CN117471898A - 一种船用ems能量管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种船用EMS能量管理系统，包括远程操作站、监测报警器、触摸屏、冗余控制器、储能控制器、日用电源控制器、柴油发电机组控制器、母联控制器和推进系统；本能量管理系统采用了分布式架构，柴油发电机组控制器、储能控制器、日用电源控制器、母联控制器、触摸屏等连接到POWERLINK总线实现信息共享，冗余控制器实时采集各个子站设备数据进行综合优化计算后，将最优的运行策略发送给各个子设备控制器进行对立执行。利用冗余网络与推进系统进行连接，可以将功率限制等重要控制信息实时安全地发送给推进系统，与监测报警系统通过以太网进行连接。

Description

一种船用EMS能量管理系统

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种船用EMS能量管理系统。

背景技术

能量管理系统（Energy Management System，EMS）是一种集软硬件于一体的智能化系统，用于监控、控制和优化能源系统中的能量流动和能源消耗。它基于数据采集、分析和决策支持技术，能够实时监测能源设备的运行状态、能源消耗情况以及环境条件，从而实现对能源的高效管理和优化。

EMS能量管理系统功能技术运用以上海电气风电运维母船为例，能量管理系统（EMS） 负责在各工况下响应全船用电需求，合理调度变速柴油发电机组和电池系统能量供给，在保证可靠供电的状态下优化电站效率。

常规设计具有控制方式的时间延时，无法将多种能源合理分配、协调控制，无法使各部件高效率运行以达到最大的燃油经济性，自动化程度有待提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种船用EMS能量管理系统，解决常规EMS设计具有控制方式的时间延时，无法将多种能源合理分配、协调控制，无法使各部件高效率运行以达到最大的燃油经济性，自动化程度有待提高的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种船用EMS能量管理系统，其创新点在于：本系统采用分布式架构，包括两个远程操作站、监测报警器、触摸屏、两个冗余控制器、两个储能控制器、两个日用电源控制器、四个柴油发电机组控制器、母联控制器和推进系统；

所述推进系统包括两个侧推进控制器、两个主推进控制器以及一伸缩推控制器；

所述冗余控制器均包括一同步模块与一冗余模块，且均具有第一接口与第二接口；

对于第一冗余控制器，其冗余模块与第一集线器连接，第一集线器上连接有第一POWERLINK总线，且所述两个储能控制器、两个日用电源控制器、四个柴油发电机组控制器、母联控制器、两个侧推进控制器、两个主推进控制器以及一伸缩推控制器并联接入第一POWERLINK总线实现信息共享；

所述冗余模块还与第二集线器连接，第二集线器上连接有第二POWERLINK总线，且所述两个储能控制器、两个日用电源控制器、四个柴油发电机组控制器、母联控制器、两个侧推进控制器、两个主推进控制器以及一伸缩推控制器并联接入第二POWERLINK总线实现信息共享；

所述冗余控制器的第一接口与第三集线器连接，且所述远程操作站、监测报警器、触摸屏并联设置并接入该第三集线器，所述冗余控制器的第二接口与第四集线器连接，且所述远程操作站、监测报警器、触摸屏并联设置并接入该第四集线器；

对于第二冗余控制器，其冗余模块也分别与所述第一集线器与第二集线器连接，其第一接口与所述第三集线器连接，其第二接口与所述第四集线器连接；

第一冗余控制器的同步模块与第二冗余控制器的同步模块通过光纤连接。

进一步的，所述两个储能控制器均连接有一电池与一DC/DC模块；

所述两个日用电源控制器均连接有一变压器与一日用模块；

所述四个柴油发电机组控制器均连接有一柴油发电机组与一整流模块，且均包括信号采集器；

所述母联控制器连接有一固态断路器；

所述两个侧推进控制器均连接有一侧推进变频器；

所述两个主推进控制器均连接有一主推进变频器；

所述伸缩推控制器连接有一伸缩变频器。

进一步的，所述两个侧推进控制器均设有侧推进遥控系统；

所述两个主推进控制器均设有主推进遥控系统；

所述伸缩推控制器设有伸缩推遥控系统。

进一步的，所述柴油发电机组具有两种控制方法，包括本地控制方法与远程控制方法，且远程控制方法还包括手动控制模式与自动控制模式，且手动控制模式为默认的远程控制方法。

进一步的，本系统设有6种管理模式，包括航线模式、风场模式、停泊模式、应急模式、进出港模式以及岸电模式，且风场模式下还具有场内调遣模式、场内运维模式、场内吊运模式。

