快速执行推进负荷减负荷动作，从而自动维持船舶稳定运行;

（4）可以在主配电板母联开关闭合状态下保持DP-3级别的动力定位作业，提高船舶运营的经济性。

2    B.0.S.S.系统

2.1   B.O.S.S系统简介

在船舶柴油发电机电力推进系统中，主要关注的是在所有情况下保持可用于推进的动力，推进动力的丧失会对人员和船舶的安全造成严重影响。因此，拥有DP系统的船舶，需要有一个安全保障系统来监督主电力系统，在任何一个单点故障发生的情况下，主配电板上始终有足够可用的电力，并且不会发生停电[8]。

B.O.S.S系统是主配电板中的一个集成系统，它收集所有必要的信息，并对电力系统中的意外更改或故障执行正确的操作;它还直接与变频器通信，以确保在正常情况下良好的加、卸载，以及在出现紧急故障时可以快速卸载。

B.O.S.S系统的主要作用是断开故障部件，这个部件可能是一台发电机、一台变频器或一个配电板。该系统将在几毫秒内对整个电力系统中的变化做出准确的决策，并使电力系统稳定可靠。B.O.S.S系统在复位前，发生故障不会将另一个部件断开。

从电气角度来看，紧急故障可能有以下几种情况：

（1）短路;

（2）柴油发电机组过载;

（3）柴油发动机的调速器故障;

（4）调压器故障;

（5）柴油滤清器堵塞。

B.O.S.S系统的特征如下：

（1）完全控制可用功率;

（2）监控频率、电压、有功功率、无功功率和励磁电流;

（3）系统由发电机组、主配电板和变频器实现;

（4）变频器快速卸载（FLR）;

（5）集成在主配电板中;

（6）双PLC冗余系统。

2.2  B.O.S.S系统架構

B.O.S.S系统是基于Omron CJ2M PLC的双PLC冗余系统，这两个PLC在硬件和软件方面都是相同的。整套系统包含触摸控制屏一套（带DP-3符号的项目需配置2套）、PLC两套（每套均含现场总线接口、以太网接口、延伸接口等）、输入/输出装置（每台发电机一套）、管理开关等。两套PLC一主一备，相关数据保持实时同步，任一套PLC发生非预期故障时系统自动转换到备用PLC，以保证系统连续运行。B.O.S.S系统网络架构图，如图1所示。

图中，虚线是主配电板中的现场总线环网，在此环网中每个发电机都有一个远程I/O单元（最多8个），现场总线环网将主配电板和发电机过程数据传送给PLC。

实线是一个以太网环，该网环将变频器（推进）的过程数据传送给PLC，也可用于遥控辅助系统。

环形拓扑，意味着所有连接的设备与B.O.S.S的PLC都有冗余通信。

2.3  B.O.S.S系统硬件配置

B.O.S.S系统的硬件包括：

（1）一个触摸屏控制面板（如申请DP-3符号则需要两个）;

（2）两个配有现场总线和以太网扩展卡的PLC，用于监控主配电板;

（3）每台发电机一个I /O模块;

（4）管理开关。

2.4  B.O.S.S系统功能

B.O.S.S系统PLC软件的主要功能如下：

（1）冗余控制;

（2）计算发电机连接形式;

（3）检查发电机发电（有功、无功）;

（4）检查母排电压和频率;

（5）控制变频器输出功率;

（6）发电机和母联断路器脱扣监控;

（7）快速卸载;

（8）柴油发动机油尺位置/柴油机负荷。

B.O.S.S系统对柴油发电机的监测项目包括：

（1）发电机有功功率;

（2）发电机无功功率;

（3）发电机主电流;

（4）发电机励磁电流;

（5）总线电压;

（6）总线频率;

（7）柴油发动机油尺位置/负载量。

除此之外，B.O.S.S系统将收到的发电机开关和母联开关状态以及变频器状态信息，准确计算每台发电机或变频器的健康状况，并分配可用功率。

如果B.O.S.S系统发现发电机不健康时会断开发电机。导致发电机断开的原因主要有：

（1）与所连接的其它发电机相比，励磁电流高或低;

（2）与所连接的其它发电机相比，有功功率高或低;

（3）与所连接的其它发电机相比，柴油发动机油尺/发动机负载高或低。

除了上述故障之外，还有一些情况需要断开母联开关，如：

（1）故障发电机上的发电机断路器不响应跳闸信号;

（2）频率高;

（3）低频率;

（4）高压;

