船舶配電監測系統設計研究

孫建紅 高 捷

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

船舶配電監測系統設計研究

孫建紅 高 捷

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

針對船舶配電網絡運行的監測手段和管理水平相對落后的問題，構建了船舶配電監測系統的結構形式，提出了配電監測系統設計方案，并對系統的組成和功能進行了說明。該系統采用集中數據管理，分層、分布式監測控制，采集全船配電網絡的電量參數數據，通過CAN總線向系統終端傳輸，從而實現對全船配電網絡實時集中監測和故障定位。

船舶配電；監測；信息采集；故障定位

1 引 言

配電系統是介于船舶電源系統和用電設備之間傳輸與分配電能的全部配電裝置和網絡的總稱。配電系統是船舶電力系統的重要組成部分之一，能將全船電源裝置產生的電能通過配電設備及電纜輸送給電力用戶，是全船其他系統及設備功能發揮的基本保障。然而，目前，我國水面船舶配電監測設計均采用傳統的分散監測方法，并沒有對全船主要配電設備的信息進行較為全面的采集，獲取信息的手段主要采用人工測量和判斷。這樣既費時又費力，不能對故障情況作出快速反應，不利于全船整體功能的提升，更不能完全滿足現代新型船舶用電設備的需求［1］。

隨著大型水面船舶用電負荷需求量不斷增加，全船配電線路和配電設備分布點多、涉及面廣、布置分散，對于配電網絡的故障檢測和維護的要求越來越高。此外，配電結構日趨復雜，所需監視控制的實時配電信息越來越多，檢測工作量大，僅憑人的技術和經驗越來越難于應付。這些特點使得以往船舶配電系統設計中采用的傳統、分散的監測、故障處理等一系列方法不能完全滿足現代新型船舶用電設備的需求。同時，船舶電力系統正在不斷向自動化、網絡化、智能化方向發展，將計算機網絡與控制理論相結合構成網絡化的智能監測系統成為配電網絡監測的發展方向，船舶配電系統實現全面自動化亦已成為必然趨勢。

2 配電監測系統實施的意義

全船配電監測系統采用先進的配電網絡信息采集設備，通過通信網絡隨時掌握網絡中主要配電設備信息，對配電網絡進行實時集中監測和管理。在正常運行情況下，配電監測系統采集各配電支路的電壓、電流、功率、功率因數及支路斷路器通斷狀態等電量參數，實時監視配電網絡中各配電設備的運行工況，優化配網的運行方式。當配電網發生故障或異常運行時，全船配電監測系統能夠迅速地查出故障區域及異常情況，以便及時處理故障，減少斷電時間，及時恢復正常供電，提高故障處理效率。因而，該系統能夠很好地解決配電網絡的遠程集中監測及配網各支路電量參數的采集、存儲等問題［2－3］。 全船配電監測系統是電力系統實現現代化的必然趨勢，實施配電監測系統的主要意義在于：

1）提高配電網可靠性

當配電網發生故障或異常運行時，配電監測系統迅速查出故障區域及故障類型，可及時處理事故，保證用電設備的供電并盡量縮短用電設備的斷電時間、縮小斷電范圍。同時，能通過網絡接口上報到上級管理部門，從而及時調度，將影響供電的范圍控制到最小。

2）改善電能品質

通過配電監測系統的實時監測和負荷預測、負荷管理與控制、狀態估計及配合供電系統電壓和無功優化調度等功能，及時收集電網的運行狀態信息，進行網絡分析，采用最佳的運行方式，改善供電質量，達到經濟運行的目的。

3）減少調度管理人員及勞動強度

配電監測系統在人力盡量少介入的情況下完成大量的重復性工作，通過實時監控網絡運行情況，有利于船員較全面地掌握配電狀態，便于管理和維護，從而減輕船員日常檢測工作量，提高船舶的現代化管理水平。

