电力推进 第五讲lecture Power System Controls(能量管理)

1POWERSYSTEMCONTROLS2Measured010020030040050060070080090010000246810121416182022TotalactivepowerTime[s]MWPowerConsumption-WestVenture3ControlHierarchyUserInterface-OperatorStationsSystemLevelControl-Controllers/PLCsLowLevelControl-Governors,AVR,Protection4控制功能系统控制功能1.电源管理—能量管理2.船舶管理3.推进和动态定位底层控制功能1.发动机的保护和调速器2.自动电压调节器3.保护继电器4.推进控制5SystemLevelControlFunctionsEnergy/PowerManagementSystem–TokeeppowersystemrunningatoptimalconditionsunderconstraintsfortheactualoperationVesselManagementSystem–Manual/Semi-/AutomaticremoteandlocalcontrolofvesselsystemsPropulsionandPositioningControl6SubSystemsAuxilliariesVMSPropulsionPMSOSControllersLocalControlI/O7RealSystemAuxilliariesVMSPropulsionPMS8PowerPlantVesselLoadsPropulsionAuxilliaries9EnergyManagementSystemEnergyProductionandDistributionPrimemoversGeneratorsSwitchboardsTransformersEnergyConsumersCompressorsSeparatorsWinchesHVACPumpsThrusters...PowerandEnergyManagementSystemPropulsionControlSystemVesselManagementSystemOtherControlSystems10控制功能在电力系统，自控系统的各个部分控制着它们各自的。如动态定位系统控制侧推器的运转，卸载控制系统控制货物泵的运转，程序控制系统控制压缩机和加热/制冷系统等。所有动力装置的联系之处就是电源分配系统。由于启动时的冲击、浪涌冲击、负荷的变化以及电网谐波影响，负载与发电机会相互地作用与影响。对电力系统的最佳操作与控制是很有必要的，以实现安全操作并保证燃料消耗最低。能源控制系统（能源和电源能量管理系统），它总体上监控着电源能量系统，它把电力、自动和定位系统综合在一起。11PowerandEnergyManagementSystemPowerManagement(PMS)–Optimaloperation,automaticstart/stop–Heavyconsumerhandling,startprevention–Blackoutprevention,loadreductionandloadshedding–Black-outrestart,automaticrestorationofpowersystemafterblackoutEnergyManagement(EMS)–Ensurethatintendedoperationcanbeperformedwithminimumfuelconsumption12PMS和EMSPMS–早期能量管理系统能监测负载实际的功率需求，与可用的功率相比，并根据负荷的变化，按预先设计好的启动、停车顺序设定，自动启动、停止发电机组。–能量管理的目标是针对实际运行工况，确保有足够的功率供应，防止电力供应中断。对电力系统优化运行和控制的最基本要求是安全运行并且能量消耗最少。13PMS和EMSEnergyManagementＳystem(EMS)目前，能量管理系统功能已经扩大，一些先进控制功能加到能量管理中，通过监测和控制功率的流动，调节电能的产生和消耗，使燃料消耗最少，并且为了优化瞬态功率的流动，必须考虑历史功率使用情况和未来功率的需求。14PMS和EMSEnergyManagementＳystem(EMS)–ＥＭＳ包括：能量管理、失电保护、推进装置和其它调速负载的功率控制、燃油优化（如提高原动机的利用率，降低燃油消耗），ＥＭＳ是整个船舶控制系统的有机组成部分。–ＥＭＳ的功能设计和性能与船舶的运行模式、电力系统的配置、电力系统的保护、故障容忍紧密相连。15PMS和EMS能量管理系统是船舶控制设备的评判部件,不是分配在各个隔离的单元中,通常分布在操作站、过程控制站、远程处理站等不同控制站中，它们能共同操作并共享信息。能量管理系统具备功能综合、信息分散的特点。所有的PMS子站接受来自本站的信息，并接受来自其它PMS子站的共享信息，执行PMS计算。一旦出现紧急情况，必须断开联络开关（电力系统被分成二个或多个相互隔离的子系统）。每个子系统有自己的PMS子站，每个PMS子站能作为独立单元工作。16PMS能量管理系统的体系结构17PMS能量管理系统的体系结构PMS系统采用二层冗余计算机网络体系结构。上层为双冗余以太网络，它将中央控制中心互连，组成一个上层系统实现管理及智能操控；下层为CAN现场总线双冗余网，实现了发电自动化、监测报警、输配电监控保护、主要用电设备监控管理等功能。上层与下层各CAN总线区域网之间通过网关联接，通过上、下二层网络将中央控制中心、分区管理站、发电机组控制模块、测量模块、配电监控模块、设备监控模块及保护模块互联成系统，组成了船舶电力系统控制、监控、管理及保护一体化的网络型分布式PMS能量管理系统。