船舶高壓電力系統(tǒng)網(wǎng)絡化仿真技術(shù)

陸 虎

(南通航運職業(yè)技術(shù)學院，江蘇南通 226010）

船舶高壓電力系統(tǒng)網(wǎng)絡化仿真技術(shù)

陸 虎

(南通航運職業(yè)技術(shù)學院，江蘇南通 226010）

介紹船舶高壓電力系統(tǒng)網(wǎng)絡化仿真的方案設計、關(guān)鍵技術(shù)及主要功能特點。船舶高壓電仿真系統(tǒng)可實現(xiàn)實船高壓電的全任務仿真操作，且無高壓危險。采用先進的網(wǎng)絡化仿真技術(shù)，實時性佳，為船舶高壓電操作培訓工作提供了較好平臺。

船舶高壓電力系統(tǒng);仿真;工業(yè)以太網(wǎng)

0 引言

大型集裝箱船、電力推進船、破冰船、海工平臺的出現(xiàn)，使得船舶電力系統(tǒng)容量相對以往大幅度提高。由于低壓發(fā)電站組容量的限制，低壓供電無法滿足大容量供電的需求，當前1 000 V以上的高壓電力系統(tǒng)已在船舶上應用。

高壓電力系統(tǒng)的維護與管理較低壓電有著很大的差別。船舶管理人員的低壓電知識無法滿足高壓電力系統(tǒng)管理的需要，國際海事組織及國家海事局也就相關(guān)崗前培訓做出了相關(guān)規(guī)定。實驗室直接提供船舶高壓電力系統(tǒng)的實操與安全培訓，安全很難保證且成本過高。為此研究高壓電力系統(tǒng)仿真訓練技術(shù)尤為必要。

1 系統(tǒng)仿真方案

1.1 母型船

為了達到與實船操作相同的仿真訓練效果，仿真對象應選用實船高壓電力系統(tǒng)。在此主要以某大型集裝箱船為母型船，討論其高壓電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡化仿真技術(shù)。該船電力系統(tǒng)拓撲如圖1所示，主要由高壓部分 (AC 6 600 V，60 Hz）和低壓部分(AC 440 V，60 Hz）組成。

高壓部分主要包括高壓發(fā)電機組、真空斷路器、高壓配電板、高壓變壓器和高壓負載 (如首側(cè)推電機）。高壓變壓器是實現(xiàn)高壓到低壓變換的橋梁，一般標配4臺，2臺日用變壓器，如HT21、HT22;另2臺為專用于冷藏負載的變壓器，如HT11、HT12，對于電力推進船舶，此類變壓器為推進變壓器。

圖1 高壓電力系統(tǒng)拓撲Fig.1 High voltage power system topology

低壓部分直接實現(xiàn)船舶動力、照明負載的供電;電源除來自高壓變壓器外，特殊情況下可由應急低壓發(fā)電機或輔助發(fā)動機 (此船未配）供電［1］。

1.2 仿真方案

為了達到實物仿真效果，仿真訓練系統(tǒng)的實物模型與母型船主要電力系統(tǒng)設備的外觀保持高度一致。實物模型主要由高壓電站、低壓電站、集控臺等模型組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)物理模型Fig.2 Physical system of power network

其中，高壓電站主要包括4臺高壓發(fā)電機組、高壓配電板等。高壓配電板共11屏，包括高壓日用變壓器屏 (2屏）、高壓冷藏變壓器 (2屏）、高壓發(fā)電機組控制屏 (4屏）、高壓同步屏，高壓岸電控制屏和側(cè)推控制屏。

低壓電站含低壓配電板和低壓應急電站，低壓應急電站由1臺低壓發(fā)電機組和應急配電板組成。所有信號直接或間接匯聚于集控臺的服務器計算機中。

大型系統(tǒng)的仿真技術(shù)經(jīng)歷了集中式仿真、分布式仿真、網(wǎng)絡化集中仿真等3個階段的發(fā)展［2］。集中式仿真是整個系統(tǒng)信號的接收、模型計算、輸出驅(qū)動均由1臺計算機完成;無疑仿真速度慢，可靠性不高，進而被分布式仿真技術(shù)代替。分布式仿真即由若干個計算機子系統(tǒng)聯(lián)合完成系統(tǒng)仿真任務，速度、可靠性相對提高，但系統(tǒng)設計復雜使研發(fā)周期變長。隨著計算機數(shù)據(jù)處理速度的提高和網(wǎng)絡技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡化仿真技術(shù)應運而生。網(wǎng)絡化仿真技術(shù)是集中式仿真的深化與發(fā)展，即系統(tǒng)模型計算由1臺高性能計算機 (服務器）完成，而輸入輸出的處理由通過網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)。

