一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统及管理方法
技术领域
本发明属于能量管理技术领域,涉及一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统,本发明还涉及上述管理系统的管理方法。
背景技术
当前,陆地油气钻探装备配套的发电容量比较充裕,有些区块还具备电网供电条件,足以应对各种重载工况和生活用电需要。但小型海洋地质勘察船不同,可谓寸土寸金,为达到效益和功用最大化,对各项配套设备都有严格的空间和重量限制,从而造成整船的总发电容量也会根据需要做出让步,目的是为了减小空间和重量,为更需要空间的设备和功能预留,为此只能选用小型发电机组。进而造成小型海洋地质勘察船总发电量不能满足所有单元最大用电负荷运行时的总用电需求,为此需要在多个岗位设立专职人员,实时关注用电情况,根据需要及时人工断开部分用电负荷,确保系统关键设备和系统平稳运行,针对突发负荷或大功率负荷启动(往往启动功率是额定功率的1-2倍),可能引起过载保护跳闸、甚至全船停电等事故,一旦整船失去动力,船舶将十分危险。因此需要配套一套带重载问询和降功率保护功能的勘察船能量控制系统,以实现对全船功率的智能分配和管理,优先满足船体航行、水中定位、安全、通讯等相关系统的正常运行。为此,专门开发了带重载问询和降功率保护功能的能量控制系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统,该系统针对出现功率不足的工况,分级启动响应预案,实现紧急情况下的报警和停机保护,实现全船发电系统的自动分配和管理,保障了整船航行和作业时的安全、平稳运行。
本发明还提供一种带重载问询和降功率保护功能的管理方法。
本发明所采用的第一种技术方案是,一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统,包括动力系统和发电系统,动力系统带动发电系统发电产生电能,该电能通过主开关电路接入能量控制系统中,能量控制系统向若干个船舶用电负荷系统分配能量。
本发明所采用的第一种技术方案还在于,
能量控制系统包括CPU控制器,CPU控制器的输入端分别连接数字量输入模、模拟量输入模块,CPU控制器的输出端分别连接数字量输出模块、模拟量输出模块,CPU控制器的通讯接口与Ethernet通讯模块连接。
本发明所采用的第二种技术方案是,一种带重载问询和降功率保护功能的管理方法,包括重载问询过程和降功率保护过程;
所述重载问询的具体过程如下:
步骤1,船舶用电负荷系统A向数字量输入模块发送启动指令,数字量输入模块将接收到的指令发送给CPU控制器;
步骤2,CPU控制器实时读取动力系统和发电系统产生的总发电功率和各船舶用电负荷系统的用电负荷;
步骤3,船舶用电负荷系统A发出启动前重载问询信号,CPU控制器实时分析动力系统和发电系统产生的总发电功率,是否满足单个船舶用电负荷系统的启动要求;当总发电功率满足启动要求时,执行步骤4,当不满足时,执行步骤5;
步骤4,船舶用电负荷系统A分级逐个启动其系统内部的各大功率负荷设备,在逐个启动过程中,CPU控制器实时分析动力系统和发电系统产生的总发电功率和新启动设备所需功率,当总发电功率满足启动新设备要求时,船舶用电负荷系统A给出启动许可并继续启动新设备,直至所有新设备启动完毕,启动过程结束;当总发电功率不满足启动新设备要求时,执行步骤5;
步骤5,船舶用电负荷系统A发出启动备用机组指令,并自主判断是否还有备用机组启动,如果有,启动备用机组,且CPU控制器继续实时分析启动备用机组后总发电功率是否满足继续启动备用机组的要求,如满足,船舶用电负荷系统A给出启动许可继续启动设备;如不满足,船舶用电负荷系统A继续发出启动备用机组指令,船舶用电负荷系统A自主判断是否还有备用机组启动,如果有,继续启动备用机组,并通过CPU控制器进行实时分析新启动备用机组后总发电功率是否满足继续启动设备功率需要,如满足继续启动设备功率需要,船舶用电负荷系统A给出启动许可继续启动设备,直至所有设备启动完毕,启动过程结束;
当所有备用机组均启动,总发电功率还不满足启动新设备功率需要,CPU控制器结束针对船舶用电负荷系统A的本次启动请求,并通过数字量输入模块给出不允许启动反馈,系统等待下次重载问询。
步骤2中,CPU控制预留总发电功率的20%作为备用功率。
步骤4中,新启动设备所需功率为该设备额定功率的两倍。
降功率保护的具体过程如下:
步骤A,船舶用电负荷系统A正常运行;
步骤B,数字量输入模块、模拟量输入模块、Ethernet通讯模块实时读取发电系统和动力系统产生的总发电功率和各船舶用电负荷系统的用电负荷,并发送给CPU控制器,CPU控制器对总发电功率和用电负荷进行分析;根据分析情况,分别向船舶用电负荷系统A发出一级功率负荷请求信号和二级功率负荷请求信号,当船舶用电负荷系统A接收到一级功率负荷请求信号时,执行步骤C;当船舶用电负荷系统A接收到二级功率负荷请求信号时,执行步骤D;
