CN106598720A - 船舶电站管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶电站管理系统，它包括管理模块、并车模块、在线千万时模块和接口模块。管理模块用于队列处理和管理每个程序模块，提供功率信息给下层设备，下层设备利用功率信息进行分配管理；并车模块用于机组的顺序启动、自动并车、负荷分配，在线千万时模块用于管理各个队列的权值与需求，调节发电机队列，以保证系统稳定高效的动作；接口模块用于外接第三方设备，第三方设备连接到船舶电站管理系统后抽象为虚拟设备，并加入设备管理。本发明提高了机组的利用率，能够节能，提升了安全运行能力，减低了运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程供电领域，具体是一种船舶电站管理系统。
背景技术
电站管理系统(Power Management System)目前技术较为成熟，如KONGSBERG，EMERSON，ABB，ROCKWELL等都有PMS系统电源管理系统，国内一些厂家也可以提供PMS系统管理系统；大系统的PMS系统管理系统多为集成大包，但其成本高，多被欧美国家生产制造并技术垄断，国家战略规划将海工船舶作为重点发展产业。就目前的市场情况来看PMS系统管理系统基本上做为了海洋船舶的标准配置，市场需求很大，开发具有自主知识产权的的技术势在必行。
COBRA项目为半潜式钻井平台，PMS系统电源管理系统的研究基于COBRA半潜项目进行，通过PMS系统电源管理系统的研究，掌握整个系统的设计功能逻辑、程序编写、建成软件测试模型，除该子系统在实际项目中不必外包以外，还可形成独立的产品，为客户提供解决方案。
公开号为CN105469177A的中国专利公开了一种PMS系统维护管理方法，包括：海陆船舶管理系统模块、机务管理系统模块、电子海图管理系统模块和AMOS管理系统模块，按计划进行设备的维修保养，使设备始终处于良好的运行状态，有助于促进船舶安全；通过建立船岸一致的数据库系统和及时可靠的数据交换，实现信息的高效自动化管理。该专利所述的方法能实现的功能与本发明的功能不同。
公开号为CN101336398B的中国专利公开了一种用于测试船舶的电力管理系统的系统，其中所述电力管理系统(PMS系统)用于对产生电能的系统进行控制。所述系统包括连接至所述PMS系统的模拟器，所述模拟器包括模拟耗电系统(PCS)，其用于接收与所述模拟PCS的期望状态有关的实际控制信号和/或模拟控制信号；模拟发电模块，其用于向所述模拟PCS提供模拟电力，所述模拟PCS向所述实际PMS系统提供模拟信号，作为对所述模拟信号的响应，所述实际PMS系统向所述模拟发电系统提供控制信号，作为对所述控制信号的响应，所述模拟发电系统向所述模拟PCS提供模拟电力，以便对所述PMS系统进行功能测试和/或故障模式测试。该专利通过模拟的手段与本发明的技术方案相比，存在实质性的不同。
公开号为CN104184146A的中国发明专利申请公开了一种船舶电站可靠性实时在线评估系统及其评估方法，系统包括用于存储船舶电站系统可靠性模型基本准则的船舶电站系统可靠性模型数据库存储子系统；用于实时采集监测当前船舶电站运行条件下船舶电站工况参数信息的信息采集子系统；用于按照实时监测的船舶电站当前工况参数，调用系统可靠性模型数据库子系统内对应的可靠性模型，实时地对当前船舶电站的可靠性进行评估的评估子系统。本发明能够建立船舶电站在不同工况下的可靠性框图以及相应的可靠性数学模型，通过实时监控船舶电站的工况条件，按照船舶电站当前的工况条件，调用对应的可靠性模型,在线实时评估当前工况条件下船舶电站的可靠性。该专利的评估方法和系统，与本发明的电站管理系统能实现的功能不同。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供船舶电站管理系统，以至少实现提高机组利用率和节能的效果。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种船舶电站管理系统，它包括：
管理模块，用于队列处理和管理每个程序模块的启动、停止、重载问询，能够提供功率信息给下层设备，下层设备利用功率信息进行分配管理；
并车模块，用于机组的顺序启动、自动并车、负荷分配；
在线千万时模块，用于管理各个队列的权值与需求，调节发电机队列，以保证系统稳定高效的动作；
接口模块，用于外接第三方设备，所述的第三方设备连接到船舶电站管理系统后抽象为虚拟设备，加入设备管理，能够增强系统的拓展性；
