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摘要：隨著現代造船技術的發展，船舶對電能管理係統的可靠性和經濟性要求越來越高，因此船舶電站的控製、監視和管理的重要性越來越突出。根據油 電混合動力港作拖輪 電能管理係統的特 點，對該船電力係統的組成和功能要求進行分析，在此基礎上，對該船電能管理係統進行了詳細設計。本船以西門子s71200型號PLC作為核心控製器，並對柴油發電機組和軸帶發電機組的功能設計及軟件流程作詳細闡述，本船己投入使用，實用效果良好。
關鍵詞：船舶電能管理；軸帶發電；柴油發電
0引言
船舶電能管理係統是船舶自動化係統的重要組成部分，是船舶電力係統中主要的電能管理設備，它可以集中、控製、分配發電機組產生的電能並實現對用電設備的管理，提高船舶電力係統的穩定性和安全性。
chaiyoufadianxitongyichaiyoujiweiyuandongji，yichaiyouweizhuranliao，chaiyoujituodongfadianjifadian，badongnengzhuanhuanchengdianneng，congerweixitongdianwanggongdian。zheshiyizhongqidongxunsu 、操作方便、對環境的適應性較強的發電裝置。
軸帶發電係統由主機通過軸係驅動船舶發電機，這樣可以利用土機富裕功率，減少能量損耗。軸帶發電係統可以降低燃油消耗量 ，jianshaoangguideqingchaiyouxiaohao，jiangdiweixiufeiyongbingyanchangweixiuzhouqi。suizhedianlidianzijishudefazhan，zhoudaifadianzhuangzhidezhexieyouyuexingyinqilegeguozaochuanjiehehangyunjiedezhongshi 。因此，軸帶發電係統的研究和應用價值不斷提高。
1概述
本文介紹的港作拖輪電能管理係統由3台柴油發電機和2台軸帶發電機組成，如圖1所示。該係統有三種運行情況：1)共同發電，即軸帶發電機和柴油發電機時布網運行，同向船舶電網供電；2)軸帶發電，即柴油發電機解列停機，隻有軸帶發電機網運行，向船舶電網供電；3)柴油發電，即軸帶發電機解列停機，隻有柴油發電機在網運行，向船舶電網供電。
該(gai)港(gang)作(zuo)拖(tuo)輪(lun)主(zhu)機(ji)為(wei)兩(liang)台(tai)中(zhong)速(su)機(ji)。由(you)於(yu)該(gai)船(chuan)采(cai)用(yong)定(ding)距(ju)槳(jiang)係(xi)統(tong)，船(chuan)速(su)是(shi)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)主(zhu)機(ji)轉(zhuan)速(su)來(lai)控(kong)製(zhi)的(de)，因(yin)此(ci)主(zhu)機(ji)轉(zhuan)速(su)時(shi)刻(ke)變(bian)化(hua)，導(dao)致(zhi)軸(zhou)帶(dai)發(fa)電(dian)機(ji)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)相(xiang)應(ying)變(bian)化(hua)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，要(yao)獲(huo)得(de)頻(pin)率(lv)恒(heng)定(ding)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)，需(xu)要(yao)在(zai)發(fa)電(dian)機(ji)和(he)電(dian)站(zhan)之(zhi)間(jian)連(lian)接(jie)一(yi)台(tai)變(bian)頻(pin)器(qi)。軸(zhou)帶(dai)發(fa)電(dian)機(ji)輸(shu)出(chu)端(duan)連(lian)接(jie)變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)整(zheng)流(liu)部(bu)分(fen)，變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)逆(ni)變(bian)部(bu)分(fen)連(lian)接(jie)船(chuan)舶(bo)電(dian)。變(bian)頻(pin)器(qi)使(shi)得(de)不(bu)論(lun)軸(zhou)帶(dai)發(fa)電(dian)機(ji)輸(shu)出(chu)端(duan)電(dian)能(neng)的(de)頻(pin)率(lv)和(he)電(dian)壓(ya)如(ru)何(he)變(bian)化(hua)，輸(shu)送(song)到(dao)船(chuan)舶(bo)電(dian)網(wang)上(shang)的(de)電(dian)能(neng)頻(pin)率(lv)和(he)電(dian)壓(ya)將(jiang)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)。
人ren多duo情qing況kuang下xia，該gai拖tuo輪lun電dian能neng管guan理li係xi統tong處chu於yu柴chai油you發fa電dian模mo式shi或huo軸zhou帶dai發fa電dian模mo式shi。隻zhi有you當dang軸zhou帶dai發fa電dian係xi統tong起qi動dong時shi，或huo者zhe需xu要yao負fu載zai轉zhuan移yi的de情qing況kuang下xia，才cai會hui出chu現xian較jiao為wei短duan暫zan的de同tong發fa電dian模mo式shi。
圖1 該船電能管理係統結構圖
2 組成和功能
2.1組成