系統(tǒng)仿真采用當前最先進的網(wǎng)絡化仿真技術(shù)。為了保證仿真訓練系統(tǒng)實物模型的可操作性，采用實物仿真、半實物仿真、物理仿真及數(shù)學模型仿真等多種模擬方式，結(jié)合計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)構(gòu)建多層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。即整個系統(tǒng)的仿真實現(xiàn)是由植入仿真實物模型內(nèi)的計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)。仿真訓練系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡如圖3所示。I/O板卡分布在高壓發(fā)電機組、高壓配電板、低壓配電板、集控臺等內(nèi)部，實現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的采集與驅(qū)動;系統(tǒng)模型的計算由服務器實現(xiàn)，2臺服務器互為備用提高可靠性。I/O板卡和服務器通過以太網(wǎng)交換機組成交換式工業(yè)以太網(wǎng)。

圖3 系統(tǒng)核心網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)Fig.3 Core network structure system

仿真訓練系統(tǒng)啟動后，服務器通過網(wǎng)絡對I/O板卡進行初始化與系統(tǒng)自檢。而后現(xiàn)場的輸入信號 (開關(guān)、按鈕等）由I/O板卡處理后通過網(wǎng)絡送至服務器進行模型計算，處理后的結(jié)果又通過網(wǎng)絡發(fā)送至I/O板卡驅(qū)動現(xiàn)場的輸出設備 (指示燈、儀表等）。

2 關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)絡化仿真技術(shù)即系統(tǒng)模型計算由服務器計算機完成，而輸入輸出的處理通過網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)。其中最為關(guān)鍵的技術(shù)是服務器軟件的設計與網(wǎng)絡通信。

2.1 軟件設計

系統(tǒng)仿真訓練軟件實現(xiàn)除I/O傳輸之外的所有功能，是仿真訓練系統(tǒng)的核心內(nèi)容，其軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個軟件系統(tǒng)由高壓發(fā)電機組、高壓配電板、低壓配電板、應急發(fā)電機組、應急配電板、集控臺、監(jiān)測報警、故障設置、教練員參數(shù)設置等子系統(tǒng)組成。子系統(tǒng)與實時數(shù)據(jù)庫直接交互，而系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容由系統(tǒng)模型計算程序?qū)崟r更新，因此系統(tǒng)狀態(tài)實時更新。

仿真軟件主要包括仿真界面、實時數(shù)據(jù)庫和模型計算。系統(tǒng)選用Visual Studio.net 2010作為開發(fā)平臺，以 Visual C#作為開發(fā)語言，選擇.NET Framework下的ADO.NET數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)來對數(shù)據(jù)庫進行訪問和操作。模型計算包括對系統(tǒng)工作過程的算術(shù)計算和邏輯計算。邏輯計算是對系統(tǒng)開關(guān)量輸入與輸出間的關(guān)系描述;如對高壓配電板上某一開關(guān)的閉合所產(chǎn)生邏輯關(guān)系的計算與描述，相對較簡單。算術(shù)計算著重描述系統(tǒng)輸入輸出間的精確數(shù)量關(guān)系，如高壓發(fā)動機數(shù)學模型等。

圖4 系統(tǒng)仿真軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 System structure of simulation software

2.2 網(wǎng)絡通信技術(shù)

網(wǎng)絡化仿真訓練系統(tǒng)是裝有虛擬軟件的服務器借助網(wǎng)路通信技術(shù)完成控制功能的一個復雜的控制系統(tǒng)。服務器是大腦，則網(wǎng)絡通信是神經(jīng)系統(tǒng)，二者缺一不可。

當前網(wǎng)絡化仿真中所使用的網(wǎng)絡通信技術(shù)主要有以下2種:

