CN106684896B - 一种三相四线制船舶电网功率管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相四线制船舶电网功率管理系统，包括三相四线制电网、发电机、主控制单元、与主控制单元连接的若干机组控制单元以及连接在主控制单元和电网之间的负载控制单元，所述的负载控制单元上连接有单相负载，所述的电网通过选取U/V/W相中的一相与中性线连接的方式为单相负载供电，所述的机组控制单元与电网之间以及机组控制单元与发电机之间分别连接有电流互感器和电压互感器，所述的主控制单元上连接有人机界面；还公开了其管理方法；本发明通过自动化智能装置，对船舶各设备的实时功率检测并动态调节各相设备的功率，使得三相负荷的分配达到船舶电网稳定要求的阈值范围内，出现不平衡时，进行负载切断保护，从而保证用船安全。

Description

一种三相四线制船舶电网功率管理系统及方法

技术领域

本发明属于工业控制技术领域，具体涉及一种三相四线制船舶电网功率管理系统，以及其方法。

背景技术

现代船舶设备已经实现大量的电气化，但市场上现有的船舶功率管理系统还未普及，还没有统一的设计标准，特别是针对三相四线制的电站的功率管理系统的还未得到太多关注。

某些船舶需要大量的单相负载进行作业，例如渔船的诱鱼灯负载，此时采用三相四线制的电网优点在于，可以利用中性线使用大量的单相负载，省去电力变压器，节约了船舶的制造成本，提高经济效益，同时简化了电力系统结构，减少系统的故障率，提高电力系统的稳定性。

然而，采用三相四线制电制，可能导致三相电流不平衡，产生诸多后果，例如增加变压器的空载损耗和负荷损耗，零序电流过高，导致线路跳闸，烧毁开关设备，甚至烧毁变压器，最终影响系统安全甚至船舶运行安全，使得三相四线制的系统通常不被采用。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，针对在电网直接使用大量单相负载应用带来的问题，提供一种三相四线制船舶电网功率管理系统，以防止三相不平衡，将不利因素降低到最低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三相四线制船舶电网功率管理系统，包括三相四线制电网、发电机、主控制单元、与主控制单元连接的若干机组控制单元以及连接在主控制单元和电网之间的负载控制单元，所述的负载控制单元上连接有单相负载，所述的电网通过选取U/V/W相中的一相与中性线连接的方式为单相负载供电，所述的机组控制单元与电网之间分别连接有电流互感器和电压互感器，所述的机组控制单元与发电机之间分别连接有电流互感器和电压互感器，所述的主控制单元上连接有人机界面。

所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统，其机组控制单元与主控制单元之间通过现场总线连接交换数据。

所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统，其主控制单元与负载控制单元之间通过硬线连接。

本发明的目的之二在于提供一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，包括如下步骤

a）、通过微调三相负荷消除三相电流不平衡功能：根据单相负载的运行时间及运行状态，对A/B/C三相的单相负载进行调节；

b）、功率限制及快速降负荷：机组控制单元计算出机组负荷率并传送给主控制单元，经计算实时获得电站功率裕量；在投入负载后，任何在网机组最大负荷率高于某个值时，限制负载功率，此时负载功率不再增加；当电网中突然投入大负载使得在网机组负荷率超过95%时，系统快速输出快速降负荷指令，调节单相负载组功率，使得负载降低到某个值，保证机组不过载；机组并车运行时候，当有单台在网机组发生故障跳闸时，快速把负载组功率降到当前实时功率的某百分比值，如果有变频驱动设备就快速把功率输出降为0；机组并车运行时候，当两台以上在网机组同时发生故障跳闸，快速把负载组功率降到实时功率的值百分比值；

c）、重载问询：如果请求投入的负载可用功率充足，而且三相负载相等，发出重载允许运行的指令，投入负载组；如果三相负载不相等，在人机界面显示信息提示操作人员，投入负载后，由系统自动微调补偿使得系统三相电流平衡；

d）、控制模式：根据需要选择手动控制模式、半自动控制模式或自动控制模式。

所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其步骤a）具体实现方法如下：

a1，由人工设定选取负载控制单元，预设被调节负载组的优先级顺序；

a2，主控制单元计算判断三相间电流的差值的最大值ΔI_MAX

ΔI_MAX=MAX[ΔI_AB,ΔI_BC,ΔI_AC]

