一種新型的船舶能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：隨著綜合電力系統(tǒng)技術(shù)及全電力船舶的發(fā)展，船舶能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸成為未來船舶發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文針對(duì)一類新型船舶能量管理系統(tǒng)研制過程中主要技術(shù)問題進(jìn)行研究。能量管理系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)采用硬線直連、雙冗余現(xiàn)場(chǎng)總線和雙冗余以太網(wǎng)混合的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，以保證控制的可靠性；軟件系統(tǒng)基于松散耦合的分層架構(gòu)構(gòu)建，利用動(dòng)態(tài)耦合組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件接口，建立了船舶能量管理系統(tǒng)公用信息模型，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存技術(shù)來構(gòu)建能量管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。基于這些關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的能量管理系統(tǒng)保證了全電力船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、有效性和可靠性。

關(guān)鍵詞：船舶能量管理系統(tǒng)；綜合電力系統(tǒng)；公用信息模型；動(dòng)態(tài)耦合

中圖分類號(hào)：U665.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

隨著綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，IPS）技術(shù)及全電力船舶[1]的發(fā)展，船舶能量管理系統(tǒng)（Shipping Energy Management System，SEMS）的應(yīng)用逐漸成為未來船舶發(fā)展的必然趨勢(shì)[2-5]。

船舶能量管理系統(tǒng)是船舶綜合電力系統(tǒng)的管理中心，是綜合電力系統(tǒng)的核心系統(tǒng)之一。隨著船舶綜合電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，電站容量、電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式都發(fā)生了變化，尤其是電力推進(jìn)等高耗能系統(tǒng)的出現(xiàn)使電力的產(chǎn)生、分配、管理變得非常復(fù)雜，必須采用基于系統(tǒng)分析上的能量深層次管理方式。能量管理系統(tǒng)就是建立多級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)船舶電站、電力系統(tǒng)、負(fù)載特別是電力推進(jìn)系統(tǒng)等大功率負(fù)載進(jìn)行綜合計(jì)算分析，對(duì)電力系統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行狀況、安全情況、電能質(zhì)量情況的監(jiān)測(cè)、保護(hù)和管理，可實(shí)現(xiàn)能量的智能化調(diào)配，以保證能量供應(yīng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，提高船舶的續(xù)航力。

本文對(duì)新型船舶能量管理系統(tǒng)研制過程中的主要技術(shù)問題進(jìn)行研究，包括系統(tǒng)軟硬件體系架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)等，從而保證全電力船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、有效性和可靠性。

2船舶能量管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)研究

船舶能量管理系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所 圖1 船舶能量管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

示，系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)采用硬線直連、雙冗余現(xiàn)場(chǎng)總線和雙冗余以太網(wǎng)混合的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。即重要的信號(hào)線、控制線為硬線直連，如緊急停車控制線等；實(shí)時(shí)性要求比較高的信號(hào)采用具有實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)功能的現(xiàn)場(chǎng)總線，如操控臺(tái)的車鐘、多功能定義鍵、電站的機(jī)組控制器和電站區(qū)域控制器之間、負(fù)載區(qū)域控制器與采集單元之間采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接。

能量管理模塊上層通過雙冗余以太網(wǎng)連接，其中連接交換機(jī)的主干網(wǎng)絡(luò)采用光纖以太網(wǎng)，各接入主干以太網(wǎng)的設(shè)備采用雙冗余以太網(wǎng)連接。由于是環(huán)形主干網(wǎng)絡(luò)，因此當(dāng)環(huán)型鏈路上有一點(diǎn)發(fā)生斷線時(shí)，自動(dòng)開啟備用線路，讓系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行，切換時(shí)間小于 500ms。交換機(jī)之間的兩條鏈路采用鏈路聚合方式運(yùn)行，在雙倍增加帶寬的同時(shí)，增加系統(tǒng)的冗余度，當(dāng)一條鏈路發(fā)生斷路故障，另一條鏈路仍可正常運(yùn)行，保證交換機(jī)之間正常通訊。

顯控臺(tái)是數(shù)據(jù)的融合中心和分析處理中心，作為功能軟件的載體，完成能量管理的人機(jī)界面的顯示、故障報(bào)警、運(yùn)算分析、綜合決策與控制等功能。主要包括配電及負(fù)載管理顯控臺(tái)、系統(tǒng)分析及安全管理顯控臺(tái)、信息與網(wǎng)絡(luò)管理顯控臺(tái)、電力推進(jìn)顯控臺(tái)等。

