CN108054752A - 一种增强型二级动力定位船舶电力系统结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型二级动力定位船舶电力系统结构设计方法，包括设计方法描述如下：发电机组的故障，对所有发电机均设置有功或者无功故障的信号检测功能，通过PMS采集这些信号与预置的参数进行对比，如果出现偏差时则由PMS控制切除出现故障的发电机机组，如经过以下处理后相关数据仍有偏差，则PMS向TB‑ACBT和TB‑ACB1同时发出断开指令，将系统分成左右两部分，避免故障的漫延。本发明整个电力系统的发电机组负荷进行综合调配，这样就可以减少整个系统发电机的开机数量，而且可以保证当出现某一个毁灭性的故障时只是消除该故障本身，而整个电力系统仍然在运行，从而保证停机检修而不停工，极大的增强了系统的经济性。

Description

一种增强型二级动力定位船舶电力系统结构设计方法

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种增强型二级动力定位船舶电力系统结构设计方法。

背景技术

动力定位系统是使用在具有特殊用途的海洋工程船舶如海洋钻井船、平台支持船、潜水器支持船、管道和电缆敷设船、科学考察船、深海救生船等船舶上利用计算机对采集来的环境参数（风、浪、流），根据位置参照系统提供的位置，自动地进行计算，控制各推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的“纹丝不动”的自动化控制系统。

动力定位系统的组成包括3 个分系统：动力系统、推力器系统和动力定位控制系统。动力系统一般来说是给整个动力定位系统提供电力的，也就是船舶电力系统。

根据相关法规和规范的要求，具有动力定位能力（二级以上）的船舶在进行设计时需要采取一些措施保证船舶在整个系统出现某个单一故障时仍能保持一定的定位能力，该故障有可能是毁灭性的。

因此在进行此类船舶电力系统设计时，一般将电力系统结构设计成两个部分组成，两个部分分别向不同的设备供电，两部分之间互不相联。此类电力系统在非动力定位工况时是组合成一个系统使用，当需要进行动力定位时需要先对电力系统人工干预，将电力系统分解成两个独立的部分后再进入动力定位工况。（也就是说当出现了某一个毁灭性的故障时，只有出现该故障的那一个分系统会受到影响而停止工作，另一个分系统将会继续工作）

此类系统在应用时由于电力系统分区，每个区相对应的发电机容量必须按该区的最高负荷进行计算，而最高负荷出现的机率是非常小的，这就导致发电机的长期实际负荷率偏低（根据统计长期负荷率平均在40%以下），发电机的容量有浪费问题存在，经济效益较差。

此外，此类系统的最大问题是当出现某个毁灭性的单一故障时，发生这个故障的系统分区当会全部停止运行，此时船舶虽然具有一定的动力定位能力，但其性能已经下降很大，不具有继续工作的价值，这种工况只能用于保证安全结束工作，对故障系统进行维修，待完成后再进行工作，也就是系统的强健性不够。

随着电力电子技术的发展，采用一些技术手段可以保证不用将整个系统分成两个区域，这样可以使整个电力系统的发电机组负荷进行综合调配，这样就可以减少整个系统发电机的开机数量，而且可以保证当出现某一个毁灭性的故障时只是消除该故障本身，而整个电力系统仍然在运行，从而保证停机检修而不停工，极大的增强了系统的经济性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种增强型二级动力定位船舶电力系统结构设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种增强型二级动力定位船舶电力系统结构设计方法，包括设计方法描述如下：

S1，当主汇流排发生短路故障时，如A排短路，此时A排的电压将会迅速下降至零左右，此时利用TB-ACB和TB-ACB1等开关的选择性保护功能，这两个汇流排断路器需要同时断开，而根据电力系统的选择性保护，电力系统的开关进行断路保护时都是向下选择，即将发生短路的点上一级的开关断开，以切除该短路点以下所有的故障部分；

在主汇流排上设计两个断路器的目的是，因为主汇流排断路故障是最严重的故障，为了防止设计一个断路器在断开的时候发生意外由于本身故障而不能断开，所以需要设计两个断路器，以增加断开的保险系数；此时当汇流排开关断开后，可以保证至少有一半的动力系统仍在正常工作；

