一種新型的船舶能量管理系統設計研究

摘要：隨著綜合電力系統技術及全電力船舶的發展，船舶能量管理系統的應用逐漸成為未來船舶發展的必然趨勢。本文針對一類新型船舶能量管理系統研制過程中主要技術問題進行研究。能量管理系統信息網絡采用硬線直連、雙冗余現場總線和雙冗余以太網混合的網絡構架，以保證控制的可靠性；軟件系統基于松散耦合的分層架構構建，利用動態耦合組件技術實現軟件接口，建立了船舶能量管理系統公用信息模型，利用實時數據緩存技術來構建能量管理實時數據庫?；谶@些關鍵技術研發的能量管理系統保證了全電力船舶網絡化監控的實時性、有效性和可靠性。

關鍵詞：船舶能量管理系統；綜合電力系統；公用信息模型；動態耦合

中圖分類號：U665.1 文獻標識碼：A

1引言

隨著綜合電力系統（Integrated Power System，IPS）技術及全電力船舶[1]的發展，船舶能量管理系統（Shipping Energy Management System，SEMS）的應用逐漸成為未來船舶發展的必然趨勢[2-5]。

船舶能量管理系統是船舶綜合電力系統的管理中心，是綜合電力系統的核心系統之一。隨著船舶綜合電力系統技術發展，電站容量、電力系統網絡結構形式都發生了變化，尤其是電力推進等高耗能系統的出現使電力的產生、分配、管理變得非常復雜，必須采用基于系統分析上的能量深層次管理方式。能量管理系統就是建立多級計算機網絡，對船舶電站、電力系統、負載特別是電力推進系統等大功率負載進行綜合計算分析，對電力系統的電網運行狀況、安全情況、電能質量情況的監測、保護和管理，可實現能量的智能化調配，以保證能量供應的連續性、穩定性和經濟性，提高船舶的續航力。

本文對新型船舶能量管理系統研制過程中的主要技術問題進行研究，包括系統軟硬件體系架構及實現的關鍵技術等，從而保證全電力船舶網絡化監控的實時性、有效性和可靠性。

2船舶能量管理系統硬件架構研究

船舶能量管理系統硬件總體框圖如圖1所 圖1 船舶能量管理系統總體架構圖

示，系統信息網絡采用硬線直連、雙冗余現場總線和雙冗余以太網混合的網絡構架。即重要的信號線、控制線為硬線直連，如緊急停車控制線等；實時性要求比較高的信號采用具有實時優先級功能的現場總線，如操控臺的車鐘、多功能定義鍵、電站的機組控制器和電站區域控制器之間、負載區域控制器與采集單元之間采用現場總線連接。

能量管理模塊上層通過雙冗余以太網連接，其中連接交換機的主干網絡采用光纖以太網，各接入主干以太網的設備采用雙冗余以太網連接。由于是環形主干網絡，因此當環型鏈路上有一點發生斷線時，自動開啟備用線路，讓系統恢復運行，切換時間小于 500ms。交換機之間的兩條鏈路采用鏈路聚合方式運行，在雙倍增加帶寬的同時，增加系統的冗余度，當一條鏈路發生斷路故障，另一條鏈路仍可正常運行，保證交換機之間正常通訊。

顯控臺是數據的融合中心和分析處理中心，作為功能軟件的載體，完成能量管理的人機界面的顯示、故障報警、運算分析、綜合決策與控制等功能。主要包括配電及負載管理顯控臺、系統分析及安全管理顯控臺、信息與網絡管理顯控臺、電力推進顯控臺等。

功能管理軟件包括供配電管理、負載管理、安全管理、系統分析、電力GIS、信息網絡管理6個功能模塊。功能軟件是在開放框架下應用開發、應用集成和系統運行的環境集合。它基于已成熟的行業技術標準，在異構分布環境（操作系統、網絡、數據庫）下提供透明、一致的信息訪問和交互手段，對其上運行的應用進行管理，為應用提供服務，它提供統一的共享數據機制和設施，支持應用間協同工作。

3船舶能量管理系統軟件架構研究

能量管理系統軟件的總體部署如下：集控室部署供配電及負載管理顯控臺、系統分析及安全管理顯控臺、電力GIS與信息網絡管理顯控臺、電力推進顯控臺及服務器；完成能量管理系統的人機交互功能；駕控室部署能量管理駕控室顯控臺，復顯能量管理重要信息。

能量管理系統軟件系統的邏輯架構如圖2所示。數據存儲層是整個軟件系統的數據支撐，其主要功能包括：通過外部環境接口，利用數據采集和處理組件從現場設備采集數據，按CIM（common information model，通用信息模型）模型格式存儲至數據庫，或向現場設備發送指令；與服務層和應用層進行數據交互。服務層是CIS（component interface specification，組件接口規范）接口的實現層，從數據存儲層讀取數據，按一定的組件粒度，實現能量管理應用組件和公共應用組件，供應用層調用。應用層根據各功能模塊的需求，調用服務層組件，實現能量管理平臺的軟件功能。

