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摘 要：船舶自动电站功率管理系统（以下简称PMS）是一个复杂的控制系统，根据多年来对规范的理解、系统的研究和船舶电气的设计经验，介绍PMS设计的基本要求、功能要素和组成构件，总结解析出关于PMS设计的主要控制流程。
关键词：船舶电站;功率管理;系统功能;设计解析
中图分类号：U665.12 文献标识码：A
0 前言
随着自动化技术的发展，船舶电站的技术水平也在不断发展。早在21世纪初期，我国在建和运营的大部分船舶的电站还都是靠人工手动控制和管理，几乎找不到完全自动化控制和功率管理的船舶电站。但是经过不到二十年的发展，局面已经完全改变。PMS的性能直接影响着船舶电站供电的可靠性和船舶运行的安全性。本文通过分析常规PMS的控制要求和保护特性，阐述PMS的设计要素，供设计人员设计借鉴。
1 PMS设计依据
PMS设计的目的是提高电能的质量，改善运行管理人员的劳动强度和劳动条件，同时提高船舶运行的经济性。但作为一个船舶设备运行的重要组成部分，必须建立在满足规范要求的前提下，保证船舶供电的安全性和可靠性。船舶自动化电站的具体要求在各船级社的船舶建造规范中均有反映，这些也是进行PMS设计的依据。主要规纳如下：（1）失电时，备用发电机组应尽快自动起动并连接至主配电板，恢复电网供电，最好在失电后30 s内完成，最长不超过45 s。（2）因短路故障而失电后，发电机断路器仅能合闸1 次。（3）如由于主汇流排长时间的电压或频率波动原因而起动备用发电机组，则有故障的发电机组应在该备用发电机组接入主汇流排之前尽快切断。（4）船舶电站过载时，应能自动卸除非重要负载。（5）应设有避免两台及以上发电机同时接入主配电板公共汇流排的措施。（6）电网的瞬变信号不应使备用发电机组产生不必要的自动启动，如电动机起动电流。（7）起动大功率设备时，起动期间引起的瞬态电压降不应超过额定电压的15%。没有足够的功率起动大功率设备时，应阻止大功率设备起动，并按要求起动备用发电机，然后允许起动重载设备。（8）故障失电后恢复供电时，为主推进系统服务的负载应能按顺序起动，避免过大的冲击电流使发电机主开关跳闸，造成二次失电。（9） PMS的故障应不引起在网发电机的替换。（10）应设有手动功能，当自动功能停止工作或失效时，应能方便地实现手动操作。
2 PMS组件和功能要点
2.1 PMS主要硬件
（1）控制电源：按照船级社规范要求，为推进系统服务的电力系统应保证不因单一故障造成电源的全部中断。通常在配置功率管理控制系统电源时提供两路电源。其中一路来自机舱UPS或充放电板。（2）信号采集模块：主要用于采集发电机、配电板、重要用电设备的实时参数。这些参数包括电流、电压、频率、功率、功率因数、运行状态、负荷状态等。（3）发电机控制保护模块：目前在PMS中普遍采用的有DEIF的PPU、Kongsberg的DPU等产品，具有对船用发动机组起/停、安全系统保护、同步及负荷分配等功能。（4）可编程控制器：包括CPU、输入输出模块、人机界面、通讯模块、通讯电缆等。品牌有西门子、ABB、三菱等多种，用于系統数据传输、处理、运行监测、储存、故障诊断、报警显示等。
2.2 PMS主要功能
