浅谈电能管理系统在混合动力港拖轮中的应用

摘要：随着现代造船技术的发展，船舶对电能管理系统的可靠性和经济性要求越来越高，因此船舶电站的控制、监视和管理的重要性越来越突出。根据油 电混合动力港作拖轮 电能管理系统的特 点，对该船电力系统的组成和功能要求进行分析，在此基础上，对该船电能管理系统进行了详细设计。本船以西门子s71200型号PLC作为核心控制器，并对柴油发电机组和轴带发电机组的功能设计及软件流程作详细阐述，本船己投入使用，实用效果良好。

关键词：船舶电能管理；轴带发电；柴油发电

0引言

船舶电能管理系统是船舶自动化系统的重要组成部分，是船舶电力系统中主要的电能管理设备，它可以集中、控制、分配发电机组产生的电能并实现对用电设备的管理，提高船舶电力系统的稳定性和安全性。

柴油发电系统以柴油机为原动机，以柴油为主燃料，柴油机拖动发电机发电，把动能转换成电能，从而为系统电网供电。这是一种起动迅速 、操作方便、对环境的适应性较强的发电装置。

轴带发电系统由主机通过轴系驱动船舶发电机，这样可以利用土机富裕功率，减少能量损耗。轴带发电系统可以降低燃油消耗量 ，减少昂贵的轻柴油消耗，降低维修费用并延长维修周期。随着电力电子技术的发展，轴带发电装置的这些优越性引起了各国造船界和航运界的重视 。因此，轴带发电系统的研究和应用价值不断提高。

1概述

本文介绍的港作拖轮电能管理系统由3台柴油发电机和2台轴带发电机组成，如图1所示。该系统有三种运行情况：1)共同发电，即轴带发电机和柴油发电机时布网运行，同向船舶电网供电；2)轴带发电，即柴油发电机解列停机，只有轴带发电机网运行，向船舶电网供电；3)柴油发电，即轴带发电机解列停机，只有柴油发电机在网运行，向船舶电网供电。

该港作拖轮主机为两台中速机。由于该船采用定距桨系统，船速是通过改变主机转速来控制的，因此主机转速时刻变化，导致轴带发电机输出频率相应变化。在这种情况下，要获得频率恒定的交流电源，需要在发电机和电站之间连接一台变频器。轴带发电机输出端连接变频器的整流部分，变频器的逆变部分连接船舶电。变频器使得不论轴带发电机输出端电能的频率和电压如何变化，输送到船舶电网上的电能频率和电压将保持恒定。

人多情况下，该拖轮电能管理系统处于柴油发电模式或轴带发电模式。只有当轴带发电系统起动时，或者需要负载转移的情况下，才会出现较为短暂的同发电模式。

图1 该船电能管理系统结构图

2 组成和功能

2.1组成

该拖轮电能管理系统位于集控室，主要由SIEMENSS7-1200PLC电能管系统主控站、北尔电子X2 marine触摸屏(HMI)和PC组成。其中PLC的作川是执行PMS的各种逻辑控制算法；触摸屏是人机交互界面，它的作用是数据交换和监控数据显示；PC机是一个工程师接口，它的作用是对系统中的PLC和HMI程序进行编写与优化。PLC、HMI与PC之间通过MOXA8口交换机连接。

每套柴油发电机组配一套PPU，PPU过485串口通讯总线将发电机组的电压、频率、功率等信息发送给SIEMENS S7—1200 PLC电能管系统主控站，由主控站完成电能管理系统的主要功能，并在触摸屏上进行工况显示。

触摸显示屏选用北尔电子X2 marine，可以显示该船舶电站各发电机组的运行参数、运 行状态以及故障情况，还可以通过触摸屏手动控制机组的起动、停车、同步、解列、合闸、分闸等操作。

2.2主要功能

2.2.1 2种控制模式

该电能管理系统具有手动和自动2种控制模式。手动模式是指通过触摸屏手动控制发电机组的起动、停车、合闸、分闸、同步、解列等操作。自动模式是电能管理系统程序根据电 负载情况，自动确定投入并网运行的发电机组数量，从而保证在网机组的容量与负载所需的功率相匹配。当电网负载发生变化时，电能管理系统软件会自动相应增减在网机组。增减机组依据恒定平均功率原则，保证在网发电机组功率在额定功率的一定范围内。

恒定平均功率原则是指预先设定增加或减少运行机组数的临界功率值的电能管理原则。为了保证发电机的功率输出及安全，电网功率大于80%Pe。(额定功率)时增机，小于25％Pe时减机。

2.2.2 优先级管理

电能管理系统用改定优先绒的方法来管理柴油发电机组的起／停顺序，并且支持在线修改机组的优先级。通过事先对柴油发电机组起／停的优先级设定，充分保证了各机组的有序起动，避免2台及以以上机组同时起动并网，提高了机组有效利用率和并网的安全性。当柴油机起动成功之后，可以自动并网合闸。当电能管理系统收到机组故障信号或轻车运行时，可以按照优先级自动对机组解列／停车。