圖2 能量管理系統軟件架構圖

采用這種松散耦合結構優點在于：

① 每一顯控臺按配置需求分布式地進行業務線程計算和數據處理，提高操作端的響應速度。

② 數據存儲功能由應用服務器完成，避免了當監控數據量較大時的數據擁擠和通信瓶頸問題。

③ 當系統需求發生變化，增加新的功能或修改功能時，開發人員可增加功能配置參數更新業務邏輯，從而提高系統的可維護性。

④ 當終端控制臺發生變化，數據或者應用服務器的業務邏輯也不需改變，從而提高系統模塊的可重用性，便于系統的升級，降低建設和維護成本。

利用面向對象軟件工程的設計方法，能量管理軟件系統主流程（活動圖）如圖3所示。詳細描述了包括軟件初始化、數據通信與處理、主界面顯示、各子界面圖形顯示、各功能模塊應用組件、故障報警等在內的軟件主體相互關系。

4能量管理系統實現關鍵技術研究

4.1 船舶公共信息模型（CIM）技術研究

船舶能量管理系統作為一個集數據采集、數據通信、實時監控和數據處理為一體的信息流對能量流的管理系統，無論是底層的智能終端所具有的數據采集和程序處理，還是各種高級應用程序，其功能的最終操作對象都是數據。因此構建船舶能量管理系統公共信息模型（Common Information Model，CIM）是船舶能量管理系統軟件實現的一項關鍵技術。

本文借鑒“國際電工委員會制定的IEC 61970系列標準”，結合船舶能量管理系統與陸地能量管理系統的聯系和區別，對公共信息模型CIM語義上進行擴展，以對象類和屬性的方式來顯示船舶電力系統資源以及它們之間關系，實現不同應用系統間集成。并用統一建模語言（UML）構建支持面向對象的元數據模型。

4.2 船舶能量管理系統軟件接口規范

網絡化使船舶能量管理平臺系統軟件在分布式環境下分工合作， 不再靠“單干”， 不再是“孤島”， 這種分布式系統往往是一個由不同硬件、不同操作系統、不同支撐環境或不同廠家的產品組成的異構系統， 要使其協調工作，各個部分的軟件接口必須標準化， 能像硬件那樣“即插即用”。

本課題提出利用動態耦合組件技術實現軟件接口的方案。動態耦合組件技術是指根據能量管理系統的特點，將數據通訊、數據存儲與讀取、監控對象數據顯示、數據綜合顯示、功能模塊調用等應用，按照不同的組件粒度進行封裝，按照不同的功能需求調用相應的組件。

4.3 船舶能量管理系統數據庫管理技術研究

在能量管理系統中，數據庫系統是實現有組織、動態的存儲大量電力系統數據，方便多操作者訪問的由計算機軟硬件資源組成的系統。不論是底層的智能終端所具有的數據采集和處理程序，還是各種高級應用程序，其功能的最終操作對象都是數據，因此數據庫系統是能量管理軟件的核心。

從現場設備的物理位置來看，能量管理系統數據可分為以下幾類：發電機組狀態數據、配電狀態數據、推進狀態數據、電能質量測量狀態數據以及電量同步測量狀態數據等。從數據特性上來看，能量管理數據又可以分為以下幾類：實時量測數據、狀態估計數據、基本數據、歷史數據和臨時數據。能量管理數據還可分為實時態數據和研究態數據。由此可見，能量管理系統涉及的數據種類復雜，數據量大、相互聯系交互。只有從系統的角度仔細設計數據庫，才能把不同的應用軟件連成有機的能量管理整體，并能適應綜合電力系統的擴展。

本課題利用實時數據緩存技術來構建能量管理實時數據庫，從而保證數據讀取的實時性。結構如圖4所示的。實時數據庫包括數據庫數據結構模型、實時資源管理、數據操作和數據通信等模塊。實時數據庫數據直接對內存進行操作，使每個實時事務執行過程中避免了磁盤I/O，減少了不確定因素，提高了執行效率。

實時數據庫的“實時資源管理”主要涉及到數據存儲形式（一種是存儲在內存數據庫中，另一種是轉儲到磁盤上）。能量管理系統的數據十分龐大，并不是所有數據都需要存放在內存數據庫中，而是根據實時數據庫管理策略將實時性、高效性、關鍵性數據放到內存數據庫中。并且建立事件觸發機制，按策略將實時數據緩存的數據存入歷史數據庫。

5結論

船舶能量管理系統的核心是實現全船能量的在線監測與合理控制， 以保證在船舶主機和發電機都不過載的前提下滿足全船動力、電力和推進等特種負荷的需要。本文針對一類新型船舶能量管理系統研制過程中主要技術問題進行了研究。設計的能量管理系統信息網絡采用硬線直連、雙冗余現場總線和雙冗余以太網混合的網絡構架，以保證控制的可靠性；軟件系統基于松散耦合的分層架構構建，利用動態耦合組件技術實現軟件接口，建立了船舶能量管理系統公用信息模型，利用實時數據緩存技術來構建能量管理實時數據庫?；谶@些關鍵技術研發的能量管理系統保證了全電力船舶網絡化監控的實時性、有效性和可靠性。本文所研究的能量管理系統設計方法將隨著綜合電力技術的發展而進一步提高，以滿足未來現代化船舶設計的需要，大幅提高船舶整體性能。

參考文獻：

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