3 配電監測系統的功能定位

結合我國船舶配電系統的發展情況，針對目前在現代船舶上實施配電監測系統方案，首先要實現對配電系統的可視化集中監測和故障自動檢測、定位、報警，提供故障恢復建議的功能，而斷路器操作、隔離故障和轉移負荷等仍通過人工方式實現。然后，在此配電監測系統的基礎上，分階段逐步向全船配電自動化的方向發展。因此，現階段配電監測系統的主要任務是實現全船交流配電一次網絡信息的自動采集、存儲、顯示，對配電系統的運行狀態進行集中監測，并對故障進行報警、定位和記錄，同時對歷史數據進行統計和回放。

4 船舶配電監測系統設計方案

4.1 系統結構

全船配電監測系統主要由4個部分組成：配電饋線終端設備、子站、主站和通信網絡，其結構如圖1所示，用以實現對全船配電網絡實時數據的自動采集、處理、存儲、顯示、故障定位和報警。其中：配電饋線終端設備為配合框架、塑殼式斷路器的電量參數采集設備，主要完成其配網支路中各種參數的采集工作；子站為信息處理裝置，是配電系統的中間層，主要實現所管轄區域的配電終端的信息集中處理、故障檢測及通信等功能；主站是整個配電監測系統的監控和管理的最高層，負責全船配電網絡的監視和控制；通信網絡則是信息和數據傳輸的介質。

圖1 配電監測系統的結構

本系統通過應用硬件、軟件和優化控制算法設計，突破了傳統的配電檢測方式，運用通信網絡傳輸電量數據，使得電量的采集更為簡潔，高效。此外，該系統具有可靠性高、實時性強、傳輸速度快的特點，有效地提高了船舶配電系統監測的實時性和準確性。

4.2 系統硬件設計

4.2.1 配電終端設備

配電終端設備完成對各配電支路斷路器的三相電流、電壓有效值、有功功率（功率因數）、頻率、相序等電量參數的監測，并采用標準RS232或RS485通信接口輸出。通過運用遙測等技術，配電終端設備能夠采用數字計算的測量方式完成對各斷路器支路電量參數和非電量信號的采集和處理工作［4］。此設備可與塑殼斷路器和框架斷路器配套使用，安裝于斷路器和插入式安裝臺中間。其集傳感器、A／D轉換器、鎖相環電路、外圍擴展存儲器、微處理器等主要元器件于一身［5－6］，具有體積小、重量輕、安裝方便等特點。圖2為智能電量參數采集設備原理框圖［7］。

圖2 智能電量參數采集設備工作原理

目前，國內已成功研制了滿足船用條件的斷路器智能電量參數采集設備，即STJ18型智能控制器和DL型電量監測附件。將其與相應的船用框架式斷路器和塑殼斷路器的殼架配套，能夠通過通信接口向信息處理裝置子站傳送各配電支路實時的三相電流、電壓有效值、功率因數、頻率及故障信息。

4.2.2 配電監測子站

配電監測子站是整個配電監測系統的重要層次，它主要用于實現對主配電板負載屏、區域配電板、專用配電板內多路配電終端設備的實時數據進行采集、集中、處理、傳輸至上層主站的功能。針對船舶配電電壓低、電流大、分路多等問題，子站設計應具有檢測通道多、配置簡單靈活、體積小、可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強等特點。通過分布式安裝該設備，各配電板之間僅通過一條雙絞屏蔽電纜即可實現遠距離傳輸各種電量數據，從而適應了船舶空間小、配電支路多的特點。

為配合STJ18型智能控制器和DL型電量監測附件等配電終端設備，國內相應研制了信息處理裝置，其由A型設備和B型設備組成，分別安裝在主配電板負載屏內和區域配電板 （或專用配電板）內，與主配電板負載屏內60路框架斷路器的STJ18智能控制器和區域配電板 （或專用配電板）內14路塑殼斷路器的DL型電量監測附件相配合。兩型信息處理裝置將檢測到的多路電量數據、斷路器開關狀態等信息進行集中、處理后，通過協議轉換，再經CAN總線網絡實時進行數據發送，從而使得配電信息上傳至配電監測系統主站。智能信息處理裝置原理如圖3所示。

