CN105584614A - 一种基于热冗余控制器的船舶能量管理*** - Google Patents

一种基于热冗余控制器的船舶能量管理*** Download PDF

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刘建设
杨俊飞
张奇
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Abstract

本发明公开了一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，包括作为主控制站使用的主控制器，还包括作为备用控制站使用的备用控制器，采用热冗余控制器并通过同步总线进行实时同步通讯，通过现场总线连接机组控制器和机组接口模块，机组控制器上连接有主机组，所述的主机组通过主开关与主电网相连接，主电网通过供电开关连接日用电网，日用电网通过供电开关分别连接停泊机组和岸电，所述的供电开关上设置有同步模块；本发明采用冗余控制器实现船舶能量管理***的全部功能，可实时监测机组负荷率和主开关状态，以防止负荷突变引起发电机过载，防止出现全船停电而影响船舶安全，性能极好、安全可靠、操作方便，适用性广泛。

Description

一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***
技术领域
本发明属于船舶自动化技术领域，具体涉及一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，适用于各种电力推进船舶，特别适用于可靠性要求高、配置DP2/DP3的特种电力推进船舶，如铺管船、布缆船等。
背景技术
随着船舶电网容量越来越大，船舶电站配置也越来越复杂，特别在电力推进船舶中，船舶能量管理***的可靠性和安全性一直是船东、设计院和船级社关注的焦点，以往的能量管理***通常采用单控制器的PLC作为能量管理***主控制器，在主控制器发生故障时，只能采用手动方式完成船舶电站的管理操作，可靠性不高，且无法实现不停机维修换件。
能量管理***的控制对象为主机组及停泊机组。能量管理***根据功率的需求对每台主发电机及推进控制***进行监控并协调各发电机的工作，可以对供电***进行故障报警和处理，为推进***和其他用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源。在供电***出现故障时，能量管理***会采取各种措施，尽可能保证对负载的连续供电，避免电站断电，确保船舶的安全性。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，本发明采用冗余控制器实现船舶能量管理***的全部功能，性能极好、安全可靠、操作方便，适用性广泛。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，包括作为主控制站使用的主控制器，还包括作为备用控制站使用的备用控制器，所述的主控制器和备用控制器均采用热冗余控制器并通过同步总线进行实时同步通讯，主控制器和备用控制器均通过现场总线连接机组控制器和机组接口模块，机组控制器上连接有主机组，所述的主机组通过主开关与主电网相连接，主电网通过供电开关连接日用电网，日用电网通过供电开关分别连接停泊机组和岸电，所述的供电开关上设置有同步模块。
所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其主控制器上分别设置有人机界面和机舱监测报警***。
所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其备用控制器上分别设置有人机界面和机舱监测报警***。
所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，两个人机界面安装于配电板上，可实现冗余配置；两个人机界面分别安装在配电板和集控台上，可实现船舶能量管理***的多地操作和监视。
所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其机舱监测报警***上设有用于将船舶能量管理***的运行状态和信息发送到上位信息***的网络接口。
所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其机组控制器采集机组和汇流排电压和电流等电气参数，并通过调速接口和调压接口协调机组的调速器和调压器。所述的调压器采用励磁调节器。
所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其同步总线为同步光纤或同步电缆。
本发明的有益效果是：采用冗余控制器实现船舶能量管理***的全部功能，性能极好、安全可靠、操作方便，适用性广泛；主控制器和备用控制器通过同步总线进行实时同步通讯，两套控制器独立运行并互为备用，一旦主用控制器出现故障，备用控制器将被自动切换成主用控制器，控制器的切换时间小于50毫秒；日用电网的供电开关均设置同步模块，实现岸电、停泊机组与主机组的任意一台之间进行不断电的负载转移，确保日用电网的供电连续性；机舱监测报警***设有网络接口，可将本***的运行状态和信息发送到上位信息***；可提供不同的管理模式，如半自动、自动、DP等，实现不同要求的自动化要求。
附图说明
