EGMS在闭合母排运行配电系统中的运用

陆强云 董博

摘要：随着绿色航运的发展，闭合母排的配电系统因其经济环保性越来越受到船舶所有人的青睐。闭合母排的保护系统相较于独立母排的运行系统更为智能、稳定、迅速、独立，但因其整个系统的设计要求严格，安全性能要求高，建造难度大，致使目前造船市场上成功运用的项目并不多。上海振华重工前不久成功交付一艘满足ABS规范的DP2閉合母排运行的饱和潜水支持船，该项目配电系统配置了发电机监控增强系统EnhancedGenerator Monitoring System（EGMS）系统，成功地避免了闭合母排运行带来的风险。本文简要阐述EGMS在闭合母排电力系统中的系统组成及保护动作过程。

关键词：闭合母排;EGMS;DP2

0引言

近年来，随着技术的日益成熟，海工造船业开始推行“绿色船舶”概念，力求减少船舶对海洋环境造成的污染，越来越多的海工船舶入DP2附加标志，但当前采用Closedbus-tie（闭合母排）电网设计理念的项目并不常见。ABS规范2014版指引对闭合母排有简单的总括性要求，需要在最短的时间内切断故障源，即故障发电机或者故障母排，避免将现有故障传递到另外一段正常工作的汇流排，以满足最大单点故障时不会失去定位能力，此要求对于配电板保护系统、发电机保护系统、柴油机系统、调速器系统设计及配置十分严格。

1项目简介

本船为1艘具有DP2动力定位能力的300m水深饱和潜水支持船，可在满足规定的海区作业环境条件下进行作业，并可在无限航区航行（除极区外）。该船主要配有一套嵌入式、最大作业水深可达300m的饱和潜水系统，该系统配有单钟形式，减压舱可同时容纳21位潜水员;另外配有一套可下潜至约65m空气潜水系统，配有双潜水系统可大大提高该船在潜水作业市场的竞争力。该船配备ABS船级社认可DP2以及EHS-C动力定位系统及EGMS，在出现单点故障后，依然可以自动保持船舶的位置和首向。此船配有有源前端型（AFE）电力推进系统，全船电站由6台柴油发电机组供电，总功率达11400km，在船艏部装配了变频调速折臂式全回转推进器（可兼作侧推）和两个可调桨的侧推进器，船艉部装配了两个变频调速全回转推进器。与传统的船舶动力系统相比，有源前端型电力推进系统具有调速范围广、驱动力大、体积小、安装方便、便于维修、谐波、振动和噪声小等优点，将大大减轻船舶污染和海洋环境污染，充分体现了“绿色航运”和“绿色船舶”的环保节能理念。另外此船配有150t折臂式波浪补偿起重机及50t可伸缩式起重机各1台，可满足不同工况下的海上起重作业。同时，该船配备FIFI 1对外消防系统，具备对外消防能力，是1艘功能十分强大的高端海工船舶。

2电力系统概述

该船配备的690V电力系统包括1个4段690V主配电板和1个2段690V甲板配电板。其中690V主配电板分为4段汇流排，即汇流排A，汇流排B，汇流排C以及汇流排D这4段，互相之间有母联开关连接，而B跟C之间的母联开关可以根据不同的工况，选择合上或者断开，2段汇流排可以选择性地给折臂推供电，保证折臂推始终在网。这种汇流排设计的优点在于，当配电板在Open bus-tie或者Close bus-tie模式时出现最大单点故障，至少有1台主推、1台侧推和1台折臂推仍能保持正常工作，有效保障了船舶的定位能力。

690V配电板可以在母排闭合模式下运行，每段汇流排有多个控制屏，包含了发电机输入端、变压器输出端、推进器驱动输出端、甲板配电板输出端和软起动输出端。690v甲板辅助配电板提供起重机和FIFI设备电源;甲板配电板供电通过两个互锁的开关690V主配电板相连，即不管主配电板哪一段失电，都可以保证甲板配电板在网，甲板吊车跟FIFI系统仍能正常工作。

690v电力系统示意图如图1所示。

3配电系统保护设计

对于传统的DP船型，通常的设计方案是2段或者以上独立汇流排，为了满足定位能力所需功率要求，往往都是每个汇流排的发电机全部在网，然而这必然增加运营成本，也增加了废气排放量。当前船舶市场经济下行，国际海事组织发布了一系列保护海洋环境减少船舶污染的公约与规定，国际造船业大力提倡绿色运营，船东急于寻找更好的配电设计方案，以减少发电机在线数量。在此背景下，Close bus-tie的设计应运而生，可以充分使用发电机在线能力，提高发电机使用率，从而降低了发电机在线数量，运营成本和船舶排放量均显著降低。

