Mô hình hệ thống điều khiển tự động toàn phần trạm phát điện tàu thủy

Trạm phát điện tàu thủy đảm bảo việc cung cấp năng lượng điện liên tục cho các phụ tải, hệ thống điện trên tàu thủy, theo từng chế độ công tác của tàu. Đặc điểm của phụ tải là hàm biến đổi ngẫu nhiên không theo quy luật, do đó đòi hỏi phải xây dựng hệ thống điều khiển tự động toàn phần trạm phát điện tàu thủy, để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng, tối ưu về năng lượng, nâng cao hiệu quả kinh tế trong vận hành khai thác và đảm bảo an toàn cho hàng hóa, thiết bị và con người.

MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỒN PHẦN TRẠM PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY MODELOF FULL AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR MARINE ELECTRICAL POWER STATION HOÀNG ĐỨC TUẤN1, ĐINH ANH TUẤN1, NGUYỄN KHẮC KHIÊM2 1Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 2Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Trạm phát điện tàu thủy đảm bảo việc cung cấp lượng điện liên tục cho phụ tải, hệ thống điện tàu thủy, theo chế độ công tác tàu Đặc điểm phụ tải hàm biến đổi ngẫu nhiên không theo quy luật, đòi hỏi phải xây dựng hệ thống điều khiển tự động toàn phần trạm phát điện tàu thủy, để đáp ứng yêu cầu ngày cao chất lượng, tối ưu lượng, nâng cao hiệu kinh tế vận hành khai thác đảm bảo an tồn cho hàng hóa, thiết bị người Từ khóa: Trạm phát điện tàu thủy, hệ thống điều khiển tự động Abstract Marine electrical power station supplies continuous electrical power to the electrical loads, electrical systems on ships, according to each of the ships working mode Features of the electrical loads is a function random variable and irregular, thus requiring building marine electrical power station full automaticcontrol systems to meet the increasing requirements for quality, optimal energy, improve economic efficiency in the operation and ensure the safety of goods, equipment and people Keywords: Marine electrical power station, automatic control system Giới thiệu Trạm phát điện tàu thủy nơi tập trung lượng điện, từ máy phát điện phân phối lượng đến phụ tải Ngày nay, với phát triển khơng ngừng khoa học kỹ thuật, hệ thống, thiết bị điện tàu thủy phát triển không ngừng, tăng nhanh số lượng đòi hỏi chất lượng điện ngày cao Vì vậy, hệ thống cung cấp lượng điện có vai trò đặc biệt quan trọng đến hoạt động tàu, việc cung cấp lượng điện bị gián đoạn làm ảnh hưởng đến hoạt động tàu, độ an tồn hàng hóa, thiết bị, tính mạng thuyền viên [1, 2] Do đó, yêu cầu hệ thống cung cấp lượng điện phải nghiên cứu để nâng cao khả cung cấp lượng, tin cậy tối ưu chế độ hoạt động tàu Bài báo đề cập đến việc xây dựng hệ thống điều khiển tự động trạm phát điện tàu thủy,nhằm tự động điều khiển toàn phần trạm phát điện tàu thủy, nâng cao hiệu kinh tế đảm bảo cung cấp lượng điện liên tục, tăng tính an tồn cho hệ thống điện tàu thủy Kết nghiên cứu trình bày phần sau Chức cấu trúc chung hệ thống điều khiển tự động trạm phát điện tàu thủy 2.1 Chức hệ thống điều khiển tự động trạm phát điện tàu thủy Chức hệ thống điều khiển tự động trạm phát điện tàu thủy sau: - Tự động khởi động tổ hợp máy phát điện tải nặng; - Tự động dừng tổ hợp máy phát điện non tải; - Hòa đồng tự động máy phát điện; - Ổn định tần số phân chia tải tự động; - Khởi động máy phát điện ưu tiên xảy điện toàn tàu; - Khống chế tải nặng; - Bảo vệ cho trạm phát điện tàu thủy,… 2.2 Cấu trúc chung hệ thống điều khiển tự động trạm phát điện tàu thủy Để thực chức điều khiển tự động toàn phần trạm phát điện tàu thủy, hệ thống có cấu trúc phân tầng điều khiển tổ hợp Diesel - máy phát điện tích hợp tầng cao nhằm quản lý hoạt động toàn trạm phát điện ứng với chế độ hoạt động Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 29 tương ứng [1, 2, 3, 5] Kết cấu hệ thống gồm điều khiển cho tổ hợp Diesel - máy phát điện kết nối mạng chúng với nhau, trình bày hình L1 L2 L3 BT Satus ETHERNET ETHERNET 441 v 233KW G PMS OPERATOR PANEL 50.0 HZ 50.HZ 0.73 START RUN AUTO CLOS E 1st STBY INC MANU AUTO 0.73 START RUN CLOSE INC 1st STBY MANU AUTO AUTO L3 Bus tie closed CB status Trip status Close CB Open CB CB open All generators CB Rev.power trip CB Short circuit trip CB status Engine running Engine Start fail Ready To start Swdb/pms select Engine Remote ctrl L1 L2 L3 Consumer block Accept Consumer block Accept Consumer block Accept L2 L3 PMS I/O MODULE Preferential Trip Preferential Trip CB Abnormal trip CB Auto sync.fail CB Close CB open Engine Inc.speed Engine Dec.speed Engine start Engine stop Circuit Breaker L1 L2 L3 L1 L2 Current L2 generator L3 L2 Voltage generator Valtage busbar Current L3 generator L3 GEN CB open All generators CB Rev.power trip CB Short circuit trip CB status Engine running Engine Start fail Ready To start Swdb/pms select Engine Remote ctrl Consumer block Accept Consumer block Accept Consumer block Accept L2 PMS I/O MODULE L3 Preferential Trip Preferential Circuit Breaker CB Abnormal trip CB Auto sync.fail CB Close CB open Engine Inc.speed Engine Dec.speed Engine start Engine stop L1 L2 2nd STBY STOP HORN Consumer block Request Consumer block Request Consumer block Request Safety system shutdown Consumer block Accept Consumer block Accept Consumer block Accept L3 PMS I/O MODULE Preferential Trip Preferential Trip CB Abnormal trip CB Auto CB sync.fail CB open All generators CB Rev.power trip CB Short circuit trip CB status Engine running Engine Start fail Ready To start Swdb/pms select Engine Remote ctrl Close CB open Engine Inc.speed Engine Dec.speed Engine start Engine stop Current L2 generator Current L3 generator Current L1 generator L2 Voltage generator Valtage busbar Current L2 generator L3 Voltage generator Valtage busbar Current L3 generator GEN Start/stop INC./Dec Diesel Engine Running Remote MANU L1 Current L1 generator Start/stop INC./Dec 1st STBY FAULT Bus tie closed CB status Trip status Close CB Open CB Trip GEN Start/stop INC SYSTEM ON L1 Current L1 generator CLOSE L1 Consumer block Request Consumer block Request Consumer block Request Safety system shutdown Bus tie closed CB status Trip status Close CB Open CB 0.73 START RUN DEC FAULT PMS OPERATOR PANEL 50.0 HZ ACK L1 Consumer block Request Consumer block Request Consumer block Request Safety system shutdown L2 G 50.HZ STOP HORN SYSTEM ON L1 418A 440V 2nd STBY ACK FAULT PMS OPERATOR PANEL 50.0 HZ DEC STOP HORN SYSTEM ON Diesel Engine G 50.HZ 441 v 233KW 418A 440V 2nd STBY DEC ACK Circuit Breaker 441 v 233KW 418A 440V INC./Dec Diesel Engine Running Remote Running Remote Hình Cấu trúc chung hệ thống điều khiển tự động trạm phát điện tàu thủy Cấu trúc chung đưa trạm phát điện bao gồm có ba tổ hợp Diesel - máy phát điện Mỗi tổ hợp Diesel - máy phát điện điều khiển, giám sát điều khiển gồm “PMS I/O module” gắn bên bảng điện có đầu vào, đầu để kết nối với động diesel, máy phát điện, aptomat Các panel PMS điều khiển PMS I/O modul nối với cáp truyền thơng Mỗi tổ hợp Diesel - máy phát điện có hình hiển thị thân thiện với người dùng, để đọc thông số trạm phát điện, nút điều khiển, cài đặt thông số cho trạm phát điện hiển thị thông số, trạng thái làm việc tổ hợp máy phát điện Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát cho trạm phát điện tàu thủy 3.1 Xây dựng thuật toán điều khiển a Thuật tốn tự động khởi động, tự động hòa đồng [4] START POWER SUPPLY START INTERLOCK NORMAL MODE SELECT SW LCD AUTO READY TO START NO HEAVY LOAD DETECT OVER CURRENT DETECT YES NO AND YL DC24V POWER RL ACB OPEN OR AUTO SYNCHRO NO ASD ABNOR YES YES STAND BY CONDITION NORMAL SYNCHRO DETECT 10 SEC PREF TRIP LCD MODE SELECT SW MANUAL AND SYNCHRO FAIL NO LCD 1ST STAND-BY ACB CLOSE NO AND ENGINE OF STAND-BY GEN START SIGNAL READY TO START YL 1ST STAND-BY LCD GEN RUN ACB OPEN RL ACB CLOSE GL ACB CLOSE SIGNAL TIMES RL LOAD SHARING & FREQ CONTROL START FAIL LCD ACB NON CLOSE YL ABNORMAL RESET AUTO SYNCHRO STOP LCD INTERRUPTION OR YES ABNORMAL RESET YES OR MANUAL AUTO NO OR YES POWER CONTROL SWITCH G/E START within delay LCD YL AUTO OR NO YES NO ACB CLOSE SIGNAL INTERRUPTION 60 SEC YES YES YES SEC NO YL AND NO AUTO SYNCHRO START DC24V POWER MANUAL AUTO SYNCHRO LOAD SHARING & FREQ CONTROL GL YL ABNORMAL RESET POWER SUPPLY BY PARA RUN NO VOLT BUILD-UP (3SEC) NO 20 SEC YES YL ABNORMAL RESET END YES Hình Thuật tốn tự động khởi động, tự động hòa đồng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 30 b Thuật toán tự động chuyển tải, tự động dừng máy phát non tải [4] START GEN RUN WL ACB CLOSE RL POWER SUPPLY MANUAL POWER CONTROL SWITCH INTERRUPTION AUTO MANUAL MODE SELECT SW AUTO NO PARA RUN INTERRUPTION YES NO LIGHT LOAD AUTO STOP CANCEL SW [ON] GL ACB CLOSE RL ACB OPEN NO YES YES NO 30 SEC AUTO LOAD SHIFT STOP YES AUTO LOAD SHIFT AUTO LOAD SHIFT START AUTO LOAD SHIFT ENG IDLE RUNNING LCD LCD LCD FREQ CONTROL COOL DOWN YES POWER SUPPLY BY SINGLE RUN NO AUTO LOAD SHIFT STOP AUTO LOAD SHIFT NO 60 SEC HIGHT POWER DETECT YES AND ENG STOP PB [ON] OR NO LOAD = HC SETUP MODE SELECT SW NO MANUAL SYNCHRO DETECT INTERRUPTION LCD 1ST STAND-BY 1ST STAND-BY LCD G/E START within delay ACB CLOSE NO RL START FAIL YL ABNORMAL RESET RL ACB CLOSE GL INTERRUPTION OR YES ACB OPEN 60 SEC YES AND SYNCHRO FAIL LCD YL NO OR ABNORMAL RESET ACB CLOSE SIGNAL TIMES OR YES LCD ACB NON CLOSE YL ABNORMAL RESET OR AUTO SYNCHRO STOP LCD GL NO NO ACB CLOSE SIGNAL ENGINE OF STAND-BY GEN START SIGNAL YL SEC YES YES AUTO AND END READY TO START YES NO (STARTER SIDE) GEN RUN OR AUTO SYNCHRO YL AUTO SYNCHRO NO VOLT BUILD-UP (3SEC) NO 20 SEC YES YL ABNORMAL RESET YES Hình Thuật tốn khống chế tải nặng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 31 d Thuật toán tự động khởi động máy phát điện xảy điện toàn tàu [4] START INTERLOCK NORMAL START DC24V POWER YL DC24V POWER RL ACB OPEN POWER SUPPLY READY TO START AND ACB OF STAND-BY GEN CLOSE SIGNAL NO YL NO ACB CLOSE AND ALL ACB OPEN DETECT & BUS NO VOLT DETECT MODE SELECT SW YES STAND BY CONDITION NORMAL MANUAL LCD READY TO START YL 1ST STAND-BY LCD INTERRUPTION ACB OPEN RL ACB CLOSE GL SEC 1ST STAND-BY YES LCD ACB NON CLOSE YL ABNORMAL RESET NO YES ENGINE OF STAND-BY GEN START SIGNAL ACB TRIP YES INTERRUPTION NO G/E START within delay GEN RUN SEC YES AUTO AND NO NO INTERRUPTION OR POWER CONTROL SWITCH START FAIL RL YES MANUAL AUTO GL ABNORMAL RESET YL FREQ CONTROL NO VOLT BUILD-UP (3SEC) NO 20 SEC YES YL FREQ CONTROL ABNORMAL RESET YES POWER SUPPLY BY SINGLE RUN Hình Thuật tốn tự động khởi động máy phát điện xảy điện toàn tàu 3.2 Xây dựng chương trình điều khiển tự động, giám sát cho trạm phát điện tàu thủy Để xây dựng chương trình điều khiển, chọn cấu hình phần cứng dựa số lượng đầu vào số, tương tự Cấu hình phần cứng lựa chọn bao gồm CPU 216, 02 Module DI16, 02 Module DO16, 02 Module AI, 02 Module AO hãng Siemens Chương trình điều khiển tự động cho trạm phát điện tàu thủy lập trình phần mềm STEP Giao diện giám sát, điều khiển thiết kế hình cảm ứng hãng Delta Được trình bày hình 6, 7, 8, 9, 10 Hình Giao diện MENU Hình Giao diện giám sát Hình Màn hình hiển thị lịch sử báo động Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Hình Màn hình đồ thị điện áp máy phát Số 51-8/2017 32 ... Remote Hình Cấu trúc chung hệ thống điều khiển tự động trạm phát điện tàu thủy Cấu trúc chung đưa trạm phát điện bao gồm có ba tổ hợp Diesel - máy phát điện Mỗi tổ hợp Diesel - máy phát điện điều khiển, ... SINGLE RUN Hình Thuật tốn tự động khởi động máy phát điện xảy điện tồn tàu 3.2 Xây dựng chương trình điều khiển tự động, giám sát cho trạm phát điện tàu thủy Để xây dựng chương trình điều khiển, ... làm việc tổ hợp máy phát điện Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát cho trạm phát điện tàu thủy 3.1 Xây dựng thuật toán điều khiển a Thuật toán tự động khởi động, tự động hòa đồng [4] START