鄧勇智 丁敏飏 鄭國(guó)威
(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011)
隨著船舶行業(yè)的發(fā)展,船體規(guī)??傮w朝大型船舶方向靠攏。船舶排水量和電站容量不斷增加,常規(guī)動(dòng)力單電站或雙電站設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足船舶大型化和電站容量增長(zhǎng)的需求。三電站或更多電站的船舶日益增多,對(duì)船舶配電管理、監(jiān)測(cè)和控制提出了更高要求;同時(shí),船舶行業(yè)信息化和智能化水平不斷提升,也對(duì)船舶配電信息監(jiān)測(cè)與智能控制提出了更高要求。
船舶配電系統(tǒng)是介于船舶電源系統(tǒng)和用電設(shè)備之間傳輸與分配電能的全部裝置和網(wǎng)絡(luò)的總稱。作為船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分,船舶配電系統(tǒng)將船舶上的電源裝置產(chǎn)生的電能輸送到用電終端,為船舶各系統(tǒng)用電設(shè)備發(fā)揮功能提供基本保障。傳統(tǒng)船舶一般設(shè)置配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)船舶配電網(wǎng)運(yùn)行情況。傳統(tǒng)配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般通過(guò)互感器采集船舶重要用電負(fù)載的配電信息,僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)重要負(fù)載電壓、電流信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分采用分散監(jiān)測(cè)或者集成化程度較低的集中監(jiān)測(cè)方法,人機(jī)界面簡(jiǎn)單、功能單一、管理落后且信息化智能化程度低,缺乏對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)集中管理和遠(yuǎn)程控制的能力。隨著船舶大型化、配電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化以及電站容量不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì),配電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的對(duì)象大大增加,分布位置相對(duì)離散,故障頻次增加,傳統(tǒng)的配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代船舶配電系統(tǒng)高度信息化和自動(dòng)智能化管理控制需求。同時(shí),開(kāi)關(guān)斷路器電量附件的發(fā)明應(yīng)用,簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)信息采集和遠(yuǎn)程控制功能所需的硬件組成,降低了成本;工業(yè)計(jì)算機(jī)不斷小型化,存儲(chǔ)計(jì)算性能進(jìn)一步提升,為船舶配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、集中管理、遠(yuǎn)程管控和智能控制鋪平了道路。自動(dòng)化、智能化已成為配電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。
船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)一般分為供電監(jiān)控系統(tǒng)和配電監(jiān)控系統(tǒng)。供電監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)供電側(cè)電源裝置運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)、管理以及自動(dòng)化控制;配電監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)配電側(cè)用電對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程管控及自動(dòng)化智能化控制。
船舶建立配電監(jiān)控系統(tǒng)意義在于:
(1)集中監(jiān)管,減員增效
配電監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集配電網(wǎng)上各設(shè)備運(yùn)行情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)全船配電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。管理人員不再需要通過(guò)問(wèn)詢或現(xiàn)場(chǎng)查看才能了解信息,只需通過(guò)監(jiān)控界面便可全面掌握配電系統(tǒng)運(yùn)行情況。對(duì)于用電負(fù)載多且分布離散的大型船舶,可大大減少人員值更需求和繁重的巡檢記錄工作。利用遠(yuǎn)程操控開(kāi)關(guān)代替船員現(xiàn)場(chǎng)操作,可有效達(dá)到管控集中、減員增效的效果。