（1）发电机组自动起动功能。电站在自动模式下，电网失电、或在网发电机过载、或在网发电机故障情况时，备用发电机组根据电站管理指令自动起动、运行、投入或并网。（2）轻载自动解列功能。在网发电机并联运行中，电站总负荷降低到设定值时，根据预先设定的流程，自动卸载一台发电机，提高发电机的使用效率，保护发电机和节约能源。（3）自动调频调载、负荷分配。自动调节发电机转速，使电网频率维持在设定的范围。两台及以上机组并联运行时，使各机组承担的有功功率按机组容量合理均衡分配。（4）自动分级卸载。电站出现超负荷时，自动卸除非重要负载。为适应不同程度的过载条件，可以实现多级卸载。必要时，次重要设备也可予以卸载，保证对重要设备的供电连续性。（5）重载问询自动应答功能。重载问询是指在起动大功率电动机设备前，自动检查正在运行的发电机组剩余功率是否能满足用电及起动要求。若能够满足则允许起动。否则应先起动备用发电机并网，满足要求后才允许起动。（6）自动分级顺序起动。电网从断电状态到恢复供电，为防止多个设备同时起动对电网产生过大的冲击电流，按照设备重要程度自动分级顺序（延时）起动。（7）故障监测和报警显示功能。监视电站的工作状态，如功率分配是否平衡，电压、频率是否正常，自动分级卸载、自动合闸失败、开关异常脱扣、系统对地绝缘电阻等。根据监测的结果，对异常或故障发出声光报警。（8）自检功能。自动电站投入时自动运行自检功能程序。
3 PMS设计
在具有多台发电机组并联供电的系统中，为实现前面所列举的各项控制和保护功能，对PMS的控制程序进行综合梳理，设置以下自动管理流程：
（1）主汇流排失电管理流程：在满足已自动模式，联络开关已合闸，主汇流排已失电条件下，延时（约3 s）判断是否有备用发电机。如果有，第一备用发电机起动，发电机起动成功、电压建立，主开关合闸，电站恢复供电。如果发电机备机、起动成功、电压建立、主开关合闸中任何环节没有满足或执行失败，立即相应项报警，并检测下一备用发电机，重复前面的流程至备用发电机投入，恢复电网供电。
（2）超载起动备用发电机管理流程：在满足已自动模式，联络开关已合闸，在网发电机功率超过预设条件时（如85%发电机额定功率）判断是否有备用发电机。如果有，第一备用发电机起动，发电机起动成功、电压建立，主开关同步合闸，备用发电机投入电网供电。如果发电机备机、起动成功、电压建立、主开关同步合闸中任何环节没有满足或执行失败，立即相应项报警，并检测下一备用发电机，重复前面的流程至备用发电机并网供电。 （3）优先脱扣管理流程：电站运行过程中，发电机实际负荷超过预设的允许值（如98%发电机额定功率），延时（预设一级如30 s）发出一级非重要负载脱扣指令，非重要负载脱扣并报警。发电机实际负荷超过预设的二级允许功率值延时（预设如60 s）发出二级非重要负载脱扣指令，完成非重要负载脱扣并报警。
电站运行过程中如出现任意一台发电机主开关异常脱扣，立即发出非重要负载脱扣指令并报警。
（4）发电机轻载解裂管理流程：满足已自动模式，联络开关已合闸，在网并联运行的发电机功率低于预设条件时（如60%在网发电机额定功率），判断没有重载问询、没有重载设备运行、没有设置轻载抑制。如果满足条件，延时（预设如10 min）执行后投入发電机负载转移，主开关分闸、发电机停机，后投入电网的发电机脱离电网，完成轻载解裂。如果在执行发电机负载转移，主开关分闸、发电机停机等命令过程中任何环节没有满足或执行失败，电站立即停止当前进程并报警。
（5）电压、频率异常管理流程：第一种故障情况，电网电压或频率低于预设条件时（如90%额定电压或95%额定频率），延时（预设如10 s）发出发电机故障报警。如果满足已自动模式，联络开关已合闸，则非重要负载脱扣并报警。
第二种故障情况，电网电压或频率高于预设条件时（如106%额定电压或105%额定频率），延时（预设如10 s）发出发电机故障报警。
以上每种故障中，满足已自动模式，联络开关已合闸，如果有重载问询允许的设备在运行，则取消重载允许信号;如没有，判断是否备用发电机，起动备用发电机，起动成功、电压建立，分故障发电机主开关、分闸成功、合备用发电机主开关，备用发电机投入，恢复电网供电，故障发电机停机。如果发电机备机、起动成功、电压建立、分故障发电机主开关、合备用发电机主开关中任何一个环节没有满足或执行失败，立即相应项报警，并检测下一备用发电机组，重复前面的流程至故障发电机主开关分闸、故障发电机停机，电网恢复正常供电。
