大型船舶現場級電力監控網絡系統優化研究

孫建紅，高 捷，程 華

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

大型船舶現場級電力監控網絡系統優化研究

孫建紅，高 捷，程 華

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

針對大型船舶電力系統特點及復雜通訊網絡傳輸要求，研究提出大型船舶現場級電力監控網絡系統的研制理念與設計方案。結合某船試驗中暴露的影響系統正常運行的技術問題，從系統和設備等角度提出了系統網絡組建及設備優化改進方案，有效改善了現場級電力監控網絡系統的可靠性、可用性，為提升我國大型水面船舶電力監控網絡系統設計水平奠定了基礎。

船舶 CAN總線 電力監控系統 通訊網絡

0 引言

大型船舶電力系統正在不斷向自動化、網絡化、智能化方向發展的不斷提高，基于現場總線的新型電力監控網絡系統，即全分布式現場總線系統，是船舶電力監控網絡系統發展的必然趨勢[1]。隨著計算機技術、網絡通訊技術及信息處理技術的迅速發展及其在船舶軍事領域中的廣泛運用，大型船舶電力監控網絡系統形成了集監視、測量、控制、運行調度及事故處理為一體的綜合自動化系統，逐步發展演變成對整個電力系統進行監控管理的一體化集成系統。從而，可以減少船員低層次的操作（指繁重、簡單或重復的操作），全面保障系統安全、可靠的運行，提升電力系統自動化和管理水平。

在國內某船上首次提出了大型船舶的電力監控網絡系統的研制理念，并開展相關技術探索和開發工作，使得該技術成功地在實船上得以應用。然而由于首次實船應用，嚴重缺乏對大型電力監控網絡系統通訊網絡組建、相關監控設備研制的成熟工程實踐經驗，在試驗中暴露了較多影響系統正常運行的技術問題。因而，在此研制及應用基礎上，有必要進一步結合工程實踐對監控網絡系統進行優化研究，進而深入對大型監控網絡組建及各級監控設備研制的技術掌控，為后續大型船舶電力監控網絡系統研制提供技術支撐。

1 大型電力監控網絡系統研制難點分析

電力監控網絡系統是實施電力系統主干網絡運行、監控、管理等各項應用需求的主要載體，須按照標準性、可靠性、可用性、安全性、擴展性、先進性等基本原則進行研制。其分布式體系結構為實現各節點之間實時、可靠的數據通訊提供了強有力的技術支持，對電力監控系統的拓撲結構、設計方法、安裝調試方法等方面產生了較深遠的影響。結合我國船舶電力系統的發展情況，在大型船舶上實施電力監控系統方案，其第一步重點要解決和實現對電力系統運行的可視化集中監測和故障自動檢測、定位、報警，提供故障恢復建議的功能。在此基礎上，分階段地逐步向電力系統自動化的方向發展。其研制難度如下：

1.1 監測對象多

電力監控系統的監測對象分布點多、面廣、分散，主要包含全船電站系統、交流配電網絡、直流配電網絡、照明配電網絡以及主要電氣設備地理及運行狀態等實時參數的集中監測和管理；并對在線數據、電網數據、用戶數據進行信息集成，事故狀態報警、定位，多達約25000點測點。因此，不僅對于系統組織信息會帶來較大的困難，對現場級通訊網絡的實時性要求較高。

1.2 通訊系統復雜

由于涉及電力監控系統的現場監控設備種類和數量眾多，從而增大了通訊網絡組建的復雜性。從目前成熟的通訊手段看，沒有一種單獨的方式能夠滿足要求，往往綜合采用多種通訊方式，并且多層集結的方式，以減少通道數量并充分發揮實時通訊的能力。此外，在現場級電力監控系統內，各種類型現場監控設備的通訊規約尚未統一，使其通訊更加復雜。