(2)提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性
配電網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)故障,配電監(jiān)控系統(tǒng)第一時(shí)間會(huì)發(fā)出報(bào)警。根據(jù)故障位置提供的地址信息,配電監(jiān)控系統(tǒng)可精準(zhǔn)定位故障位置,減少故障定位時(shí)間;同時(shí),故障位置用電狀態(tài)記錄可有效復(fù)現(xiàn)故障發(fā)生過(guò)程,為故障分析診斷提供重要依據(jù),減少斷電時(shí)間,把故障對(duì)配電網(wǎng)影響降低到最小。
(3)智能優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò),提高電網(wǎng)效率
對(duì)于多電站船舶而言,重要用電設(shè)備一般設(shè)置兩路供電提升設(shè)備的供電可靠性。當(dāng)用電功率較大的兩電源負(fù)載(后文稱為“重載設(shè)備”)運(yùn)行時(shí),通過(guò)設(shè)計(jì)智能配電算法自動(dòng)為其選擇最優(yōu)供電電站,優(yōu)化重載設(shè)備的配電路徑,從而使電站負(fù)荷均衡且減少電站間的跨接電流。通過(guò)以上智能配電優(yōu)化策略,可有效提高電網(wǎng)整體配電效率,減少能量損耗。
(4)自動(dòng)化和智能化控制
開(kāi)關(guān)斷路器電量附件的發(fā)明應(yīng)用極大方便了采集三相電壓、三相電流、功率和功率因數(shù)等信息,同時(shí)能夠遠(yuǎn)程通信控制開(kāi)關(guān)合閘/分閘。配電監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)采集信息以及供電網(wǎng)信息,可實(shí)現(xiàn)按優(yōu)先級(jí)自動(dòng)分級(jí)卸載和智能優(yōu)化重載設(shè)備配電路徑等功能,有效提升全船配電自動(dòng)化智能化水平。
依據(jù)配電監(jiān)控系統(tǒng)定位,系統(tǒng)應(yīng)具備采集監(jiān)控配電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)以及電站狀態(tài)參數(shù)功能,向上級(jí)系統(tǒng)發(fā)布狀態(tài)信息并接收上級(jí)控制指令功能,智能決策向下級(jí)配電網(wǎng)下發(fā)控制指令功能等。從以上功能出發(fā),可以分析配電監(jiān)控系統(tǒng)需求表(表1)中的信息。
表1 配電監(jiān)控系統(tǒng)信息需求表
續(xù)表1
配電監(jiān)控系統(tǒng)主要由主站、從站、采控終端以及通信網(wǎng)絡(luò)組成,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。根據(jù)船舶電站數(shù)量,一般每個(gè)電站可設(shè)置1 個(gè)主站,主站由配電顯控終端和配電區(qū)域控制中心組成。配電顯控終端為使用人員提供人機(jī)交互界面,配電區(qū)域控制中心具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和自動(dòng)化智能自動(dòng)控制功能,是配電監(jiān)控系統(tǒng)的中樞。從站數(shù)量根據(jù)配電分區(qū)終端容量來(lái)配置。從站主要由現(xiàn)場(chǎng)采集控制中心組成,負(fù)責(zé)采集對(duì)應(yīng)區(qū)域的配電信息和向采控終端轉(zhuǎn)發(fā)配電區(qū)域控制中心下發(fā)的控制指令,是配電監(jiān)控系統(tǒng)中間層。采控終端具有采集配電網(wǎng)絡(luò)信息或控制被控對(duì)象功能,是系統(tǒng)底層。通信網(wǎng)絡(luò)是把主站、從站以及終端鏈接在一起的介質(zhì)。
圖1 配電監(jiān)控系統(tǒng)夠架構(gòu)
配電監(jiān)控系統(tǒng)中可采用以太網(wǎng)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)總線或串口通信組建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。影響通信形式選擇因素主要有傳輸?shù)男畔⒘?、通信距離、全船網(wǎng)絡(luò)配置以及硬件網(wǎng)絡(luò)接口形式。一般而言,上層網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)量較大,宜采用以太網(wǎng)或者CAN 總線形式;下層數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)傳輸量較小,宜采用CAN 總線或者串口形式。