如果检测到电网电压超过120%额定电压，延时（预设如5 s）发出发电机故障报警，分发电机主开关，分闸成功，停故障发电机，按照主汇流排失电管理流程起动备用发电机恢复电网供电。如果分故障发电机主开关失败，立即作出报警。
如果检测到电网频率低于90%额定频率，延时（预设如10 s）发出发电机故障报警，分发电机主开关，分闸成功，停故障发电机，按照主汇流排失电管理流程起动备用发电机恢复电网供电。如果分故障发电机主开关失败，立即作出报警。
（6）重载问询管理流程：满足已自动模式，联络开关已合闸，有重载设备问询，可根据对不同重载问询设备预设的条件判断执行相应的流程。如：起动备用发电机、限制在网发电机的台数等。如果仍不能满足预设条件，则发出重载问询失败报警。
（7）应急汇流排失电管理流程：自动模式下，如果应急汇流排失电，延时（约3 s～25 s）起动应急发电机，起动成功、电压建立，主开关合闸，应急汇流排恢复供电。
（8）主配电板恢复对应急汇流排供电管理流程：因主汇流排失电，导致应急汇流排失电、应急配电板联络开关欠压脱扣。如果按主汇流排失电管理流程起动备用发电机，恢复主汇流排供电和应急配电板联络开关的供电，应急配电板发出应急发电机主开关分闸命令，开关分闸，应急配电板联络开关自动合闸，应急汇流排恢复供电。从应急汇流排失电到恢复供电的时间最长不允许超过45 s。
4 结束语
PMS是一个相当复杂的系统，涉及到电站检测、保护和控制等很多方面，对于不同系统组成的自动电站，要求更加复杂多样。以上仅就船舶电站的主要功能、基本组成和控制流程进行概要性的解析，涉及到更详细的设计和控制要求，以及各国船级社对电站管理的不同要求，可以在此基础加以扩展。
参考文献：
[1]李坤阳，吴志良.基于VPN技术的无人船电站远程控制系统的研究[J].船电技术，2019（11）：61-64.
[2]程勇兵，张羽，邓淇中.基于云计算的船舶电站管理系统最优化设计研究[J].舰船科学技术，2018（1A）：92-94.
关键词：船舶电站;功率管理;系统功能;设计解析
中图分类号：U665.12 文献标识码：A
0 前言
随着自动化技术的发展，船舶电站的技术水平也在不断发展。早在21世纪初期，我国在建和运营的大部分船舶的电站还都是靠人工手动控制和管理，几乎找不到完全自动化控制和功率管理的船舶电站。但是经过不到二十年的发展，局面已经完全改变。PMS的性能直接影响着船舶电站供电的可靠性和船舶运行的安全性。本文通过分析常规PMS的控制要求和保护特性，阐述PMS的设计要素，供设计人员设计借鉴。
1 PMS设计依据
PMS设计的目的是提高电能的质量，改善运行管理人员的劳动强度和劳动条件，同时提高船舶运行的经济性。但作为一个船舶设备运行的重要组成部分，必须建立在满足规范要求的前提下，保证船舶供电的安全性和可靠性。船舶自动化电站的具体要求在各船级社的船舶建造规范中均有反映，这些也是进行PMS设计的依据。主要规纳如下：（1）失电时，备用发电机组应尽快自动起动并连接至主配电板，恢复电网供电，最好在失电后30 s内完成，最长不超过45 s。（2）因短路故障而失电后，发电机断路器仅能合闸1 次。（3）如由于主汇流排长时间的电压或频率波动原因而起动备用发电机组，则有故障的发电机组应在该备用发电机组接入主汇流排之前尽快切断。（4）船舶电站过载时，应能自动卸除非重要负载。（5）应设有避免两台及以上发电机同时接入主配电板公共汇流排的措施。（6）电网的瞬变信号不应使备用发电机组产生不必要的自动启动，如电动机起动电流。（7）起动大功率设备时，起动期间引起的瞬态电压降不应超过额定电压的15%。没有足够的功率起动大功率设备时，应阻止大功率设备起动，并按要求起动备用发电机，然后允许起动重载设备。（8）故障失电后恢复供电时，为主推进系统服务的负载应能按顺序起动，避免过大的冲击电流使发电机主开关跳闸，造成二次失电。（9） PMS的故障应不引起在网发电机的替换。（10）应设有手动功能，当自动功能停止工作或失效时，应能方便地实现手动操作。