1）工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合的雙層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

挪威KONGSBERG的輪機系統(tǒng)模擬器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即是由工業(yè)以太網(wǎng)與CAN總線相結(jié)合的雙層網(wǎng)絡?，F(xiàn)場I/O單元 (板卡）通過CAN總線相連，上層計算機通過以太網(wǎng)相連，最終通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)雙層網(wǎng)絡的互聯(lián)。這種網(wǎng)絡通信技術(shù)是KONGSBERG從自身實船的監(jiān)測報警系統(tǒng)移植而來，經(jīng)歷了船舶機艙惡劣環(huán)境的檢驗，可靠性毋庸置疑。但是CAN總線與以太網(wǎng)是2個完全不同的網(wǎng)絡，不同網(wǎng)絡的互聯(lián)需要通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，而網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換中的耗時大大影響了仿真系統(tǒng)的實時性。并且CAN總線的帶寬有限，不適合大量數(shù)據(jù)的傳輸。

工業(yè)以太網(wǎng)與IEEE802.3標準相兼容，相對于普通以太網(wǎng)而言，網(wǎng)絡設備與通信介質(zhì)的制造工藝要求更高、可靠性更佳。如圖3所示，控制整個高壓電力仿真系統(tǒng)的I/O板卡、服務器計算機等接至同一個工業(yè)以太網(wǎng)中。該網(wǎng)絡組網(wǎng)技術(shù)簡單，將該網(wǎng)絡中的節(jié)點植入TCP/IP協(xié)議，并設置私有IP地址即可實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)高速通信。完全工業(yè)以太網(wǎng)相對于雙層網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中不存在通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，再者底層帶寬大大提高，從而提高了時效性。

3 硬件設備標準

船舶高壓電站仿真訓練系統(tǒng)硬件設備主要包括硬件盤臺、服務器計算機、交換機及I/O板。

3.1 硬件盤臺

系統(tǒng)中的硬件盤臺主要包括高壓配電板、低壓配電板、低壓應急配電板和集控臺。均由船用配電板廠商按船用標準提供。

所有盤臺均采用框架式結(jié)構(gòu)，防護等級為IP22，選用材料主要為冷軋薄鋼板2 mm，板前、板后開鉸鏈門，可以在板前、板后進行維修，側(cè)面有固定板，底部開啟，屏前有水平扶手，并提供100 mm高的槽鋼底座。盤臺漆面為小桔紋，顏色Munsell7.5BG 7/2(淡綠色），銘牌材料為PVC。

3.2 計算機與交換機

計算機作為高壓電站仿真系統(tǒng)的服務器控制協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運行，其性能好壞直接關(guān)乎仿真效果。系統(tǒng)運行計算機最低硬件條件如下:

以太網(wǎng)交換機是實現(xiàn)網(wǎng)絡連接的中樞，本質(zhì)也是一臺專用于數(shù)據(jù)交換的專用計算機。由于目前國內(nèi)外交換技術(shù)已相當成熟，其選型較為簡單，國內(nèi)外知名品牌的工業(yè)以太網(wǎng)交換機或普通以太網(wǎng)交換機，只要滿足下列條件均可:

3.3 I/O板卡

I/O板卡為裝有仿真軟件的服務器計算機與現(xiàn)場設備的I/O接口。分布在高壓發(fā)電機組模型、高壓配電板、低壓配電板、應急發(fā)電機模型、低壓配電板、集控臺等現(xiàn)場設備中I/O板卡，采集現(xiàn)場的輸入信號處理后通過工業(yè)以太網(wǎng)送至服務器計算機進行模型計算，服務器將處理的結(jié)果和指令再通過工業(yè)以太網(wǎng)送至I/O板卡驅(qū)動現(xiàn)場的指示燈、顯示儀表、數(shù)字控制器模型等設備的運行，從而達到仿真訓練效果。

生態(tài)是鄉(xiāng)村振興的前提，在鄉(xiāng)村振興過程中應把生態(tài)環(huán)境的保護放在首位，牢記習總書記“綠水青山就是金山銀山”的理念。認真貫徹落實《關(guān)于深入推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革加快建立以綠色生態(tài)為導向的財政支農(nóng)政策體系的實施意見》。