步骤C,当接收到一级功率负荷请求信号时,船舶用电负荷系统A对其自身内部的各主要负荷进行降功率保护,此时船舶用电负荷系统A仍然可以工作,只是呈现出液压系统低流量和高压泵低排量的运行状态;待一级功率负荷请求信号解除,船舶用电负荷系统A向CPU控制器发出解除指令反馈,并通过数字量输出模块4、Ethernet通讯模块将指令发送给船舶用电负荷系统A,船舶用电负荷系统A即可激活船舶用电负荷系统A的启动流程;
步骤D,当接收到二级功率负荷请求信号时,船舶用电负荷系统A对其自身内部的各主要负荷进行降功率保护,此时船舶用电负荷系统A不能正常工作,待二级功率负荷请求信号解除,船舶用电负荷系统A向CPU控制器发出解除指令反馈,并通过数字量输出模块、Ethernet通讯模块4将指令给船舶用电负荷系统A,船舶用电负荷系统A即可激活启动流程。
步骤B中,发出一级功率负荷请求信号时,即进行一级降功率保护,一级降功率保护时要求船舶用电负荷系统A释放出自身30%的功率;
发出二级功率负荷请求信号时,即进行二级降功率保护,二级降功率保护时要求船舶用电负荷系统A释放出自身60%的功率。
本发明的有益效果是,通过给小型海洋地质勘察船配套带重载问询和降功率保护功能的勘察船能量控制系统,解决了以往需要人工值守投入和切出用电负荷的现状,把值班人员从繁杂的体力劳动中解放出来。同时还实现了全船能量的动态管理,避免了因为突发负荷造成系统过载保护跳闸或停掉发电机组的风险,实现整船航行和作业时的安全、平稳运行。
附图说明
图1是本发明一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统的结构示意图;
图2是本发明一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统的重载问询机制流程图;
图3是本发明一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统的降功率保护机制流程图。
图中,1.动力系统,101.动力机一,102.动力机二,103.动力机三;
2.发电系统,201.发电机G1,202.发电机G2,203.发电机G3;
3.主开关电路;
4.能量控制系统,401.CPU控制器,402.数字量输入模块,403.数字量输出模块,404.模拟量输入模块,405.模拟量输出模块,406.Ethernet通讯模块;
5.船舶推进系统,6.动力定位系统,7.生活用电系统,8.钻探取样系统,9.通讯和指挥系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统,如图1所示,包括船舶配套的动力系统1和发电系统2。
动力系统1包括动力机一101、动力机二102、动力机三103。
发电系统2包括发电机G1 201、发电机G2 202、发电机G3 203,实际船舶配套机组数量有些变化,有增有减,但不影响本发明的工作机理和技术内容,均属于本发明保护的范畴。
动力机一101、动力机二102、动力机三103分别带动发电机G1 201、发电机G2 202、发电机G3 203发电产生能量,发电机G1 201、发电机G2 202、发电机G3 203产生的电能通过主开关电路3接入能量控制系统4中,能量控制系统4根据系统的负荷需要决定投入并网的机组数量和各个系统的能量分配情况,驱动整船的船舶推进系统5、动力定位系统6、生活用电系统7、钻探取样系统8、通讯和指挥系统9等各系统正常工作,针对大型负荷的启动和突发负荷,系统自动实现全船能量管理,确保了整船航行和作业时的安全、平稳运行。船舶推进系统5、动力定位系统6、生活用电系统7、钻探取样系统8、通讯和指挥系统9均为船舶用电负荷系统。
能量控制系统4包括CPU控制器401、数字量输入模块402、数字量输出模块403、模拟量输入模块404、模拟量输出模块405、Ethernet通讯模块406,其中CPU控制器401是系统的控制核心,实时接收来自数字量输入模块402、模拟量输入模块403、Ethernet通讯模块406发送来的实时信息,并根据不同的信息将控制指令下发到对应的数字量输出模块403、模拟量输出模块405、Ethernet通讯模块406,从而实现根据系统的实际负荷需要投入并网的机组数量或者切除非关键设备的供电回路,确保核心关键系统稳定正常运行,进而实现全船的能量分配和管理。
在勘察船配套的各系统中,船舶推进系统5是保障全船正常航行的关键,不论是航行还是进行勘探作业都需要得到保障,以便实现紧急规避过往船只和保障船体航向和姿态等紧急情况的需要,因此该系统任何时候都不能断电或出现欠功率。
动力定位系统6主要应用于勘探作业时的准确定位,实时纠正船体的位置和姿态,保障钻探系统按照设计的位置进行下钻和取样,另外根据风浪的不同,功率需求也不同,因此该系统是勘探作业时的关键系统,勘探作业时必须保障功率需求以应对各种突发情况。
