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,，船舶對電能管理系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，因此船舶電站的控制,、監(jiān)視和管理的重要性越來越突出,。根據(jù)油 電混合動力港作拖輪 電能管理系統(tǒng)的特 點，對該船電力系統(tǒng)的組成和功能要求進(jìn)行分析,，在此基礎(chǔ)上,，對該船電能管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。本船以西門子s71200型號PLC作為核心控制器,，并對柴油發(fā)電機(jī)組和軸帶發(fā)電機(jī)組的功能設(shè)計及軟件流程作詳細(xì)闡述,，本船己投入使用，實用效果良好,。
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)生的電能并實現(xiàn)對用電設(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)為原動機(jī),，以柴油為主燃料,，柴油機(jī)拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電，把動能轉(zhuǎn)換成電能,，從而為系統(tǒng)電網(wǎng)供電,。這是一種起動迅速 、操作方便,、對環(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)通過軸系驅(qū)動船舶發(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臺柴油發(fā)電機(jī)和2臺軸帶發(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)具有手動和自動2種控制模式,。手動模式是指通過觸摸屏手動控制發(fā)電機(jī)組的起動,、停車、合閘,、分閘,、同步、解列等操作,。自動模式是電能管理系統(tǒng)程序根據(jù)電 負(fù)載情況,，自動確定投入并網(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,，電能管理系統(tǒng)軟件會自動相應(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)時增機(jī)，小于25％Pe時減機(jī)。
3 系統(tǒng)的軟/硬件設(shè)計
3.1 硬件設(shè)計
考慮到船舶電站實際運(yùn)行時所處的惡劣工作環(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,。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，完成對電站發(fā)電系統(tǒng)管理的功能,。S7-1200 PLC功能可靠,、價格實惠，具有靈活的可擴(kuò)展性,，代表了未來小型PLC的發(fā)展方向,，自動化新潮流。
所選的HMI設(shè)備具有分辨率高,、操作面板堅固,、耐腐蝕塑料外殼和安裝靈活方便等優(yōu)點，適合船舶上各種HMI應(yīng)用,。
3.2 軟件設(shè)計
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編程語言,。 SCL語言類似C語言,，本系統(tǒng)PLC程序主要使用SCL編程語言。該船舶電能管理系統(tǒng)控制器的軟件采用模塊化設(shè)計,。
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,，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，情況變得有些復(fù)雜,。為保證在發(fā)電模式轉(zhuǎn)換過程中,，電網(wǎng)和用電設(shè)備平穩(wěn)過渡，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
用戶端消耗著整個電網(wǎng)80%的電能,，用戶端智能化用電管理對用戶可靠,、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，實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動,。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括：先進(jìn)的表計,，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對用戶端用電情況進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計,，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用電的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣,，有效節(jié)約電能,，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
4.2應(yīng)用場所
（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、金融機(jī)構(gòu)建筑等）,；
（3）旅游建筑（賓館飯店,、娛樂場所等）；
（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,、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實時監(jiān)測
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)，實時監(jiān)測各回路電壓,、電流,、功率、功率因數(shù),、電能等電參數(shù)信息,，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器,、隔離開關(guān)、地刀等合,、分狀態(tài),，以及有關(guān)故障、告警等信號,。
4.4.2電能統(tǒng)計報表
系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性,。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況,，即該節(jié)點進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表,。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時可分析追溯,，維護(hù)計量體系的正確性,。
4.4.3詳細(xì)電參量查詢
在配電一次圖中，當(dāng)鼠標(biāo)移動到每個回路附近時,，鼠標(biāo)指針變?yōu)槭中?，鼠?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、總無功功率,、總功率因數(shù),、正向有功電能，并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線,。
4.4.4運(yùn)行報表
系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能,，所有實時采集的數(shù)據(jù),、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫,，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等,，并通過報表方式顯示出來,。用戶可以根據(jù)需要定制運(yùn)行日報、月報,，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)行在線實時監(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,，分析變壓器負(fù)荷率及損耗，方便運(yùn)行維護(hù)人員及時掌握運(yùn)行水平和用電需求,，確保供電安全可靠,。
4.4.6實時報警
系統(tǒng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān),、接地刀分、合動作等遙信變位,，保護(hù)動作,、事故跳閘，以及電壓,、電流,、功率、功率因數(shù)越限等事件進(jìn)行實時監(jiān)測,，并根據(jù)事件等級發(fā)出告警,。系統(tǒng)報警時自動彈出實時報警窗口，并發(fā)出聲音或語音提醒,。
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)行存儲和管理,，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計,、事故分析,。
4.4.8電能質(zhì)量監(jiān)測
系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過諧波分析棒圖,、報表掌握進(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)支持對斷路器,、隔離開關(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，對于每次遙控操作,，系統(tǒng)自動生成操作記錄,，記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間,、操作類型等,。實現(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)支持實時監(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)異常時能自動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)人員實時掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài),，及時維護(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)前實時畫面（視頻直播）,，選中某一個變配電站,，即可查看該變配電站內(nèi)視頻信息,。
4.4.13用戶報告
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對變壓器負(fù)荷,、配電回路用電量,、功率因數(shù)、報警事件等進(jìn)行統(tǒng)計分析,。
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"、“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
本文介紹的船舶電站電能管理系統(tǒng)可以實時監(jiān)測 該港作拖輪的電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，適時進(jìn)行自動起停機(jī)組,、同步并車,、輕車解列、自動接脫排和發(fā)電模式 轉(zhuǎn)換等功能操作,，對于控制命令和故障報警,，響應(yīng)迅速，控制狀態(tài)切換及時正確,，達(dá)到了該船舶電站電能管理的設(shè)計要求和目的,。
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作者簡介：周穎,，女，本科 安科瑞電氣股份有限公司,，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電
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