每一I/O板卡本質(zhì)均為一臺具有以太網(wǎng)通信功能的I/O處理計算機，是仿真系統(tǒng)的重要組成部分。其設計須采用先進的嵌入式板卡，其中CPU采用ARM芯片，運行速度不應小于40 MHz，片內(nèi)Flash≥128 KB，RAM≥16 K。各板卡要求采用工業(yè)以太網(wǎng)專線與計算機相連，以達到高度的可移動性。要求輸入輸出板標準化為一兩種板卡 (兼有DI，DO，AO功能），以減少維護量。同時采用標準輸入輸出信號，不使用扁平線通過端子板的方式相連，此種連接方式已證明故障率高，維護量大。

數(shù)字量輸出為24 VDC有源節(jié)點，每路DO能夠耐受最大500 mA電流，并有自恢復保險絲進行過電流/短路保護。為了保證可靠性和維護方便還需滿足以下細節(jié):

1）所有數(shù)字量 (開關(guān)量）輸出與系統(tǒng)完全隔離輸入，隔離電壓≥DC 700 V;

2）統(tǒng)一電源，供電電壓為DC24V(18～32V）;

3）所有I/O通道均設置有LED指示;

4）模擬量輸出要實現(xiàn)4～20 mA輸出;

5）硬件刷新速度可達10次/s。

除上述主要硬件設備之外，還有發(fā)電機組模型、開關(guān)、按鈕、指示燈、顯示儀表等。發(fā)電機組模型選用國內(nèi)知名模型廠商產(chǎn)品。開關(guān)、按鈕、指示燈、顯示儀表等元件在訓練中需要經(jīng)常使用，因此按船用標準選用國際知名廠商產(chǎn)品。

4 仿真系統(tǒng)功能及特點

船舶高壓電力仿真訓練系統(tǒng)主要針對自動化船舶高壓電站的控制邏輯和安全操作進行虛擬仿真訓練;其仿真內(nèi)容主要包括癱船啟動供電、高壓供配電、高壓岸電連接和監(jiān)測報警等。

4.1 癱船啟動供電仿真

高壓電力系統(tǒng)船舶癱船啟動供電方案主要有2種:一種是通過輔助低壓發(fā)動機供電，另一種是通過應急發(fā)動機供電。即高壓發(fā)電機組啟動前的燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等的供電由輔助低壓發(fā)電機組提供或是應急發(fā)電機組提供。后者相對更加經(jīng)濟，應用相對較廣，仿真方案中采用后者。

應急發(fā)電機組的供電模式由自動模式和手動模式之分。自動模式下只要應急匯流排失電，應急發(fā)電機組自動啟動、合閘入網(wǎng)。手動模式則更能體現(xiàn)安全操作邏輯。手動模式下，先通過手搖蓄壓，再打開啟動閥，驅(qū)動液壓馬達，由液壓馬達啟動發(fā)電機。發(fā)動機啟動后需手動合閘，而后給上述重要負載供電，以準備啟動高壓發(fā)電機組。高壓供配電正常，則電能經(jīng)變壓器送至應急匯流排，應急發(fā)電機組自動解列 (此時應急發(fā)電機組應處于“自動模式”）。需要特別強調(diào)是，為了保證重要負載的供電連續(xù)性，應急發(fā)電機組須與高壓發(fā)電機組并聯(lián)運行0.1 s后再自動解列［3］。

4.2 高壓供配電仿真

高壓發(fā)電機組自身各系統(tǒng)準備就緒即可啟動運行。高壓供配電同樣分為自動模式和手動模式2種。自動模式即根據(jù)負荷情況智能地決定發(fā)電機組臺數(shù)的動態(tài)自動供電方案;手動模式則需船舶管理人員按部就班地手動操作，手動模式的供配電地點有以下2種選擇:

1）高壓配電板的同步屏上，與低壓配電板不同的是高壓配電板的所有操作幾乎均在同步屏中進行，其他屏上僅提供參數(shù)查看與簡單配電等操作。發(fā)電機組的啟動、合閘、調(diào)頻均只在同步屏進行。如此設計主要是出于安全因素考慮。為了保證高壓操作的安全性，在實船運行中很少在高壓配電板前進行供配電操作。當然，仿真系統(tǒng)的高壓配電板上的操作無任何安全隱患，更便于學習。

