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

1、1,POWER SYSTEM CONTROLS,2,Measured,0,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,Total active power,Time s,MW,Power Consumption - West Venture,3,Control Hierarchy,4,控制功能,系统控制功能 电源管理能量管理 船舶管理 推进和动态定位 底层控制功能 发动机的保护和调速器 自动电压调节器 保护继电器 推进控制,5,System Level Control Functions,Ene

2、rgy / Power Management System To keep power system running at optimal conditions under constraints for the actual operation Vessel Management System Manual / Semi- / Automatic remote and local control of vessel systems Propulsion and Positioning Control,6,Sub Systems,Auxilliaries,VMS,Propulsion,PMS,

3、7,Real System,Auxilliaries,VMS,Propulsion,PMS,8,Power Plant,Vessel Loads,Propulsion Auxilliaries,9,Energy Management System,10,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

4、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。,11,Power and Energy Management System,Power Management (PMS) Optimal operation, automatic start/stop Heavy consumer handling, start prevention Blackout prevention, load reduction and load shedding Black-out restart, automatic restorati

5、on of power system after blackout Energy Management (EMS) Ensure that intended operation can be performed with minimum fuel consumption,12,PMS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。,13,PMS和EMS

6、,Energy Management ystem(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。,14,PMS和EMS,Energy Management ystem(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），是整个船舶控制系统的有机组成部分。 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。,15,PMS和EMS,能量管理

7、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。,16,PMS能量管理系统的体系结构,17,PMS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

8、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。,18,PMS能量管理系统的组成和功能,能量的优化分配与管理 发电系统的自动化 系统监测与报警 输配电监控保护 主要用电设备监控管理,19,PMS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）、

9、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,20,Prime Mover - Diesel Engine,21,PMS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,22,PMS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,23,PMS能量管理系统的组成

10、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,24,B l a c k o u t,25,Optimal Operation and Blackout Prevention System,26,Blackout,Total loss of electric power generation Must be avoided by any means Loss of propulsion power / steering power

11、Loss of positioning capability Severe risk for human, environmental, and economical damages Restore as quick and safe as possible “Partial blackout”,27,Loss of Genset,Generator Trip,Dynamic Positioning,Drilling System,Thruster System,Power System,Load Reduction,28,Example Loss of Genset,OPERATOR WOR

12、KSTATION,MAIN CONTROLLER,REMOTE I/O CABINET,REMOTE I/O CABINET,SWITCHBOARD/ GENERATOR PANEL,ENGINE SAFETY & CONTROL SYSTEM INTERFACE - HARDWIRED,ENGINE CONTROL & SAFETY SYSTEM,DIESEL GENERATOR,COMMUNICATION NETWORK,COMMUNICATION NETWORK,PROPULSOR OR THRUSTER,FREQUENCY CONVERTER,COMMUNICATION NETWORK

13、,29,Time Before Under-frequency (Illustrative),100%,200%,300%,10 sec,1 sec,0.1 sec,0.01 sec,Load x MCR,30,B l a c k o u t,31,Black-out restoration,32,Black-out Restoration,33,Black-out Restoration,Confirmed detection criteria Voltage = 0, Frequency = 0 Restoration sequence Start emergency generator

14、(separate control system) Auto start all engines, magnetize generators Auto connect first generator ready to connect Auto synchronize sequentially generators Dependent on specific requirements Auto/man startup of thrusters+essential consumers Auto/man restoration of network configuration,34,Integrat

15、ed Control System,35,Integrated Systems,Example,DP Class 3 DP control Class 2 installation Sensors Thruster controls Winch controls Vessel automation Marine systems Power management Ballast control Bilge Auxiliaries Drilling aux. Systems Safety system Emergency shutdown Fire & gas,37,Control Hierarc

16、hy,38,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:安全、层次清晰、界面友好、易于获得必要的信息。,39,Bridge Systems,40,Integrated Bridge Systems,Automation,Navigation,ECDIS,Alarms,Radar,41,PMS MMI,42,Control Hierarchy,43,控制功能,系统控制功能 电源管理能量管理 船舶管理 推进和动态定位 底层控制功能 发动机的保护和调速器 自动电压调节器

17、保护继电器 推进控制,44,Low Level Control and Protection,Engine protection and governing Protect diesel engine from damage, monitoring and shut-down Speed control and load sharing Synchronization Automatic voltage regulators (AVR) Voltage control and reactive load sharing Protection relays Protect system from

18、 overloads etc Other control and protection functions Motor starting devices Variable speed control, etc.,45,Positive phase angle f, inductive load,Active and Reactive Power,f,46,Active and Reactive Load Sharing,11kV mainswbd,G,G,G,G,47,Active and Reactive Load Sharing,11kV mainswbd,G,G,G,G,48,Gover