顶层模块，用于控制系统交互过程。
所述的并车模块，在发电机并车过程中，用于保证频率和相位的一致性，首先检测发电机电压是否建立，建立后检测差频，若不符合要求则调速，同时设置呆滞扰动环节；只有在并车机组频率大于电网频率时，才进入合闸程序，在合闸脉冲发出后，如因电网负荷变化或待并机组转速不稳造成差频变化，而使发合闸脉冲的越前时间与此时越前时间差超过设定范围时，则阻止合闸，一旦合闸即将进入基进入频载调节程序。
所述的并车模块使用sinδ法检测频率差和越前时间，当sinδ由负到正的穿越零点时，该δ点对应的便是同相点，而负穿越时，对应的是反相点，能够将需要的数据全部融合在一起，通过每隔一段时间采样，通过穿越估计频差，通过变化值预测越前时间，实施并合闸。
所述的队列处理包括建立缓冲区，计算功率统计，计算优先级，在队列启动模式下，每启动不超过设定的设备权值时，根据启动功率暂时停止运行，继续启动后续队列，如果在启动过程中加入运行设备，将加入设备自动添加到队列末端，再到下个启动周期，将先计算设备优先级，再计算设备功率，最后输出队列。
在队列启动模式下，对于低优先级设备，能够手动提权，加速启动周期，在重载问询后设备仍然没有实际启动的，将在设定时间后剔出重载队列，以保证系统有效的工作。
所述接口模块内包括设备从属，设备从属用于描述外接设备接入状态的特征值，系统对外接设备的操作通过映射的方式实现，不直接对第三方设备进行操作。
本发明的有益效果是：本发明所包含的功能模块实现了电站的远程自动电压、速度控制、并车、重载问询、负荷自动分配；基于机组情况和负荷情况的自动启停机、协调运行；功率超限时的自动降荷、卸载等功能。本发明应用在船舶电站管理上，可以提高机组的利用率，实现节能；控制逻辑严密，能够提升安全运行能力；使用软系统完成电能管理，降低成本。
附图说明
图1为本发明的权限控制框图；
图2为本发明工作模式中的队列逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种船舶电站管理系统，它包括：
管理模块，用于队列处理和管理每个程序模块的启动、停止、重载问询，能够提供功率信息给下层设备，下层设备利用功率信息进行分配管理；
并车模块，用于机组的顺序启动、自动并车、负荷分配；
在线千万时模块，用于管理各个队列的权值与需求，调节发电机队列，以保证系统稳定高效的动作；
接口模块，用于外接第三方设备，所述的第三方设备连接到船舶电站管理系统后抽象为虚拟设备，加入设备管理，能够增强系统的拓展性；
顶层模块，用于控制系统交互过程。
所述的并车模块，在发电机并车过程中，用于保证频率和相位的一致性，首先检测发电机电压是否建立，建立后检测差频，若不符合要求则调速，同时设置呆滞扰动环节；只有在并车机组频率大于电网频率时，才进入合闸程序，在合闸脉冲发出后，如因电网负荷变化或待并机组转速不稳造成差频变化，而使发合闸脉冲的越前时间与此时越前时间差超过设定范围时，则阻止合闸，一旦合闸即将进入基进入频载调节程序。
所述的并车模块使用sinδ法检测频率差和越前时间，当sinδ由负到正的穿越零点时，该δ点对应的便是同相点，而负穿越时，对应的是反相点，能够将需要的数据全部融合在一起，通过每隔一段时间采样，通过穿越估计频差，通过变化值预测越前时间，实施并合闸。
所述的队列处理包括建立缓冲区，计算功率统计，计算优先级，在队列启动模式下，每启动不超过设定的设备权值时，根据启动功率暂时停止运行，继续启动后续队列，如果在启动过程中加入运行设备，将加入设备自动添加到队列末端，再到下个启动周期，将先计算设备优先级，再计算设备功率，最后输出队列。
在队列启动模式下，对于低优先级设备，能够手动提权，加速启动周期，在重载问询后设备仍然没有实际启动的，将在设定时间后剔出重载队列，以保证系统有效的工作。
所述接口模块内包括设备从属，设备从属用于描述外接设备接入状态的特征值，系统对外接设备的操作通过映射的方式实现，不直接对第三方设备进行操作。
下面对本发明所实现的功能及其逻辑关系进行详细的说明：
