船舶中壓配電信息采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

韓 旗， 石禮剛

(1.海裝上海局,上海 200083;2.上海船舶運輸科學(xué)研究所,上海 200135)

0 引 言

船舶電力系統(tǒng)是船舶正常運行的重要保障，中壓配電將逐步成為船舶電力系統(tǒng)的主流，中壓配電裝置作為配電系統(tǒng)的主要運行載體，其健康水平對配電網(wǎng)的運行起著重要的作用。中壓配電裝置主要包括斷路器、接觸器及變壓器等，其在配電網(wǎng)中長時間運行會發(fā)生磨損、老化及疲勞[1]，導(dǎo)致配電裝置的性能逐漸下降，若不能對其狀態(tài)信息進(jìn)行實時的監(jiān)測，可能發(fā)生電力系統(tǒng)事故，造成嚴(yán)重的人身及財產(chǎn)損失。同時，隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對配電系統(tǒng)的可靠性與安全性提出更高的要求[2]。因此，對中壓配電裝置進(jìn)行實時狀態(tài)監(jiān)測，能獲取中壓配電裝置的運行狀態(tài)并及時掌握中壓配電裝置的健康狀況，是預(yù)防設(shè)備故障、保證中壓配電網(wǎng)能夠正常運行的基礎(chǔ)。

目前，國內(nèi)針對船用中壓配電裝置的相關(guān)研究工作仍處于起步階段[3]，船舶中壓配電系統(tǒng)中裝置的狀態(tài)監(jiān)測工作主要依靠人為對設(shè)備進(jìn)行觀察或通過采用萬用表等工具進(jìn)行人為測試。這2種方法不僅效率低、準(zhǔn)確率低，也不能及時、全面掌握中壓配電裝置的健康狀況，在操作過程中容易出現(xiàn)安全事故。針對船舶中壓配電裝置的特點及某船舶的實際需求，提出并設(shè)計一種中壓配電信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對中壓配電裝置的數(shù)據(jù)記錄及信號采集。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)某船舶中壓配電信息采集裝置的裝船需求，結(jié)合設(shè)備硬件技術(shù)要求特點，進(jìn)行中壓配電信息采集系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

中壓配電信息采集系統(tǒng)主要由區(qū)域電力監(jiān)控臺、監(jiān)測主機(jī)、斷路器信息采集模塊及變壓器組成。

斷路器信息采集模塊具有2路控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)總線接口，其主要功能為采集三相電壓、三相電流信號，計算電壓有效值、電流有效值、總功率及功率因數(shù)等信息，監(jiān)測三相電流是否處于平衡狀態(tài)。采集2路開關(guān)量無源觸點輸入信號，用以判斷斷路器/接觸器的分合狀態(tài)，并通過1路CAN總線網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)測主機(jī)。

監(jiān)測主機(jī)具有4路CAN總線接口，1路下行CAN總線接口接收斷路器信息采集模塊發(fā)送的電量和狀態(tài)信息，1路下行CAN總線接口接收中壓變壓器信息采集裝置發(fā)送的中壓變壓器監(jiān)測信息，經(jīng)數(shù)據(jù)整理后，通過2路上行CAN總線接口轉(zhuǎn)發(fā)至區(qū)域電力監(jiān)控臺。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括監(jiān)測主機(jī)和斷路器信息采集模塊的硬件設(shè)計。

2.1 監(jiān)測主機(jī)硬件設(shè)計

監(jiān)測主機(jī)模塊(見圖2)有2塊電路板組成，分別為核心板和電源板。監(jiān)測主機(jī)核心芯片選用NXP公司的LPC1778處理器，包括電源輸入及CAN通訊接口等主要功能單元。監(jiān)測主機(jī)提供4路CAN通信接口，2路通過LPC1778內(nèi)置CAN控制器直接實現(xiàn)，2路通過串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)總線外擴(kuò)CAN控制器實現(xiàn)。CAN控制器與CAN收發(fā)器通過高速光耦隔離，增強(qiáng)模塊的電磁兼容性。

2.2 斷路器信息采集模塊硬件設(shè)計

斷路器信息采集模塊(見圖3)主要采集中壓主配電板內(nèi)負(fù)載斷路器和接觸器三相電壓、三相電流及分合狀態(tài)，并通過CAN通信接口上傳至監(jiān)測主機(jī)。