通讯和指挥系统9是全船对外联系窗口,更是全船的关键,功率需求也必须给予保障。
生活用电系统7是全船照明、监测、餐饮所需,也需得到保障。为此,通过分析,针对勘察船能量不足时的降功率保护的只能从钻探取样系统8进行考虑。
如图2所示,本发明一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统的重载问询机制流程图,给出了勘察船中钻探取样系统8(在本发明的权利要求书中以船舶用电负荷系统A指代钻探取样系统8)启动时的重载问询能量管理机制。
能量控制系统4的数字量输入模块402接收到钻探取样系统8启动指令,CPU控制器401开始实时读取总发电功率和各船舶用电负荷系统用电负荷,并根据需要预留各关键系统备用功率余量20%,此时钻探取样系统8发出启动前重载问询信号,能量控制系统4的CPU控制器401根据发出的功率需求,实时计算总发电功率,判断是否满足启动要求。
当满足时,钻探取样系统8分级逐个启动其内部的各大功率负荷设备,以避免同时启动造成对上级电网冲击,在逐个启动过程中,CPU控制器实时分析总发电功率和新启动设备功率需要,一般为新启动设备预留2倍的额定启动功率容量,当分析满足继续启动设备功率需要,钻探取样系统8给出启动许可继续启动设备,直至所有设备启动完毕,启动过程结束;
当分析不满足继续启动设备功率需要,此时钻探取样系统8发出启动备用机组指令,并自主判断是否还有备用机组启动,如果有,启动备用机组,并继续实时分析启动备用机组后功率是否满足继续启动设备功率需要,如满足继续启动设备功率需要,钻探取样系统8给出启动许可继续启动设备;如还不满足,继续发出启动备用机组指令,并自主判断是否还有备用机组启动,如果有,继续启动备用机组,并进行实时分析新启动备用机组后功率是否满足继续启动设备功率需要,如满足继续启动设备功率需要,钻探取样系统8给出启动许可继续启动设备,直至所有设备启动完毕,启动过程结束;
如果所有备用机组均启动,还不满足,能量控制系统4的CPU控制器401结束针对钻探取样系统8的本次启动请求,并通过能量控制系统4的数字量输入模块402给出不允许启动反馈,系统等待下次重载问询。
当首次发送重载问询信号后,判断功率不满足时,转入判断是否还有备用机组启动流程。
通过上述方案的有效实施,避免了出现突发负荷时,因能量输出不足而造成的过载保护跳闸,甚至引起全船停电的风险。在实际产品系统中,根据风速、海况、浪高等外部环境的不同,通过传感器将信号发送给能量控制系统4的数字量输入模块402、模拟量输入模块404、Ethernet通讯模块406、能量控制系统4的CPU控制器401对各个子系统的功率分配重新优化调整,并通过数字量输出模块402、模拟量输出模块405,Ethernet通讯模块406将指令发送至对应的执行机构,也属于本发明的保护范畴。
本发明一种带重载问询和降功率保护功能的管理系统的降功率保护机制流程图,如图3所示,给出了钻探取样系统8正常运行时,勘察船其他关键系统发出功率需求指令时的分级降功率保护实现方法。本发明共设计了二级降功率保护机制,其中一级降功率保护,要求钻探取样系统8释放出自身30%的功率,二级降功率保护,要求钻探取样系统8释放出自身60%的功率,以实现对关键系统的功率供应。
在钻探取样系统8正常运行时,能量控制系统4的数字量输入模块402、模拟量输入模块404、Ethernet通讯模块406实时分析和读取总发电功率和各系统用电负荷情况,当接收到系统发出一级功率负荷请求信号,钻探取样系统8根据系统工作机理对其自身系统内部的各主要负荷进行降功率保护,其中包括大功率的双电机综合液压站关闭其中一台运行电机,两台同时工作高压钻井泵关闭其中一台运行泵组,从而实现降低钻探取样系统8自身30%的功率负荷,此时钻探取样系统8仍然可以工作,只是呈现出液压系统低流量和高压泵低排量的运行状态,运行效率降低了,但仍可以保障钻探系统的安全运行。待一级功率负荷请求信号解除,给能量控制系统4的CPU控制器401发出解除指令反馈,并通过数字量输出模块403、Ethernet通讯模块406将指令给到钻探取样系统8,钻探取样系统8即可激活钻探取样系统8启动流程。
当接收到系统发出二级功率负荷请求信号,钻探取样系统8根据其自身系统工作机理对其自身系统内部的各主要负荷进行降功率保护,其中包括大功率的双电机综合液压站运行电机全部关闭,两台同时工作高压钻井泵同时关闭,从而实现降低钻探取样系统8自身60%的功率负荷,同时液压回路启动断液自我保护机制,钻井液回路启动自我保护机制,此时钻探取样系统8不能正常钻探和取样作业,单仍可确保各子系统和设备安全。待二级功率负荷请求信号解除,给能量控制系统4的CPU控制器401发出解除指令反馈,并通过数字量输出模块403、Ethernet通讯模块4f06将指令给到钻探取样系统8,钻探取样系统8即可激活启动流程。
上述实时例中,降功率保护关停的负荷是针对配套液压钻机的勘探船降功率保护方法,实际使用中,上述机理对非液压钻机也适用,无非是关停的设备不同,也属于本专利的保护范畴。