電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)研究與開發(fā)

唐劍飛，任賽林，謝 坤

（1. 海裝武漢局駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，武漢 430064；2. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

隨著電力電子器件的發(fā)展和電網(wǎng)容量的增大，電力推進(jìn)船舶驅(qū)動(dòng)控制需求逐漸增強(qiáng)，電力系統(tǒng)監(jiān)控復(fù)雜程度逐步提高，電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控及運(yùn)行維護(hù)工作量也日益增大，極易出現(xiàn)信息孤島，影響電力系統(tǒng)供配電效率及質(zhì)量，帶來電網(wǎng)運(yùn)行可靠性低、故障檢測(cè)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(wǎng)技術(shù)、電力監(jiān)控技術(shù)，在電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理、電網(wǎng)安全運(yùn)行等方面起到了越來越重要的作用。加之?dāng)?shù)字化儀表、智能傳感器等智能電子設(shè)備的應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，在提高電力監(jiān)控自動(dòng)化水平，解決信息孤島問題，實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化，保證電力系統(tǒng)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(tǒng)功能和任務(wù)，開發(fā)了船舶電網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)。該集中監(jiān)控系統(tǒng)由上至下分為三層，分別是控制層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層，控制層完成信息匯總、遠(yuǎn)程控制和集中顯示，服務(wù)層完成現(xiàn)場(chǎng)控制和信息傳輸，數(shù)據(jù)層完成信息采集和指令執(zhí)行，通過三層分布式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了船舶電力系統(tǒng)集中監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)和管理，保障了電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-5]。

1 系統(tǒng)組成及功能

船舶電網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)主要由集中監(jiān)控裝置、發(fā)電控制裝置、變電控制裝置、配電控制裝置、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)裝置、配電箱、信息采集設(shè)備等設(shè)備組成，系統(tǒng)分為三層，控制層為集中監(jiān)控裝置，完成電力系統(tǒng)信息收集，制定供配電策略，分析電力系統(tǒng)故障信息，完成電力系統(tǒng)控制指令下發(fā)等功能；服務(wù)層主要由現(xiàn)場(chǎng)控制裝置和故障記錄裝置等設(shè)備組成，完成供配電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制、電網(wǎng)信息傳輸和電力系統(tǒng)電能分配、調(diào)度控制等功能；數(shù)據(jù)層則包括發(fā)電控制裝置、配電箱及信息采集傳感器等，完成電網(wǎng)信息采集和指令的執(zhí)行。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 集中監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

船舶電網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)用于對(duì)全船電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)電力系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行故障進(jìn)行隔離并診斷，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

電力監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要包括：

1）電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、主要運(yùn)行參數(shù)顯示及存儲(chǔ)

集中監(jiān)控系統(tǒng)需具備電力系統(tǒng)瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)及主要運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)、顯示和存儲(chǔ)。

2）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)

電力監(jiān)控系統(tǒng)需完成直流配電箱、交流配電箱及發(fā)電機(jī)控制柜等設(shè)備的斷路器分?jǐn)嗯c閉合控制功能，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供智能決策信息，在集中監(jiān)控裝置上實(shí)現(xiàn)全船電力系統(tǒng)設(shè)備集中控制，或在現(xiàn)場(chǎng)控制裝置上實(shí)現(xiàn)區(qū)域性設(shè)備集中控制。

3）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

電力監(jiān)控系統(tǒng)需對(duì)電力系統(tǒng)供電不平衡越線、失電進(jìn)行聲光報(bào)警提示，對(duì)直流配電箱、交流配電箱、逆變電源、變壓器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備失電、過載、通訊等故障進(jìn)行聲光報(bào)警提示及存儲(chǔ)。

4）電力系統(tǒng)故障隔離及診斷

集中監(jiān)控裝置需根據(jù)運(yùn)行情況和異常信息對(duì)故障支路及時(shí)隔離及分?jǐn)?，診斷故障原因?yàn)橹悄軟Q策提供支撐。

5）電力系統(tǒng)重構(gòu)