18PMS能量管理系统的组成和功能能量的优化分配与管理1.发电系统的自动化2.系统监测与报警3.输配电监控保护4.主要用电设备监控管理19PMS能量管理系统的组成和功能1.发电系统的自动化发电系统主要有柴油机（汽轮机、燃汽轮机）、发电机和机组控制屏（包括主开关）等组成，一般系统有4台、8台、12台或15台发电机组组成，根据船舶布置和规范要求，可分为2个、3个、4个或5个发电区。发电自动化的主要功能：•机组的自动启动•机组的自动投入及调频调载•机组的解列和停机•机组自起停顺序设定20PrimeMover-DieselEngine0501001502002503003500%20%40%60%80%100%120%[%MCR][g/kWh]21PMS能量管理系统的组成和功能2.系统监测报警•参数测量•参数的显示打印•参数报警处理22PMS能量管理系统的组成和功能3.输配电系统的监控保护•分级卸载功能•跨接开关控制及联锁功能•配电开关的集中监控•短路、过载及绝缘检测等保护功能23PMS能量管理系统的组成和功能4.主要用电设备的监控管理PMS能量管理系统监控管理的主要用电设备包括：推进装置、侧推装置、日用变压器、特种探测装备、高能武器及其它大负荷设备•重载启动询问•功率限制功能•供电的平衡性•功率保护功能24Black–out25OptimalOperationandBlackoutPreventionSystemPavailablePA,1-PA,NLoadReduction/SheddingtAutostopTstopPA,startTstartPA,stopPA,normalAutostartPropulsionreduction,criticalsituationPropulsionreduction,non-critical26BlackoutTotallossofelectricpowergenerationMustbeavoidedbyanymeans–Lossofpropulsionpower/steeringpower–Lossofpositioningcapability–Severeriskforhuman,environmental,andeconomicaldamagesRestoreasquickandsafeaspossible“Partialblackout”27LossofGensetLoadReductionGeneratorTripDynamicPositioningDrillingSystemThrusterSystemPowerSystemLoadReduction28Example–LossofGensetOPERATORWORKSTATIONMAINCONTROLLERREMOTEI/OCABINETREMOTEI/OCABINETSWITCHBOARD/GENERATORPANELENGINESAFETY&CONTROLSYSTEMINTERFACE-HARDWIREDENGINECONTROL&SAFETYSYSTEMDIESELGENERATORCOMMUNICATIONNETWORKCOMMUNICATIONNETWORKPROPULSORORTHRUSTERFREQUENCYCONVERTERCOMMUNICATIONNETWORK29VSIDrivesFPPloadredPMSloadreductionDPpowerlimitationFixedspeedCPPloadredTimeBeforeUnder-frequency(Illustrative)100%200%300%10sec1sec0.1sec0.01secLoadxMCRRiskforBlackout30Black–out31Black-outrestoration32Black-outRestoration33Black-outRestorationConfirmeddetectioncriteria–Voltage=0,Frequency=0Restorationsequence–Startemergencygenerator(separatecontrolsystem)–Autostartallengines,magnetizegenerators–Autoconnectfirstgeneratorreadytoconnect–Autosynchronizesequentiallygenerators–DependentonspecificrequirementsAuto/manstartupofthrusters+essentialconsumersAuto/manrestorationofnetworkconfiguration34IntegratedControlSystem35IntegratedSystemsExampleDP–Class3DPcontrol–Class2installation–SensorsThrustercontrolsWinchcontrolsVesselautomation–MarinesystemsPowermanagementBallastcontrolBilgeAuxiliaries–Drillingaux.SystemsSafetysystem–Emergencyshutdown–Fire&gas37ControlHierarchyUserInterface-OperatorStationsSystemLevelControl-Controllers/PLCsLowLevelControl-Governors,AVR,Protection38用户界面用户界面，以驾驶台控制台和监视器为代表，是船员对动力和推进装置监控的界面。船上越来越普遍地采用几年前盛行的指示灯和按钮式的图形用户界面(GUI)。好的用户界面: