基于Powerlogic的船舶電力監視系統

劉曉勤 施偉鋒 胡紅錢

（上海海事大學電氣自動化，上海 200135）

1 引言

最近十多年來，船舶營運量快速上升。而同時，幾乎所有的船舶公司都在盡力降低船舶營運成本并提高船舶安全性。對于船舶電力系統而言，由于用電設備的大量增加，已使得船舶發電量和用電量大幅度上升[1]。另外，船舶電力系統與船舶的各個系統均有牽連，它是船舶系統中一個較為重要的組成部分，直接影響著船舶運行的安全性與經濟性[2]。

目前，海運大型船舶的投入越來越多，船舶電力系統的單機容量和電站容量不斷增大，船舶供配電系統控制與管理的復雜程度和自動化程度越來越高。而對于船舶電力系統而言，電能質量問題使得船舶運行的經濟性下降，降低了船舶運行的安全性，甚至對人員的生命構成威脅[3]。所以船舶電力參數的測量和電能質量的改善已成為造船領域中很緊迫的任務。

因此，設計一套有效的船舶電力監控與電能質量分析系統對船舶的安全營運具有現實意義。船舶電力系統具有以下特點：船舶電力系統的發電機組是柴油發電機組，系統用電負載的種類比較多，電力系統的動態變化范圍比較大，系統的動態過程變化頻繁。

本文基于船舶電站聯合實驗室，采用成熟的施耐德電能監控軟件PowerLogic系統，實現了與全船網絡終端、可編程控制器和斷路器等之間的互聯，完成了基于以太網的船舶電力系統遠程監控與電能質量分析的功能。

2 船舶電力監視系統構成

船舶電力系統有多種多樣的結構和形式：單電站系統、主輔電站系統、雙電站系統和多電站系統。根據船舶電站的特點，船舶電力系統包含四個部分：電源、配電設備、電網與負載。因電能的產生、輸送、分配與消耗是同時進行的，故上述四個部分是不可分割的整體。電源由柴油發電機組、應急發電機、蓄電池和岸電組成，配電設備由物理配電板上的電制參數、運行狀態以及負荷分配情況等組成。

依據高可靠性、可擴展性、可維護性的設計原則，部分產品還要滿足艦船建造規范。本文以交流380V/50Hz船舶電站為研究對象，用三臺柴油發電機、三個 Paralleling and Protection Unit（PPU）單元和PLC等組成船舶電站控制系統，以及PowerLogic ION E軟件、電力參數測量儀、帶Web的網關、觸摸屏和PC機來構成監視系統。

基于PowerLogic分散分層分布式結構思想，利用現場總線技術進行信息的采集、交換和管理，該套船舶電力監控與電能質量分析系統主要分為三層網絡：

（1）下層為現場監控層。主要有電力系統設備和電力參數測量儀器數據采集和傳輸。PM850是一款真正的基于有效值的測量儀表，它支持遙測、遙信、遙控和回路測試功能，能對高度非線性負荷做精確的測量，復雜的技術使得可以測量最高達63次諧波的真實有效值，可以在本地或利用軟件從遠程看到 50多個測量值以及最大和最小值。并且能夠集成到任何電力監控系統中，足以適應當前網絡信息化的需要。

（2）中間為通訊接口層。主要有網關、交換機和PLC來進行控制和數據的傳輸。網關具備一個RS-485接口和一個以太網接口，支持Modbus數據到 TCP/IP數據協議轉換，而且有內置用戶網頁，用戶可以通過網絡瀏覽器直接訪問 EGX的網絡地址來訪問 HTML內嵌網頁，實現對Modbus總線上設備的測量數據的瀏覽、數據跟蹤、趨勢預覽和報表生成等。

（3）上層為系統管理層。采用電能監控軟件PowerLogic ION E和觸摸屏，用于數據計算和完備的用戶交互，實現數據采集和處理功能、故障錄波、諧波分析、異常報警與記錄、運行管理、電能質量管理、運行統計和報表生成等。如圖1，船舶電力監視系統構成。

船舶電力監控系統流程如下：首先選用電力參數測量儀等進行數據采集與測量，通過網關和可編程控制器進行數據收發、數據傳輸、狀態判斷和功能控制等，然后通過交換機上傳到 PC機和觸摸屏，PC機中的PowerLogic電能監控軟件，實時顯示系統各設備的狀態及數據信息，并將監控界面通過網絡，發布至網絡內計算機；還能實現遠程監視與遙控功能。其中，電力參數測量儀PM800支持Modbus RTU通信協議，具有RS-485通訊接口，可與網關連接，而網關通過 Modbus TCP/IP協議與交換機連接，實現數據的傳輸。