該拖輪電能管理係統位於集控室，主要由SIEMENSS7-1200PLC電能管係統主控站、北爾電子X2 marine觸摸屏(HMI)和PC組成。其中PLC的作川是執行PMS的各種邏輯控製算法；觸摸屏是人機交互界麵，它的作用是數據交換和監控數據顯示；PC機是一個工程師接口，它的作用是對係統中的PLC和HMI程序進行編寫與優化。PLC、HMI與PC之間通過MOXA8口交換機連接。
每套柴油發電機組配一套PPU，PPU過485串口通訊總線將發電機組的電壓、頻率、功率等信息發送給SIEMENS S7—1200 PLC電能管係統主控站，由主控站完成電能管理係統的主要功能，並在觸摸屏上進行工況顯示。
觸摸顯示屏選用北爾電子X2 marine，可以顯示該船舶電站各發電機組的運行參數、運 行狀態以及故障情況，還可以通過觸摸屏手動控製機組的起動、停車、同步、解列、合閘、分閘等操作。
2.2主要功能
2.2.1 2種控製模式
該電能管理係統具有手動和自動2種控製模式。手動模式是指通過觸摸屏手動控製發電機組的起動、停車、合閘、分閘、同步、解列等操作。自動模式是電能管理係統程序根據電 負fu載zai情qing況kuang，自zi動dong確que定ding投tou入ru並bing網wang運yun行xing的de發fa電dian機ji組zu數shu量liang，從cong而er保bao證zheng在zai網wang機ji組zu的de容rong量liang與yu負fu載zai所suo需xu的de功gong率lv相xiang匹pi配pei。當dang電dian網wang負fu載zai發fa生sheng變bian化hua時shi，電dian能neng管guan理li係xi統tong軟ruan件jian會hui自zi動dong相xiang應ying增zeng減jian在zai網wang機ji組zu。增zeng減jian機ji組zu依yi據ju恒heng定ding平ping均jun功gong率lv原yuan則ze，保bao證zheng在zai網wang發fa電dian機ji組zu功gong率lv在zai額e定ding功gong率lv的de一yi定ding範fan圍wei內nei。
恒heng定ding平ping均jun功gong率lv原yuan則ze是shi指zhi預yu先xian設she定ding增zeng加jia或huo減jian少shao運yun行xing機ji組zu數shu的de臨lin界jie功gong率lv值zhi的de電dian能neng管guan理li原yuan則ze。為wei了le保bao證zheng發fa電dian機ji的de功gong率lv輸shu出chu及ji安an全quan，電dian網wang功gong率lv大da於yu80%Pe。(額定功率)時增機，小於25％Pe時減機。
2.2.2 優先級管理
電能管理係統用改定優先絨的方法來管理柴油發電機組的起／停順序，並且支持在線修改機組的優先級。通過事先對柴油發電機組起／停的優先級設定，充分保證了各機組的有序起動，避免2台(tai)及(ji)以(yi)以(yi)上(shang)機(ji)組(zu)同(tong)時(shi)起(qi)動(dong)並(bing)網(wang)，提(ti)高(gao)了(le)機(ji)組(zu)有(you)效(xiao)利(li)用(yong)率(lv)和(he)並(bing)網(wang)的(de)安(an)全(quan)性(xing)。當(dang)柴(chai)油(you)機(ji)起(qi)動(dong)成(cheng)功(gong)之(zhi)後(hou)，可(ke)以(yi)自(zi)動(dong)並(bing)網(wang)合(he)閘(zha)。當(dang)電(dian)能(neng)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)收(shou)到(dao)機(ji)組(zu)故(gu)障(zhang)信(xin)號(hao)或(huo)輕(qing)車(che)運(yun)行(xing)時(shi)，可(ke)以(yi)按(an)照(zhao)優(you)先(xian)級(ji)自(zi)動(dong)對(dui)機(ji)組(zu)解(jie)列(lie)／停車。
2.2.3 功率限製與負載分段
當dang電dian動dong機ji預yu作zuo為wei主zhu推tui進jin係xi統tong時shi，電dian動dong機ji起qi動dong前qian，需xu向xiang電dian能neng管guan理li係xi統tong發fa出chu重zhong載zai請qing求qiu，電dian能neng管guan理li係xi統tong將jiang起qi動dong所suo有you柴chai油you發fa電dian機ji組zu，然ran後hou檢jian測ce在zai網wang的de可ke用yong功gong率lv。根gen據ju在zai網wang可ke用yong功gong率lv情qing況kuang，電dian能neng管guan理li係xi統tong對dui電dian動dong機ji發fa出chu起qi動dong允yun許xu和he功gong率lv限xian製zhi比bi例li信xin號hao。如ru果guo，在zai網wang功gong率lv太tai小xiao，無wu法fa滿man足zu電dian動dong機ji耗hao能neng需xu求qiu，電dian能neng管guan理li係xi統tong將jiang不bu允yun許xu軸zhou帶dai電dian動dong機ji起qi動dong。
diannengguanlixitongjiangchuanshanggeleifuzaianzhaozhucishunxujinxingfenji。dangmoutaichaiyoufadianjizufashengguzhangshi，xuyaoduiguzhangjizujielie，daozhizaiwanggongnengjianshao，xuduizaiwangyongdianshebeijinxinggonglvxianzhi。tongshi，diannengguanlixitongjianganzhaofuzaiyouxianjixiezaixiangduiciyaodefuzai，yibaozhengzhuyaoshebeidezhengchangyunxing。