2 PMS组件和功能要点
2.1 PMS主要硬件
（1）控制电源：按照船级社规范要求，为推进系统服务的电力系统应保证不因单一故障造成电源的全部中断。通常在配置功率管理控制系统电源时提供两路电源。其中一路来自机舱UPS或充放电板。（2）信号采集模块：主要用于采集发电机、配电板、重要用电设备的实时参数。这些参数包括电流、电压、频率、功率、功率因数、运行状态、负荷状态等。（3）发电机控制保护模块：目前在PMS中普遍采用的有DEIF的PPU、Kongsberg的DPU等产品，具有对船用发动机组起/停、安全系统保护、同步及负荷分配等功能。（4）可编程控制器：包括CPU、输入输出模块、人机界面、通讯模块、通讯电缆等。品牌有西门子、ABB、三菱等多种，用于系統数据传输、处理、运行监测、储存、故障诊断、报警显示等。
2.2 PMS主要功能
（1）发电机组自动起动功能。电站在自动模式下，电网失电、或在网发电机过载、或在网发电机故障情况时，备用发电机组根据电站管理指令自动起动、运行、投入或并网。（2）轻载自动解列功能。在网发电机并联运行中，电站总负荷降低到设定值时，根据预先设定的流程，自动卸载一台发电机，提高发电机的使用效率，保护发电机和节约能源。（3）自动调频调载、负荷分配。自动调节发电机转速，使电网频率维持在设定的范围。两台及以上机组并联运行时，使各机组承担的有功功率按机组容量合理均衡分配。（4）自动分级卸载。电站出现超负荷时，自动卸除非重要负载。为适应不同程度的过载条件，可以实现多级卸载。必要时，次重要设备也可予以卸载，保证对重要设备的供电连续性。（5）重载问询自动应答功能。重载问询是指在起动大功率电动机设备前，自动检查正在运行的发电机组剩余功率是否能满足用电及起动要求。若能够满足则允许起动。否则应先起动备用发电机并网，满足要求后才允许起动。（6）自动分级顺序起动。电网从断电状态到恢复供电，为防止多个设备同时起动对电网产生过大的冲击电流，按照设备重要程度自动分级顺序（延时）起动。（7）故障监测和报警显示功能。监视电站的工作状态，如功率分配是否平衡，电压、频率是否正常，自动分级卸载、自动合闸失败、开关异常脱扣、系统对地绝缘电阻等。根据监测的结果，对异常或故障发出声光报警。（8）自检功能。自动电站投入时自动运行自检功能程序。
3 PMS设计
在具有多台发电机组并联供电的系统中，为实现前面所列举的各项控制和保护功能，对PMS的控制程序进行综合梳理，设置以下自动管理流程：
（1）主汇流排失电管理流程：在满足已自动模式，联络开关已合闸，主汇流排已失电条件下，延时（约3 s）判断是否有备用发电机。如果有，第一备用发电机起动，发电机起动成功、电压建立，主开关合闸，电站恢复供电。如果发电机备机、起动成功、电压建立、主开关合闸中任何环节没有满足或执行失败，立即相应项报警，并检测下一备用发电机，重复前面的流程至备用发电机投入，恢复电网供电。
（2）超载起动备用发电机管理流程：在满足已自动模式，联络开关已合闸，在网发电机功率超过预设条件时（如85%发电机额定功率）判断是否有备用发电机。如果有，第一备用发电机起动，发电机起动成功、电压建立，主开关同步合闸，备用发电机投入电网供电。如果发电机备机、起动成功、电压建立、主开关同步合闸中任何环节没有满足或执行失败，立即相应项报警，并检测下一备用发电机，重复前面的流程至备用发电机并网供电。 （3）优先脱扣管理流程：电站运行过程中，发电机实际负荷超过预设的允许值（如98%发电机额定功率），延时（预设一级如30 s）发出一级非重要负载脱扣指令，非重要负载脱扣并报警。发电机实际负荷超过预设的二级允许功率值延时（预设如60 s）发出二级非重要负载脱扣指令，完成非重要负载脱扣并报警。