圖1 船舶電力監視系統構成

3 Powerlogic軟件及其功能運用

施耐德電氣公司PowerLogic配電監控系統充分利用現代電子技術、計算機技術、網絡技術、控制技術及現場總線的先進技術，實現了對配電監控系統的集中監控管理和分散數據采集，通過遙測、遙信、遙控、遙調及電能質量監視、歷史數據分析等功能，使用戶的電力系統透明化，是一套提高電力系統安全性、可靠性和經濟性的智能化系統。

在本文中，PowerLogic ION E電能質量監控軟件的主要功能有：

（1）系統運行監視和控制。在監控界面中，顯示整個電力系統的網絡圖，動態刷新顯示各主接線圖上的實時運行參數和設備運行狀態，并支持遠程控制功能。

（2）電能質量監視和分析。可以對整個系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續的監測。實時監視系統諧波含量，電壓閃變、擾動，頻率偏差，不平衡度，功率因數等電能質量問題。能夠評估電能質量是否滿足 IEC61000-4-30或EN50160標準。通過手動或自動觸發波形捕捉，記錄擾動時的波形，進行電能質量分析和故障分析。如圖2是對船舶電力系統諧波測量分析圖。

圖2 船舶電力系統諧波測量分析圖

（3）報警和事件管理。系統可以設置在電能質量事件發生時、測量值越限、設備狀態變化時觸發報警。系統報警時能夠進行信息語言提示，自動彈出報警畫面或觸發必要的操作，同時可以將報警信息通過email，手機短信或PDA等方式通知相關人員。

（4）歷史數據管理。系統基于 SQL server數據庫完成歷史數據管理，所有實時采樣數據、順序事件記錄等均可保存到歷史數據庫。在監控畫面中能夠自定義需要查詢的參數、查詢的時間段或選擇查詢最近更新的記錄數，顯示并繪制曲線圖。

（5）報表管理。可基于系統已有模板，或自定義新的模板生成報表。可以手動或根據預設時間表定時生成，或通過事件觸發生成xml格式報表。報表能自動通過email或HTML格式進行發送或自動打印。

（6）用戶權限管理。為了系統安全穩定運行，用戶權限管理能夠防止未經授權的操作。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行維護管理提供可靠的安全保障。

4 監視系統優點

（1）實現數據自動記錄、數據跟蹤、數據預測和波形捕捉等功能，最大的數據長度為12天，并且可以全部利用以太網技術，通過email、FTP等將船舶電力系統的信息通過報表、HTML等形式發給所需要的用戶。

（2）發揮PowerLogic ION E軟件的強大功能，解決了不同通信協議的轉換，增強了系統的靈活性。

（3）利用PowerLogic ION E軟件的模塊統籌各種參數，進行綜合分析與計算，得出一個可靠的節能點，為船舶電站提供參考。

5 結束語

任何電力系統的使用都會遇到電能質量問題，有電能質量問題的電力系統就會造成很大的浪費，提高電能質量是優化電能消費的重要因素。船舶電力系統是一個容量較小的獨立電力系統，其電力系統中的諧波、浪涌、電壓跌落等電力品質問題比較嚴重，會對船舶的正常行駛及其電力系統的穩定性造成重大影響。因此對其進行系統監控并規定其電力系統的電能質量，不僅能夠提高船舶電力系統的能源利用率，還能提高船舶的運行效率，必將給企業帶來極大的經濟效益。

[1]Janusz Mindykowski. Assessment of electric power quality in ship system fitted with converter subsystem.Gdansk：Press of Shipbuilding and Shipping Ltd,2003.

[2]包文俊. 船舶電站多種發電方式聯合運行的仿真研究. 上海海事大學碩士學位論文, 上海,2002.3.

[3]孫詩南. 艦船電力推進的新進展. 船電通訊, 2004（8）：4-6.

[4]儲云峰. 施耐德電氣可編程序控制器原理及應用[M]. 北京：機械工業出版社,2007.

[5]楊兵利,杜國慶. Powerlogic配電監控系統的設計與應用[J]. 低壓電器，2008.

[6]羅超，聶延生. 船舶電站監控系統中上位機與 PLC串行通信的實現[J]. 世界海運.2003.8.

[7]王虹飛, 向先波, 劉土光. 船舶電站實時監控系統通信軟件設計[J]. 船舶工程.2007.5.