功能管理軟件包括供配電管理、負(fù)載管理、安全管理、系統(tǒng)分析、電力GIS、信息網(wǎng)絡(luò)管理6個(gè)功能模塊。功能軟件是在開放框架下應(yīng)用開發(fā)、應(yīng)用集成和系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境集合。它基于已成熟的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在異構(gòu)分布環(huán)境（操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫）下提供透明、一致的信息訪問和交互手段，對(duì)其上運(yùn)行的應(yīng)用進(jìn)行管理，為應(yīng)用提供服務(wù)，它提供統(tǒng)一的共享數(shù)據(jù)機(jī)制和設(shè)施，支持應(yīng)用間協(xié)同工作。

3船舶能量管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)研究

能量管理系統(tǒng)軟件的總體部署如下：集控室部署供配電及負(fù)載管理顯控臺(tái)、系統(tǒng)分析及安全管理顯控臺(tái)、電力GIS與信息網(wǎng)絡(luò)管理顯控臺(tái)、電力推進(jìn)顯控臺(tái)及服務(wù)器；完成能量管理系統(tǒng)的人機(jī)交互功能；駕控室部署能量管理駕控室顯控臺(tái)，復(fù)顯能量管理重要信息。

能量管理系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是整個(gè)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，其主要功能包括：通過外部環(huán)境接口，利用數(shù)據(jù)采集和處理組件從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，按CIM（common information model，通用信息模型）模型格式存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，或向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送指令；與服務(wù)層和應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。服務(wù)層是CIS（component interface specification，組件接口規(guī)范）接口的實(shí)現(xiàn)層，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層讀取數(shù)據(jù)，按一定的組件粒度，實(shí)現(xiàn)能量管理應(yīng)用組件和公共應(yīng)用組件，供應(yīng)用層調(diào)用。應(yīng)用層根據(jù)各功能模塊的需求，調(diào)用服務(wù)層組件，實(shí)現(xiàn)能量管理平臺(tái)的軟件功能。

圖2 能量管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

采用這種松散耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于：

① 每一顯控臺(tái)按配置需求分布式地進(jìn)行業(yè)務(wù)線程計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，提高操作端的響應(yīng)速度。

② 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能由應(yīng)用服務(wù)器完成，避免了當(dāng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量較大時(shí)的數(shù)據(jù)擁擠和通信瓶頸問題。

③ 當(dāng)系統(tǒng)需求發(fā)生變化，增加新的功能或修改功能時(shí)，開發(fā)人員可增加功能配置參數(shù)更新業(yè)務(wù)邏輯，從而提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。

④ 當(dāng)終端控制臺(tái)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)或者應(yīng)用服務(wù)器的業(yè)務(wù)邏輯也不需改變，從而提高系統(tǒng)模塊的可重用性，便于系統(tǒng)的升級(jí)，降低建設(shè)和維護(hù)成本。

利用面向?qū)ο筌浖こ痰脑O(shè)計(jì)方法，能量管理軟件系統(tǒng)主流程（活動(dòng)圖）如圖3所示。詳細(xì)描述了包括軟件初始化、數(shù)據(jù)通信與處理、主界面顯示、各子界面圖形顯示、各功能模塊應(yīng)用組件、故障報(bào)警等在內(nèi)的軟件主體相互關(guān)系。

4能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 船舶公共信息模型（CIM）技術(shù)研究

船舶能量管理系統(tǒng)作為一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理為一體的信息流對(duì)能量流的管理系統(tǒng)，無論是底層的智能終端所具有的數(shù)據(jù)采集和程序處理，還是各種高級(jí)應(yīng)用程序，其功能的最終操作對(duì)象都是數(shù)據(jù)。因此構(gòu)建船舶能量管理系統(tǒng)公共信息模型（Common Information Model，CIM）是船舶能量管理系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

本文借鑒“國際電工委員會(huì)制定的IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn)”，結(jié)合船舶能量管理系統(tǒng)與陸地能量管理系統(tǒng)的聯(lián)系和區(qū)別，對(duì)公共信息模型CIM語義上進(jìn)行擴(kuò)展，以對(duì)象類和屬性的方式來顯示船舶電力系統(tǒng)資源以及它們之間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用系統(tǒng)間集成。并用統(tǒng)一建模語言（UML）構(gòu)建支持面向?qū)ο蟮脑獢?shù)據(jù)模型。

4.2 船舶能量管理系統(tǒng)軟件接口規(guī)范

網(wǎng)絡(luò)化使船舶能量管理平臺(tái)系統(tǒng)軟件在分布式環(huán)境下分工合作， 不再靠“單干”， 不再是“孤島”， 這種分布式系統(tǒng)往往是一個(gè)由不同硬件、不同操作系統(tǒng)、不同支撐環(huán)境或不同廠家的產(chǎn)品組成的異構(gòu)系統(tǒng)， 要使其協(xié)調(diào)工作，各個(gè)部分的軟件接口必須標(biāo)準(zhǔn)化， 能像硬件那樣“即插即用”。

本課題提出利用動(dòng)態(tài)耦合組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件接口的方案。動(dòng)態(tài)耦合組件技術(shù)是指根據(jù)能量管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取、監(jiān)控對(duì)象數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)綜合顯示、功能模塊調(diào)用等應(yīng)用，按照不同的組件粒度進(jìn)行封裝，按照不同的功能需求調(diào)用相應(yīng)的組件。

4.3 船舶能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)研究

在能量管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)有組織、動(dòng)態(tài)的存儲(chǔ)大量電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，方便多操作者訪問的由計(jì)算機(jī)軟硬件資源組成的系統(tǒng)。不論是底層的智能終端所具有的數(shù)據(jù)采集和處理程序，還是各種高級(jí)應(yīng)用程序，其功能的最終操作對(duì)象都是數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是能量管理軟件的核心。

從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的物理位置來看，能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分為以下幾類：發(fā)電機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)、配電狀態(tài)數(shù)據(jù)、推進(jìn)狀態(tài)數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量測(cè)量狀態(tài)數(shù)據(jù)以及電量同步測(cè)量狀態(tài)數(shù)據(jù)等。從數(shù)據(jù)特性上來看，能量管理數(shù)據(jù)又可以分為以下幾類：實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)、基本數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和臨時(shí)數(shù)據(jù)。能量管理數(shù)據(jù)還可分為實(shí)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)和研究態(tài)數(shù)據(jù)。由此可見，能量管理系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)種類復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大、相互聯(lián)系交互。只有從系統(tǒng)的角度仔細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，才能把不同的應(yīng)用軟件連成有機(jī)的能量管理整體，并能適應(yīng)綜合電力系統(tǒng)的擴(kuò)展。

本課題利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存技術(shù)來構(gòu)建能量管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，從而保證數(shù)據(jù)讀取的實(shí)時(shí)性。結(jié)構(gòu)如圖4所示的。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型、實(shí)時(shí)資源管理、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)通信等模塊。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作，使每個(gè)實(shí)時(shí)事務(wù)執(zhí)行過程中避免了磁盤I/O，減少了不確定因素，提高了執(zhí)行效率。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的“實(shí)時(shí)資源管理”主要涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式（一種是存儲(chǔ)在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中，另一種是轉(zhuǎn)儲(chǔ)到磁盤上）。能量管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)十分龐大，并不是所有數(shù)據(jù)都需要存放在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中，而是根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理策略將實(shí)時(shí)性、高效性、關(guān)鍵性數(shù)據(jù)放到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中。并且建立事件觸發(fā)機(jī)制，按策略將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存的數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)庫。

5結(jié)論

船舶能量管理系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)全船能量的在線監(jiān)測(cè)與合理控制， 以保證在船舶主機(jī)和發(fā)電機(jī)都不過載的前提下滿足全船動(dòng)力、電力和推進(jìn)等特種負(fù)荷的需要。本文針對(duì)一類新型船舶能量管理系統(tǒng)研制過程中主要技術(shù)問題進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)的能量管理系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)采用硬線直連、雙冗余現(xiàn)場(chǎng)總線和雙冗余以太網(wǎng)混合的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，以保證控制的可靠性；軟件系統(tǒng)基于松散耦合的分層架構(gòu)構(gòu)建，利用動(dòng)態(tài)耦合組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件接口，建立了船舶能量管理系統(tǒng)公用信息模型，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存技術(shù)來構(gòu)建能量管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。基于這些關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的能量管理系統(tǒng)保證了全電力船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、有效性和可靠性。本文所研究的能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法將隨著綜合電力技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步提高，以滿足未來現(xiàn)代化船舶設(shè)計(jì)的需要，大幅提高船舶整體性能。

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