1.3 缺乏相關的規范化標準

針對現場級電力監控網絡系統的子站、現場監控設備、通訊方式、通訊規約等，國內現階段均無統一的功能配置和技術指標要求。由于缺乏成體系的系統技術構架標準、技術指標、驗收檢驗規范，導致系統網絡組建質量和效能難以保證。

1.4 現場監控設備工作環境惡劣、可靠性要求高

大部分現場監控設備，如信息采集裝置、電量附件、監控單元等均布置監控臺或配電板設備內部，通常要能夠承受更高的環境溫度。同時，配電板內存在大電流、大功率變壓器等電磁環境干擾以及散熱等問題，均對現場監控設備提出更高可靠性和抗干擾性要求。因而，現場監控設備是電力監控系統的關鍵網絡設備，其可靠性至關重要。

2 電力監控網絡系統總體研制情況

在國內某船舶電力監控系統研制中，首次探索并應用了大型化、網絡化的全分布式現場總線體系結構，基本實現了第一步——全系統信息可視化的發展規劃。即：可實現對全船電站監控外，并應用分布式監控網絡系統技術——擴展到對全船的交流配電網絡、直流配電網絡、照明網絡、主要電氣設備的地理及運行狀態進行自動采集、存儲、集中顯示，并對故障進行報警、定位和記錄。該系統上船應用，極大地簡化了電力系統運行和管理的工作量，有力地促進了電力自動化技術在我國船舶上的應用和發展[2]。

2.1 電力監控網絡系統總體網絡構架

該大型電力監控系統網絡拓撲為兩層結構設計。上層網絡采用冗余的高速交換式工業以太網，網絡拓撲采用環形方式。下層網絡采用現場級雙冗余CAN 現場總線網，按系統或按區域分成若干個相對獨立的子網。兩層網絡之間由智能網關連接。現場監控設備采集的實時數據通過下層網定時傳送給網關，網關對數據進行處理后通過上層網為工作站和數據庫提供服務[3-4]。電力監控網絡系統網絡拓撲結構框圖如下圖1所示。

2.2 現場級電力監控網絡系統結構組建

由于整個電力監控系統涉及的設備數量多、范圍廣，如果所有的數據量都直接發送到電力監控系統主站，將容易造成信息擁擠和瓶頸現象，而且發生故障時難以及時處理和控制，因此宜采用分層、分布式的通訊網絡。現場級電力監控網絡則為數據采集和實時監測的傳輸通道，根據需要按區域分成若干個相對獨立的區域子網，現場監控設備就近接入網內[5]。

全分布式的現場級電力監控網絡系統，即為分布式現場總線系統。其主要由三部分組成：現場監控設備、子站（即：區域網關或區域監控裝置）和通訊網絡，其結構如圖2所示，用以實現對區域電力系統實時數據的自動采集、處理、存儲、顯示、故障定位和報警。

圖1 電力監控系統網絡拓撲結構框圖

圖2 電力監控系統分層控制劃分結構框圖

其中，現場監控設備主要完成其現場級設備內各種參數的采集；子站是監控系統的中間層，主要實現所管轄區域的現場監控設備的信息集中處理、故障檢測等功能；通訊網絡為信息和數據傳輸的介質。而上層監控網主站則是整個電力監控系統的監控和管理的最高層，負責全船電力系統運行狀況的監視和控制[6]。

3 現場級電力監控網絡系統優化研究

結合實船試驗中暴露的各類技術問題，從系統和設備等主要角度，提出現場級電力監控系統網絡設計、現場監控設備和現場施工等三個主要方面提出改進方案，從而提高系統的可靠性和可用度。

3.1 系統級優化

3.1.1 網絡故障定位困難

現場級電力監控網絡系統采用CAN總線結構，由一對屏蔽雙絞線組成，分為高電平和低電平。為保障系統網絡的可靠性，采用主備雙冗余熱備的形式，即有兩條獨立、并行的總線，通過逐段連接的方式將各個現場監控設備串聯起來。為有效解決因電纜接線不正確、電纜斷裂、電纜破損接地而引起CAN網絡通訊故障，從而系統隔離故障節點不影響其他節點的正常運行，使得故障恢復過程快速。