管理功能，设备的控制权并不全部都是由PMS系统直接控制，也存在一些第三方设备，它们通过PMS系统提供的对外接口，连接到PMS系统后将每个设备抽象为虚拟的设备，从而加入设备管理而不独立设置第三方管理程序，从而增强系统的拓展性。接口内的设备从属便是描述这一状态的特征值，PMS系统不直接对第三方设备进行操作，所有的操作将映射到第三方设备上。每个程序的启动、停止、重载问询等功能，均由设备程序管理。设备程序还提供如功率等信息供设备管理级程序进行分配管理，而管理程序并不了解下层接口的具体操作，管理程序内有个非常重要的处理模式—队列处理，其主要作用是建立缓冲区，计算功率统计，计算优先级，在队列启动模式下，每启动不超过当前容量的40％的设备数后(不同的设备拥有不同的权值)，将停止一段时间(启动功率有关)，系统才会继续启动后续队列。如果在启动过程中加入将自动添加到队列末端，待到下个启动周期，将先计算设备优先级，在计算设备功率，最后输出队列。而对于低优先级设备，可能会存在与设备上很久，甚至不能启动，如果需要确定立即启动，则需要在PMS系统的管理系统中手动提权，已加速其启动周期避免过长时间等待，在重载问询后设备又并没有实际启动的，将在一定时间后剔出重载队列，以保证系统有效的工作。
在线千瓦时功能，将负责管理各个队列的权值与需求，调节发电机队列，以保证系统稳定高效的动作。
PMS系统的交互，全部由顶层模块进行处理，任何的第三方设备都不能操作底层的程序块，PMS系统控制所有交互过程。
根据负荷类型和设备特点进行分类整理逻辑控制，权限的控制逻辑：
PMS系统的权限是高度集中的权限管理模式，各个层级间均不可能出现越权操作的现象，除非触发了本地启动的操作，在最高级上可以远程的设置各种状态。一旦本地操作被激活，PMS系统将放弃对其的管理权，并将其优先级置为-1(不可控的高优先级)，加入队列后将在下一周期立即处理，以保证PMS系统的功率计算的正常工作。
PMS系统下设备的优先级，首先发电机设备并未拥有优先级，其启动方式管理均交由发电机控制程序处理。在PMS系统下的设备，优先级分为三段0～2优先级为顺序启动优先级，其下设备将拥有极高的优先级，在任何时候均会被优先考虑。3～4优先级为重要设备优先级，它们会被0～3级优先级的设备抢断，但是却不能临时提权到上一级。3级为正常必须保证的重要设备，其上的设备将尽可能保证全部的正常运行，如果抛弃4、5级仍然无法达到满足功率，PMS系统将通过功率限制来尽可能保证队列正常工作，当限制达到最低功率时，仍然无法满足工作功率PMS系统将按照顺序卸载来满足系统需求。而4级属于重要但是可以卸载保证正常运行的队列，与3级不同其不会进行功率限制而直接关断设备。5级是一般设备的队列，一旦功率需求不能满足，就会被关断。在功率限制的过程中，当功率不能满足PMS系统下设备的正常工作的状态时，低优先级设备将自动被脱离，而3号优先级设备上将降功率运行，而0～3号设备PMS系统除了管理发电机相关设备外，其他设备均不会断开，需要手动操作。
而在队列模型中，脱扣模型将被包含在其中，每一级的脱扣将加入到某一级的队列开始，如果功率不能满足将执行脱扣操作。以保证PMS系统的正常运行，默认设置3级脱扣为5号队列。
而为了应对PMS系统负载而重要的权限数据管理，整个PMS系统系统设计中还采用了数据库设计，以保证系统的稳定高效。
如图1所示，为本发明的权限控制框图，在工作模式的控制逻辑：
在PMS系统的设计中，采用了一种比较统一的管理方案来实现功能。抽像和权限管理使PMS系统的管理模式变得更加简单。在线千瓦时的程序中记录这系统总容量和使用容量，从而通知下层的管理程序告诉它们允许启动的最大容量为多少。接受到允许的最大容量后，管理程序将在当前队列中选取容量合适优先级高的设备运行，并通知相应设备程序，并将请求运行值发给在线千瓦时程序，在线千瓦时程序将根据此次启动设备的总容量，来确定下一次分配周期为多少，待到下一次在线千瓦时将允许运行值传输到设备管理程序时，设备管理程序将在次分配运行，实现PMS系统的功能。
如图2所示，为工作模式中的队列逻辑：
其中，发电机管理程序属于在线千瓦时直接管控，当出现已用容量达到阈值或者请求队列单设备超过当前上限时，在线千万时程序将通知发电机控制程序启动发电机。当其容量低于设定阈值时候，在线千瓦时程序将通知发电机控制程序停止发电机。
当发电机系统出现意外停止而导致功率下降的时候，动作也和这个基本一致，将超过发电机最大容量的当前队列中，一般设备全部脱扣，重要设备能够降功运行就降功运行。当这样还是不能满足条件时或者不允许降载时，也将按照优先级脱扣。
在其中并不区分顺序启动等小启动模型，其在该大模型的情况下已经完全覆盖，不需要单独处理。如瘫船启动和黑启动均属于发电机控制程序的子程序，由其判定是否需要执行相关操作。而在优先级启动中，队列模式也已将设备的顺序启动模型包含在其中，故并不需要特定的启动模型。整个管理程序的运行策略，已经能满足PMS系统的大部分需求。