2）服務器 (高壓電站主控計算機）的軟件上，這種操作方式是實船最為安全、快捷的選擇。通過服務器軟件進行供配電操作的控制邏輯同高壓配電板前操作完全相同。

仿真系統(tǒng)可完全實現(xiàn)高壓供配電各種模式下的操作。并且仿真效果可達到如下指標:

1）仿真模型計算處理速度:15次/s～50次/s;

2）邏輯控制系統(tǒng)功能:與母型船相同;

3）柴油機轉(zhuǎn)速控制精度:≯0.5%;

4）仿真船舶電站并車性能指標:自動模式，完全按實船設置，滿足Δf＜0.2 Hz，ΔΦ＜5°;

手動模式完全按實船設置，滿足Δf＜0.2 Hz，ΔΦ ＜10°。

另外，高壓電力系統(tǒng)相對低壓電壓電力系統(tǒng)還有些特殊的安保操作規(guī)程，如高壓配電板前后屏門的開啟的安全聯(lián)鎖保護。前屏門開啟前必須先使主開關(guān)位于“TEST”位置，再合上接地開關(guān)放電，而后才能開啟前屏門。而后屏門的開啟，則必須在打開前門之后，取出鑰匙開啟后門。此類安全聯(lián)鎖的仿真操作亦可與實船操作完全一致。

4.3 高壓岸電連接仿真

高壓電力系統(tǒng)船舶除了配備低壓岸電箱外較多的還配備了高壓岸電連接裝置［4］。高壓岸電連接是高壓電力系統(tǒng)操作中的重點與難點，系統(tǒng)的高壓岸電連接仿真嚴格按照以下實船操作步驟進行:

1）船舶高壓岸電系統(tǒng)接地放電程序，在岸電連接屏進行 (實物屏和虛擬屏均可）;

2）高壓電纜的送岸連接，包括液壓電纜托架的放出、電纜絞車的操作和岸電電源的連接。為了降低開發(fā)成本，電纜托架的放出、電纜絞車的操作采用全虛擬仿真，岸電電源連接采用實物仿真;

3）岸電急停控制電路的實驗，按下急停按鈕或電纜絞車僅存一圈電纜時自動斷開岸電電源;

4）相序檢驗;

5）高壓配電與電度表計數(shù);可在高壓配電板或服務器上仿真;

6）恢復程序，提供中斷船舶供電和不中斷船舶供電2種仿真模式。

4.4 監(jiān)測報警仿真

為了保證整個高壓電力系統(tǒng)安全可靠的運行，自動化高壓電站須配備監(jiān)測報警系統(tǒng)并與機艙集中監(jiān)測報警系統(tǒng)相兼容。為了提高學員故障診斷的能力，仿真系統(tǒng)除了實現(xiàn)高壓電力系統(tǒng)監(jiān)測報警仿真外，還可設置虛擬故障以供判別，并且還可針對學員的操作自動評分。監(jiān)測報警系統(tǒng)仿真性能如下:

5 結(jié)語

高壓電力系統(tǒng)在大型、特種船舶上應用日廣，船舶高壓電力系統(tǒng)安全操作培訓勢在必行。船舶高壓電仿真系統(tǒng)可實現(xiàn)實船高壓電的全任務仿真操作，且無高壓危險。加之采用先進的網(wǎng)絡化仿真技術(shù)，實時性佳;是高壓電力系統(tǒng)操作培訓的最佳選擇。

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The network simulation technology of high voltage power system

LU Hu
(Nantong shipping college，Nantong 226010，China）

Introduces the high voltage power system simulation program design，key technology and main function features.The simulation system can realize the whole task of operation of ship and without risk of electrical shock.By using advanced network simulation real-time technology，provide good high voltage operation training work.

high voltage power system;simulation;industrial Ethernet

U665.1

A

1672－7649(2014）05－0125－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.026

2013－05－20;

2014－03－10

教育部國家骨干高職院校建設基金資助項目

陸虎(1974－），男，副教授，研究方向為輪機工程技術(shù)等。