（5）低电压。

B.O.S.S系统还可以对推进动力进行控制。变频器将消耗数据发送给B.O.S.S，B.O.S.S给出功率限制至变频器。

如果在不需要B.O.S.S的情况下操作船舶，可以启动B.O.S.S系统的本地模式，此时所有脱扣功能和功率限制将取消。该功能是由位于配电板面板上的转换开关来实现的。

该系统同时使用两个信号（NO / NC），以检测故障开关或断线。如果发生以上情况，系统将发出警报。

3    B.O.S.S系统的试验

3.1   验证系统设置

在试验前需要按说明书验证系统设置。

3.2   检查硬件和软件版本

在软件面板主页面中，检查软件版本号是否正确。

3.3   检查I/O设备、网络与供电

（1）检查所有I/O 设备上是否有红色LED灯闪烁（即故障报警）;

（2）检查交换机上是否有红色LED灯处于活动状态;

（3）检查以太网单元显示屏是否显示任何故障代码及是否仅显示IP地址;

（4）断开一个PLC电源并检查另一个PLC是否仍然在线，以检查系统电源是否冗余。

3.4  功能测试

（1）发电机脱扣试验

包括在过励磁、欠励磁、有功功率高、低状状态下，发电机开关断开时灭磁继电器动作，B.O.S.S系统面板显示报警，同时发送综合故障报警至全船监测报警系统;

（2）母联开关脱扣试验

包括在电压高、电压低、频率高、频率低状态下，母联开关脱扣，B.O.S.S系统面板显示报警，同时发送综合故障报警至全船监测报警系统;

（3）发电机开关故障试验

发电机开关在收到脱扣指令后，实际开关状态信号无变化，此时发电机开关先断开;而系统发现发电机开关在收到脱扣指令后实际状态无变化时，会给出脱扣指令至母联开关来断开母联开关。B.O.S.S系统面板显示报警，同时发送综合警告至全船监测报警系统;

（4）B.O.S.S报警点试验

包括IO设备、控制器、通讯设备、电源等等故障或者断线，将触发报警并显示在B.O.S.S面板，同时送至全船监测报警系统;

（5）功率限制及减载试验（见表1）。

4    B.O.S.S系统的实船应用

832 LSE PSV项目是具有DP-2级动力定位能力的海洋工程船，主要的电力推进设备为：4台1 500 kW主发电机组;2台1 600 kW全回转主推进器;2台800 kW电动侧推。主推、侧推电机均由“AFE”变频器控制。

该项目配备了挪威电气公司（NES）提供的B.O.S.S系统。在设备订货阶段，通过技术沟通将B.O.S.S系统与主配电板、应急配电板、变频器、主发电机、推进电机整体打包，设备来货后无其它安装工作，仅需在项目系泊试验时进行少量检查工作，其余工作均在船舶试航时完成;进行B.O.S.S系统调试、报验前，需先完成主发电机组试验、主推进器及控制系统试验、侧推装置及控制系统试验等项目。

B.O.S.S系统试验的主要内容是模拟电网单一故障发生时，该系统能确保船舶电站安全运行。如在航行工况时，人为脱扣一台主发电机装置，此时B.O.S.S系统将自动检测电网总功率与推进系统需求情况，在保证电网不会断电的情况下，第一时间先通过推进变频器降低螺旋桨速度，同时自动起动备用发电机组，恢复电网充足的电力供应。船舶驾驶员不需要人为判断电站的电负荷率，极大地提高了操纵便利性。该系统也可根据主发电机组的负荷率，自动起/停发电机组，保持发电机组的经济运行。

5    B.0.S.S.系统的推广及应用前景

B.O.S.S系统配置简单、调试方便，在我司832LSE PSV项目上运行可靠、稳定，极大提升了船舶运行的安全性和便利性。鉴于目前国内其它类似项目还较少应用，希望本文可以对国内类似系统的研发、推广起到一定作用。

参考文献

[1] IMO. Code for the Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units[S]. 2009.

[2] Bureau Veritas Rules. Rules for the Classification of Steel Ships[S]. 2013.

[3] IEC61892. Mobile and Fixed Offshore Units - Electrical Installations - Part 2[S]. 2012.

[4] IMO. MSC/Circ. 645. Guidelines For Vessels With Dynamic Positioning System[S]. 1994.

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[6]杨辉. 船舶动力定位系统的自适应控制研究[J]. 舰船科学技术. 2019 （10）.

[7]李严，李素美，刘苏粤. “海洋石油286”船三级动力定位系統配置分析[J]. 广东造船， 2017 （3）.

[8]王金苓. DP2动力定位工作船电气设计要点[J]. 山东工业技术， 2016 （12）.

[9]中国船级社. 海上移动平台入级规范[S]. 2016.