基于SPDA的船舶智能電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建

何丹青 謝坤 屈穩(wěn)太

摘 要：為解決船舶配電系統(tǒng)中供配電、輸電、用電等設(shè)備電路的信息化、各供配電設(shè)備的穩(wěn)定性、系統(tǒng)容差保護(hù)與報(bào)錯(cuò)等問題，構(gòu)建開發(fā)了基于固態(tài)二次配電裝置的船舶智能電網(wǎng)。重點(diǎn)從配電控制中心、水冷式電源、現(xiàn)場(chǎng)配電板、智能配電箱等方面對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該船舶智能電網(wǎng)可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，有較高的集成度，能有效提高船舶配電系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：船舶;SPDA;智能電網(wǎng);二次配電

中圖分類號(hào)：U665.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）08-0166-03

0 引言

隨著新船舶技術(shù)對(duì)自動(dòng)化需求的不斷提升，傳統(tǒng)二次配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多、占空高、信息化水平低、配電效能低等問題突顯?；谀壳按半娋W(wǎng)現(xiàn)狀，筆者提出了一種基于固態(tài)二次配電裝置（Secondary Power Distribution Apparatus，簡(jiǎn)稱SPDA）的船舶智能電網(wǎng)系統(tǒng)，以提高船舶配電系統(tǒng)的智能化、集成化水平以及配電的安全性和可靠性。

SPDA采用以固態(tài)功率控制器（Solid State Power Controllers，簡(jiǎn)稱SSPC）為核心的數(shù)字式控制系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)通道多、數(shù)據(jù)處理速度快、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)電能的配送、控制、保護(hù)，并兼具容錯(cuò)供電功能和負(fù)載自動(dòng)管理能力。[1]

本文在分析船舶電網(wǎng)功能需求和性能指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以SPDA為現(xiàn)場(chǎng)配電關(guān)鍵技術(shù)的智能配電網(wǎng)絡(luò)，給出了主要組成部分的詳細(xì)配置。

1 智能電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，船舶智能電網(wǎng)由全船配電控制中心（管理層）、現(xiàn)場(chǎng)配電設(shè)備（控制層）和用電負(fù)載（設(shè)備層）組成，相互之間通過CAN總線和硬接線實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，控制讀取配電狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。

全船配電控制中心監(jiān)控電源設(shè)備、配電系統(tǒng)和負(fù)載用電情況，管理船舶發(fā)電、儲(chǔ)能、配電和用電狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)通過CAN總線將用電參數(shù)信息上傳至配電控制中心。

2 配電控制中心

配電控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)力、電力、保障系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)控和管理，通過基于SPDA的現(xiàn)場(chǎng)配電板為現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)供電控制、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。具備以下功能：電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和主要運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)、記錄、存儲(chǔ)、顯示;電力系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示及存儲(chǔ);電力系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)的越限報(bào)警及存儲(chǔ)，并對(duì)越限參數(shù)進(jìn)行聲光報(bào)警提示;具備兩路交流電源失電繼續(xù)工作5min的能力;具備自檢、查燈、報(bào)警消音功能。各組件需達(dá)到的主要性能指標(biāo)如下所示。

2.1 電源

為提高全船機(jī)電控制中心供電可靠性、提高電源效率，電力柜電源采用兩臺(tái)交流電源模塊和一組閥控鉛酸XDC組共同供電方案，其中鉛酸XDC組平均電壓為24V。全船機(jī)電控制中心電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

交流輸入選擇模塊按照一定策略自動(dòng)選擇兩路交流輸入電源中某一路交流作為交流電源模塊和XDC管理模塊的輸入電源，交流電源模塊將交流電轉(zhuǎn)換為直流28V電壓，XDC管理模塊完成XDC的充放電及其管理，使得XDC端電壓低于26.5V。XDC輸出直流XX電與交流電源模塊輸出的直流28V電分別經(jīng)二極管向直流母線供電。加固計(jì)算機(jī)、加固液晶顯示器、PLC、功能面板以及直流電源模塊等組件分別從直流母線取電。直流電源模塊將直流24V電壓轉(zhuǎn)換為直流±15V電壓，為電壓傳感器和電流傳感器提供供電服務(wù)。

