周穎
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：隨著現(xiàn)代造船技術(shù)的發(fā)展，船舶對(duì)電能管理系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高，因此船舶電站的控制、監(jiān)視和管理的重要性越來(lái)越突出。根據(jù)油 電混合動(dòng)力港作拖輪 電能管理系統(tǒng)的特 點(diǎn)，對(duì)該船電力系統(tǒng)的組成和功能要求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)該船電能管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。本船以西門子s71200型號(hào)PLC作為核心控制器，并對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組和軸帶發(fā)電機(jī)組的功能設(shè)計(jì)及軟件流程作詳細(xì)闡述，本船己投入使用，實(shí)用效果良好。
關(guān)鍵詞：船舶電能管理；軸帶發(fā)電；柴油發(fā)電
0 引言
船舶電能管理系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，是船舶電力系統(tǒng)中主要的電能管理設(shè)備，它可以集中、控制、分配發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能并實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的管理，提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
柴油發(fā)電系統(tǒng)以柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī)，以柴油為主燃料，柴油機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，從而為系統(tǒng)電網(wǎng)供電。這是一種起動(dòng)迅速 、操作方便、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)的發(fā)電裝置。
軸帶發(fā)電系統(tǒng)由主機(jī)通過(guò)軸系驅(qū)動(dòng)船舶發(fā)電機(jī)，這樣可以利用土機(jī)富裕功率，減少能量損耗。軸帶發(fā)電系統(tǒng)可以降低燃油消耗量 ，減少昂貴的輕柴油消耗，降低維修費(fèi)用并延長(zhǎng)維修周期。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，軸帶發(fā)電裝置的這些*性引起了各國(guó)造船界和航運(yùn)界的重視 。因此，軸帶發(fā)電系統(tǒng)的研究和應(yīng)用價(jià)值不斷提高。
1 概述
本文介紹的港作拖輪電能管理系統(tǒng)由3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)和2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)有三種運(yùn)行情況：1)共同發(fā)電，即軸帶發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)時(shí)布網(wǎng)運(yùn)行，同向船舶電網(wǎng)供電；2)軸帶發(fā)電，即柴油發(fā)電機(jī)解列停機(jī)，只有軸帶發(fā)電機(jī)網(wǎng)運(yùn)行，向船舶電網(wǎng)供電；3)柴油發(fā)電，即軸帶發(fā)電機(jī)解列停機(jī)，只有柴油發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，向船舶電網(wǎng)供電。
2 組成和功能
主要功能
該電能管理系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式。手動(dòng)模式是指通過(guò)觸摸屏手動(dòng)控制發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)、停車、合閘、分閘、同步、解列等操作。自動(dòng)模式是電能管理系統(tǒng)程序根據(jù)電 負(fù)載情況，自動(dòng)確定投入并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組數(shù)量，從而保證在網(wǎng)機(jī)組的容量與負(fù)載所需的功率相匹配。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電能管理系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)相應(yīng)增減在網(wǎng)機(jī)組。增減機(jī)組依據(jù)恒定平均功率原則，保證在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組功率在額定功率的一定范圍內(nèi)。
恒定平均功率原則是指預(yù)先設(shè)定增加或減少運(yùn)行機(jī)組數(shù)的臨界功率值的電能管理原則。為了保證發(fā)電機(jī)的功率輸出及安全，電網(wǎng)功率大于80%Pe。(額定功率)時(shí)增機(jī)，小于25％Pe時(shí)減機(jī)。
3 系統(tǒng)的軟/硬件設(shè)計(jì)
3.1 硬件設(shè)計(jì)
考慮到船舶電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)所處的惡劣工作環(huán)境，要求硬件設(shè)備具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)。SIEMENS PLC (可編程控制器)擁有邏輯控制功能和抗干擾能力，是該船舶電能管理系統(tǒng)硬件的較優(yōu)選擇。因此本港作拖輪的電能管理系統(tǒng)SIEMENS S7-1200 PLC作為核心控制器，配合SM 1223 DI16／DQI6數(shù)字量輸入／輸出模塊和SM 1234 AI4／AQ2模擬量輸入輸出模塊，完成對(duì)電站發(fā)電系統(tǒng)管理的功能。S7-1200 PLC功能可靠、價(jià)格實(shí)惠，具有靈活的可擴(kuò)展性，代表了未來(lái)小型PLC的發(fā)展方向，自動(dòng)化新潮流。
所選的HMI設(shè)備具有分辨率高、操作面板堅(jiān)固、耐腐蝕塑料外殼和安裝靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，適合船舶上各種HMI應(yīng)用。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
SIEMENS S7-1200 PLC采用工程組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)和編程，組態(tài)軟件支持梯形圖和SCL編程語(yǔ)言。 SCL語(yǔ)言類似C語(yǔ)言，本系統(tǒng)PLC程序主要使用SCL編程語(yǔ)言。該船舶電能管理系統(tǒng)控制器的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。
當(dāng)發(fā)電模式為柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電或軸帶電機(jī)發(fā)電時(shí)，電能管理系統(tǒng)只要按照基本功能滿足電網(wǎng)供電需求、合理分配電能、管理用電設(shè)備。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)電模式在柴油電機(jī)發(fā)電和軸帶電機(jī)發(fā)電之間轉(zhuǎn)換時(shí)，情況變得有些復(fù)雜。為保證在發(fā)電模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電網(wǎng)和用電設(shè)備平穩(wěn)過(guò)渡，本系統(tǒng)采用了工程效果較好的方式。柴油發(fā)電模式轉(zhuǎn)換到軸帶發(fā)電模式軟件流程如圖3所示，軸帶發(fā)電模式轉(zhuǎn)換到柴油發(fā)電模式軟件流程如圖4所示。
圖3 柴油發(fā)電轉(zhuǎn)軸帶發(fā)電流程圖
圖4 軸帶發(fā)電轉(zhuǎn)柴油發(fā)電流程圖
4 安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案
4.1概述