图1为本发明一种实施例的应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1所示为本发明的一个典型应用示意图，它是一种由四台主机组、一台停泊机组组成的船舶电站的能量管理***，包括作为主控制站使用的主控制器，还包括作为备用控制站使用的备用控制器，一套控制器将在船舶能量管理***中发挥主控制站的功能，另一套则运行在备用控制站的状态，两套控制器并联在日用电网上独立运行并互为备用，为了确保供电连续性和***可靠性，所述的主控制器和备用控制器均采用热冗余控制器并通过同步总线进行实时同步通讯，主控制器和备用控制器均通过冗余现场总线连接多个机组控制器和机组接口模块，各机组控制器与主、备用控制器、人机界面之间通过现场总线交互数据，实现船舶电力***的协调控制和管理，机组控制器上连接有主机组，所述的主机组通过主开关与主电网相连接，主电网通过供电开关连接日用电网，日用电网通过供电开关分别连接停泊机组和岸电，所述的供电开关上设置有同步模块，实现岸电、停泊机组与主机组的任意一台之间进行不断电的负载转移，确保日用电网的供电连续性，一旦主用控制器出现故障，备用控制器将被自动切换成主用控制器，控制器的切换时间小于50毫秒。
本发明采用冗余控制器实现船舶能量管理***的全部功能，冗余设置的人机界面模块、冗余设置的管理控制器模块，另外还包括按照船舶机组数量配置的机组接口模块、机组控制和保护模块，可实时监测机组负荷率和主开关状态，并按照机组负荷率和开关状态对推进***功率进行稳态功率限制及暂态快速降低推进功率，以防止负荷突变引起发电机过载，防止出现全船停电而影响船舶安全。同现有***相比，***可靠性更高，适用于各种电力推进船舶，特别适用于可靠性要求高、配置DP2/DP3的特种电力推进船舶，如铺管船、布缆船等。***采用模块化设计和图形化界面，内置多种语言版本，易于使用。采用热冗余控制器，***可靠性更高，适用于各种电力推进船舶，特别适用于可靠性要求高、配置DP2/DP3的特种电力推进船舶，如铺管船、布缆船等。性能极好、安全可靠、操作方便，适用性广泛。
采用冗余控制器实现船舶能量管理***的全部功能：
a)工作模式选择；
b)机组的自动起动、停机，机组自动同步和解列；
c)机组、断路器监测、控制、保护功能；
d)发电机组起、停序列设定功能；
e)重载问询功能；
f)分级卸载功能；
g)功率限制及快速降负荷功能；
h)主辅机组或岸电不断电转移负荷功能；
i)机舱监测报警***接口功能；
j)人机界面监测功能。
1设备组成
如图1所示，本***包括主控制器、备用控制器、机组控制器、机组接口模块、主机组、同步模块和人机界面。
主控制器将在船舶能量管理***中发挥主控制站的功能，实现船舶***管理功能和协调控制功能，另一套备用控制器则运行在备用控制站的状态。一旦主控制器出现故障，备用控制器将被自动切换成主控制器。
每台主机组配置独立的机组控制器采集汇流排与发电机的电压和频率等参数，为发电机提供保护，如果并联运行的某台发电机出现高压、低压、高频、低频等故障时，相应的故障发电机应自动脱扣。任意一套机组控制器故障不会影响整个电网的正常运行。
本***按需配置一定数量的机组接口模块，采集机组运行状态、热工参数和故障信息，实现机组的控制管理。
日用电网进线供电开关、停泊机组供电开关、岸电供电开关设置了同步模块，实现日用电网的不断电负载转移和切换。
2接口
2.1通讯接口
主控制器、备用控制器之间采用同步总线进行同步协调，同步总线可采用现场总线（PROFIBUS）或工业以太网（PROFINET），传输介质可采用光纤或电气介质。
主控制器、备用控制器与人机界面之间可采用现场总线或工业以太网通讯接口。
主控制器、备用控制器与机组控制器、机组接口模块之间采用现场总线或工业以太网通讯接口。
主控制器、备用控制器与上位信息***（机舱监测报警***、全船信息管理***）之间采用冗余的工业以太网通讯接口或现场总线接口。
2.2硬件接口
2.2.1输入信号
输入信号包括：
a)能量管理模式选择；
b)开关状态；
c)机组遥控状态、备车完毕、运行状态、一类故障、二类故障；
d)机组及汇流排电压、电流信号；
e)重载请求、重载运行信号。
2.2.2输出信号
a)机组启动、停机指令；
b)机组调速、调压指令；
c)开关分闸、合闸指令；
d)重载允许指令；
e)功率限制信号及快速降负荷指令；
f)蜂鸣器、报警、状态指示灯。
3功能
本***采用冗余控制器实现船舶能量管理***的全部功能：
a)工作模式选择；
b)机组的自动起动、停机，机组自动同步和解列；
c)机组、断路器监测、控制、保护功能；
d)发电机组起、停序列设定功能；
e)重载问询功能；
f)分级卸载功能；
d)功率限制及快速降负荷功能；
h)主辅机组或岸电不断电转移负荷功能；
i)机舱监测报警***接口功能；
j)人机界面监测功能。
3.1工作模式选择
本***提供不同的管理模式，如半自动、自动、DP等，实现不同要求的自动化要求。
在半自动模式下，机组起停控制依据人工操作指令进行，自动进行负载分配，自动完成机组开关的合闸、分闸控制。
自动模式下，根据实际负荷情况自动完成机组增减机起停控制，自动进行负载分配，自动完成机组开关的合闸、分闸控制。
在某些配置DP2/DP3船舶通常会设置DP模式，DP模式下，主电网和日用电网母联开关自动分断，左右两段母线独立运行。
3.2机组的自动启动、停机，机组自动同步和解列
自动模式下，主电网储备功率不足，备用机组应自动启动。若主电网储备功率过剩时，则指定机组自动解列、停机。
半自动模式下，收到启动指令时，启动指定机组，收到停机指令时，该机组解列、停机。
母线无电时，待用机组在达到一定电压和频率后立即投入。
母线有电时，待用机组可自动同步，自动合闸。
有预防措施，以避免两个或两个以上发电机组开关同时合闸。
当电网出现短路故障而造成在网发电机开关脱扣时，在人工应答复位前防止各发电机开关重新合闸。
