電力推進船舶電網集中監控系統研究與開發

唐劍飛，任賽林，謝 坤

（1. 海裝武漢局駐武漢地區第二軍事代表室，武漢 430064；2. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

0 引言

隨著電力電子器件的發展和電網容量的增大，電力推進船舶驅動控制需求逐漸增強，電力系統監控復雜程度逐步提高，電網狀態監控及運行維護工作量也日益增大，極易出現信息孤島，影響電力系統供配電效率及質量，帶來電網運行可靠性低、故障檢測能力弱等一系列問題，影響船舶的安全性和生命力。智能電網技術、電力監控技術，在電網運行狀態實時監控和管理、電網安全運行等方面起到了越來越重要的作用。加之數字化儀表、智能傳感器等智能電子設備的應用以及計算機技術、網絡技術等先進技術的應用，在提高電力監控自動化水平，解決信息孤島問題，實現電力監控系統的自動化和智能化，保證電力系統供電安全性和可靠性等方面具有重要意義。

本研究通過分析電力系統功能和任務，開發了船舶電網集中監控系統。該集中監控系統由上至下分為三層，分別是控制層、服務層和數據層，控制層完成信息匯總、遠程控制和集中顯示，服務層完成現場控制和信息傳輸，數據層完成信息采集和指令執行，通過三層分布式架構，實現了船舶電力系統集中監測、控制、保護和管理，保障了電力系統的安全、穩定、連續、經濟運行[1-5]。

1 系統組成及功能

船舶電網集中監控系統主要由集中監控裝置、發電控制裝置、變電控制裝置、配電控制裝置、電網監測裝置、配電箱、信息采集設備等設備組成，系統分為三層，控制層為集中監控裝置，完成電力系統信息收集，制定供配電策略，分析電力系統故障信息，完成電力系統控制指令下發等功能；服務層主要由現場控制裝置和故障記錄裝置等設備組成，完成供配電設備現場控制、電網信息傳輸和電力系統電能分配、調度控制等功能；數據層則包括發電控制裝置、配電箱及信息采集傳感器等，完成電網信息采集和指令的執行。系統架構如圖1所示：

圖1 集中監控系統架構

船舶電網集中監控系統用于對全船電力系統運行狀態監測和主要運行參數進行監測，對電力系統供電網絡進行集中控制，對電力系統運行故障進行隔離并診斷，對電力系統進行重構，以提高電力系統運行可靠性。

電力監控系統的功能主要包括：

1）電力系統運行狀態、主要運行參數顯示及存儲

集中監控系統需具備電力系統瞬態、穩態運行狀態及主要運行參數實時同步監測、顯示和存儲。

2）電力系統供電網絡控制、網絡狀態顯示及存儲

電力監控系統需完成直流配電箱、交流配電箱及發電機控制柜等設備的斷路器分斷與閉合控制功能，為電力系統安全穩定運行提供智能決策信息，在集中監控裝置上實現全船電力系統設備集中控制，或在現場控制裝置上實現區域性設備集中控制。

3）電力系統主要運行參數的越限報警及存儲，并對越限參數進行聲光報警提示

電力監控系統需對電力系統供電不平衡越線、失電進行聲光報警提示，對直流配電箱、交流配電箱、逆變電源、變壓器、發電機等設備失電、過載、通訊等故障進行聲光報警提示及存儲。

4）電力系統故障隔離及診斷

集中監控裝置需根據運行情況和異常信息對故障支路及時隔離及分斷，診斷故障原因為智能決策提供支撐。

5）電力系統重構

在電力系統運行故障情況下，可通過啟用備用供電支路或電源并車轉移負載實現電力系統重構，解決電力系統故障，提高電力系統可靠性。

2 硬件設計

2.1 集中控制裝置

集中監控裝置由集中監控裝置加固計算機、加固液晶顯示屏、電源、可編程邏輯控制器、功能面板等組成、接口模塊等部分組成。臺體通過隔振器安裝于基座上，起到減振降噪的作用。集中控制裝置硬件框架如圖2所示。

圖2 集中監控裝置硬件框架圖

集中監控裝置由兩路單相AC220V 50 Hz供電，具備輸入電源自動選擇與轉換的能力，保證一路電源失電的情況下設備可以正常工作，滿足在兩路交流電失電的情況下仍能繼續工作5 min的要求。其加固計算機采用水冷散熱，內部不設置風扇，內部電子元器件產生的熱量通過水冷板內循環水帶走，一方面降低了加固計算機向艙內散出的熱量，另一方面也降低了設備運行噪音。

集中監控裝置加固計算機設置2塊CAN卡，每塊CAN卡有2路CAN通道，且為獨立通道，共使用4路CAN。通訊速率最大可達1 Mbps，滿足現場總線需求。

加固計算機對接收到的電力系統運行信息進行處理、顯示，并對各類越限參數生成報警指令，經數據總線將發送給可編程邏輯控制器，由可編程邏輯控制器驅動功能面板上的蜂鳴器和報警指示燈，完成告警提示。加固計算機也可對各類通訊故障發出告警提示。在功能面板上設置了消音和查燈按鈕用于蜂鳴器消音和指示燈試燈。