用戶端消耗著整個(gè)電網(wǎng)80%的電能，用戶端智能化用電管理對(duì)用戶可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。構(gòu)建智能用電服務(wù)體系，全面推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動(dòng)。用戶端急需解決的研究?jī)?nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計(jì)，智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。
安科瑞Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對(duì)用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項(xiàng)用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約電能，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
4.2應(yīng)用場(chǎng)所
（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；
（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；
（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè)場(chǎng)所等）；
（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；
（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；
（6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭建筑等）。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.4系統(tǒng)功能
4.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)人機(jī)界面友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。
4.4.2電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表
系統(tǒng)以豐富的報(bào)表支撐計(jì)量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來(lái)任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況，即該節(jié)點(diǎn)進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護(hù)計(jì)量體系的正確性。
4.4.3詳細(xì)電參量查詢
在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中危髽?biāo)單擊可查看該回路詳細(xì)電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢(shì)曲線及24小時(shí)電壓趨勢(shì)曲線。
4.4.4運(yùn)行報(bào)表
系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲(chǔ)和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時(shí)間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等，并通過(guò)報(bào)表方式顯示出來(lái)。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)，支持導(dǎo)出Excel格式文件，還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。
4.4.5變壓器運(yùn)行監(jiān)視
系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)總進(jìn)線、主變壓器、重要負(fù)荷出線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，用曲線顯示電流、變壓器運(yùn)行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負(fù)荷率等運(yùn)行趨勢(shì)，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)掌握運(yùn)行水平和用電需求，確保供電安全可靠。
4.4.6實(shí)時(shí)報(bào)警
系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)事件等級(jí)發(fā)出告警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)報(bào)警窗口，并發(fā)出聲音或語(yǔ)音提醒。
4.4.7歷史事件查詢
系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，保護(hù)動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
4.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報(bào)表掌握進(jìn)線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等，及時(shí)采取相應(yīng)的措施，降低諧波損耗，減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測(cè)功能的電力儀表，不需要可刪除。
4.4.9遙控操作
系統(tǒng)支持對(duì)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴(yán)格的密碼保護(hù)和操作權(quán)限管理功能，對(duì)于每次遙控操作，系統(tǒng)自動(dòng)生成操作記錄，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時(shí)間、操作類型等。實(shí)現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機(jī)構(gòu)及保護(hù)保測(cè)控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。
4.4.10用戶權(quán)限管理
系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
4.4.11通訊狀態(tài)圖
系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
4.4.12視頻監(jiān)控
視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息。
4.4.13用戶報(bào)告
用戶報(bào)告頁(yè)面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
4.4.14 APP支持
電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“巡檢記錄"和“缺陷記錄"五大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
4.5系統(tǒng)硬件配置清單
5結(jié)語(yǔ)
本文介紹的船舶電站電能管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 該港作拖輪的電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，適時(shí)進(jìn)行自動(dòng)起停機(jī)組、同步并車、輕車解列、自動(dòng)接脫排和發(fā)電模式 轉(zhuǎn)換等功能操作，對(duì)于控制命令和故障報(bào)警，響應(yīng)迅速，控制狀態(tài)切換及時(shí)正確，達(dá)到了該船舶電站電能管理的設(shè)計(jì)要求和目的。
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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè) 2022.05版.
作者簡(jiǎn)介：周穎，女，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電
上海嘉定區(qū)育綠路253號(hào)
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