模塊有3塊電路板組成，分別為核心板、電源板及模擬量采集板。核心板采用ARM最新版本、高性能的工業(yè)控制應(yīng)用的Cortex-M3內(nèi)核的控制器LPC1778為主控CPU，最高速率為120 MHz，操作溫度范圍為-40～85 ℃，該處理器片內(nèi)集成96 KRAM,512 kB Flash。核心板上集成的4路CAN通信接口，同時與控制系統(tǒng)隔離。電源板包括1路DC24 V系統(tǒng)電源輸入接口和2路無源開關(guān)量輸入接口。DC/DC選用寬范圍輸入隔離電源模塊，電源輸入端并接穩(wěn)壓管，串接保險絲，以實現(xiàn)對過電壓過電流的保護(hù)效果，保證電源工作安全可靠，并采取防反接措施，防止因電源反接損壞設(shè)備。模擬量采集板包括3路電流輸入接口和3路電壓輸入接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件功能需求

中壓配電信息采集系統(tǒng)包含1個監(jiān)測主機(jī)和4～5個斷路器信息采集模塊。在實船應(yīng)用中，1個監(jiān)測主機(jī)的CAN1接口連接4～6個斷路器信息采集模塊，CAN2接口連接2～6個中壓變壓器信息采集裝置。

3.1.1 斷路器信息采集模塊功能需求

斷路器信息采集模塊的主要作用是采集中壓配電板內(nèi)負(fù)載斷路器和接觸器的信息，具體包括3相電壓(AB相、BC相、AC相)、三相電流(A相、B相、C相)、功率、功率因數(shù)、分合狀態(tài)及監(jiān)測三相不平衡故障，以上采集信息與配電區(qū)域內(nèi)中壓變壓器的信息共同通過監(jiān)測主機(jī)由CAN網(wǎng)絡(luò)上傳至區(qū)域電力監(jiān)控臺。

斷路器信息采集模塊在中壓配電信息采集裝置加電后需進(jìn)行主要硬件模塊的自檢測試，并將相應(yīng)的故障報警信息上傳至監(jiān)測主機(jī)。

3.1.2 監(jiān)測主機(jī)功能需求

配電區(qū)域內(nèi)中壓變壓器采集裝置發(fā)送的監(jiān)測信息，包括變壓器低壓三相繞組溫度、變壓器柜內(nèi)溫度、低壓離線絕緣電阻值、是否漏水、是否有電弧、冷卻風(fēng)機(jī)啟停狀態(tài)、防冷凝加熱器啟停狀態(tài)、繞組溫度超溫報警、低壓離線絕緣低報警、漏水報警、電弧故障報警及風(fēng)機(jī)故障報警等。

斷路器信息采集模塊上傳的數(shù)據(jù)、狀態(tài)及報警信息，與中壓變壓器采集裝置上傳的數(shù)據(jù)、狀態(tài)、報警信息，都匯聚到監(jiān)測主機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、報文整理和報警判斷(包括打時間戳操作)等操作后，通過雙冗余CAN總線網(wǎng)絡(luò)上傳給區(qū)域電力監(jiān)控臺網(wǎng)關(guān)。

3.2 斷路器信息采集模塊軟件設(shè)計

軟件架構(gòu)從2個維度來描述，其結(jié)構(gòu)見圖4。按照嵌入式軟件一般分層方法，自上而下分為應(yīng)用程序?qū)印⒑诵恼{(diào)度層和驅(qū)動程序?qū)?；按照模塊功能分，縱向分為信息采集部分、網(wǎng)絡(luò)通信部分和故障報警部分，各部分功能與驅(qū)動程序?qū)拥母饔布庠O(shè)驅(qū)動程序形成映射關(guān)系。

模塊軟件整體是圍繞著核心調(diào)度層的核心調(diào)度器實現(xiàn)各部分功能，核心調(diào)度器解決各應(yīng)用模塊的調(diào)度切換，保了各功能的實時性和可靠性，是整個軟件結(jié)構(gòu)的核心部分。核心調(diào)度器的正常工作依托于驅(qū)動程序?qū)拥亩〞r器驅(qū)動程序。

信息采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和故障報警模塊受控于核心調(diào)度器，同時，這些模塊的正常工作也依托于驅(qū)動程序?qū)拥南鄳?yīng)硬件驅(qū)動的正常工作。

3.3 監(jiān)測主機(jī)軟件設(shè)計

3.3.1 軟件架構(gòu)描述

監(jiān)測主機(jī)的嵌入式軟件采用層次化、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于提高軟件的可靠性、可維護(hù)性和可移植性，其軟件架構(gòu)見圖5。從頂至底劃分為3個層次，包括應(yīng)用程序?qū)?、核心調(diào)度器和驅(qū)動程序?qū)?。?yīng)用程序?qū)影舾蓚€獨立的功能模塊，各功能模塊由核心調(diào)度器統(tǒng)一調(diào)度執(zhí)行，驅(qū)動程序?qū)硬捎贸橄蠡能浖涌谄帘蔚舻讓佑布酒牟町悺?/p>