19、nor (diesel engine speed controller),Keep motor speed and electric frequency within specified limits Speed droop P-type controller with static droop, max +/-2.5% frequency variation, proportional to engine load Load sharing by frequency-load characteristicno communication between governors Isochrono

20、us PI-type controller with no static droop, constant frequency Load sharing ensured by communication between the governors,49,Speed Control of Main Engine,50,Speed Control of Main Engine,51,52,53,Droop vs. isochronous load sharing,Droop mode: Relatively slow frequency correction May give unstable ne

21、t frequency in situations with variable loads Enables various load sharing principles (asymmetric, fixed) No single point of failures, failure in load sharing system (PMS) will have no instant impact on power plant Isochronous mode: Very quick response to load changes / frequency variations Stable n

22、et frequency even with variable loads Load sharing modes other than symmetric load sharing requires additional equipment installed Failure in load sharing line (earth failure, short circuit) may be a single point of failure. Monitoring of load sharing line is required with automatic switching to dro

23、op mode (PMS control) in case of failure Conclusion ?,55,Experts Comment,56,Synchronizing:- Synchronization and Synch Check,11kV mainswbd,G,G,G,G,Synchro-nizer,Synchro-nizer,57,AVR (automatic voltage regulator),Keep generator voltage within specified limits, by controlling the magnetization Voltage

24、droop, P-type controller with static droop, max +/-2.5% variation, depending on apparent load Reactive power sharing by voltage-load characteristicno communication between AVRs Alternatively: Voltage reference adjustment to keep voltage constant Forced reactive load sharing by communication between

25、AVRs,58,Phasor Diagram - Generator,59,励磁原理:,有刷励磁,60,Brushless Magnetizing MachinesPMG excited (Permanent Magnet Generator),Synch. Generator,Rotor,PMG,61,Automatic Voltage Regulator,Automatic Voltage Regulator - AVR,PID,Set-point 6600V,Magnetizing equipment,Droop,62,AVR - Automatic Voltage Regulation

26、,G,G,11kV main swbd,G,G,Automatic Voltage Regulators (AVR): - Controlling the generator voltage byadjusting the magnetization - Reactive power load sharing:Most Commonly used: Passive (voltage droop) Also: Active (by control of voltage reference),63,AVR With Reactive Load Sharing,Load,Line-voltage,S

27、et-point 11kV,Generator 1,Generator 2,Paralleling - Equal magnetization - Reactive load sharing,64,Purpose of Protection Relays,Safety: Reduce risk for personal injury by monitoring system and equipment for faults and disconnect faulty parts Protection of equipment: Avoid conditions beyond design li

28、mits Limit damage of faulty equipment Selectivity: Only faulty branches of the system shall be disconnected. Shall be documented.,65,Typical Protection Relays,Overcurrent Short circuit Differential (or other fast acting, light- or pressure trigged) protection Earth fault Negative sequence (rotating

29、machines) Others, such as: Over-/under-voltage, frequency Reverse power (generators),66,保护继电器,保护继电器通常位于配电盘上，有时在特殊控制和保护面板上。有一系列的型号和功能以适合不同的要求。 现在，数码可编程保护继电器的应用十分普遍。数码继电器有一系列保护功能，它们可以单独或综合应用于特殊的保护需要。 基于电流、电压、频率等的测量值，当今保护装置可以依赖测量值的幅值来编程控制在预设的时间里去断开系统中相关部分或设备。,67,Multifunction Protection Relay,MMI and M

30、IMIC Protective functions Measurement Control PLC functions Condition monitoring LON/SPA bus communication Front panel RS-232,68,保护继电器,保护功能和特性由ANSI/IEEE和IEC等标准来定义，也有可能做相应的变化。在ANSII C39.90标准的保护功能和装置列表中，包括了一般工程应用的要求。 ANSI：美国国家标准化组织 IEEE：国际电气和电子工程师协会 IEC：国际电工委员会,69,保护继电器,保护方案根据操作需要和系统设置而有所不同。一个典型的保护方案应

31、包括以下功能： 配电盘 发电机 母线连接头和馈电板 变压器馈电线 电动机馈电线,70,保护继电器,配电盘保护 欠压或超压 低频或高频 接地故障，跳闸还是报警根据接地原理 （差分）微分或其他快速短路保护,71,保护继电器,发电机保护 过电流和短路 接地故障 逆功率 逆序 欠压或超压 频率过高 欠励或过励或容性无功功率 变压器内部冲击时的差分保护 原动机输出转速的同步检测,72,保护继电器,母线连接开关和馈电板保护 短路可能包含在发电机保护中 接地故障 同步检测 微分保护（在环行网络结构中）,73,保护继电器,变压器馈电线： 过电流 短路 过热 接地故障 欠压 差分保护,74,保护继电器,电动机馈电线： 过电流 短路 接地故障 过热 逆序 电动机启动：堵转，I2t(熔断器的焦耳积分)，启动次数 接地故障 欠压,75,保护继电器,合理的保护方案的设计