在電力系統(tǒng)運(yùn)行故障情況下，可通過啟用備用供電支路或電源并車轉(zhuǎn)移負(fù)載實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)重構(gòu)，解決電力系統(tǒng)故障，提高電力系統(tǒng)可靠性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 集中控制裝置

集中監(jiān)控裝置由集中監(jiān)控裝置加固計(jì)算機(jī)、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(tái)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(jiān)控裝置硬件框架圖

集中監(jiān)控裝置由兩路單相AC220V 50 Hz供電，具備輸入電源自動(dòng)選擇與轉(zhuǎn)換的能力，保證一路電源失電的情況下設(shè)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(xù)工作5 min的要求。其加固計(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。

集中監(jiān)控裝置加固計(jì)算機(jī)設(shè)置2塊CAN卡，每塊CAN卡有2路CAN通道，且為獨(dú)立通道，共使用4路CAN。通訊速率最大可達(dá)1 Mbps，滿足現(xiàn)場(chǎng)總線需求。

加固計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的電力系統(tǒng)運(yùn)行信息進(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)數(shù)據(jù)總線將發(fā)送給可編程邏輯控制器，由可編程邏輯控制器驅(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。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)控制裝置

現(xiàn)場(chǎng)控制裝置主要用于完成電力系統(tǒng)主要設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集信息處理和轉(zhuǎn)發(fā)，由人機(jī)接口計(jì)算機(jī)、PLC、電源模塊、按鈕及旋鈕等組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)控制裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)控制裝置由一備一用兩路電源供電，具備兩路電壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換能量，保證設(shè)備供電連續(xù)性。

信息采集設(shè)備均輸出模擬電流信號(hào)，該類信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理單元用于將各個(gè)不同傳感器的輸出信號(hào)，整合成加固機(jī)模擬量模塊能采集的范圍，然后由人機(jī)接口計(jì)算機(jī)A/D采集板完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。各型傳感器輸出的信號(hào)幅值存在較大差異，而人機(jī)接口計(jì)算機(jī)A/D采集板各采樣通道輸入范圍為定值，因此需要對(duì)電壓傳感器、電流傳感器輸出的電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、變換，以滿足人機(jī)接口計(jì)算機(jī)A/D采集板的要求。

發(fā)電控制裝置接收傳感器采集的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)電機(jī)電流等模擬量信號(hào)和進(jìn)氣閥狀態(tài)、排氣閥狀態(tài)、報(bào)警等無源觸點(diǎn)信號(hào)，進(jìn)行采樣處理后發(fā)送到以太網(wǎng)。同時(shí)，集中監(jiān)控裝置、發(fā)電控制裝置可控制柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)的啟停和應(yīng)急停車。

變電控制裝置接收逆變電源和變壓器傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)信息，同時(shí)集中控制裝置和變電控制裝置可對(duì)逆變電源進(jìn)行并車控制，并對(duì)逆變電源和變壓器進(jìn)行停機(jī)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(hào)和各配電箱狀態(tài)、報(bào)警等無源觸點(diǎn)信號(hào)，進(jìn)行采樣處理后發(fā)送到以太網(wǎng)。同時(shí)，綜合監(jiān)控裝置、交直流配電控制裝置可控制配電設(shè)備、電網(wǎng)斷路器的啟停和應(yīng)急停車。

故障記錄裝置用于接收采集的電網(wǎng)電力信息，記錄電網(wǎng)運(yùn)行故障并將信息傳輸至集中監(jiān)控裝置，便于開展電網(wǎng)故障隔離和診斷。

2.3 信息采集設(shè)備

信息采集設(shè)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(huán)節(jié)的抗干擾能力，將霍爾效應(yīng)電壓傳感器和電流傳感器布置在相關(guān)設(shè)備內(nèi)部，并輸出電流信號(hào)至現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的人機(jī)接口計(jì)算機(jī)。

同時(shí)，為了提高故障記錄的精度，便于進(jìn)行電力系統(tǒng)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(tǒng)短路故障時(shí)短路電流的瞬態(tài)精確監(jiān)測(cè)。

3 軟件設(shè)計(jì)

集中控制裝置主要軟件包括加固計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件和可編程邏輯器件應(yīng)用軟件。采用C/S的軟件體系架構(gòu)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的顯示，以及聲光報(bào)警，歷史查詢，操作記錄等功能。