航线模式的正常航行工况下，用于从码头到风场的航行，航行速度大于6节至最大航速点，具体速度由操作员决定；

场内调遣工况下，用于风场内部巡航，航行速度在6节左右；

场内运维工况下，用于风场内风机的运维，开启动力定位系统，使 用栈桥设备，进行靠桩、运维、离桩操作；

场内吊运工况下，用于风场内的吊运作业，开启动力定位系统，使用吊机进行吊运作业；

停泊模式用于风场内停泊，风场内停泊，开启1台发电机，供船舶日常生活用电；

应急模式下停电，供应应急配电板；

岸电模式下，用于港口内停泊，发电机关闭，船舶用岸电。

进一步的，所述风场模式下还预留有其他五种待定工况模式，每种工况模式可以根据实际需求配置相应的控制参数，包括最小运行机组数量、是否变速以及变速的范围、母排是否合闸，低压交流母排是否合闸等。

本发明的优点在于：

1）本发明中能量管理系统采用了分布式架构，柴油发电机组控制器、储能控制器、日用电源控制器、母联控制器、触摸屏连接到 POWERLINK总线实现信息共享，冗余控制器实时采集各个子站设备数据进行综合优化计算后， 将最优的运行策略发送给各个子设备控制器进行对立执行。利用冗余网络与推进系统进行连接，可以将功率限制等重要控制信息实时安全地发送给推进系统，与监测报警系统通过以太网进行连接。

2）本发明负责在各工况下响应全船用电需求， 合理调度变速柴油发电机组和电池能量供给，在保证可靠供电的状态下优化电站效率。

3）本发明中的柴油发电机组提供全船动力、设备和生活用电，原动机的监测、控制和安全系统集成到EMS子站中，这将消除传统的控制方式的时间延时，同时能提供更加灵活的功能配置。EMS控制柴油机启动停止次序，预计报警功能用于防止柴油机的突然停机。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的系统架构图。

具体实施方式

如图1所示的一种船用EMS能量管理系统，采用分布式架构，包括两个远程操作站13、监测报警器14、触摸屏15、两个冗余控制器、两个储能控制器17、两个日用电源控制器18、四个柴油发电机组控制器19、母联控制器20和推进系统。

推进系统包括两个侧推进控制器21、两个主推进控制器22以及一伸缩推控制器23。

冗余控制器均包括一同步模块3与一冗余模块4，且均具有第一接口5与第二接口6。

对于第一冗余控制器1，其冗余模块4与第一集线器7连接，第一集线器7上连接有第一POWERLINK总线11，且两个储能控制器17、两个日用电源控制器18、四个柴油发电机组控制器19、母联控制器20、两个侧推进控制器21、两个主推进控制器22以及一伸缩推控制器23并联接入第一POWERLINK总线11实现信息共享。

冗余模块4还与第二集线器连接8，第二集线器上连接有第二POWERLINK总线12，且两个储能控制器17、两个日用电源控制器18、四个柴油发电机组控制器19、母联控制器20、两个侧推进控制器21、两个主推进控制器22以及一伸缩推控制器23并联接入第二POWERLINK总线12实现信息共享。

冗余控制器的第一接口5与第三集线器9连接，且两个远程操作站13、监测报警器14、触摸屏15并联设置并接入该第三集线器9，冗余控制器的第二接口6与第四集线器10连接，且远程操作站13、监测报警器14、触摸屏15并联设置并接入该第四集线器10。

对于第二冗余控制器2，其冗余模块4也分别与第一集线器7与第二集线器连接8，其第一接口5与第三集线器9连接，其第二接口6与第四集线器10连接。第一冗余控制器1的同步模块3与第二冗余控制器2的同步模块3通过光纤16连接。

两个储能控制器17均连接有一电池171与一DC/DC模块172。

两个日用电源控制器18均连接有一变压器181与一日用模块182。

四个柴油发电机组控制器19均连接有一柴油发电机组191与一整流模块192，且均包括信号采集器。

柴油发电机组191的实时状态信息在直流配电板通过按钮指示灯、仪表进行显示，在远程操作站13通过显示页面进行显示。

柴油发电机组控制器19采集柴油发电机组191的信号有：柴油机的就绪信号、柴油机的运行信号、柴油机的转速信号、柴油发电机组191的实时功率等。

母联控制器20连接有一固态断路器201。

两个侧推进控制器21均设有侧推进遥控系统211，且均连接有一侧推进变频器212。

两个主推进控制器22均设有主推进遥控系统221，且均连接有一主推进变频器222。

伸缩推控制器23设有伸缩推遥控系统231，且连接有一伸缩变频器232。

母联控制器20包括直流母排、低压交流母排、低压交流配电板、母联开关、直流配电板、制动电阻，电池171与变压器181均与低压交流母排连接，柴油发电机组191、侧推进变频器212、主推进变频器222、制动电阻均与直流母排连接。