S2，发电机组的故障，即有功（频率）和无功（电压）的监测，对所有发电机均设置有功或者无功故障（如调速器故障、油门齿条卡死、传感器失效、AVR故障、信号线路断线、PMS故障通信）的信号检测功能，通过PMS采集这些信号与预置的参数进行对比，如果出现偏差时则由PMS控制切除出现故障的发电机机组，如经过以下处理后相关数据仍有偏差，则PMS向TB-ACBT和TB-ACB1同时发出断开指令，将系统分成左右两部分，避免故障的漫延；

在这种情况下，自动切除故障发电机组并自动并网备用机组是为了保证工作时电站容量不变，因工作于不分区状态，负荷在全网进行调配，可以减少发电机组的开机数量，有部分机组处于备用，这就避免了停工检修，这是普通动力定位船不具有的功能，在故障最终无法清除的情况下，才断开主汇流排断路器；

S3、电站管理系统故障，在不分区工作时PMS分为主用和备用两部分，主用PMS监控整个网络的状态，任一点的故障都可能引起PMS发出错误命令，引起所有推进器强行减负荷或网络保护动作，首先PMS的冗余应得到充分保证，在主用PMS发生故障时备用PMS应能无间断切换，要求主备用PMS要进行热备份实时通信并有通信故障的报警，并且通信需要有冗余，其次PMS要具有判断故障点的能力，即在电网异常时先切除造成电网异常的部分，而不是直接对定位系统发送故障信息。

优选的，如果A排发生短路，那么断开的应该是A排的上一级开关DG1的ACB，这样短路的A排并没有被切除，还会导致故障通过两个汇流排开关蔓延到B排，造成整个系统崩溃。

优选的，TB-ACB和TB-ACB1两个断路不能按照向下选择进行设计，需要按照向上选择进行设计，即要首先断开自己，同时这两个断路器的断开时不能设定延时时间，即短路发生时要立即断开。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：整个电力系统的发电机组负荷进行综合调配，这样就可以减少整个系统发电机的开机数量，而且可以保证当出现某一个毁灭性的故障时只是消除该故障本身，而整个电力系统仍然在运行，从而保证停机检修而不停工，极大的增强了系统的经济性。

附图说明

图1为典型的具有二级动力定位功能船舶电力系统结构图；

图2为典型可在动力定位时工作于不分区电力系统状态的系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-2，如附图1所示是一典型的具有二级动力定位功能船舶电力系统结构图，这是一个二段式汇流排结构，从图中可以看到该电力系统由发电机DG1、DG2，功率管理系统PMS1、PMS2，汇流排BUS-BAR A和B，负荷LOAD1和LOAD2，TB-ACB组成。图中由虚线表现的发电机DGn及其相关部分表示除规范要求的至少两台发电机组外，可以根据实际负荷需要或者使用需要配置多台发电机组。（根据规范要求，所有船舶至少配置两台发电机组机，任一台机组的容量应能满足船舶安全航行所用负荷的要求。

此系统分为非动力定位工况和动力定位两种工况，在此分别介绍两种工况的工作程序：

1、非动力定位

此时主汇流排联络开关TB-ACB处于闭合状态，PMS1和PMS2通过COM线通信成为一个PMS系统，PMS系统根据LOAD1和LOAD2的实际怀况控制DG1、DG2的启动、并网和解列等电站自动化操作。LOAD1和LOAD1的实际情况包括：1、LOAD1和LOAD2只有安全航行的必须负荷，单台机组即可满足要求，此时PMS控制任一台发电机组在线，另一台机组备用。2、LOAD1和LOAD2的负荷超过了安全航行必须负荷，包括一些工程或者专用设备大负荷时PMS根据负荷信号自动控制至少两台机组自动联网供电。

2、动力定位

此时需要人工将TB-ACB打开，此时PMS1和PMS2判断到TB-ACB打开，则自动处于动力定位状态，COM线处于不工作状态，PMS1和PMS2分别控制各自区域的发电机组和负荷（这种状态的要求是为了满足规范对二级动力定位船系统冗余性要求而设计，即发生单一毁灭性故障时，应保留有一定的定位能力）。