1）雙冗余CAN網絡電纜采用不同的電纜編號。

2）選用能夠較容易區分主用芯線對和備用芯線對的電纜作為CAN網絡的通訊電纜，如兩對芯線采用不同的顏色等。

3）不同現場監控設備的接線方式和通訊協議，采用統一的端子定義、命名規則和協議格式。3.1.2網絡線路太長和節點設備過多

網絡長度、網絡上通訊設備的節點數以及網絡傳輸速率均對網絡通訊有很大的影響。傳輸速率和最大傳輸距離之間的關系如表1所示。

表1 CAN網絡傳輸速率與傳輸距離的關系

由于CAN網絡是分段連接的，并且實船電磁環境比較復雜，因此實船上的最大傳輸距離達不到理論最大傳輸距離。在滿足監控功能實現基礎上，可以適度調整網絡數據的傳輸速率、各通訊信道的采集頻率等方案，以解決配電監測網絡無法正常通訊的問題。此外，為增強系統的可靠性和可用度，可適度減少網絡電纜長度或者增加監控子網絡組建數量[7]。

1）優化區域子網的電纜連接關系，使得網絡總長度最小。

2）控制網段節點數量不超過32個節點，否則影響通訊信號質量。

3）設置網絡中繼器或者網橋的方式，提高網絡的傳輸距離。

4）增加上層網關數量，減少區域現場級子網絡的節點數和網絡長度。

3.1.3 報警和消警方式不當

由于報警信息實時性要求較高，而現場監控設備存在一定的延時（小于2 s），其一般采用主動發送報警報文方式。但由于網絡通訊條件惡劣時，報警報文可能丟失，其單純依靠監測設備主動發送報警報文實現故障報警是不完善的，因而可考慮增加監測狀態報文方式作為故障報警的備用方式。

對于故障消警，沒有較高的實時性要求，且對于不到2 s的消警延時是完全可以接受的。因此，消警完全可以通過監測報文來實現，而不必采用監測設備主動發送消警報文的方式。這樣既可保障消警的可靠性，也減少了網絡上通訊的數據量，從而對網絡系統的可靠運行也有幫助。3.1.4網絡終端電阻設置不當

在CAN通訊網絡兩端設置120 Ω終端電阻是CAN網絡正常通訊的基本要求，終端電阻缺失會直接導致通訊失敗；或者網絡中間設備電阻并入通訊網絡，也將會降低網絡通訊性能。為有效解決系統網絡終端電阻設置的問題，在現場監控設備上采取跳線的方式設置終端電阻。當設備處于網絡終端時，使120 Ω的終端電阻處于有效狀態；當設備處于網絡中間時，使120 Ω的終端電阻處于無效狀態。

3.2 現場監控設備級優化[8-10]

3.2.1 設備抗干擾、可靠性方面設計不夠

由于現場級電力監控網絡的節點比較分散，船舶現場電氣噪聲大，特別當多個節點設備連接會出現干擾累加，如果未得到有效處理，很可能導致總線通訊癱瘓或設備死機甚至燒壞。目前，現場監控設備的軟、硬件采用開放式環境，支持多種硬件平臺，然而在濾波及容錯性等抗干擾性方面充分考慮得不夠。在實船惡劣環境下，現場監控設備常出現通訊質量不高，甚至出現誤報警、漏報警現象。

因而在設備級優化設計中，須重點考慮網絡系統的關鍵設備應冗余配置，單點故障不應引起系統功能喪失和數據丟失，以保證數據安全。如優化通訊方式、通訊協議增設防過流、過壓、極性接反等保護手段，均可提高設備在惡劣電磁環境下的抗干擾能力。