其中ΔI_AB为A、B相电流差值的绝对值，ΔI_BC为B、C相电流差值的绝对值，ΔI_AC为A、C相电流差值的绝对值，

如果ΔI_MAX大于系统设定的三相电流不平衡限制值ΔI_alarm，则按照优先级顺序锁定在网的优先级最高的负载控制单元组；

a3，主控制单元比较三相电流大小并找出最大电流相，主控制单元给锁定的负载控制单元组发送减小最大电流相负载的微调信号，三相之间最大的差值ΔI_MAX减小；

a4，主控制单元判断三相间电流最大的差值ΔI_MAX是否大于系统设定的三相电流不平衡限制值ΔI_alarm，如果仍然大于不平衡限制值ΔI_alarm，重复a3步；如果三相之间最大的差值已经小于ΔI_alarm，系统判断三相平衡，则停止系统调节；

a5，如果负载控制单元组中最大电流相控制器判断最大电流相的负载已是最小无法调节，则主控制单元给锁定的负载控制单元组发送增大小最小电流相负载的微调信号，该负载组相应最小电流相的负载电流增大，电网中该相的总电流增大，三相之间最大的差值ΔI_MAX减小；

a6，如果负载控制单元组判断锁定的负载控制单元组所控制的三个相的负载都无法调节，则主控制单元按a1步骤设置的优先级顺序锁定下一组可调负载，按照a1到第a5步的方式进行负载调节。

所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其步骤b）中动态功率限制的具体步骤为：

b11，主控制单元判断机组最大负荷率是否超过85%；

b12，机组最大负荷率>85%，则主控制单元输出限制负载功率信号给所有负载控制单元，所有负载控制单元不再增加负载功率；当机组最大负荷率>95%，则主控制单元同步给所有负载控制单元发出减少负载功率指令；

b13，发出减少负载功率指令后，机组最大负荷率<85%，则主控制单元取消限制负载功率信号，同时取消给所有负载控制单元的减少负载功率信号，所有负载控制单元恢复可调节功率功能。

所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其步骤b）中快速降负荷的具体步骤为：

b21，电网中突然投入大负载，主控制单元判断在网机组最大负荷率>95%，主控制单元给所有负载控制单元及变频驱动装置发送一级快速降负荷指令，所有负载控制单元及变频驱动装置输出功率降到当前自身实时功率的50%；

b22，主控制单元判断在网机组最大负荷率<85%，延时2秒钟后，主控制单元撤销给所有负载控制单元及变频驱动装置发送的快速降负荷指令；

b23，如果主控制单元判断快速降负荷指令前工作工况的作业给功率定依然未撤销，且在网机组最大负荷率<85%，则所有负载控制单元及变频驱动装置按照预设的斜率爬升，直到网机组最大负荷率>85%。

所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其步骤b）中快速降负荷的具体步骤为：

b31，机组并车运行时候，当有单台在网机组发生故障跳闸时，主控制单元判断跳闸机组负荷率超过45%，且跳闸后剩余在网机组负荷率>85%；主控制单元给所有负载控制单元及变频驱动装置发送一级快速降负荷指令，所有负载控制单元及变频驱动装置输出功率降到当前自身实时功率的50%；

b32，主控制单元判断在快速降负荷指令后网机组最大负荷率<85%，延时2秒钟后，主控制单元撤销给所有负载控制单元及变频驱动装置发送的快速降负荷指令；

b33，如果主控制单元给负载控制单元组中C相连接的控制单元发出增加负载控制信号；主控制单元判断快速降负荷指令前工作工况的作业给功率定依然未撤销，且在网机组最大负荷率<85%，则所有负载控制单元及变频驱动装置按照预设的斜率爬升，直到网机组最大负荷率超过85%，此时动态功率限制功能开始工作。

所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其步骤b）中快速降负荷的具体步骤为：

b41，机组并车运行时候，当有两台在网机组发生故障跳闸时，主控制单元判断跳闸机组负荷率超过25%，且跳闸后剩余在网机组负荷率>85%；主控制单元给所有负载控制单元及变频驱动装置发送二级快速降负荷指令，所有负载控制单元及变频驱动装置输出功率降到当前自身实时功率的25%；

b42，主控制单元判断在网机组最大负荷率<85%，延时2秒钟后，主控制单元撤销给所有负载控制单元及变频驱动装置发送的快速降负荷指令；

b43，如果主控制单元判断快速降负荷指令前工作工况的作业给功率定依然未撤销，且在网机组最大负荷率<85%，则所有负载控制单元及变频驱动装置按照预设的斜率爬升，直到网机组最大负荷率>85%，此时动态功率限制功能开始工作。

所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其步骤c）具体实现方法如下：

重载问询功能具体实现步骤：

c1，主控制单元收到来自负载控制单元请求信号；

c2，主控制单元查找负载列表相应负载的值，计算判断投入负载后，是否机组负荷率>80%；

c3，主控制单元经过计算判断投入负载后，机组负荷率>80%，给机组控制单元发出启动投入备用机组信号，成功投入机组并网后，主控制单元进入下一步；如果主控制单元经过计算判断投入负载后，机组负荷率>80%，直接进入下一步；

c4，主控制单元经过计算判断投入负载后，机组负荷率<80%，查预存在存储器中的数据库里的负载表，计算判断即将投入的三相负载是否相等，如果相等，主控制单元给重载请求的负载控制单元发出允许投入重载的信号；如果不相等，在人机界面提示“投入负载会造成三相电流不均衡”，操作人员在人机界面可以手动调节负载使得即将投入的负载相等；如果操作人员确认可以投入，主控制单元给重载请求的负载控制单元发出允许投入重载的信号，如果操作人员选择“取消重载问询”，主控制单元给重载请求的负载控制单元发出不允许投入重载的信号。