4.2.3 信息傳輸網絡

為保證配電監測系統的數據和命令及時、準確地傳遞，其通信是非常重要的一個環節，也是實現配電監測的基礎。因此，根據不同噸位船舶配電網絡的配置情況，在各種信息采集設備的基礎上，制定好傳輸網絡的總體規劃，才能準確地在配電終端設備與配電監測主站之間進行數據通信和數據交換。同時，規劃配電監測系統信息傳輸網絡結構形式時，盡可能與全船電力系統監控管理網絡保持一致，以提高網絡的利用率和經濟性。

圖3 信息處理裝置工作原理

由于配電監測涉及的設備數量多、范圍廣，如果所有的數據量都發送到配電監測主站，容易造成信息擁擠和瓶頸現象，發生故障時難以及時處理和控制，因此宜采用分層處理的方式。全船配電監測系統的信息傳輸網絡結構形式可分為上、下兩層［8］。上層網絡為提供監測信息和控制指令的傳輸通道，其傳輸信息量大、實時控制要求相對不高，要求信息的完整、可靠和高速傳遞。因而，上層網設計可選用冗余的高速交換式工業以太網，網絡的拓樸結構采用環形方式，保證系統的可靠性與生命力。下層網絡則為數據采集和實時監測的傳輸通道，根據需要可按區域分成若干個相對獨立的配電子網，現場監控設備就近接入網內。因而，下層網可設計為雙冗余CAN現場總線網，網絡拓樸結構采用總線方式，保證系統的可靠性與實時性。兩層網絡使得系統的可靠性及實時性均得到保證，網絡之間由智能網關連接。這樣一來，就能夠將各配電區域子站處理后的各種信息首先接入區域子網，然后通過網關接入上層網傳輸至配電監測主站。

4.2.4 配電監測系統主站

配電監測系統主站作為人機交互的窗口，可完成各種圖形顯示、系統保護、設備管理、報表打印、與其他系統的信息交換等功能，整個系統采用一體化的設計思想，將配電網監控與數據采集（SCADA）、配電網地理信息系統（GIS）、配網高級應用軟件等各子系統有機地結合在一起［9］。主站設計基于友好的人機界面，以簡捷、直觀、快速的方式監視與控制配電系統的安全、可靠和經濟運行。當線路某一處發生故障時，事故信號既能反映到SCADA部分，同時在GIS的畫面上也能反映出事故發生的情況及其影響的區域。

主站設計主要包括：建立一個能為各種子系統的實施和執行提供強大功能的環境和開放式的基礎平臺，該平臺除提供基本的硬件技術和操作系統的基本服務外，還能提供諸如數據庫系統、信息交互、人機界面、實時環境應用程序等服務。鑒于現階段配電監測系統的功能定位，基于此平臺重點實現2個應用子系統的功能：SCADA和GIS，這些子系統之間在開放系統結構基礎上實現有機的橫向和縱向的集成，形成一個較完整的配網監測管理系統，實現配網運行可視化，故障自動定位、報警功能。

通過對圖集（原理單線圖、通信線路圖等）、靜態數據 （配電設備數據，如配電板名稱和布置艙室、支路負載名稱等）和動態數據（支路電壓，電流，功率，線路故障等實時數據和斷路器狀態等）進行有機合成，實時地將各種變化反映到圖集上，可以提高監測系統的可管理性和直觀性。這樣一來船員在集控室即可完成對每一條支路的管理。在發生配電支路故障時，船員能在第一時間了解情況，提高故障處理效率。多功能主站以人機界面形式可對全船電力系統運行情況進行如下管理［9］：

1）實時狀態監測與顯示

在LCD顯示屏上以圖形、曲線、表格等形式顯示配電系統運行狀態。

2）電網運行狀態數據查看

在LCD顯示屏上顯示一次配電網絡及各斷路器、母聯開關、跨接開關狀態；顯示電網運行方式、顯示岸電接入狀態；顯示交流配電網絡各段母排配電支路斷路器開關狀態，支路的電壓、電流、頻率、功率等參數，如圖4所示。