2.2.4 觸摸屏參數顯示
電能管理係統在觸摸屏上用圖形和表格方式形象直觀地顯示各發電機組的工作狀態及螢要參數值的報警信息，如圖2所示。觸摸屏主要有以下功能：
1)彩色動態顯示功能，觸摸屏上動態實時監測柴油發電機組的運行狀態、發電機組斷路器狀態、母排斷路器狀態和電能分配狀況等；
2)報警顯示功能，對柴油發電機組重要參數進行動態實時故障報警監測，當故障發生時可以發出警報聲音。
圖2 電能管理係統報警頁麵
3 係統的軟/硬件設計
3.1 硬件設計
考慮到船舶電站實際運行時所處的惡劣工作環境，要求硬件設備具有環境適應性強和可靠性高等特點。SIEMENS PLC (可編程控製器)擁有邏輯控製功能和抗幹擾能力，是該船舶電能管理係統硬件的較優選擇。因此本港作拖輪的電能管理係統SIEMENS S7-1200 PLC作為核心控製器，配合SM 1223 DI16／DQI6數字量輸入／輸出模塊和SM 1234 AI4／AQ2模擬量輸入輸出模塊，完成對電站發電係統管理的功能。S7-1200 PLC功能可靠、價格實惠，具有靈活的可擴展性，代表了未來小型PLC的發展方向，自動化新潮流。
所選的HMI設備具有分辨率高、操作麵板堅固、耐腐蝕塑料外殼和安裝靈活方便等優點，適合船舶上各種HMI應用。
3.2 軟件設計
SIEMENS S7-1200 PLC采用工程組態軟件進行組態和編程，組態軟件支持梯形圖和SCL編程語言。 SCL語言類似C語言，本係統PLC程序主要使用SCL編程語言。該船舶電能管理係統控製器的軟件采用模塊化設計。
當發電模式為柴油發電機發電或軸帶電機發電時，電能管理係統隻要按照基本功能滿足電網供電需求、合理分配電能、管(guan)理(li)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)。當(dang)電(dian)網(wang)發(fa)電(dian)模(mo)式(shi)在(zai)柴(chai)油(you)電(dian)機(ji)發(fa)電(dian)和(he)軸(zhou)帶(dai)電(dian)機(ji)發(fa)電(dian)之(zhi)間(jian)轉(zhuan)換(huan)時(shi)，情(qing)況(kuang)變(bian)得(de)有(you)些(xie)複(fu)雜(za)。為(wei)保(bao)證(zheng)在(zai)發(fa)電(dian)模(mo)式(shi)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)中(zhong)，電(dian)網(wang)和(he)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)平(ping)穩(wen)過(guo)渡(du)，本(ben)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)了(le)工(gong)程(cheng)效(xiao)果(guo)較(jiao)好(hao)的(de)方(fang)式(shi)。柴(chai)油(you)發(fa)電(dian)模(mo)式(shi)轉(zhuan)換(huan)到(dao)軸(zhou)帶(dai)發(fa)電(dian)模(mo)式(shi)軟(ruan)件(jian)流(liu)程(cheng)如(ru)圖(tu)3所示，軸帶發電模式轉換到柴油發電模式軟件流程如圖4所示。
圖3 柴油發電轉軸帶發電流程圖
圖4 軸帶發電轉柴油發電流程圖
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80%的電能，用戶端智能化用電管理對用戶可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務體係，全麵推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：先進的表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理係統、需求側管理等課題。
安科瑞Acrel-3000WEBdiannengguanlijiejuefangantongguoduiyonghuduanyongdianqingkuangjinxingxifenhetongji，yizhiguandeshujuhetubiaoxiangguanlirenyuanhuojuececengzhanshigefenxiangyongdiandeshiyongxiaohaoqingkuang，bianyuzhaochugaohaonengdianhuobuhelidehaonengxiguan，youxiaojieyuedianneng，weiyonghujinyibujienenggaizaohuoshebeishengjitigongzhunquedeshujuzhicheng。
4.2應用場所
（1）辦公建築（商務辦公、大型公共建築等）；
（2）商業建築（商場、金融機構建築等）；
（3）旅遊建築（賓館飯店、娛樂場所等）；
（4）科教文衛建築（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建築等）；
（5）通信建築（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；
（6）交通運輸建築（機場、車站、碼頭建築等）。
4.3係統結構
4.4係統功能
4.4.1實時監測
係統人機界麵友好，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態，以及有關故障、告警等信號。
4.4.2電能統計報表