电站运行过程中如出现任意一台发电机主开关异常脱扣，立即发出非重要负载脱扣指令并报警。
（4）发电机轻载解裂管理流程：满足已自动模式，联络开关已合闸，在网并联运行的发电机功率低于预设条件时（如60%在网发电机额定功率），判断没有重载问询、没有重载设备运行、没有设置轻载抑制。如果满足条件，延时（预设如10 min）执行后投入发電机负载转移，主开关分闸、发电机停机，后投入电网的发电机脱离电网，完成轻载解裂。如果在执行发电机负载转移，主开关分闸、发电机停机等命令过程中任何环节没有满足或执行失败，电站立即停止当前进程并报警。
（5）电压、频率异常管理流程：第一种故障情况，电网电压或频率低于预设条件时（如90%额定电压或95%额定频率），延时（预设如10 s）发出发电机故障报警。如果满足已自动模式，联络开关已合闸，则非重要负载脱扣并报警。
第二种故障情况，电网电压或频率高于预设条件时（如106%额定电压或105%额定频率），延时（预设如10 s）发出发电机故障报警。
以上每种故障中，满足已自动模式，联络开关已合闸，如果有重载问询允许的设备在运行，则取消重载允许信号;如没有，判断是否备用发电机，起动备用发电机，起动成功、电压建立，分故障发电机主开关、分闸成功、合备用发电机主开关，备用发电机投入，恢复电网供电，故障发电机停机。如果发电机备机、起动成功、电压建立、分故障发电机主开关、合备用发电机主开关中任何一个环节没有满足或执行失败，立即相应项报警，并检测下一备用发电机组，重复前面的流程至故障发电机主开关分闸、故障发电机停机，电网恢复正常供电。
如果检测到电网电压超过120%额定电压，延时（预设如5 s）发出发电机故障报警，分发电机主开关，分闸成功，停故障发电机，按照主汇流排失电管理流程起动备用发电机恢复电网供电。如果分故障发电机主开关失败，立即作出报警。
如果检测到电网频率低于90%额定频率，延时（预设如10 s）发出发电机故障报警，分发电机主开关，分闸成功，停故障发电机，按照主汇流排失电管理流程起动备用发电机恢复电网供电。如果分故障发电机主开关失败，立即作出报警。
（6）重载问询管理流程：满足已自动模式，联络开关已合闸，有重载设备问询，可根据对不同重载问询设备预设的条件判断执行相应的流程。如：起动备用发电机、限制在网发电机的台数等。如果仍不能满足预设条件，则发出重载问询失败报警。
（7）应急汇流排失电管理流程：自动模式下，如果应急汇流排失电，延时（约3 s～25 s）起动应急发电机，起动成功、电压建立，主开关合闸，应急汇流排恢复供电。
（8）主配电板恢复对应急汇流排供电管理流程：因主汇流排失电，导致应急汇流排失电、应急配电板联络开关欠压脱扣。如果按主汇流排失电管理流程起动备用发电机，恢复主汇流排供电和应急配电板联络开关的供电，应急配电板发出应急发电机主开关分闸命令，开关分闸，应急配电板联络开关自动合闸，应急汇流排恢复供电。从应急汇流排失电到恢复供电的时间最长不允许超过45 s。
4 结束语
PMS是一个相当复杂的系统，涉及到电站检测、保护和控制等很多方面，对于不同系统组成的自动电站，要求更加复杂多样。以上仅就船舶电站的主要功能、基本组成和控制流程进行概要性的解析，涉及到更详细的设计和控制要求，以及各国船级社对电站管理的不同要求，可以在此基础加以扩展。
参考文献：
[1]李坤阳，吴志良.基于VPN技术的无人船电站远程控制系统的研究[J].船电技术，2019（11）：61-64.
[2]程勇兵，张羽，邓淇中.基于云计算的船舶电站管理系统最优化设计研究[J].舰船科学技术，2018（1A）：92-94.