大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)探究

程 華, 王 偉

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)

大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)探究

程 華, 王 偉

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)

基于現(xiàn)場總線的配電監(jiān)控已成為當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)重要的發(fā)展方向，有必要開展大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)研究。針對區(qū)域配電監(jiān)控控制器域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)和現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)，通過理論分析和計(jì)算，給出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采樣頻率、最大長度、傳輸速率和最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)選擇的依據(jù)，為大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)提供參考。

船舶電力監(jiān)控；配電系統(tǒng)；控制器局域網(wǎng)絡(luò)；傳輸速率；采樣頻率

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平不斷提高，已從傳統(tǒng)的電站自動(dòng)化逐步向配電自動(dòng)化擴(kuò)展[1-3]。基于現(xiàn)場總線的配電監(jiān)控已成為當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，并已在某大型船舶上得到成功應(yīng)用[4-5]。

由于大型船舶上的配電設(shè)備眾多且分布較廣，導(dǎo)致配電監(jiān)控的數(shù)據(jù)量巨大，網(wǎng)絡(luò)傳輸困難。為保障配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實(shí)時(shí)性，需選擇合適的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制，并合理地設(shè)置監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)長度限制、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量限制等。已有研究主要集中在配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的總體規(guī)劃上，對具體的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)研究較少。因此，有必要開展大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)的研究，明確相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)的選擇，為大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 大型船舶電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計(jì)

大型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)按層次可劃分為綜合管理層、區(qū)域監(jiān)控層和現(xiàn)場采集層[6]，電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可劃分為綜合管理層網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場采集層網(wǎng)絡(luò)。電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

1) 綜合管理層網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)大型船舶各立體區(qū)域間的通信，一般采用冗余的高速交換式工業(yè)以太網(wǎng)。

2) 區(qū)域監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)船舶立體區(qū)域內(nèi)各現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備間的通信，一般采用雙冗余控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)?，F(xiàn)場采集層網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備與本地傳感器間的通信。

3) 綜合管理層網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)一般通過智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，區(qū)域監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場采集層網(wǎng)絡(luò)一般通過現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)[6-7]。

區(qū)域監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)按照功能系統(tǒng)可劃分為區(qū)域電站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等;現(xiàn)場監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)按照功能系統(tǒng)可劃分為現(xiàn)場電站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。這里重點(diǎn)研究區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)。

2 區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)

區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的主要作用為:將綜合管理層網(wǎng)絡(luò)下達(dá)的配電控制指令傳送給現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備，并將現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備采集到的監(jiān)測信息上傳至綜合管理層網(wǎng)絡(luò)。

區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)一般采用CAN網(wǎng)絡(luò)。由于大型船舶區(qū)域配電設(shè)備眾多，導(dǎo)致需采集的配電監(jiān)測數(shù)據(jù)量巨大,且配電設(shè)備一般就近分布在用電設(shè)備周圍，導(dǎo)致配電設(shè)備在船舶立體空間上的分布范圍很廣。CAN網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率與傳輸距離上存在一定的限制關(guān)系(見表1)，且網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣頻率和配電設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量間存在數(shù)據(jù)量的制約關(guān)系，因此單個(gè)區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)傳輸速率選擇、網(wǎng)絡(luò)長度限制、監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣頻率選擇和配電設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量限制等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置方面的問題。這些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)間相互制約，通過理論計(jì)算與分析，給出這些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇方面的建議。

表1 CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與傳輸距離之間的關(guān)系

2.1現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備上傳網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量估算

對于配電設(shè)備而言，一般與現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備一一對應(yīng)。配電設(shè)備的監(jiān)測信息主要是配電設(shè)備所包含斷路器的電量信息和分合狀態(tài)信息，其中電量信息包括三相電壓、三相電流和功率。配電設(shè)備監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)量與其包含的斷路器數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)采樣頻率直接相關(guān)。此外，現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備上傳的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)還包括部分報(bào)警信息和事件信息。

2.1.1 CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)量D0

根據(jù)CAN通信協(xié)議的特點(diǎn)，CAN網(wǎng)絡(luò)單個(gè)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)量一般為

D0=幀頭(29 bit)+數(shù)據(jù)(8×8 bit)=93 bit

(1)