所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其步骤d）中

手动模式下，功率管理系统仅采集，显示负载电气参数及做报警，但是不参与控制负载，控制指令由操作人员手动调节或者分合闸负载开关达到平衡；

半自动模式下，功率管理系统工作，参与控制负载，由操作人员发出控制指令增加/减少单相负载及投入/切断负载的指令，主控制单元判断，并在操作人员发出控制指令后，机组控制单元接受指令投入/解列备用机组；

自动模式下，功率管理系统仅采集，显示负载电气参数及报警，无需人员操作，系统根据功率储备情况，功率使用情况，或者判断机组故障与否，自动发出增加/减少单相负载及投入/切断负载的指令，并在机组负荷率太高，储备功率不足的情况下主控制单元给机组控制单元发送指令投入/解列备用机组。

本发明的有益效果是：本发明通过自动化智能装置，对船舶各设备的实时功率检测并动态调节各相设备的功率，使得三相负荷的分配已达到船舶电网稳定要求的阈值范围内，出现不平衡时，进行负载切断保护；当检测到三相不平衡时，会相应提高功率储备，使发电机组负荷率降低，避免过流情况出现；本系统投入大负载有重载问询功能，当功率达到机组的负荷率上限，或者机组故障跳闸时，进行功率限制保证电网不过载，从而保证用船安全。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为三相电流平衡控制流程图；

图4为功率限制及快速降负荷控制流程图；

图 5为功率限制及快速降负荷过程示意图；

图6为重载问询控制流程图；

图 7为三相四线制电网与三相三线制电网对比；

图 8负载控制单元组与主控制单元连接图。

1—主控制单元，2—机组控制单元，3—发电机，4—单相负载，5—电流互感器，6—电压互感器，7—负载控制单元，8—人机界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1所示，本发明公开了一种针对在电网中需要使用大量单相负载的三相四线制船舶电网功率管理系统，可监测单相负载的状态，动态调节负载大小，控制负载的投入与切断，它包括三相四线制电网、发电机3、主控制单元1、与主控制单元1连接的若干机组控制单元2以及连接在主控制单元1和电网之间的负载控制单元7，所述的负载控制单元7上连接有单相负4，所述的电网通过选取U/V/W相中的某一相与中性线连接的方式为单相负载4供电，功率管理系统对单相负载4投入电网的方式是三个单相负载一组，每次投入以组为单位，其中主控制单元1向每个单相负载4发送开关分合闸指令、调节负载指令、重载问询允许指令，实现切断/投入负载、增加/减少功率、功率限制及重载问询及允许功能，实现开关状态及功率采集；机组控制单元2与主控制单元1之间通过现场总线连接交换数据，主控制单元1通过现场总线从机组控制单元2接收各相电流电压、机组负荷率参数和三相不平衡报警等信息，所述的机组控制单元2与电网之间分别连接有电流互感器5和电压互感器6，所述的机组控制单元2与发电机3之间分别连接有电流互感器5和电压互感器6，所述的主控制单元1上连接有人机界面8，其中机组控制单元2与主控制单元1之间通过现场总线连接交换数据，主控制单元1与负载控制单元7之间通过硬线连接，所述的负载控制单元7与负载启动电路及开关封装制作为标准负载模块，单个模块以可拆卸方式安装于配电屏。

本功率管理系统的功能主要包括电网及机组参数实时监控、自动调单相负载、分级卸载、重载管理、负载功率限制等功能，可对三相四线制电网的单相负载进行实时调节，保证三相电流电压平衡，在故障状况引起电流/电压达到不平衡状态时候对电网进行保护，保证电站系统的稳定性；单相负载功率限制策略采用了分故障工况、分级保护策略，可适用于在电网直接使用大量单相负载的应用；其中功率限制采用了动态功率限制和快速降负荷两种办法，两种方法按照机组的负荷率各分两级控制。

本功率管理系统通过动态调节三相负载平衡，增强了三相四线制电网的稳定性，从而凸显利用了三线四线制的优越性，可方便的大量使用单相负载（例如渔船的诱鱼灯），即节省了电力变压器，大大的节约船舶的制造成本及维护成本，提高经济效益，同时简化了电力系统结构，减少系统的故障率，提高电力系统的稳定性及船舶运行的安全性。

所述的负载控制单元7开创采用了模糊控制算法来预判控制负载功率、投入/切断负载，具体控制方法见附图3；所述的主控制单元1开创采用了分三种情况快速降负荷，分多级控制的策略，实现了防止全船失电的功能，具体控制方法见附图4附图5；所述的主控制单元1具有重载问询管理算法，采用了数据库查询方式，具体控制方法见附图6。