PMS系统的发电机模式分为两种，一种为恒频模式，另一种为下垂模式。在恒频模式下，发电机的负载平衡等操作由发电机自己管理。而在下垂模式下，PMS系统将代替发电机控制板，完成并车，调速，功率分配等功能，相当于一套冗余系统。
由于PMS系统需要承载发电机控制板的功能，则需要考虑实际情况需要采集电网频率50HZ，则必须对整个发电机程序做完整的约束。执行的时间必须控制为20MS以内。如果仅有模块采集参数，则数据采样周期为5MS以内。而在发电机并车过程中，需要保证频率和相位的一致性。整个并车过程，首先检测发电机电压是否建立。建立后检测差频，若不符合要求则调速，同时设置呆滞扰动环节；只有在并车机组频率大于电网频率时，才进入合闸程序，在合闸脉冲发出后，如因电网负荷变化或待并机组转速不稳等原因造成差频变化，而使发合闸脉冲的越前时间与此时越前时间差超过设定范围时，则阻止合闸，一旦合闸即将进入基进入频载调节程序。
这里运用一种能检测频率差和越前时间的方法，即sinδ法。
假设UB＝sinωBt
UG＝sin(ωG+θ)t
令δ＝(ωG+θ)-ωB
sinδt＝sin(ωG+θ)tcosωBt-cos(ωG+θ)tsinωBt
由于sinδ在30度内基本可算直线，故：
当sinδ由负到正的穿越零点时，该点对应的便是同相点，而负穿越时，对应的是反相点。故其能够将我们需要的数据全部的融合在一起，通过每隔一段时间采样，通过穿越估计频差，通过变化值预测越前时间，实施并合闸。
通过本发明的研究工作，完成整个PMS系统的设计功能逻辑、程序编写，建成软件测试模型，研究完成通过后的PMS系统可配套到海工、船舶项目，也可作为独立产品提供PMS系统解决方案，同时也可作为陆地钻机的电源管理系统，在陆地钻机上单独推广使用。本发明按照功能块进行标准程序编写，以便于不同项目根据系统的大小进行调用、配搭，显示界面清晰、简单明了易操作、排布合理、图标搭配国际通用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种船舶电站管理系统，其特征在于，它包括：
管理模块，用于队列处理和管理每个程序模块的启动、停止、重载问询，能够提供功率信息给下层设备，下层设备利用功率信息进行分配管理；
并车模块，用于机组的顺序启动、自动并车、负荷分配；
在线千万时模块，用于管理各个队列的权值与需求，调节发电机队列，以保证系统稳定高效的动作；
接口模块，用于外接第三方设备，所述的第三方设备连接到船舶电站管理系统后抽象为虚拟设备，加入设备管理，能够增强系统的拓展性；
顶层模块，用于控制系统交互过程。
2.根据权利要求1所述的一种船舶电站管理系统，其特征在于：所述的并车模块，在发电机并车过程中，用于保证频率和相位的一致性，首先检测发电机电压是否建立，建立后检测差频，若不符合要求则调速，同时设置呆滞扰动环节；只有在并车机组频率大于电网频率时，才进入合闸程序，在合闸脉冲发出后，如因电网负荷变化或待并机组转速不稳造成差频变化，而使发合闸脉冲的越前时间与此时越前时间差超过设定范围时，则阻止合闸，一旦合闸即将进入基进入频载调节程序。
3.根据权利要求2所述的一种船舶电站管理系统，其特征在于：所述的并车模块使用sinδ法检测频率差和越前时间，当sinδ由负到正的穿越零点时，该δ点对应的便是同相点，而负穿越时，对应的是反相点，能够将需要的数据全部融合在一起，通过每隔一段时间采样，通过穿越估计频差，通过变化值预测越前时间，实施并合闸。
4.根据权利要求1所述的一种船舶电站管理系统，其特征在于：所述的队列处理包括建立缓冲区，计算功率统计，计算优先级，在队列启动模式下，每启动不超过设定的设备权值时，根据启动功率暂时停止运行，继续启动后续队列，如果在启动过程中加入运行设备，将加入设备自动添加到队列末端，再到下个启动周期，将先计算设备优先级，再计算设备功率，最后输出队列。
5.根据权利要求4所述的一种船舶电站管理系统，其特征在于：在队列启动模式下，对于低优先级设备，能够手动提权，加速启动周期，在重载问询后设备仍然没有实际启动的，将在设定时间后剔出重载队列，以保证系统有效的工作。
6.根据权利要求1所述的一种船舶电站管理系统，其特征在于：所述接口模块内包括设备从属，设备从属用于描述外接设备接入状态的特征值，系统对外接设备的操作通过映射的方式实现，不直接对第三方设备进行操作。
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