柴油发电机组191具有两种控制方法，包括本地控制方法与远程控制方法，且远程控制方法还包括手动控制模式与自动控制模式，且手动控制模式为默认的远程控制方法。

柴油发电机组191本地控制作为一个备用控制，通过按钮指示灯等硬线连接到控制器，安装在直流配电板柴油发电机组191屏。在柴油发电机组191屏设置有“本地/远程”旋钮，当设置为“本地”时，在就近柴油发电机组191屏进行控制，同时在远程操作站13也会显示该机组的控制位置。

在本地控制时，柴油发电机组191运行转速被设定于额定转速，通过对应的柴油发电机组191屏柴油机的启动/停止按钮，对柴油机进行启动和停止控制。通过对应柴油发电机组191屏的并网按钮来启动AVR和二极管模块，并连接到直流电网，并网后实现功率输出。通过对应柴油发电机组191屏的解列按钮来停止AVR和二极管模块，从直流电网解列，停止功率输出。解列完成后，柴油机然处于运行状态。

将直流配电板柴油发电机组191屏将“本地/远程 ”旋钮，设置到“远程 ”时柴油发电机组191控制的控制位置切换到远程，默认为远程手动控制，在远程操作站13的页面由操作员进行操作。

在手动控制时，通过远程操作站13的柴油发电机组191控制页面的柴油机启动/停止按钮，对柴油机进行启动和停止控制。通过远程操作站13的柴油发电机组191控制页面的并网按钮来启动 AVR 和二极管模块，并连接到直流电网，并网后实现功率输出。通过远程操作站13的柴油发电机组191控制页面的解列按钮来停止 AVR 和二极管模块， 从直流电网解列，停止功率输出。解列完成后，柴油机然处于运行状态。

在柴油发电机组191控制页面将控制模式切换至自动模式后，EMS系统接管该柴油发电机组191的控制。

在自动模式时，柴油发电机组191的启动、停止、并网和解列等控制由EMS 系统根据提前设定的控制策略自动完成。柴油发电机组191在自动模式时，操作人员可以随时切换至手动控制模式。

在自动模式时， EMS 系统对电池171进行自动启停和充放电控制。EMS 通过锂电池171快速的充放电特性，对电网负荷进行削峰填谷，维持变速发电机运行在最佳的工控下，实现电网效率的最优化控制。

同时，为了优化燃油消耗率，EMS系统会根据当前电网负载率和机组特性进行对柴油机组变速控制。此模式所有机组需要处于自动模式，且激活变速模式。

柴油发电机组191在自动模式时，EMS系统根据电网负荷和用户预先设定参数自动完成启停和变速控制。

操作人员可以在柴油发电机组191页面给每台机组设置优先级，在自动模式时EMS系统会根据设定的优先级进行柴油发电机组191的启动和停止。优先级随着设定值的变大而降低。

在自动模式时，EMS系统根据设定的增机负荷率和增机延时进行自动控制。当电网负荷率高于设定值并经延时后激活增机控制，EMS 系统会启动优先级高的备用机组。增机负荷默认设置85%，延时30秒，才参数可以在设置页面根据实际工况进行优化。

在自动模式时，EMS系统根据设定的减机负荷率和减机延时进行自动控制。当电网负荷率低于设定值并经延时后激活增机控制，EMS 系统会停止优先级低的运行机组。减机负荷默认设置30%，延30秒，才参数可以在设置页面根据实际工况进行优化。在模式的参数设置页面有该模式下的运行参数，包括该模式下直流母排是否分断、直流母排闭合的情况下在网最小运行机组设定、机组是否需要变速，如果变速的情况下最小转速设定，以及低压交流配电板的母联开关是否需要闭合。

直流母排分断的情况下，一侧直流母排的最小运行机组设定，机组是否需要变速，如果需要变速的情况下最低转速的设定。另一侧直流母排的最小运行机组设定，机组是否需要变速，如果需要变速的情况下最低转速的设定。直流母排分断情况下，直流母排两侧可以单独设置相应的控制参数。

EMS 系统的航行模式、风场模式、停泊模式、进出港模式以及岸电模式以及预留的5种待定工况模式，都可以根据模式控制参数进行独立设定，参数设置完成后自动保存，待操作人员选择相应的工况模式后自动按照所设置的参数进行运行。

本船用EMS能量管理系统设有6种管理模式，包括航线模式、风场模式、停泊模式、应急模式、进出港模式以及岸电模式，且风场模式下还具有场内调遣模式、场内运维模式、场内吊运模式以及其他五种预留的待定工况模式，每种工况模式可以根据实际需求配置相应的控制参数，包括最小运行机组数量、是否变速以及变速的范围、母排是否合闸，低压交流母排是否合闸等。