某些船舶需要大量的单相负载进行作业，例如渔船的诱鱼灯负载，在400V三相四线制的电网中采用的方法是设置一个大容量400V/220V的电力变压器来给负载供电；而采用三相四线制的电网优点在于，可以利用中性线使用大量的单相负载，省去电力变压器，节约了船舶的制造成本，提高经济效益，同时简化了电力系统结构，减少系统的故障率，提高电力系统的稳定性见附图 7。

参照图2所示，本功率管理系统以主控制单元1为核心，采用现场总线主站-从站结构的现场总线网络构架，其中主站是主控制单元1（即主控制器），从站包括若干机组控制单元2和人机界面8，负责采集三相四线电网和机组的三相电压、三相电流，并判断中性线电流是否达到影响设备安全的不平衡阈值ΔI_alarm(在人机界面8可设置)，并可计算电网总负载是否超过电网可用功率，如超过就发出降负载指令给负载控制单元7及其他负载控制器（例如变频器）同时对三相负载进行动态调节以维持三相电流平衡；此外人机界面8通过触摸屏实现人机交互，用户可以实时观测电站电气参数和负载实时功率，并在手动模式下调节负载以及分合闸负载开关、手动调节三相负荷平衡。

实际使用中本发明功率管理系统采集诱鱼灯的功率、状态，并在主控制单元1中采取模糊控制算法，根据诱鱼灯的运行时间及运行状态，结合实际采集到的相电流、相电压以及运行时间，进行一定预先判断，根据预判调节某个单相负载的功率，或者投入或者切断某相的负载，对三个相的单相负载进行调节，保证电网的三相电流及电压平衡。

本功率管理系统的具体功能如下

a）、通过微调三相负荷消除三相电流不平衡功能

在主控制单元1中采取模糊控制算法，根据单相负载（例如诱鱼灯）的运行时间及运行状态，结合实际采集到的相电流、相电压以及运行时间，进行一定预先判断；当系统预判负载趋于不平衡，或者检测到某相负载不平衡，首先根据主控制单元1里的算法，对A/B/C三相的单相负载进行调节，见附图3所示。

具体实现方法步骤：

第一步，由人工设定选取负载控制单元7，三个一组，预设被调节负载组的优先级顺序。

第二步，主控制单元1计算判断三相间电流的差值的最大值ΔI_MAX(注：ΔI_MAX=MAX[ΔI_AB,ΔI_BC,ΔI_AC；ΔI_AB为A相电流与B相电流差值的绝对值；ΔI_BC为B相电流与C相电流差值的绝对值；ΔI_AC为A相电流与C相电流差值的绝对值。])大于系统设定的三相电流不平衡限制值ΔI_alarm，则按照优先级顺序锁定在网的优先级最高的负载控制单元7组。

第三步，主控制单元1比较三相电流大小，找出最大电流相，主控制单元1给锁定的负载控制单元7组发送减小最大电流相负载的微调信号，该负载组相应最大电流相的负载电流减小，电网中该相的总电流减小，三相之间最大的差值ΔI_MAX减小。例如，A相电流最大，C相电流最小，则ΔI_MAX=ΔI_AC，主控制单元1给负载控制单元7组中A相连接的控制单元发出减少负载控制信号，A相电流减小，则ΔI_MAX=ΔI_AC减小。

第四步，主控制单元1计算判断三相间电流最大的差值ΔI_MAX是否大于系统设定的三相电流不平衡限制值ΔI_alarm，如果仍然大于不平衡限制值ΔI_alarm，重复第三步。如果三相之间最大的差值已经<ΔI_alarm，系统判断三相平衡，则停止系统调节。

第五步，如果负载控制单元7组中最大电流相控制器判断最大电流相的负载已是最小无法调节，则主控制单元1给锁定的负载控制单元7组发送增大小最小电流相负载的微调信号，该负载组相应最小电流相的负载电流增大，电网中该相的总电流增大，三相之间最大的差值ΔI_MAX减小。例如，负载控制单元7组中A相负载控制单元7 A相负载已经减至最小，无法通过调节进一步减小A相电流，则比较B相和C相电流，若C相电流最小，主控制单元1给锁定的负载控制单元7组中C相连接的控制单元发出增加负载的控制信号；若B相电流最小，主控制单元1给负载控制单元7组中C相连接的控制单元发出增加负载的控制信号。

第六步，如果负载控制单元7组判断锁定的负载控制单元7组所控制的三个相的负载都无法调节，则主控制单元1按步骤第一步设置的优先级顺序锁定下一组可调负载，按照第二步到第五步的方式进行负载调节。

b）、功率限制及快速降负荷功能

机组功率变送装置经过一定变比的电流互感器5和电压互感器6转换成标准的电气信号供机组控制单元2采集，机组控制单元2计算出机组负荷率并传送给主控制单元1，经计算实时获得电站功率裕量；功率管理系统在电站储备功率不足或者某在线机组故障时发出功率限制信号，自动限制负载功率。机组故障跳闸等紧急情况出现时的会向负载控制器发出快速降负荷指令。