3.2.2 設備可調試、可維性方面不夠

現場監控設備常出現網絡節點通訊故障、ID設置重復、軟件不穩定等現象，然而在實船上其故障診斷與排除困難、排查工作量大，效率低。因而在設備研制中，其硬、軟件和數據信息應便于維護，具備完整的故障檢測、定位和診斷功能。

在可調試性方面，可增設大容量的存儲芯片，作為本地報警歷史記錄，便于調試中查找原因提供數據；設置故障監測程序，快速定位故障，提高各接口調試效率；同時須考慮實船環境的復雜性和網絡距離預計不足，采用撥碼形式可動態設置波特率或地址編碼。在可維修性方面，可設置故障編碼對采集過程的故障進行存儲、在線擴充系統軟件功能等措施。

3.3 施工角度提高系統可靠性

現場級網絡電纜應采用帶屏蔽的通訊電纜，屏蔽層可靠接地，且避免通訊電纜與電力電纜敷設在一起，以降低噪聲和其他電力電纜對網絡的干擾。總線網絡接地點設置一點，以防止接地點之間的電位差產生電流而干擾總線。另外，主用與備用總線電纜要分開從不同路徑敷設，以防止電纜因故同時損壞。

4 結論

針對大型船舶電力系統特點及復雜通訊網絡傳輸要求，本文研究提出大型船舶現場級電力監控網絡系統的研制理念與設計方案。同時結合復雜而惡劣的大型船舶環境，從系統設計、設備和現場施工等三個方面，提出了大型現場級電力監控網絡系統優化方法，并定性和定量地論證了其方法的有效性。從而，有效改進了現場級電力監控網絡系統的可靠性、可用性，為形成較為完善的大型船舶電力監控網絡系統提供技術積累和奠定實踐經驗。

[1] 孟祥忠, 王博主編. 電力系統自動化[M]. 北京∶ 中國林業出版社, 北京大學出版社. 2006, (8)∶ 19-42.

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[3] 莫仕勛, 楊柳林, 蔡義明. 電力系統分層分布式監控通訊模式的研究[J]. 信息技術, 2006,(10)∶161-163.

[4] 陳維剛, 費敏銳, 邊寧寧. 一種工業以太網與現場總線協議轉換器的研制[J]. 儀器儀表學報, 2005, (5)∶ 497-501.

[5] 張艷霞, 姜惠蘭編著. 電力系統保護與控制[M]. 北京∶ 清華大學出版社. 2005, (9)∶ 5-8.

[6] 孫建紅, 高捷. 船舶配電監測信息采集裝置研制[J].船電技術, 2009, (9)∶ 36-39.

[7] 陳在平, 岳有軍編著. 工業控制網絡與現場總線技術[M]. 北京∶ 機械工業出版社, 2006, (2)∶ 49-81.

[8] 劉德輝, 廖高華, 朱杰斌. 低壓配電實時監測系統的設計[J]. 配網自動化, 2007, (5)∶ 44-47.

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[10] 孫建紅. 基于DSP的電量參數采集和處理系統研究[J]. 船電技術, 2012, (1)∶ 39-41.

Optimization of on-site Electrical Power Monitoring and Controlling Network System in a Large-scale Ships

Sun Jianhong, Gao Jie, Cheng Hua
（China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

In view of the characteristics of electrical power system and the demand for complex communication network and transmission in a large-scale ship, this paper puts forward the conception and the design of the on-site electric power monitoring and controlling network system. With trials of the ship, the revealed questions which affect the normal operation of system, from the point of the system and the equipments, we research improved methods which network established and equipment optimized, to improve the reliability and usability of the field electric power monitoring and controlling network system. It lay a foundation to step up the design level of the electric power monitoring and controlling network system in large-scale ships.

ships; CAN field bus; power monitoring and controlling system; communication network

TM764

A

1003-4862（2015）08-0009-05

2015-04-28

孫建紅（1976-），女，高級工程師。研究方向：船舶電氣。