2.2.3 功率限制与负载分段

当电动机预作为主推进系统时，电动机起动前，需向电能管理系统发出重载请求，电能管理系统将起动所有柴油发电机组，然后检测在网的可用功率。根据在网可用功率情况，电能管理系统对电动机发出起动允许和功率限制比例信号。如果，在网功率太小，无法满足电动机耗能需求，电能管理系统将不允许轴带电动机起动。

电能管理系统将船上各类负载按照主次顺序进行分级。当某台柴油发电机组发生故障时，需要对故障机组解列，导致在网供能减少，需对在网用电设备进行功率限制。同时，电能管理系统将按照负载优先级卸载相对次要的负载，以保证主要设备的正常运行。

2.2.4 触摸屏参数显示

电能管理系统在触摸屏上用图形和表格方式形象直观地显示各发电机组的工作状态及萤要参数值的报警信息，如图2所示。触摸屏主要有以下功能：

1)彩色动态显示功能，触摸屏上动态实时监测柴油发电机组的运行状态、发电机组断路器状态、母排断路器状态和电能分配状况等；

2)报警显示功能，对柴油发电机组重要参数进行动态实时故障报警监测，当故障发生时可以发出警报声音。

图2 电能管理系统报警页面

3 系统的软/硬件设计

3.1 硬件设计

考虑到船舶电站实际运行时所处的恶劣工作环境，要求硬件设备具有环境适应性强和可靠性高等特点。SIEMENS PLC (可编程控制器)拥有逻辑控制功能和抗干扰能力，是该船舶电能管理系统硬件的较优选择。因此本港作拖轮的电能管理系统SIEMENS S7-1200 PLC作为核心控制器，配合SM 1223 DI16／DQI6数字量输入／输出模块和SM 1234 AI4／AQ2模拟量输入输出模块，完成对电站发电系统管理的功能。S7-1200 PLC功能可靠、价格实惠，具有灵活的可扩展性，代表了未来小型PLC的发展方向，自动化新潮流。

所选的HMI设备具有分辨率高、操作面板坚固、耐腐蚀塑料外壳和安装灵活方便等优点，适合船舶上各种HMI应用。

3.2 软件设计

SIEMENS S7-1200 PLC采用工程组态软件进行组态和编程，组态软件支持梯形图和SCL编程语言。 SCL语言类似C语言，本系统PLC程序主要使用SCL编程语言。该船舶电能管理系统控制器的软件采用模块化设计。

当发电模式为柴油发电机发电或轴带电机发电时，电能管理系统只要按照基本功能满足电网供电需求、合理分配电能、管理用电设备。当电网发电模式在柴油电机发电和轴带电机发电之间转换时，情况变得有些复杂。为保证在发电模式转换过程中，电网和用电设备平稳过渡，本系统采用了工程效果较好的方式。柴油发电模式转换到轴带发电模式软件流程如图3所示，轴带发电模式转换到柴油发电模式软件流程如图4所示。

图3 柴油发电转轴带发电流程图

图4 轴带发电转柴油发电流程图

4 安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案

4.1概述

用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，全面推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

安科瑞Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

4.2应用场所

（1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；

（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

4.3系统结构

4.4系统功能

4.4.1实时监测

系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

4.4.2电能统计报表

系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

4.4.3详细电参量查询

在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

4.4.4运行报表

系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、指定时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

4.4.5变压器运行监视

系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

4.4.6实时报警

系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

4.4.7历史事件查询

系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

4.4.8电能质量监测

系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

4.4.9遥控操作

系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

4.4.10用户权限管理

系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

4.4.11通讯状态图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

4.4.12视频监控

视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

4.4.13用户报告

用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

4.4.14 APP支持

电力运维手机支持“监控系统”、“设备档案”、“待办事项”、“巡检记录”和“缺陷记录”五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

4.5系统硬件配置清单

5结语

本文介绍的船舶电站电能管理系统可以实时监测 该港作拖轮的电力系统运行参数，适时进行自动起停机组、同步并车、轻车解列、自动接脱排和发电模式 转换等功能操作，对于控制命令和故障报警，响应迅速，控制状态切换及时正确，达到了该船舶电站电能管理的设计要求和目的。

【参考文献】

[1]李晶.周晓伟.唐少华.混合动力港作拖轮的电能管理系统设计与应用.

[2]马伟明.舰船动力发展的方向一综合电力系统[J].海军工程大学学报,2002(6):1-5，9．

[3]吴志良.船舶电站及其自动化系统[M].大连:大连海事大学出版社，2012．

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册 2022.05版.

审核编辑 黄宇