动态功率限制:在投入负载后，任何在网机组最大负荷率高于某个值（例如85%）时，限制负载功率，此时负载功率不再增加，保证任何在网机组负荷率不超过95%；见附图6。

动态功率限制具体实现步骤：

第一步：主控制单元1判断机组最大负荷率是否超过85%。

第二步：机组最大负荷率>85%，则主控制单元1输出限制负载功率信号给所有负载控制单元7，所有负载控制单元7不再增加负载功率。当机组最大负荷率>95%，则主控制单元1同步给所有负载控制单元7发出减少负载功率指令。

第三步：发出减少负载功率指令后，机组最大负荷率<85%，则主控制单元1取消限制负载功率信号，同时取消给所有负载控制单元7的减少负载功率信号，所有负载控制单元7恢复可调节功率功能。

快速降负荷：当电网中突然投入大负载使得在网机组负荷率超过95%时，系统快速输出快速降负荷指令，调节单相负载组功率，使得负载降低到某个值（例如20%），保证机组不过载。机组并车运行时候，当有单台在网机组发生故障跳闸时，快速把负载组功率降到当前实时功率的某百分比值（例如50%），如果有变频驱动设备就快速把功率输出降为0；机组并车运行时候，当两台以上在网机组同时发生故障跳闸，快速把负载组功率降到实时功率的值百分比值（例如25%）；见附图6。

快速降负荷具体实现步骤：

快速降负荷分三种情况：

第一种情况：

第一步，电网中突然投入大负载，主控制单元1判断在网机组最大负荷率>95%。主控制单元给所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）发送一级快速降负荷指令，所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）输出功率降到当前自身实时功率的50%。

第二步，主控制单元1判断在网机组最大负荷率<85%，延时2秒钟后，主控制单元撤销给所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）发送的快速降负荷指令。

第三步，如果主控制单元1判断快速降负荷指令前工作工况的作业给功率定依然未撤销，且在网机组最大负荷率<85%，则所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）按照预设的斜率爬升，直到网机组最大负荷率>85%，此时动态功率限制功能开始工作，按照前文中介绍的动态功率限制的步骤进行控制调节。

第二种情况：

第一步，机组并车运行时候，当有单台在网机组发生故障跳闸时，主控制单元1判断跳闸机组负荷率超过45%，且跳闸后剩余在网机组负荷率>85%。主控制单元给所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）发送一级快速降负荷指令，所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）输出功率降到当前自身实时功率的50%。

第二步，主控制单元1判断在快速降负荷指令后网机组最大负荷率<85%，延时2秒钟后，主控制单元撤销给所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）发送的快速降负荷指令。

第三步，如果主控制单元1给负载控制单元7组中C相连接的控制单元发出增加负载控制信号；主控制单元1判断快速降负荷指令前工作工况的作业给功率定依然未撤销，且在网机组最大负荷率<85%，则所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）按照预设的斜率爬升，直到网机组最大负荷率超过85%，此时动态功率限制功能开始工作，按照前文中介绍的动态功率限制的步骤进行控制调节。

第三种情况：

第一步，机组并车运行时候，当有两台在网机组发生故障跳闸时，主控制单元1判断跳闸机组负荷率超过25%，且跳闸后剩余在网机组负荷率>85%。主控制单元给所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）发送二级快速降负荷指令，所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）输出功率降到当前自身实时功率的25%。

第二步，主控制单元1判断在网机组最大负荷率<85%，延时2秒钟后，主控制单元撤销给所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）发送的快速降负荷指令。

第三步，如果主控制单元1判断快速降负荷指令前工作工况的作业给功率定依然未撤销，且在网机组最大负荷率<85%，则所有负载控制单元7及变频驱动装置（如果有）按照预设的斜率爬升，直到网机组最大负荷率>85%，此时动态功率限制功能开始工作，按照前文中介绍的动态功率限制的步骤进行控制调节。

c）、重载问询功能

如果船员手动投入的负载较大时候，为保证电网电站不过载，设置了重载问询功能，如果请求投入的负载在系统数据库查询计算后，系统判断可用功率充足，而且三相负载相等，发出重载允许运行的指令，投入负载组，如果三相负载不相等，在人机界面8显示信息提示操作人员，操作人员确认，投入负载后，由系统自动微调补偿使得系统三相电流平衡。见附图3。

重载问询功能具体实现步骤：

第一步，主控制单元1收到来自负载控制单元7请求信号。

第二步，主控制单元1查找负载列表相应负载的值，计算判断投入负载后，是否机组负荷率>80%。

第三步，主控制单元1经过计算判断投入负载后，机组负荷率>80%，给机组控制单元2发出启动投入备用机组信号，成功投入机组并网后，主控制单元1进入第四步;如果主控制单元1经过计算判断投入负载后，机组负荷率>80%，直接进入第四步。