以太網(wǎng)具有可靠性高、傳輸速率快、拓展性強(qiáng)以及可維護(hù)性好等特點(diǎn),現(xiàn)代船舶中已廣泛應(yīng)用以太網(wǎng)為全船組建信息網(wǎng)絡(luò)。配電監(jiān)控系統(tǒng)上層網(wǎng)可利用該網(wǎng)絡(luò)組建上層網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)分區(qū)設(shè)置來(lái)分區(qū)采集數(shù)據(jù)、分區(qū)配電以及分區(qū)設(shè)置監(jiān)控臺(tái)且互為備份,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立且網(wǎng)絡(luò)總線有冗余能力,可使系統(tǒng)的整體可靠性和生命力大大提高。CAN 網(wǎng)絡(luò)需根據(jù)通信速率和傳輸距離關(guān)系選用,其通信速率和距離關(guān)系見(jiàn)下頁(yè)表2。以CAN 網(wǎng)絡(luò)組建的上層網(wǎng)適合小型船舶或?qū)W(wǎng)絡(luò)和控制中心冗余設(shè)計(jì)要求較低的船舶,串口通信網(wǎng)絡(luò)主要用于下層數(shù)據(jù)采集或簡(jiǎn)單控制指令通信,船舶用電終端設(shè)備容易配置串口或者CAN 接口。
表2 CAN 網(wǎng)絡(luò)傳輸速度與傳輸距離關(guān)系
圖2是某船以CAN 總線為上層網(wǎng)設(shè)計(jì)的配電監(jiān)控系統(tǒng)。
圖2 某船配電監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
該配電監(jiān)控系統(tǒng)主站互為冗余備份,任一主站正常工作,配電監(jiān)控系統(tǒng)即可正常工作;任一區(qū)域從站發(fā)生故障,都不會(huì)影響其他區(qū)域配電信息采集和負(fù)載遠(yuǎn)程配電控制。
配電顯控終端是配電監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互窗口,并安裝了人機(jī)界面軟件。使用人員通過(guò)配電顯控終端可查看各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),遙控管理用電設(shè)備。配電顯控終端對(duì)硬件的存儲(chǔ)算能力要求較低,可選用通用性較強(qiáng)的觸控式顯控一體機(jī)作為硬件,嵌裝在各區(qū)域的主配電板上。在任一分區(qū)的主配電板上都可實(shí)現(xiàn)對(duì)全船的配電信息監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程配電控制。
配電區(qū)域控制中心可選用小型通用加固計(jì)算機(jī),其主板上可根據(jù)需求擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)化板卡,如內(nèi)存、通信板卡和電源模塊等。配電區(qū)域控制中心主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、計(jì)算以及根據(jù)算法計(jì)算結(jié)果自動(dòng)下發(fā)控制指令,一般配置較高性能的CPU和較大的內(nèi)存。其本身不需要配置顯示器和輸入設(shè)備,只需配置相關(guān)調(diào)試接口。
現(xiàn)場(chǎng)采集控制中心可選用小型化通用加固計(jì)算機(jī),主要負(fù)責(zé)打包上傳采集數(shù)據(jù),下發(fā)遠(yuǎn)程控制指令。其對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)計(jì)算性能要求低于配電區(qū)域控制中心要求,但對(duì)通信接口、IO板卡需求較高,可根據(jù)終端分布配置數(shù)量?,F(xiàn)場(chǎng)采集控制中心也無(wú)需配置顯示器和輸入設(shè)備,只需配置相關(guān)調(diào)試接口。
采控終端主要有以下幾種形式:
(1)開(kāi)關(guān)斷路器電量附件
通過(guò)RS485、CAN通信或者以太網(wǎng)通信接口形式采集開(kāi)關(guān)斷路器三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、功率和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)等信息;通過(guò)通信協(xié)議控制開(kāi)關(guān)合閘/分閘。
(2)三相電壓電流采集模塊
采集監(jiān)測(cè)對(duì)象(如配電板母排)三相電壓、三相電流等信息。
(3)絕緣采集模塊
采集監(jiān)測(cè)對(duì)象絕緣信息。
(4)繼電器輸出模塊
輸出開(kāi)關(guān)量控制指令,如集中照明控制等。