2.2 現場控制裝置

現場控制裝置主要用于完成電力系統主要設備控制和數據采集設備采集信息處理和轉發，由人機接口計算機、PLC、電源模塊、按鈕及旋鈕等組成，其硬件結構框圖如圖3所示。

圖3 現場控制裝置硬件結構圖

現場控制裝置由一備一用兩路電源供電，具備兩路電壓自動轉換能量，保證設備供電連續性。

信息采集設備均輸出模擬電流信號，該類信號通過信號調理單元用于將各個不同傳感器的輸出信號，整合成加固機模擬量模塊能采集的范圍，然后由人機接口計算機A/D采集板完成模數轉換。各型傳感器輸出的信號幅值存在較大差異，而人機接口計算機A/D采集板各采樣通道輸入范圍為定值，因此需要對電壓傳感器、電流傳感器輸出的電流信號進行調理、變換，以滿足人機接口計算機A/D采集板的要求。

發電控制裝置接收傳感器采集的柴油機轉速、發電機轉速、發電機電壓、發電機電流等模擬量信號和進氣閥狀態、排氣閥狀態、報警等無源觸點信號，進行采樣處理后發送到以太網。同時，集中監控裝置、發電控制裝置可控制柴油機、發電機的啟停和應急停車。

變電控制裝置接收逆變電源和變壓器傳輸的工作狀態信息，同時集中控制裝置和變電控制裝置可對逆變電源進行并車控制，并對逆變電源和變壓器進行停機控制。

直流配電裝置和交流配電裝置，主要接收傳感器采集的交流380V配電箱、交流220V配電箱、直流220V配電箱、直流24V配電箱的輸出端電壓電流等模擬量信號和各配電箱狀態、報警等無源觸點信號，進行采樣處理后發送到以太網。同時，綜合監控裝置、交直流配電控制裝置可控制配電設備、電網斷路器的啟停和應急停車。

故障記錄裝置用于接收采集的電網電力信息，記錄電網運行故障并將信息傳輸至集中監控裝置，便于開展電網故障隔離和診斷。

2.3 信息采集設備

信息采集設備主要包括電壓傳感器、電流傳感器和分流器等。為提高模擬量信息在傳輸環節的抗干擾能力，將霍爾效應電壓傳感器和電流傳感器布置在相關設備內部，并輸出電流信號至現場控制設備的人機接口計算機。

同時，為了提高故障記錄的精度，便于進行電力系統故障分析和診斷，采用了高精度和大量程的電流傳感器，確保電力系統短路故障時短路電流的瞬態精確監測。

3 軟件設計

集中控制裝置主要軟件包括加固計算機應用軟件和可編程邏輯器件應用軟件。采用C/S的軟件體系架構，負責對現場數據的顯示，以及聲光報警，歷史查詢，操作記錄等功能。

根據信息化相關要求和建議，加固計算機采用中標麒麟4.0操作系統，既能夠滿足集中監控裝置數據實時采集、處理等方面要求，也能保障設備運行的穩定性、可靠性。加固計算機應用軟件主要完成外部通訊、模擬量采集、數據計算、存儲以及顯示。加固計算機應用軟件基于QT開發平臺、sqlite數據庫軟件和C/C++編程語言進行開發，既適應中標麒麟4.0操作系統平臺支持，又能滿足程序設計高實時性、高可靠性等要求。

加固計算機軟件分為三個部分：

1）數據采集模塊（data_service），主要負責與外部設備通信，并將獲取的數據發送給數據處理模塊；

2）數據處理模塊（work_process），主要負責解析數據，并將處理過的數據發送給界面模塊；

3）界面顯示模塊（UI_EMonitor），主要負責所有信息的實時顯示，保存和歷史查詢。

軟件處理流程主要包括四個部分：

1）初始化，進行必要的參數設置；

2）數據采集及處理，對電力系統主要設備的各種運行參數以及狀態進行采集和顯示，并對異常狀態進行報警和處理；

3）電力系統主要設備控制，對電力系統主要設備進行控制；

4）對電力系統故障信息進行分析和處理。

集中控制裝置PLC軟件分為數據采集，輸出控制，數據通訊三個部分；數據采集部分主要對直流配電箱、交流配電箱、發電機等信號采集，輸出控制部分根據采集信號，驅動控制拓撲圖上相關指示燈，對異常報警狀態會聲光報警輸出。數據通訊部分負責與上位機進行數據交換。

集中控制裝置 PLC應用軟件基于西門子公司STEP7 V13開發平臺、運用梯形圖語言開發。

采取可靠性設計的原則，針對異常情況進行處理，防止程序跑飛，保障程序的健壯性。采用模塊化設計，合理設計軟件的結構，提高軟件的可靠性和閱讀性。采用通用化的設計，在程序上設計成統一的代碼，保證了調試和維護的方便性。

軟件流程框圖如圖4所示。

圖4 軟件流程框圖

4 試驗與應用

船舶電網集中監控系統開發成功后開展了實船試驗，其中集中監控裝置顯示屏主界面如下圖5所示，界面顯示了電力系統主要拓撲結構，由柴油機、柴油機發電板、直流電柜、交流電柜、配電板、選擇板、負載等組成。其中K1～K17為斷路器，線路顏色代表斷路器分合閘狀態，即支路供電狀態，同時臺體有LED指示燈顯示故障報警信息。分界面分別顯示發電設備、變電設備、配電設備電網運行情況以及電網故障記錄情況，從而實現全船電網集中監控。

圖5 電網集中監控裝置主界面

電網集中監控裝置實船運行穩定，能夠實時顯示電網信息，對電力系統故障進行報警，同時實現了電力系統主要設備集中控制、故障記錄和分析診斷，提高了電網可靠性。

5 總結

本文通過對船舶電網集中監控系統的組成、功能和軟硬件設計的分析，建立了電網集中監控系統控制層、服務層和數據層三層分布式架構，實船試驗和應用表明，電網集中監控系統實現了船舶電力系統集中監測、控制、保護和管理，提高了電力系統運行的穩定性、安全性和可靠性。