第四步，主控制单元1经过计算判断投入负载后，机组负荷率<80%，查预存在存储器中的数据库里的负载表，计算判断即将投入的三相负载是否相等，如果相等，主控制单元1给重载请求的负载控制单元7发出允许投入重载的信号；如果不相等，在人机界面8提示“投入负载会造成三相电流不均衡”，操作人员在人机界面8可以手动调节负载4使得即将投入的负载4相等。如果操作人员确认可以投入，主控制单元1给重载请求的负载控制单元7发出允许投入重载的信号，如果操作人员选择“取消重载问询”，主控制单元1给重载请求的负载控制单元7发出不允许投入重载的信号。

d）、控制模式切换

系统可设置为手动控制模式，半自动控制模式，自动控制模式。

手动模式下，功率管理系统仅采集，显示负载电气参数及做报警，但是不参与控制负载，控制指令由操作人员手动调节或者分合闸负载开关达到平衡。操作人员发出控制指令后，通过开关的分闸合闸线圈的控制电路投入/解列备用机组。

半自动模式下，功率管理系统工作，参与控制负载，由操作人员发出控制指令增加/减少单相负载及投入/切断负载的指令，主控制单元判断，并在操作人员发出控制指令后，机组控制单元接受指令投入/解列备用机组。

自动模式下，功率管理系统仅采集，显示负载电气参数及报警，无需人员操作，系统根据功率储备情况，功率使用情况，或者判断机组故障与否，自动发出增加/减少单相负载及投入/切断负载的指令，并在机组负荷率太高，储备功率不足的情况下主控制单元给机组控制单元发送指令投入/解列备用机组。

所述的主控制单元1带有模块化的控制软件及硬件功能接口，具有动态功率限制信号功能接口，具有快速降负荷信号功能接口。具体控制方法见附图4附图5。

系统的接口

每个单相负载4均设有负载控制单元7，硬件标准接口，以及投入/切断的控制算法均为标准化软件模块，自动化微调负载的方法保证电网三相电流均衡 ；管理系统设置有标准化重载问询功能，利用数据库接口查询列表，保证投入的负载不会导致电网三相电流不均衡；针对三相四线制电网中多种负载设计有动态功率限制，保证投入的负载不会使得电网超载；针对三相四线制电网中多种负载设计有快速降负荷功能，保证船舶电网不会失去电力。

硬线接口的信号

主控制单元1输入信号：各负载断路器分合闸状态信号、控制模式信号（手动/半自动/自动）、三相电流不平衡信号、负载实时功率信号、机组负荷率信号、重载问询信号、以及消音，故障确认信号等。

主控制单元1输出信号：负载断路器合闸/分闸信号、重载启动允许信号、调节单相负载信号、功率限制信号（分两级）、快速降负荷信号（分两级）、以及蜂鸣器，报警指示灯信号等。

机组控制单元2输入信号主要包括机组及电网的电压/电流采集信号等。

机组控制单元2输出信号主要包括机组负荷率信号和三相不平衡信号等。

负载控制单元7输入信号主要包括 负载锁定信号，负载断路器分合闸状态信号、三相电流不平衡信号、负载实时功率信号、负荷率信号、重载问询允许信号等。

负载控制单元7输出信号主要包括 负载增加信号，负载减少信号，负载调节失效报警信号，重载问询信号等。

本设计接口可采用标准化的输入输出接口，包括DC24V数字量的输入输出，4-20mA模拟量的输入输出，标准现场总线接口，可以在不同控制器上实现。负载控制单元功能可标准化，对采集到的一次信号进行预处理，便于主控制单元读取处理，加快系统的响应时间，而且模块之间是独立的，模块数量及功能通道可扩展

本发明通过自动化智能装置，对船舶各设备的实时功率检测并动态调节各相的功率，单相负载微调补偿性的控制措施使得三相负荷平均分配保证到船舶电网稳定；本系统投入大负载有重载问询功能防全船失电；当功率达到机组的负荷率上限，或者机组故障跳闸时，进行功率限制保证电网不过载，从而保证三相四线制的电网及船舶本身安全；本发明功率管理系统可推动三相四线制的电网在船舶的应用，由于省去了日用变压器，简化了电力系统结构，减少系统的故障率，同时可大大节约船舶成本，为成本敏感的渔业造船工程项目提供一种新的可选的解决方案，对于渔业经济发展具有促进作用。

系统具有调节负载避免三相不平衡、功率限制及快速降负荷、重载问询等功能。每个单相负载均设有负载控制单元，硬件标准接口，以及投入/切断的控制算法均为标准化软件模块，自动化微调负载的方法保证电网三相电流均衡 ；系统针对三相四线制电网中多种负载设置有标准化重载问询功能，利用数据库接口查询列表，保证投入的负载不会导致电网三相电流不均衡；针对三相四线制电网中多种负载设计有动态功率限制，保证投入的负载不会使得电网超载；针对三相四线制电网中多种负载设计有快速降负荷功能，保证船舶电网不会失去电力。本功率管理系统通过控制手段将三相四线制带来的影响电网系统的不利因素降低到最低，从而凸显出三相四线制系统的经济性，本发明应用到类似需要大量单相负载的船舶上，可为预算有限的船舶工程提供一种新的解决方案，并带来经济效益。