正常情況下，交流輸入選擇模塊優(yōu)先選擇第一路交流電;若第一路交流電失電，則自動(dòng)選擇第二路交流電，并由交流電源模塊向直流母線供電;若當(dāng)前正在使用第二路交流電，第一路交流電恢復(fù)供電，則自動(dòng)選擇第一路交流電，并由交流電源模塊向直流母線供電;若第一路和第二路交流電均失電，則由XDC向直流母線供電。

2.2 加固計(jì)算機(jī)

為滿足全船機(jī)電控制中心對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理的要求，加固計(jì)算機(jī)選用6U結(jié)構(gòu)CPCI總線計(jì)算機(jī)，配置6U結(jié)構(gòu)電壓電流輸入模塊2塊、CAN總線模塊2塊、以太網(wǎng)模塊2塊、CPU模塊1塊以及電源模塊2塊。需要說明的是，通過鑒定的電壓電流輸入模塊尚不能滿足16路模擬量實(shí)時(shí)同步采集的能力。通過與標(biāo)準(zhǔn)化硬件研制廠家多次溝通協(xié)調(diào)，可在現(xiàn)有模塊技術(shù)基礎(chǔ)上開展改進(jìn)研制，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控。

加固計(jì)算機(jī)采用水冷散熱，內(nèi)部不設(shè)置風(fēng)扇，內(nèi)部電子元器件產(chǎn)生的熱量通過水冷板內(nèi)循環(huán)水帶走，一方面降低了加固計(jì)算機(jī)向艙內(nèi)散出的熱量，另一方面也降低了設(shè)備運(yùn)行噪音，滿足總體綜合節(jié)能和減振降噪設(shè)計(jì)要求。水冷加固計(jì)算機(jī)效果，如圖3所示。

2.3 可編程邏輯控制器設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)主要斷路器的狀態(tài)反饋信號(hào)均為無(wú)源觸點(diǎn)，該類信息作為電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制的輸入。為保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，該類信號(hào)由可靠性高、穩(wěn)定性優(yōu)、邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)的PLC完成采集工作。同時(shí)，為了便于系統(tǒng)故障分析，全船機(jī)電控制中心主要控制開關(guān)、按鈕的狀態(tài)也由PLC進(jìn)行采集。功能面板斷路器狀態(tài)顯示信息由PLC通過數(shù)字量接口驅(qū)動(dòng)。PLC將采集的所有數(shù)字量信息通過RS485總線上傳給加固計(jì)算機(jī)。PLC選用西門子SIMATIC S7-200系列PLC。

2.4 越限報(bào)警設(shè)計(jì)

機(jī)電控制中心加固計(jì)算機(jī)通過CAN總線接口、以太網(wǎng)接口與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如直流網(wǎng)絡(luò)絕緣、交流網(wǎng)絡(luò)絕緣、XDC狀態(tài)等信息，加固計(jì)算機(jī)對(duì)該類信息進(jìn)行處理、顯示，并對(duì)各類越限參數(shù)生成報(bào)警指令，經(jīng)RS485總線將發(fā)送給PLC，由PLC驅(qū)動(dòng)功能面板上的蜂鳴器和報(bào)警指示燈，完成告警提示。加固計(jì)算機(jī)也可對(duì)各類通訊故障發(fā)出告警提示。在功能面板上設(shè)置了消音和查燈按鈕用于蜂鳴器消音和指示燈試燈。

2.5 風(fēng)冷控制設(shè)計(jì)

加固計(jì)算機(jī)采用水冷散熱方式，正常情況下全船機(jī)電控制中心采用總體提供的冷卻水進(jìn)行冷卻。水冷故障時(shí)，全船機(jī)電控制中心內(nèi)部設(shè)置的壓力傳感器輸出控制信號(hào)啟動(dòng)強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)機(jī)，將柜內(nèi)熱量排出，保證柜內(nèi)電氣組件能夠正常工作。