半自动模式下，收到合闸指令时，自动完成开关的同步合闸。
3.3机组、断路器监测、控制、保护功能
本***通过机组接口模块对机组状态进行监测，评估是否将其纳入能量管理序列。
机组发生故障时，根据故障类型，有相应故障保护措施。
对母线开关等实行自动合、分功能，并带有联锁保护功能。
与主机组之间应设置有以下监测输入接口：
a)遥控/机旁状态，判断是否拥有控制权；
b)备车完毕，判断辅机是否开启，是否可以进行自动控制；
c)设置热工参数监测，包括原动机滑油、原动机冷却水、发电机绕组等。
d)报警、故障状态等。
与机组之间应设置有以下控制输出接口：
a)启动、停机，对运行状态进行控制；
b)调速指令，对机组转速进行调节；
c)调压指令，对机组输出电压进行调节。
3.4发电机组根据负载情况的自动起、停序列设定功能
本***处于自动模式时，按照负载情况自动增机，增机优先顺序按照设定的优先原则进行确定。
本***处于自动模式时，按照负载情况自动减机，减机优先顺序按照设定的优先原则进行确定。
本***人机界面上有相应的接口可进行优先顺序的设定。
3.5重载问询功能
在启动大容量的设备之前，用电设备应先向PMS发出启动请求，PMS根据机组在网情况，判断是否能满足重载设备的启动要求。
根据当前在网机组可用功率和当前实际负载大小计算出当前剩余可用功率；当前剩余可用功率与请求启动的重载所需要功率进行比较，当剩余可用功率大于重载启动所需的功率时，发出启动允许信号。
3.6分级卸载功能
自动分级卸载***当电网在线负载的总用电量超过供电发电机总功率的95%（若只有一台发电机供电，则为该发电机额定功率的100%），并持续5-8秒之后，应能自动将在线负载中的次要负载以一级或分作几级的方式从电网分断，以确保对重要负载的连续供电。
3.7功率限制及快速降负荷功能
稳态时PMS功率限制功能通过在线机组实时最大负荷比实现；故障情况下功率限制功能通过快速降负荷信号实现。
快速降负荷功能：当发生开关故障或机组一类故障突然停机时，机组开关分闸前未经过负荷转移直接带载分闸时，应对推进变频器等电网大负荷发出快速降负荷指令。
稳态功率限制功能：PMS应将当前在线所有机组的负荷最大值传送给推进变频器，作为变频器功率限制的参考值，机组负荷最大值达90%时，限制在当前运行功率，当机组负荷最大值达95%时，降低推进功率，降低幅度一般为20%当前功率。
当电力***具有多段母排且分段运行时，功率限制信号应针对每段母排单独计算，每台推进的功率限制信号根据所处的母排，根据本段母排的机组运行情况进行计算。
3.8主辅机组或岸电不断电转移负荷功能
日用电网的供电开关均设置同步模块，实现岸电、停泊机组与主机组的任意一台之间进行不断电的负载转移，确保日用电网的供电连续性。
3.9机舱监测报警***接口功能
主控制器、备用控制器与上位信息***（机舱监测报警***、全船信息管理***）之间采用冗余的工业以太网通讯接口或现场总线接口。
3.10人机界面监测功能
本***设置两个人机界面，可安装于配电板实现冗余配置，也可分别安装于配电板和集控台上，实现船舶能量管理***的多地操作和监视。人机界面上可动态实时监测机组的运行状态、母线的运行状态、电能分配状况等。通过人机界面可以在线修改设置参数，如优先顺序、增机设定值、减机设定值等。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其特征在于：包括作为主控制站使用的主控制器，还包括作为备用控制站使用的备用控制器，所述的主控制器和备用控制器均采用热冗余控制器并通过同步总线进行实时同步通讯，主控制器和备用控制器均通过现场总线连接机组控制器和机组接口模块，机组控制器上连接有主机组，所述的主机组通过主开关与主电网相连接，主电网通过供电开关连接日用电网，日用电网通过供电开关分别连接停泊机组和岸电，所述的供电开关上设置有同步模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其特征在于，所述的主控制器上分别设置有人机界面和机舱监测报警***。
3.根据权利要求2所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其特征在于，所述的备用控制器上分别设置有人机界面和机舱监测报警***。
4.根据权利要求3所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其特征在于，所述的两个人机界面安装于配电板上。
5.根据权利要求3所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其特征在于，所述的两个人机界面分别安装在配电板和集控台上。
6.根据权利要求2或3或4或5所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其特征在于，所述的机舱监测报警***上设有用于将运行状态和信息发送到上位信息***的网络接口。
7.根据权利要求1所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其特征在于，所述的机组控制器采集机组和汇流排电压和电流等电气参数，并通过调速接口和调压接口协调机组的调速器和调压器。
8.根据权利要求7所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其特征在于，所述的调压器采用励磁调节器。
9.根据权利要求1所述的一种基于热冗余控制器的船舶能量管理***，其特征在于，所述的同步总线为同步光纤或同步电缆。
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