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 (8)

1.一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，基于三相四线制电网、发电机（3）、主控制单元（1）、与主控制单元（1）连接的若干机组控制单元（2）以及连接在主控制单元（1）和电网之间的负载控制单元（7）构成的功率管理系统，所述的负载控制单元（7）上连接有单相负载（4），所述的电网通过选取U/V/W相中的一相与中性线连接的方式为单相负载（4）供电，所述的机组控制单元（2）与电网之间分别连接有电流互感器（5）和电压互感器（6），所述的机组控制单元（2）与发电机（3）之间分别连接有电流互感器（5）和电压互感器（6），所述的主控制单元（1）上连接有人机界面（8），其特征在于：包括如下步骤

a）、通过微调三相负荷消除三相电流不平衡

根据单相负载（4）的运行时间及运行状态，对A/B/C三相的单相负载（4）进行调节；

b）、功率限制及快速降负荷

机组控制单元（2）计算出机组负荷率并传送给主控制单元（1），经计算实时获得电站功率裕量；在投入负载后，任何在网机组最大负荷率高于某个值时，限制负载功率，此时负载功率不再增加；当电网中突然投入大负载使得在网机组负荷率超过95%时，系统快速输出快速降负荷指令，调节单相负载（4）组功率，使得负载降低到某个值，保证机组不过载；机组并车运行时候，当有单台在网机组发生故障跳闸时，快速把负载组功率降到当前实时功率的某百分比值，如果有变频驱动设备就快速把功率输出降为0；机组并车运行时候，当两台以上在网机组同时发生故障跳闸，快速把负载组功率降到实时功率的值百分比值；

c）、重载问询

如果请求投入的负载可用功率充足，而且三相负载相等，发出重载允许运行的指令，投入负载组；如果三相负载不相等，在人机界面（8）显示信息提示操作人员，投入负载后，由系统自动微调补偿使得系统三相电流平衡；

d）、控制模式

根据需要选择手动控制模式、半自动控制模式或自动控制模式。

2.根据权利要求1所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其特征在于，步骤a）具体实现方法如下：

a1，由人工设定选取负载控制单元（7），预设被调节负载组的优先级顺序；

a2，主控制单元（1）计算判断三相间电流的差值的最大值ΔI_MAX

ΔI_MAX=MAX[ΔI_AB,ΔI_BC,ΔI_AC]

其中ΔI_AB为A、B相电流差值的绝对值，ΔI_BC为B、C相电流差值的绝对值，ΔI_AC为A、C相电流差值的绝对值，

如果ΔI_MAX大于系统设定的三相电流不平衡限制值ΔI_alarm，则按照优先级顺序锁定在网的优先级最高的负载控制单元（7）组；

a3，主控制单元（1）比较三相电流大小并找出最大电流相，主控制单元（1）给锁定的负载控制单元（7）组发送减小最大电流相负载的微调信号，三相之间最大的差值ΔI_MAX减小；

a4，主控制单元（1）判断三相间电流最大的差值ΔI_MAX是否大于系统设定的三相电流不平衡限制值ΔI_alarm，如果仍然大于不平衡限制值ΔI_alarm，重复a3步；如果三相之间最大的差值已经小于ΔI_alarm，系统判断三相平衡，则停止系统调节；

a5，如果负载控制单元（7）组中最大电流相控制器判断最大电流相的负载已是最小无法调节，则主控制单元（1）给锁定的负载控制单元（7）组发送增大小最小电流相负载的微调信号，该负载组相应最小电流相的负载电流增大，电网中该相的总电流增大，三相之间最大的差值ΔI_MAX减小；

a6，如果负载控制单元（7）组判断锁定的负载控制单元（7）组所控制的三个相的负载都无法调节，则主控制单元（1）按a1步骤设置的优先级顺序锁定下一组可调负载，按照a1到第a5步的方式进行负载调节。

3.根据权利要求1所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其特征在于，步骤b）中动态功率限制的具体步骤为：

b11，主控制单元（1）判断机组最大负荷率是否超过85%；

b12，机组最大负荷率>85%，则主控制单元（1）输出限制负载功率信号给所有负载控制单元（7），所有负载控制单元（7）不再增加负载功率；当机组最大负荷率>95%，则主控制单元（1）同步给所有负载控制单元（7）发出减少负载功率指令；

b13，发出减少负载功率指令后，机组最大负荷率<85%，则主控制单元（1）取消限制负载功率信号，同时取消给所有负载控制单元（7）的减少负载功率信号，所有负载控制单元（7）恢复可调节功率功能。