xitongyifengfudebaobiaozhichengjiliangtixidewanzhengxing。xitongjubeidingshichaobiaohuizongtongjigongneng，yonghukeyiziyouzhaxunzixitongzhengchangyunxingyilairenyishijianduanneigepeidianjiediandeyongdianqingkuang，jigaijiedianjinxianyongdianliangyugefenzhihuiluxiaohaodianliangdetongjifenxibaobiao。gaigongnengshideyongdiankeshitouming，bingzaiyongdianwuchapiandashikefenxizhuisu，weihujiliangtixidezhengquexing。
4.4.3詳細電參量查詢
在配電一次圖中，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變為手形，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，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、正向有功電能，並可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。
4.4.4運行報表
係統具有實時電力參數和曆史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界麵中能夠自定義需要查詢的參數、指定時間或選擇查詢更新的記錄數據等，並通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定製運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。
4.4.5變壓器運行監視
係統對配電係統總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態進行在線實時監視，用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢，分析變壓器負荷率及損耗，方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求，確保供電安全可靠。
4.4.6實時報警
係統具有實時報警功能，係統能夠對配電回路斷路器、隔離開關、接地刀分、合動作等遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進行實時監測，並根據事件等級發出告警。係統報警時自動彈出實時報警窗口，並發出聲音或語音提醒。
4.4.7曆史事件查詢
係統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。
4.4.8電能質量監測
係統可以對整個配電係統範圍內的電能質量進行持續性的監測，運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、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測功能的電力儀表，不需要可刪除。
4.4.9遙控操作
係統支持對斷路器、隔離開關、接地刀等進行分、合遙控操作。係統具有嚴格的密碼保護和操作權限管理功能，對於每次遙控操作，係統自動生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現該功能需要斷路器本身具有電操機構及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。
4.4.10用戶權限管理
係統為保障係統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
4.4.11通訊狀態圖
係統支持實時監視接入係統的各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個係統網絡結構；kezaixianzhenduanshebeitongxunzhuangtai，fashengwangluoyichangshinengzidongzaijiemianshangxianshiguzhangshebeihuoyuanjianjiqiguzhangbuwei。congerfangbianyunxingweihurenyuanshishizhangwoxianchanggeshebeidetongxunzhuangtai，jishiweihuchuxianyichangdeshebei，baozhengxitongdewendingyunxing。
4.4.12視頻監控
視頻監控展示了當前實時畫麵（視頻直播），選中某一個變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。
4.4.13用戶報告
用戶報告頁麵主要用於對選定的變配電站自動彙總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析。
4.4.14 APP支持
電力運維手機支持“監控係統”、“設備檔案”、“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、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
 
4.5係統硬件配置清單
5結語
本文介紹的船舶電站電能管理係統可以實時監測 該港作拖輪的電力係統運行參數，適時進行自動起停機組、同步並車、輕車解列、自動接脫排和發電模式 轉換等功能操作，對於控製命令和故障報警，響應迅速，控製狀態切換及時正確，達到了該船舶電站電能管理的設計要求和目的。
【參考文獻】
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[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊 2022.05版.
作者簡介：尤兵兵，男，現任於安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理係統的研發與應用
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