此时LOAD1和LOAD2的实际情况包括了安全航行必须的负荷、一些程机械或者专用设备及定位用大型推进器设备。这些设备分别布置在SWITCHBOARD A或B排上。

动力定位工况是全船负荷设备同时启用最多的工况，全船负荷最高的时刻也只有在动力定位工况中。

根据上述工况的描述我们可以看出当处于动力定位工况时，如果SWITCHBOARD A或者B任一个分区出现单一的毁灭性的故障时（这也是规范规定动力定位船必须进行分析的项目），如图1中的BUS-BAR A上发生了短路，那么与该汇流排连接的发电机DG1及其它所有负荷将停机，结果就是导致定位能力极大下降（丢失了50%的动力），动力定位工作时，一般都是具有极大危险性的工作，如近平台工作等，此时需要将整个系统逐步停机停工进行检修。

而对一些非毁灭性的单一故障，如A段的DG1发电机故障，此时尽管A段系统正常，但由于发电机的容量不够，无法供给A段足够的电力（丢失了50%的动力），整个系统仍然要停机停工检修。

此外还可以看出在动力定位工况下，为了保证每一段汇流排上的最大负荷，该段汇流排上的发电机组的配置必须按该段汇流排上的最大负荷设计。而动力定位工况时，如图1所示两段汇流排不会出现两段汇流排同时出现最大负荷的情况，也就是当SWITCHBOARDA段负荷高时，SWITCHBOARD B段必将处于低负荷状况。这里指的负荷高的最极端情况就是该段排上开启的所有设备同时达到负荷最大值，而这种极端情况出现的概率也只有30%左右。因此这种情况时，必然有大部分的发电机组处于低负荷率的工况，效率不高。而在非动力定位工况时，规范不要求进行单一毁灭性故障的分析，因此只要保留一定的动力即可，并不存在停机停工检修整个系统的情况。而且此时系统工作于TB-ACB闭合状态，所有发电机组由PMS统一根据实际负荷状态进行调配，合理的设置发电机的台数，能将发电机的负荷率始终保持在最佳负荷率附近。

因此本发明主要针对此类船舶的动力定位工况。

附图2是一典型可在动力定位时工作于不分区电力系统状态的系统结构图，本系统的设计是在图1所示系统上增加功能，使得该系统即可以工作于不分区的动力定位状态，也可以工作于分区的动力定位工况。

对于上述5个主要故障，我们大致可以归于三个主要设备的故障，如下：

1、主汇流排故障短路（实现冗余设计的需要，系统瞬变等）

2、发电机组故障（原动机的调速装置和油门等故障，电球的调压器故障）

3、电站管理系统故障（PMS1和PMS2之间的通信故障，检测信号故障等）

以图2为基础，此时TB-ACB和TB-ACB1闭合，工作于不分区状态。将本设计方法描述如下：

1、当主汇流排发生短路故障时（如A排短路），此时A排的电压将会迅速下降至零左右，此时利用TB-ACB和TB-ACB1等开关的选择性保护功能，这两个汇流排断路器需要同时断开，而根据电力系统的选择性保护，电力系统的开关进行断路保护时都是向下选择，即将发生短路的点上一级的开关断开，以切除该短路点以下所有的故障部分。

如图2所示，可以看出如果A排发生短路，那么断开的应该是A排的上一级开关DG1的ACB，这样短路的A排并没有被切除，还会导致故障通过两个汇流排开关蔓延到B排，造成整个系统崩溃。

因此TB-ACB和TB-ACB1两个断路不能按照向下选择进行设计，需要按照向上选择进行设计，即要首先断开自己。同时这两个断路器的断开时不能设定延时时间，即短路发生时要立即断开。

在主汇流排上设计两个断路器的目的是，因为主汇流排断路故障是最严重的故障，为了防止设计一个断路器在断开的时候发生意外由于本身故障而不能断开，所以需要设计两个断路器，以增加断开的保险系数。

此时当汇流排开关断开后，可以保证至少有一半的动力系统仍在正常工作。

2、发电机组的故障，即有功（频率）和无功（电压）的监测

对所有发电机均设置有功或者无功故障（如调速器故障、油门齿条卡死、传感器失效、AVR故障、信号线路断线、PMS故障通信）的信号检测功能，通过PMS采集这些信号与预置的参数进行对比，如果出现偏差时则由PMS控制切除出现故障的发电机机组，如经过以下处理后相关数据仍有偏差，则PMS向TB-ACBT和TB-ACB1同时发出断开指令，将系统分成左右两部分，避免故障的漫延。