4.根据权利要求1所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其特征在于，步骤b）中快速降负荷的具体步骤为：

b21，电网中突然投入大负载，主控制单元（1）判断在网机组最大负荷率>95%，主控制单元（1）给所有负载控制单元（7）及变频驱动装置发送一级快速降负荷指令，所有负载控制单元（7）及变频驱动装置输出功率降到当前自身实时功率的50%；

b22，主控制单元（1）判断在网机组最大负荷率<85%，延时2秒钟后，主控制单元撤销给所有负载控制单元（7）及变频驱动装置发送的快速降负荷指令；

b23，如果主控制单元（1）判断快速降负荷指令前工作工况的作业给功率定依然未撤销，且在网机组最大负荷率<85%，则所有负载控制单元（7）及变频驱动装置按照预设的斜率爬升，直到网机组最大负荷率>85%。

5.根据权利要求1所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其特征在于，步骤b）中快速降负荷的具体步骤为：

b31，机组并车运行时候，当有单台在网机组发生故障跳闸时，主控制单元（1）判断跳闸机组负荷率超过45%，且跳闸后剩余在网机组负荷率>85%；主控制单元（1）给所有负载控制单元（7）及变频驱动装置发送一级快速降负荷指令，所有负载控制单元（7）及变频驱动装置输出功率降到当前自身实时功率的50%；

b32，主控制单元（1）判断在快速降负荷指令后网机组最大负荷率<85%，延时2秒钟后，主控制单元（1）撤销给所有负载控制单元（7）及变频驱动装置发送的快速降负荷指令；

b33，如果主控制单元（1）给负载控制单元（7）组中C相连接的控制单元发出增加负载控制信号；主控制单元（1）判断快速降负荷指令前工作工况的作业给功率定依然未撤销，且在网机组最大负荷率<85%，则所有负载控制单元（7）及变频驱动装置按照预设的斜率爬升，直到网机组最大负荷率超过85%，此时动态功率限制功能开始工作。

6.根据权利要求1所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其特征在于，步骤b）中快速降负荷的具体步骤为：

b41，机组并车运行时候，当有两台在网机组发生故障跳闸时，主控制单元（1）判断跳闸机组负荷率超过25%，且跳闸后剩余在网机组负荷率>85%；主控制单元（1）给所有负载控制单元（7）及变频驱动装置发送二级快速降负荷指令，所有负载控制单元（7）及变频驱动装置输出功率降到当前自身实时功率的25%；

b42，主控制单元（1）判断在网机组最大负荷率<85%，延时2秒钟后，主控制单元（1）撤销给所有负载控制单元（7）及变频驱动装置发送的快速降负荷指令；

b43，如果主控制单元（1）判断快速降负荷指令前工作工况的作业给功率定依然未撤销，且在网机组最大负荷率<85%，则所有负载控制单元（7）及变频驱动装置按照预设的斜率爬升，直到网机组最大负荷率>85%，此时动态功率限制功能开始工作。

7.根据权利要求1所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其特征在于，步骤c）具体实现方法如下：

重载问询功能具体实现步骤：

c1，主控制单元（1）收到来自负载控制单元（7）请求信号；

c2，主控制单元（1）查找负载列表相应负载的值，计算判断投入负载后，是否机组负荷率>80%；

c3，主控制单元（1）经过计算判断投入负载后，机组负荷率>80%，给机组控制单元（2）发出启动投入备用机组信号，成功投入机组并网后，主控制单元（1）进入下一步；如果主控制单元（1）经过计算判断投入负载后，机组负荷率>80%，直接进入下一步；

c4，主控制单元（1）经过计算判断投入负载后，机组负荷率<80%，查预存在存储器中的数据库里的负载表，计算判断即将投入的三相负载是否相等，如果相等，主控制单元（1）给重载请求的负载控制单元（7）发出允许投入重载的信号；如果不相等，在人机界面（8）提示“投入负载会造成三相电流不均衡”，操作人员在人机界面（8）可以手动调节负载（4）使得即将投入的负载（4）相等；如果操作人员确认可以投入，主控制单元（1）给重载请求的负载控制单元（7）发出允许投入重载的信号，如果操作人员选择“取消重载问询”，主控制单元（1）给重载请求的负载控制单元（7）发出不允许投入重载的信号。

8.根据权利要求1所述的一种三相四线制船舶电网功率管理系统的管理方法，其特征在于，所述的步骤d）中

手动模式下，功率管理系统仅采集，显示负载电气参数及做报警，但是不参与控制负载，控制指令由操作人员手动调节或者分合闸负载开关达到平衡；

半自动模式下，功率管理系统工作，参与控制负载，由操作人员发出控制指令增加/减少单相负载（4）及投入/切断负载的指令，主控制单元（1）判断，并在操作人员发出控制指令后，机组控制单元（2）接受指令投入/解列备用机组；

自动模式下，功率管理系统仅采集，显示负载电气参数及报警，无需人员操作，系统根据功率储备情况，功率使用情况，或者判断机组故障与否，自动发出增加/减少单相负载（4）及投入/切断负载的指令，并在机组负荷率太高，储备功率不足的情况下主控制单元（1）给机组控制单元（2）发送指令投入/解列备用机组。