配電監(jiān)控系統(tǒng)軟件由配電監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面軟件、配電中心計(jì)算軟件和現(xiàn)場(chǎng)采控軟件組成。配電監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面軟件安裝在配電顯控終端內(nèi),是配電監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面,可采用組態(tài)或者其他界面軟件編制。其中組態(tài)軟件通用性強(qiáng),對(duì)于不同的應(yīng)用對(duì)象只需要改變數(shù)據(jù)實(shí)體即可。配電中心計(jì)算軟件安裝在配電區(qū)域控制中心內(nèi),是配電監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心,負(fù)責(zé)集中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行智能算法進(jìn)和自動(dòng)化輸出控制指令。現(xiàn)場(chǎng)采控軟件安裝在現(xiàn)場(chǎng)采集控制中心內(nèi),是配電監(jiān)控系統(tǒng)下層數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。其主要負(fù)責(zé)打包處理來(lái)自采控終端的數(shù)據(jù),并把打包數(shù)據(jù)上傳至配電區(qū)域控制中心,同時(shí)把配電區(qū)域控制中心的控制指令下發(fā)至采控終端。
通過(guò)以上軟件配電監(jiān)控系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)以下功能:
(1)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)配電信息
配電監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài),主要包括:配電板上各負(fù)載的三相電壓、三相電流信息,開(kāi)關(guān)的三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、功率、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)和報(bào)警信息以及支路的絕緣信息等。如下頁(yè)圖3和圖4所示。
圖3 配電監(jiān)控系統(tǒng)界面
(2)遠(yuǎn)程控制用電負(fù)載
通過(guò)配電顯控終端軟件可以遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)合閘/分閘(ON/OFF按鈕),從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制負(fù)載運(yùn)行或停止功能。如圖4所示。
圖4 開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)信息及控制界面
(3)集中照明控制
通過(guò)軟件界面實(shí)現(xiàn)對(duì)全船夜燈集中照明進(jìn)行分區(qū)或整體控制,并且在示意圖中反饋照明網(wǎng)絡(luò)實(shí)際信號(hào)。如下頁(yè)圖5 所示。
圖5 全船夜燈集中照明控制界面
(4)報(bào)警及歷史查詢
配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),軟件界面閃爍報(bào)警,通過(guò)故障位置的通信地址可精準(zhǔn)定位至故障位置,通過(guò)歷史查詢功能可查詢或打印歷史報(bào)警記錄。
船舶電力系統(tǒng)智能化主要包含智能化供電和智能化配電兩方面:智能化供電指電力系統(tǒng)根據(jù)全網(wǎng)供電需求,智能管理電站運(yùn)行,達(dá)到電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和人員精簡(jiǎn)的目的;智能化配電是指根據(jù)配電需求,智能化分配電力資源,達(dá)到降低用電損耗和精簡(jiǎn)人員的目的。
本文智能化配電設(shè)計(jì)主要包括智能分級(jí)卸載設(shè)計(jì)和智能配電路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)兩方面:智能分級(jí)卸載指通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)一種可根據(jù)卸載需求智能調(diào)整卸載范圍的功能,智能配電路徑優(yōu)化主要是通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)重載設(shè)備的配電路徑最優(yōu)。
智能分級(jí)卸載可根據(jù)上級(jí)的卸載需求,通過(guò)智能算法按優(yōu)先級(jí)自動(dòng)切除負(fù)載,盡量減小切除負(fù)載范圍。
當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)使電站負(fù)荷超出發(fā)電機(jī)的指定運(yùn)行負(fù)荷率時(shí),供電監(jiān)控系統(tǒng)將向配電系統(tǒng)下發(fā)卸載指令和卸載量(以電流為例)。配電監(jiān)控系統(tǒng)收到上級(jí)下發(fā)的卸載指令和卸載量時(shí),可根據(jù)算法按照設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)先卸載二級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)中的非重要負(fù)載。若卸載量(卸載的電流大?。┤圆粷M足要求時(shí),進(jìn)一步卸載主配電板上的非重要負(fù)載;若還無(wú)法滿足要求時(shí),進(jìn)一步卸載主配電板上的機(jī)艙負(fù)載;此時(shí)若仍不能滿足卸載量的要求,配電監(jiān)控系統(tǒng)將進(jìn)一步進(jìn)行二級(jí)卸載,切除更多用電負(fù)載。卸載全過(guò)程將通過(guò)配電區(qū)域控制中心、現(xiàn)場(chǎng)采集控制中心、采控終端和通訊網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)執(zhí)行,可在無(wú)人介入的情況下完成。其流程圖如圖6 所示。