2.1.2 單個(gè)斷路器需上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)量D1

單個(gè)斷路器需傳輸?shù)谋O(jiān)測信息包括三相電壓、三相電流、功率和斷路器分合狀態(tài),其中,三相電壓和功率可打包為1幀數(shù)據(jù)，三相電流和斷路器分合狀態(tài)可打包為1幀數(shù)據(jù)。因此,單個(gè)斷路器需傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)量為2幀數(shù)據(jù)。則單個(gè)斷路器需上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)量D1

D1=2×D0=186 bit

(2)

2.1.3 單個(gè)配電設(shè)備每秒需上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)量D2

若單個(gè)配電板包含的開關(guān)數(shù)量為n，配電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采樣頻率為f1，則配電板每秒需傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)量D2為

D2=f1×n×D1

(3)

2.1.4 單個(gè)現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量D3

現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備上傳的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)除監(jiān)測數(shù)據(jù)D2之外，還包括部分報(bào)警信息和事件信息。報(bào)警信息主要包括斷路器過載和脫扣等，事件信息主要包括斷路器合閘和分閘等。

報(bào)警信息和事件信息為實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，1個(gè)報(bào)警信息為1幀數(shù)據(jù)，1個(gè)事件信息為1幀數(shù)據(jù)。若報(bào)警信息的產(chǎn)生頻率為f2，事件信息的產(chǎn)生頻率為f3，則單個(gè)現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備每秒上傳網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量D3為

D3=D2+f2×D0+f3×D0

(4)

一般而言，報(bào)警信息的頻率f2≤1 Hz，事件信息的頻率f3≤1 Hz。因此，作為一種近似估算，式(4)可簡化為

D3=D2+2D0

(5)

現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備除上傳網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)D3之外，還會(huì)接受上層網(wǎng)絡(luò)下達(dá)的對時(shí)信息和開關(guān)分閘、合閘指令。

2.1.5 單個(gè)現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備每秒上傳數(shù)量據(jù)量D4

對時(shí)信息為固定頻率信息，控制指令為實(shí)時(shí)下達(dá)數(shù)據(jù)，1個(gè)對時(shí)信息為1幀數(shù)據(jù)，1個(gè)控制指令為1幀數(shù)據(jù)。若對時(shí)信息的產(chǎn)生頻率為f4，控制指令的產(chǎn)生頻率為f5，則單個(gè)現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備每秒傳輸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量D4為

D4=D3+f4×D0+f5×D0

(6)

一般而言，對時(shí)信息的頻率f4≤1 Hz，控制指令的頻率f5≤1 Hz。因此，作為一種近似估算，式(6)可簡化為

D4=D3+2D0=D2+4D0

(7)

表2 單個(gè)現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備每秒上傳網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量D4

若配電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采樣頻率為f1=0.5 Hz,1 Hz,2 Hz，單個(gè)配電設(shè)備包含的開關(guān)數(shù)量n=10,20,40，則根據(jù)式(1)～式(7)，通過計(jì)算可知單個(gè)現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備每秒上傳網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量D4(見表2)。

2.2CAN網(wǎng)絡(luò)允許接入的現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量N估算

若CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為B，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的占空比為r，則CAN網(wǎng)絡(luò)允許接入的現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量N為

N=

(8)

2.3區(qū)域配電監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)的選擇

一般而言，大型船舶區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的總長度在200～3 000 m之間。為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，網(wǎng)絡(luò)占空比r不宜太高，一般設(shè)置為0.6。根據(jù)表1和式(1)～式(8)，通過計(jì)算可得到典型區(qū)域配電監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)的采樣頻率、最大傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和配電監(jiān)控設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量間的關(guān)系(見表3)。

由于大型船舶配電設(shè)備的數(shù)量可多達(dá)幾百個(gè)，因此需將全船配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)合理的劃分為若干個(gè)區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。例如，若全船配電設(shè)備有200個(gè)，每個(gè)配電設(shè)備包含的開關(guān)數(shù)量n=20，區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的最大長度約為1 000 m，則從表3可知，比較合適的CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)選擇為網(wǎng)絡(luò)采樣頻率f1=0.5 Hz，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率B=50 kpbs，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量N≤13，全船區(qū)域配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)最少需要設(shè)置16個(gè)。