在这种情况下，自动切除故障发电机组并自动并网备用机组是为了保证工作时电站容量不变。因工作于不分区状态，负荷在全网进行调配，可以减少发电机组的开机数量，有部分机组处于备用，这就避免了停工检修。这是普通动力定位船不具有的功能。在故障最终无法清除的情况下，才断开主汇流排断路器。

3、电站管理系统故障，在不分区工作时PMS分为主用和备用两部分，主用PMS监控整个网络的状态，任一点的故障都可能引起PMS发出错误命令，引起所有推进器强行减负荷或网络保护动作。首先PMS的冗余应得到充分保证，在主用PMS发生故障时备用PMS应能无间断切换，要求主备用PMS要进行热备份实时通信并有通信故障的报警，并且通信需要有冗余。其次PMS要具有判断故障点的能力，即在电网异常时先切除造成电网异常的部分，而不是直接对定位系统发送故障信息。

本系统正常工作时（动力定位）可以减少发电机组的开机数量，在故障时可以减少停机停工的时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种增强型二级动力定位船舶电力系统结构设计方法，其特征在于，包括设计方法描述如下：

S1，当主汇流排发生短路故障时，如A排短路，此时A排的电压将会迅速下降至零左右，此时利用TB-ACB和TB-ACB1等开关的选择性保护功能，这两个汇流排断路器需要同时断开，而根据电力系统的选择性保护，电力系统的开关进行断路保护时都是向下选择，即将发生短路的点上一级的开关断开，以切除该短路点以下所有的故障部分；

在主汇流排上设计两个断路器的目的是，因为主汇流排断路故障是最严重的故障，为了防止设计一个断路器在断开的时候发生意外由于本身故障而不能断开，所以需要设计两个断路器，以增加断开的保险系数；此时当汇流排开关断开后，可以保证至少有一半的动力系统仍在正常工作；

S2，发电机组的故障，即有功（频率）和无功（电压）的监测，对所有发电机均设置有功或者无功故障（如调速器故障、油门齿条卡死、传感器失效、AVR故障、信号线路断线、PMS故障通信）的信号检测功能，通过PMS采集这些信号与预置的参数进行对比，如果出现偏差时则由PMS控制切除出现故障的发电机机组，如经过以下处理后相关数据仍有偏差，则PMS向TB-ACBT和TB-ACB1同时发出断开指令，将系统分成左右两部分，避免故障的漫延；

在这种情况下，自动切除故障发电机组并自动并网备用机组是为了保证工作时电站容量不变，因工作于不分区状态，负荷在全网进行调配，可以减少发电机组的开机数量，有部分机组处于备用，这就避免了停工检修，这是普通动力定位船不具有的功能，在故障最终无法清除的情况下，才断开主汇流排断路器；

S3、电站管理系统故障，在不分区工作时PMS分为主用和备用两部分，主用PMS监控整个网络的状态，任一点的故障都可能引起PMS发出错误命令，引起所有推进器强行减负荷或网络保护动作，首先PMS的冗余应得到充分保证，在主用PMS发生故障时备用PMS应能无间断切换，要求主备用PMS要进行热备份实时通信并有通信故障的报警，并且通信需要有冗余，其次PMS要具有判断故障点的能力，即在电网异常时先切除造成电网异常的部分，而不是直接对定位系统发送故障信息。

2.根据权利要求1所述的一种增强型二级动力定位船舶电力系统结构设计方法，其特征在于，如果A排发生短路，那么断开的应该是A排的上一级开关DG1的ACB，这样短路的A排并没有被切除，还会导致故障通过两个汇流排开关蔓延到B排，造成整个系统崩溃。

3.根据权利要求1所述的一种增强型二级动力定位船舶电力系统结构设计方法，其特征在于，TB-ACB和TB-ACB1两个断路不能按照向下选择进行设计，需要按照向上选择进行设计，即要首先断开自己，同时这两个断路器的断开时不能设定延时时间，即短路发生时要立即断开。