圖6 智能分級(jí)卸載功能流程圖
智能配電路徑優(yōu)化當(dāng)重載設(shè)備發(fā)出啟動(dòng)請(qǐng)求時(shí),配電監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)電站運(yùn)行情況,通過(guò)算法計(jì)算重載設(shè)備最優(yōu)配電策略,在半自動(dòng)模式下給出配電優(yōu)化路徑建議,在自動(dòng)模式下自動(dòng)切換至最優(yōu)配電路徑。
配電路徑優(yōu)化策略如下:當(dāng)重載設(shè)備主、備用電站并聯(lián)運(yùn)行,選擇實(shí)際帶載較小的電站作為主用電源,使重載投入后電站間跨接電流最??;若重載設(shè)備主、備用電源電站獨(dú)立運(yùn)行,則選擇電源負(fù)荷率較低的電站作為主用電源,調(diào)整發(fā)電機(jī)負(fù)荷率,使之運(yùn)行在效率較高的區(qū)間。
在電網(wǎng)穩(wěn)定、重載設(shè)備請(qǐng)求運(yùn)行時(shí),配電監(jiān)系統(tǒng)根據(jù)上述配電路徑優(yōu)化策略向兩電源轉(zhuǎn)換裝置下發(fā)主備電源切換指令,收到兩電源轉(zhuǎn)換裝置切換完畢主備電源投入位置信號(hào)后,配電監(jiān)控系統(tǒng)向重載設(shè)備下發(fā)允許運(yùn)行信號(hào)。在半自動(dòng)模式下給出配電優(yōu)化建議,人工選定配電策略后,下發(fā)允許運(yùn)行信號(hào)。在自動(dòng)模式下自動(dòng)執(zhí)行兩電源轉(zhuǎn)換并下發(fā)允許運(yùn)行信號(hào),全程無(wú)需人工參與。
若重載設(shè)備兩電源轉(zhuǎn)換裝置能實(shí)現(xiàn)不間斷轉(zhuǎn)換,在重載設(shè)備已投入使用時(shí),由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致主、備用電站負(fù)荷率不均衡, 當(dāng)不均衡程度超出設(shè)置指標(biāo)時(shí),系統(tǒng)可依據(jù)配電路徑優(yōu)化策略在自動(dòng)模式下實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)調(diào)整重載設(shè)備的配電路徑,在半自動(dòng)模式下提供重載設(shè)備的配電路徑建議。
若重載設(shè)備兩電源轉(zhuǎn)換裝置不支持不間斷轉(zhuǎn)換,在重載設(shè)備已經(jīng)投入使用時(shí),由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致主、備用電站負(fù)荷率不均衡,系統(tǒng)僅能給出配電路徑優(yōu)化建議,需要人工干預(yù)重新進(jìn)行重載問(wèn)詢才能實(shí)現(xiàn)配電路徑轉(zhuǎn)換。
軟件界面如圖7 所示。
圖7 智能配電優(yōu)化功能界面
智能配電優(yōu)化軟件流程圖如圖8 所示。
圖8 智能配電優(yōu)化功能流程圖
針對(duì)傳統(tǒng)配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)界面功能簡(jiǎn)單、自動(dòng)化智能化程度低、缺乏對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)管控能力等問(wèn)題,本文提出了智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)方案,闡述了智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu),分析了配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,并對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件基礎(chǔ)功能和智能化功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)信息、遠(yuǎn)程控制用電負(fù)載、集中照明控制、報(bào)警,以及歷史查詢、智能分級(jí)卸載和智能配電優(yōu)化等功能,既有效提升了配電自動(dòng)化智能化水平,也提高了配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠性。該系統(tǒng)已首次在某大型艦船中應(yīng)用,獲得了使用人員較好的評(píng)價(jià)。智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)促進(jìn)船舶電力系統(tǒng)向自動(dòng)化智能化發(fā)展具有參考意義。