綜合電力智能化能量管理系統網絡體系構架研究

黃友橋，王黎明

（1.海軍駐701所軍事代表室，武漢 430064；2.海軍工程大學，武漢 430033）

0 引言

近幾年來，隨著國防建設及我海軍發展的需要，以綜合電力系統為標志的新一代大型海上動力平臺正逐步納入我海軍裝備建設規劃中。綜合電力系統[1]將艦船發電、供電、推進和艦載設備用電集成在一個統一的系統內，從而實現發電、配電與電力推進用電及其他設備用電統一調度和集中控制。因此，采用綜合電力系統的大中型艦船對電力系統的監控和管理提出了更高更復雜的要求，即必須對全電網進行實時動態監測，并在此基礎上采取相應的最優控制策略及措施，實現電力系統可靠穩定運行與高質量供電。智能化能量管理系統[2]就是建立多級計算機網絡，對艦船電站、配電系統、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，提高艦船的生命力、續航力和戰斗力。

1 智能化能量管理系統的功能及配置需求

1.1 智能化能量管理系統的功能

智能化能量管理系統作為艦船電力自動化的技術核心，涵蓋了供電系統、推進系統、武備系統在內的艦上各種用電負載，通過對各個分系統進行綜合管理，協調系統之間的關系，確保艦船的生命力、機動性和戰斗力。其能夠實現發電自動化、系統監測報警、輸配電監控保護及用電設備監控管理；能夠根據艦船的運行工況有效并且迅速地調度電能，可對全艦的電能和各種負載的用電情況進行有效的管理；能夠向推進負載、日用負載和武備系統等提供穩定、優質的電能。由于采用了先進的計算機和信息技術，其呈現出如下特點：

1)系統網絡化

系統網絡基本上分為上下兩層。下層為監控網，采用現場總線，傳輸介質為雙絞線；上層為信息傳輸網，采用高速工業以太網，傳輸介質采用光纖或雙絞線，這樣使得系統的可靠性及快速性均得到了保證。

2)系統功能模塊化

系統模塊化包含二個含義：一是系統由符合標準化、通用化、模塊化的產品組合而成；二是艦船機艙的動力設備也有模塊化的設備組合而成，并已包含其自身的監控設備。

3)系統管理功能智能化

系統以各功能模塊為基礎，集計算機技術、智能控制技術、網絡通信技術、信息處理決策及傳感器執行技術為一體，具有實時性、自動化、最優化等智能化特點。

1.2 智能化能量管理系統的模塊化組成

智能化能量管理系統是一個集控制、監測、保護和管理與一體的綜合性系統。根據我國能量管理系統標準方案，艦船能量管理系統可由以下六大模塊組成，如圖1所示。

2 能量管理系統硬件體系構架設計

能量管理系統硬件主要包括數據采集與執行子系統和計算機網絡硬件。一般分為底層網絡構架和頂層網絡構架兩層。

2.1 底層網絡構架設計

底層網絡由集中監控單元、智能網橋、智能節點、智能網關、現場總線網絡及其他異構網絡組成，如圖2所示。采用CAN總線的多主從的工作方式，從網絡上任意一個節點均可在任意時刻向網絡上的其他節點發送數據信心，而不分主從。見圖2所示。

CAN現場總線作為基本的通信網絡，不僅有數據采集的上行數據，同時有控制指令的下行數據，對實時性要求高。所謂實時性就是要保證系統的行為滿足一定的時限要求，對于通信網絡主要是解決由于數據傳輸帶來的延時問題，需要采用合適的調度算法解決“何時”執行和“何地”執行，以滿足消息傳輸的時間約束。

2.2 頂層以太網構架設計

采用 OPNET Technology公司的仿真軟件OPNET對監控系統上層以太網進行仿真，可分析監控網絡的拓撲結構，網絡構成，網絡協議；能對基于網絡的數據流特點和網絡應用功能分析，總結數據產生、傳輸的基本過程和統計特性；基于 OPNET軟件可對網絡節點和網絡數據流完成建模；可對網絡的鏈路負載、傳輸時延進行統計；分析影響網絡的鏈路負載、傳輸時延的原因，提出優化措施。

3 能量管理系統軟件體系結構設計

能量管理系統包含供配電管理、負載管理、系統分析、安全管理、電力與艦載模擬訓練，信息網絡管理六大功能模塊，所涉及的是一個由不同硬件、不同操作系統、不同支撐環境和不同廠家的產品組成的異構系統，要使其協調工作，必須從軟件體系與軟件接口技術方面對其進行研究。因此，從頂層對軟件體系進行規劃，進一步提高系統信息開放性。能量管理系統的軟件體系結構設計應遵循分層組件式、模塊式設計原則。根據軟件功能進行標準化設計，確定軟件標準化組件及模塊，時限模塊內部高內聚，模塊間的松耦合，提高可靠性、維護性和重用性。

3.1 軟件層次結構設計

采用層次組件化結構，分為三層：基礎平臺層、軟總線層和應用層。基礎平臺層是整個軟件系統的支撐，包括操作系統、文件系統和數據庫等，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，按公用信息模型（CIM）格式存儲至數據庫，或向現場設備發送指令；與軟總線層進行數據交互。軟總線層是CIS(組件接口規范)接口的實現層，從基礎平臺層讀取數據，按一定的組件粒度，實現能量關系應用組件和公共應用組件，供應用層調用。應用層指各功能模塊根據需求，調用軟總線層組件，實現能量管理平臺的具體功能，見圖3所示。

3.2 軟件功能流程設計

由于系統功能復雜，模塊間相互聯系緊密，因此，軟件整體流程應進行優化設計，主要分為以下部分：1）軟件初始化。能對系統設備狀態、網絡通訊、數據庫連接等進行檢測、測試，若出現錯誤可報警，選擇退出。2）權限管理。初始化完成后，顯示系統Logo，并進入登錄權限認證菜單，根據全新不同，進入相應功能模塊的主界面進行操作。3）數據采集與處理。利用狀態估計和潮流分系統計算組件，對緩存空間的量測數據進行處理，剔除不良數據，將數據存入分配好的運算數據緩存空間。4）主程序界面。提供各功能模塊的入口，調用各組件接口進行后臺運算后生成相應的人機圖形界面。5）功能模塊應用組件。利用模塊間和模塊內的信息交互完成相應的應用功能。6）功能模塊人機圖形顯示界面。結合圖形界面組態，顯示相應的調用結果。

4 結束語

本文以綜合電力系統為動力平臺，提出了智能化能量管理系統的功能及配置需求，開展了智能化能量管理系統的模塊化組成方案、硬件網絡體系構架和軟件體系構架方案設計初步研究，從理論上可以實現對綜合電力系統的有效控制、監測和管理，對開展工程應用具有參考意義。

[1]馬偉明. 艦船動力發展的方向－綜合電力系統. 海軍工程大學學報，2002，14（6）：1-5.

[2]夏立，王黎明，徐襲. 艦船能量管理系統相關技術探討. 國防科技前沿論壇論文集，國防工業出版社,2009.