圖4 配網運行狀態顯示界面圖

3）歷史數據查詢和統計

對配電系統實時數據進行打印，對歷史數據進行分析、統計、回放等管理。

4）故障報警處理

發生通信故障或支路故障時，系統將出現的報警信息記錄到數據庫中保存以備查看。用戶可以切換至報警列表畫面查詢各配電支路故障發生時間及故障類型，如圖5所示。

5）電網運行安全管理

在配電監測系統主站上可對全船所有交流配電網絡一次網設備的運行情況進行監測和管理。

圖5 報警列表顯示界面圖

4.3 系統軟件設計

配電監測系統軟件由數據采集、數據庫管理系統、數據處理與分析3個程序模塊組成。

4.3.1 數據采集程序

數據采集程序通過CAN總線從現場配電監測子站獲得實時數據。子站程序主要實現數據采集、數字信號處理、存儲、顯示、通信處理等功能，軟件由主程序、外部中斷程序、串行口中斷程序等模塊組成。主程序完成中斷方式、串行口方式、定時器方式等初始化和RAM、ROM、數據存儲判斷等工作，并進行I／O檢測、數據采集處理、本地顯示等。

4.3.2 數據庫管理系統

配電監測系統的數據庫系統包含兩個部分：歷史數據庫和實時數據庫。其中，歷史數據庫運行在主站數據庫服務器上，可采用商用數據庫，如SQL Server等，對系統的數據結構進行定義和描述；實時數據庫分布式運行在每個子站上，主要用于反映當前配網的狀態，存放實時性要求比較高的數據。

4.3.3 數據處理與分析程序

數據處理與分析程序運行在配電監測系統的主站上，主要提供用戶操作界面，包括參數設置、數據運行、系統管理3項功能［10］。其軟件主要是對數據進行進一步處理，實現了實時監測、動態顯示、歷史數據的數據庫查詢、曲線繪制、報表顯示以及打印輸出等功能。

1）參數設置主要是指設置數據庫中各個通道的系統參數，標定等功能，便于采集子站標準化，對需要刪除或修改的系統參數進行編輯管理。

2）數據運行主要是指設置定時采集的參數，可實時采集歷史數據和實時數據。對采集來的數據進行整理、分析，并生成曲線報表及事件報告，并可打印輸出。

3）系統管理是指對使用此系統的用戶進行維護，它可以設置、修改、刪除用戶帳號、密碼，維護用戶的使用權限。

5 結束語

針對船舶配電網絡中結構復雜、位置分散、管理手段落后等問題，本文構建了船舶分布式的配電監測系統。該系統采用集中數據管理，實現分層、分布式監測，采集配電系統一次網絡設備及各支路的電量參數數據，通過網絡接口向配電監測主站傳輸信息，實現了配電系統遠程集中監測和對故障準確、及時定位的功能。此系統已在國內船舶領域首次應用，能夠極大地減少配電系統的運行和管理工作量，提高系統的可靠性，也便于存儲歷史數據及故障分析，對促進配電自動化技術在我國船舶上的應用和發展具有一定的意義。

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Research and Design of Power Distribution Monitoring System on Ships

Sun Jian-hong Gao Jie
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The monitoring and management of the power distribution network on ships have not been fully developed.In this paper， architecture and design of a power distribution monitoring system are presented， together with the descriptions of the element contained and functions of the system.The system has several features： centralized data management， multi－level and distributed monitoring and controlling，and the collected system data transmitted to terminal through CAN field bus.Therefore， centralized monitoring and fault location of the power distribution network on a whole ship are achieved in a realtime manner.

marine power distribution system； monitoring； information collection； fault location

U665.14

A

1673－3185（2010）02－69－05

2009－12-19

孫建紅（1976－），女，工程師。研究方向：船舶電氣。E-mail：sjh94＠ 163.com