航线模式的正常航行工况下，用于从码头到风场的航行，航行速度大于6节至最大航速点，具体速度由操作员决定。

场内调遣工况下，用于风场内部巡航，航行速度在6节左右。

场内运维工况下，用于风场内风机的运维，开启动力定位系统，使 用栈桥设备，进行靠桩、运维、离桩操作。

场内吊运工况下，用于风场内的吊运作业，开启动力定位系统，使用吊机进行吊运作业。

停泊模式用于风场内停泊，风场内停泊，开启1台发电机，供船舶日常生活用电。

应急模式下停电，供应应急配电板。

岸电模式下，用于港口内停泊，发电机关闭，船舶用岸电。在岸电模式时，需要设置岸电的供电容量等参数，EMS 系统会根据当前直流电网的负荷率以及岸电的供电容量和电网频率判断是否允许岸电接入电网进行供电。

在所有工况模式下，EMS按照统一的增机系数和延时、以及减机系数和延时进行控制，并且机组的启停顺序也是统一设置。

本船用EMS能量管理系统还具有柴发机组保护功能、储能系统保护功能以及日用电源保护功能，并提供柴发机组故障处理功能、储能系统故障处理功能以及日用电源故障处理功能。

如：柴发机组启动超时、柴发机组停止超时、柴发机组并网超时、 柴发机组解列超时、储能系统启动超时、储能系统停止超时、储能系统通讯故障、日用电源启动超时、日用电源停止超时、日用电源并网超时时均会发出启动超时报警，且故障处理后需要复位。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种船用EMS能量管理系统，其特征在于：本系统采用分布式架构，包括两个远程操作站、监测报警器、触摸屏、两个冗余控制器、两个储能控制器、两个日用电源控制器、四个柴油发电机组控制器、母联控制器和推进系统；

所述推进系统包括两个侧推进控制器、两个主推进控制器以及一伸缩推控制器；

所述冗余控制器均包括一同步模块与一冗余模块，且均具有第一接口与第二接口；

对于第一冗余控制器，其冗余模块与第一集线器连接，第一集线器上连接有第一POWERLINK总线，且所述两个储能控制器、两个日用电源控制器、四个柴油发电机组控制器、母联控制器、两个侧推进控制器、两个主推进控制器以及一伸缩推控制器并联接入第一POWERLINK总线实现信息共享；

所述冗余模块还与第二集线器连接，第二集线器上连接有第二POWERLINK总线，且所述两个储能控制器、两个日用电源控制器、四个柴油发电机组控制器、母联控制器、两个侧推进控制器、两个主推进控制器以及一伸缩推控制器并联接入第二POWERLINK总线实现信息共享；

所述冗余控制器的第一接口与第三集线器连接，且所述远程操作站、监测报警器、触摸屏并联设置并接入该第三集线器，所述冗余控制器的第二接口与第四集线器连接，且所述远程操作站、监测报警器、触摸屏并联设置并接入该第四集线器；

对于第二冗余控制器，其冗余模块也分别与所述第一集线器与第二集线器连接，其第一接口与所述第三集线器连接，其第二接口与所述第四集线器连接；

第一冗余控制器的同步模块与第二冗余控制器的同步模块通过光纤连接。

2.根据权利要求1所述的一种船用EMS能量管理系统，其特征在于：

所述两个储能控制器均连接有一电池与一DC/DC模块；

所述两个日用电源控制器均连接有一变压器与一日用模块；

所述四个柴油发电机组控制器均连接有一柴油发电机组与一整流模块，且均包括信号采集器；

所述母联控制器连接有一固态断路器；

所述两个侧推进控制器均连接有一侧推进变频器；

所述两个主推进控制器均连接有一主推进变频器；

所述伸缩推控制器连接有一伸缩变频器。

3.根据权利要求2所述的一种船用EMS能量管理系统，其特征在于：

所述两个侧推进控制器均设有侧推进遥控系统；

所述两个主推进控制器均设有主推进遥控系统；

所述伸缩推控制器设有伸缩推遥控系统。

4.根据权利要求2所述的一种船用EMS能量管理系统，其特征在于：所述柴油发电机组具有两种控制方法，包括本地控制方法与远程控制方法，且远程控制方法还包括手动控制模式与自动控制模式，且手动控制模式为默认的远程控制方法。

5.根据权利要求3所述的一种船用EMS能量管理系统，其特征在于：本系统设有6种管理模式，包括航线模式、风场模式、停泊模式、应急模式、进出港模式以及岸电模式，且风场模式下还具有场内调遣模式、场内运维模式、场内吊运模式。

6.根据权利要求5所述的一种船用EMS能量管理系统，其特征在于：所述风场模式下还预留有其他五种待定工况模式，每种工况模式可以根据实际需求配置相应的控制参数，包括最小运行机组数量、是否变速以及变速的范围、母排是否合闸，低压交流母排是否合闸等。