3 現(xiàn)場配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)

隨著智能化和信息化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外多型開關(guān)都集成電量信息采集、開關(guān)狀態(tài)采集和遙控分合閘的功能。配電設(shè)備內(nèi)的現(xiàn)場配電監(jiān)控設(shè)備與開關(guān)之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，完成現(xiàn)場信息的采集和開關(guān)分合閘指令的下達(dá)。

表3 區(qū)域配電監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)間關(guān)系

由于配電設(shè)備內(nèi)部電磁環(huán)境較為復(fù)雜，對現(xiàn)場配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力要求較高，而CAN網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力較強(qiáng)，因此現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用CAN網(wǎng)絡(luò)是比較合適的選擇。

若現(xiàn)場監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)的采樣頻率為f6。開關(guān)的報(bào)警信息頻率為f7，事件信息頻率為f8，對時(shí)信息頻率為f9，控制指令頻率為f10，則在現(xiàn)場監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)開關(guān)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量D5為

D5=f6D1+f7D0+f8D0+f9D0+f10D0

(9)

一般而言，開關(guān)的報(bào)警信息頻率為f7，事件信息頻率為f8，對時(shí)信息頻率為f9，控制指令頻率為f10均不超過1 Hz，作為一種近似估算，式(9)可簡化為

D5=2f6D0+4D0

(10)

若現(xiàn)場監(jiān)控層CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為B1，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的占空比為r1，則CAN網(wǎng)絡(luò)允許接入的開關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)量N1為

N1=

(11)

一般而言，現(xiàn)場配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的總長度在幾米至一百米之間。為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，網(wǎng)絡(luò)占空比r1不宜太高，一般設(shè)置為0.6。根據(jù)表1中式(11)，通過計(jì)算可得到典型現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)的采樣頻率、最大傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和開關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)量之間的關(guān)系見表4。

表4 現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系

由于單個(gè)配電設(shè)備內(nèi)的開關(guān)數(shù)量在幾個(gè)至幾十個(gè)之間，因此從表4可知，單個(gè)配電設(shè)備內(nèi)部僅需組建一個(gè)現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)。若配電設(shè)備包含的開關(guān)數(shù)量N1=40，現(xiàn)場配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的最大長度約50 m，則由表4可知，比較合適的CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)選擇為網(wǎng)絡(luò)采樣頻率f1≤40 Hz，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率B=500 kpbs。

4 結(jié) 語

提出一種大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)方法。針對區(qū)域配電監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網(wǎng)絡(luò)，通過理論分析與計(jì)算，給出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采樣頻率、最大長度、傳輸速率和最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)選擇的依據(jù)，為大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 祝賀. 船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[2] 陳在平，岳有軍. 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 孫建紅，高捷. 船舶配電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 中國艦船研究，2010(2)：69-73.

[4] 趙潔，茅云升. 基于現(xiàn)場總線的船舶配電監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].船海工程，2011，40(2)：32-35.

[5] 孫建紅，高捷，程華. 大型船舶現(xiàn)場級電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究[J]. 船電技術(shù)，2015，35(8)：9-13.

[6] 徐鈞，蔣子峰. 大型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)層次化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電設(shè)備， 2015(3)：56-58.

[7] 楊柳濤. 以太網(wǎng)技術(shù)在船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2006，29(2)：90-93.

NetworkingofPowerDistributionMonitoringSystemonLargeShips

CHENGHua,WANGWei
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The objects of ship power monitoring have been extending gradually from power generation to power distribution. We can see that a lot of effort is put into developing power distribution monitoring systems based on CAN-Bus. With theory analysis and computing, this paper proposes a method for choosing network parameters of regional and local CAN-Bus-Based power distribution monitoring networks, such as sampling frequency, largest bus length, transmission rate, largest number of nodes.

ship power monitoring system； power distribution system； CAN-Bus； transmission rate； sampling frequency

2017-03-20

程華(1982—)，湖北禾壁人，工程師，博士，主要從事船舶電氣和圖像處理研究。

1674-5949(2017)02-0042-05

U665.1

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