根據(jù)信息化相關(guān)要求和建議，加固計(jì)算機(jī)采用中標(biāo)麒麟4.0操作系統(tǒng)，既能夠滿足集中監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理等方面要求，也能保障設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性。加固計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件主要完成外部通訊、模擬量采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)以及顯示。加固計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件基于QT開發(fā)平臺(tái)、sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和C/C++編程語言進(jìn)行開發(fā)，既適應(yīng)中標(biāo)麒麟4.0操作系統(tǒng)平臺(tái)支持，又能滿足程序設(shè)計(jì)高實(shí)時(shí)性、高可靠性等要求。

加固計(jì)算機(jī)軟件分為三個(gè)部分：

1）數(shù)據(jù)采集模塊（data_service），主要負(fù)責(zé)與外部設(shè)備通信，并將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊；

2）數(shù)據(jù)處理模塊（work_process），主要負(fù)責(zé)解析數(shù)據(jù)，并將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送給界面模塊；

3）界面顯示模塊（UI_EMonitor），主要負(fù)責(zé)所有信息的實(shí)時(shí)顯示，保存和歷史查詢。

軟件處理流程主要包括四個(gè)部分：

1）初始化，進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置；

2）數(shù)據(jù)采集及處理，對(duì)電力系統(tǒng)主要設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)以及狀態(tài)進(jìn)行采集和顯示，并對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警和處理；

3）電力系統(tǒng)主要設(shè)備控制，對(duì)電力系統(tǒng)主要設(shè)備進(jìn)行控制；

4）對(duì)電力系統(tǒng)故障信息進(jìn)行分析和處理。

集中控制裝置PLC軟件分為數(shù)據(jù)采集，輸出控制，數(shù)據(jù)通訊三個(gè)部分；數(shù)據(jù)采集部分主要對(duì)直流配電箱、交流配電箱、發(fā)電機(jī)等信號(hào)采集，輸出控制部分根據(jù)采集信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制拓?fù)鋱D上相關(guān)指示燈，對(duì)異常報(bào)警狀態(tài)會(huì)聲光報(bào)警輸出。數(shù)據(jù)通訊部分負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

集中控制裝置 PLC應(yīng)用軟件基于西門子公司STEP7 V13開發(fā)平臺(tái)、運(yùn)用梯形圖語言開發(fā)。

采取可靠性設(shè)計(jì)的原則，針對(duì)異常情況進(jìn)行處理，防止程序跑飛，保障程序的健壯性。采用模塊化設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)軟件的結(jié)構(gòu)，提高軟件的可靠性和閱讀性。采用通用化的設(shè)計(jì)，在程序上設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的代碼，保證了調(diào)試和維護(hù)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(yàn)與應(yīng)用

船舶電網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)成功后開展了實(shí)船試驗(yàn)，其中集中監(jiān)控裝置顯示屏主界面如下圖5所示，界面顯示了電力系統(tǒng)主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由柴油機(jī)、柴油機(jī)發(fā)電板、直流電柜、交流電柜、配電板、選擇板、負(fù)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(tài)，即支路供電狀態(tài)，同時(shí)臺(tái)體有LED指示燈顯示故障報(bào)警信息。分界面分別顯示發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備、配電設(shè)備電網(wǎng)運(yùn)行情況以及電網(wǎng)故障記錄情況，從而實(shí)現(xiàn)全船電網(wǎng)集中監(jiān)控。

圖5 電網(wǎng)集中監(jiān)控裝置主界面

電網(wǎng)集中監(jiān)控裝置實(shí)船運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)顯示電網(wǎng)信息，對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)主要設(shè)備集中控制、故障記錄和分析診斷，提高了電網(wǎng)可靠性。

5 總結(jié)

本文通過對(duì)船舶電網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)的組成、功能和軟硬件設(shè)計(jì)的分析，建立了電網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)控制層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層三層分布式架構(gòu)，實(shí)船試驗(yàn)和應(yīng)用表明，電網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船舶電力系統(tǒng)集中監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)和管理，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。