監(jiān)測主機(jī)的驅(qū)動程序?qū)又饕蒀AN接口驅(qū)動、定時器驅(qū)動、SPI總線驅(qū)動、擴(kuò)展CAN接口驅(qū)動、I2C總線驅(qū)動及鐵電存儲器驅(qū)動，其中定時器驅(qū)動為核心調(diào)度器提供時間基準(zhǔn)，集成CAN接口驅(qū)動采用中斷方式保證CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收的實時性。

3.3.2 軟件總體設(shè)計

監(jiān)測主機(jī)的頂層數(shù)據(jù)流見圖6。

4 系統(tǒng)驗證

為驗證所設(shè)計的中壓配電信息采集系統(tǒng)的功能與性能，開發(fā)了一套軟件模擬程序，主要包括斷路器/接觸器信息采集模塊軟件模擬程序、變壓器信息采集模塊軟件模擬程序和網(wǎng)關(guān)軟件模擬程序(見圖7～圖9)。驗證過程分為2個部分，分別對監(jiān)測主機(jī)的驗證和整個系統(tǒng)的驗證。

4.1 對監(jiān)測主機(jī)的驗證

為驗證監(jiān)測主機(jī)的性能，搭建相應(yīng)的驗證環(huán)境(見圖10)。斷路器/接觸器信息采集模塊軟件模擬程序能模擬斷路器信息采集模塊軟件，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)給監(jiān)測主機(jī)發(fā)送模擬斷路器的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和報警信息。變壓器信息采集模塊軟件模擬程序能模擬中壓變壓器信息采集模塊軟件，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)給監(jiān)測主機(jī)發(fā)送模擬的中壓變壓器監(jiān)測信息。網(wǎng)關(guān)軟件模擬程序用于接收并實時顯示監(jiān)測主機(jī)發(fā)送的信息。

經(jīng)驗證，網(wǎng)關(guān)軟件模擬程序接收到的數(shù)據(jù)信息與斷路器/接觸器信息采集模塊軟件模擬程序和變壓器信息采集模塊軟件模擬程序發(fā)送的數(shù)據(jù)信息一致，監(jiān)測主機(jī)功能與性能可滿足需求。

4.2 中壓配電信息采集系統(tǒng)功能驗證

中壓配電信息采集系統(tǒng)功能驗證結(jié)構(gòu)見圖11。信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生交流三相電壓和三相電流，將其輸入給斷路器信息采集模塊，斷路器信息采集模塊計算電壓有效值、電流有效值、總功率、功率因數(shù)等信息，并通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)測主機(jī)。

網(wǎng)關(guān)軟件模擬程序接收到監(jiān)測主機(jī)計算出的電壓有效值、電流有效值、總功率及功率因數(shù)等信息，信息的誤差均在要求范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語

設(shè)計某船舶中壓配電信息采集系統(tǒng)，根據(jù)中壓配電信息采集裝置的裝船需求，結(jié)合設(shè)備硬件技術(shù)要求特點，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計和系統(tǒng)硬件設(shè)計。在硬件平臺的基礎(chǔ)上，根據(jù)軟件的功能需求，分別進(jìn)行斷路器信息采集裝置和監(jiān)測主機(jī)的軟件設(shè)計。通過開發(fā)出的一套軟件模擬程序，搭建了驗證環(huán)境，對中壓配電信息采集系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)能滿足設(shè)計需求，該系統(tǒng)可用來實時在線監(jiān)測中壓配電設(shè)備的健康狀況，提高船舶配電網(wǎng)可靠性，為全面獲取船舶中壓配電設(shè)備的狀態(tài)信息提供解決思路與可行方法。

[1] 余柳玉,袁海文,馬釗,等.中低壓配電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)總體設(shè)計及其實現(xiàn)中的關(guān)鍵軟硬件技術(shù)[J]. 供用電. 2016,33(1):21-24.

[2] YANG Q，WU G，YANG F，et al．Design and Applications of Intelligent Low Voltage Distribution System Based on ZigBee[C]//2011 International Conference on Communication and Control of ElectronicsUSA：IEEE，2011:791-794.

[3] 張元瑋,王良秀,殷非,等，船用中壓配電裝置設(shè)計技術(shù)研究[J].船舶工程.2016(s2):191-195.