由于闭合母排自身特性导致其运行风险也显著高于独立母排，闭合母排因整个电网采用电气连接，相互冗余的系统单点故障很容易延伸到另外一段，从而导致整个电网失电，比如一段母排短路时，会引起两段母排同时瞬间电压非常低，造成另外一段母排的开关或设备脱扣，进而导致故障范围超出最大冗余设计目的。所以闭合母排在整个系统设计时应先考虑各设备或者系统的故障穿越能力，能有效地隔离和限制故障导致的失效范围。

为了解决这一问题，需要额外的保护系统，在blackout前提前分析故障类型，将有故障的母排或者发电机脱扣，不会影响正常运行的母排或者发电机。根据这一要求，我们额外增加了EGMS，额外扩展了系统保护功能，通过时时检测和分析相关信号，判断相关设备的运行状态，这样可以瞬间监测并移除故障发电机或者故障母排，降低失电后失去位置的风险。

4EGMS在典型块状电力设计中应用

作为块状电力设计系统，EGMS是不可或缺的一部分，一般都是每台发电机单独有一套EGMS，每套EGMS系统可以通过网线或者光纤建立通讯，互相单独识别读取数据。

EGMS可用于多种电力系统设计，图2是一个典型的设计方案，2台放电机分别供电给母排，分别独自配置了EGMS系统。这种独立分隔的块状电力系统有效地确保EGMS运行时，一旦检测供电网络有故障，会瞬间自动移除有故障的发电机，或者断开有故障的配电板，避免故障影响其他正常运行的发电机或者配电母排，从而保证对电力系统的影响被限制在单个电源区域。

该饱和潜水支持船的全船配电方案由GE提供，针对闭合母排的特殊技术要求，每台发电机都设置了一套EGMS，与PMS系统协同保护整个配电网络系统。EGMS与PMS信号接口如图3。

5EGMS功能描述与保护动作

船舶发电机处于工作状态时，EGMS一直监控电力系统的有功功率和无功功率。EGMS工作基本的原理是检测出有故障的柴油机或发电机，在故障延伸到传统保护继电器模块之前将有故障的柴油机或者发电机脱开，避免全船失电。

对于所有正常运转的船舶供电网络，PMS应该在任何时候控制电力系统，保证供电网络地安全可靠。只有在PMS检测出设备故障或者供电网络不稳定时候，EGMS应该会立即介入保护系统，瞬间动作。EGMS有一套成熟可靠的时时在线计算识别判断软件，能够瞬间识别出PMS失效的严重程度及导致产生的供电网络不稳定性，计算软件会根据结果，自行采取相对应级别的保护动作。

根据故障和严重程度，EGMS将采取以下步骤，并按阶段分组：

（1）阶段1：报警

EGMS有内部自检模块，能对内部故障模式发出警报，例如线路中断或网络故障。

（2）阶段2：PMS介入

当出现此命令请求时，PMS系统一般都会采取以下动作：

①启动同一段母排上的一个新的柴油机（如有），为下一阶段转移负载，断开故障机做准备;

②同步并车&负载转移至新发电机;

③故障机卸负载;

④断开目标故障机。

（3）阶段3：强制发电机为droop（有差调速）模式

当发出此命令时，电力系统的行为动作预期如下所述：

①EGMS将向故障母排上的所有柴油机机，发电机发送单独的信号;

②PMS接收到EGMS单独发出的信号后将停止相关柴油机，发电机的负载分配动作;

③调速器退出Isochronous（无差调速）模式，回到droop模式;

③如果随后请求PMS执行阶段2的停止动作，而EGMS同时发送阶段3信号，此时PMS必须仍然能够加载和卸载。

（4）阶段4：断开发电机开关

EGMS通过发电机保护继电器发送开关断开命令，阶段4操作可以通过以下方式执行：

①EGMS将会发送断开信号至发电机保护继电器;

②执行器接收到断开信号命令，会瞬間断开配电板上的发电机母联开关;

③断开信号已经发送，如果检测到发电机母联开关未断开，EGMS将直接断开故障发电机所在的汇流排两端开关

④如果就1台发电机在线，阶段4的跳闸断开将被抑制;

⑤根据柴油机的自动启动和负载依赖性启动特性，PMS将自动启动1台可用的柴油机。

（5）阶段5：断开汇流排开关

只有在先前几个阶段的保护动作失败的情况下，EGMS才有可能发送阶段5的跳闸断开信号。

6结语

随着各港口对船舶排放要求越来越高，环保经济的运行模式得到各船东公司的重视，促使闭合母排运行的船舶在海工市场的需求日益增长，而EGMS系统在整个电网保护系统中发挥着重要作用，能够保证船舶在最大单点故障情况下可以继续正常运行。本项目也是我们首艘成功运用此技术的项目，在该船的海试过程中各项试验结果均得到船东、船检、FMEA等各方的高度赞赏，成功地积累了相关经验，为后续类似船舶做好了技术储备工作。