船舶電力系統模擬訓練系統的設計與實現

金炳哲，龔喜文

(1.葫蘆島市91202部隊，遼寧 遼中 125000；2.上海船舶運輸科學研究所，上海 200135)

?

船舶電力系統模擬訓練系統的設計與實現

金炳哲，龔喜文

(1.葫蘆島市91202部隊，遼寧 遼中 125000；2.上海船舶運輸科學研究所，上海 200135)

為提高輪機員處理船舶電力系統故障的能力及相關訓練的效果,設計船舶電力系統模擬訓練系統。該模擬訓練系統采用半物理仿真的方式實現多船型船舶電力系統的模擬訓練和考核。通過對該模擬訓練系統的體系架構、設計及實現方法、模擬訓練方法及考核方法進行簡要介紹，指出該系統可使輪機員身臨其境地進行常見跨線形式船舶電力系統的訓練，并能提高訓練效率。

船舶電力系統；模擬訓練系統；切換；跨線形式

0　引　言

目前對輪機員的訓練主要采用陸上輪機模擬器訓練和海上航行訓練兩種方式。這兩種方式各有優勢，均在培養輪機人員的過程中發揮了較大作用，但都不利于培訓。

1)陸上輪機模擬器訓練具有培訓效率高、費用少、安全性高的優點，但存在以下缺點：

(1)教學環境固定單一，訓練與工作分離，訓練效率受到限制；

(2)訓練模擬器的功能與實際艦船相比存在一定差距，訓練效果不明顯。

2)海上航行訓練具備全真的環境，輪機員在事先設定好的環境中工作和學習能取得良好的訓練效果，但也存在以下缺點：

(1)海上航行訓練僅能進行少量非嚴重故障處理訓練，輪機員沒有積累處理突發嚴重故障的經驗；

(2)無法對訓練操作進行系統、專業的評價，訓練效果不夠理想；

(3)航行訓練需事先進行多方協調和長時間周密安排，周期長、耗資巨、風險大，缺乏便捷性，效率較低。

基于以上不足,提出基于多船型的船舶電力系統模擬訓練系統(以下簡稱模擬訓練系統)。該系統能綜合模擬所有可能的航行情況和故障情況，且訓練是在實際裝備上進行的，不論是在海上航行期間還是在港內停泊期間，也不論實際機電設備是否運轉，都能進行輪機員訓練。該模擬訓練系統不僅可以讓輪機員熟悉各種機電設備的情況、學習基本操作步驟、處理模擬運行故障及積累操作經驗，最主要的是能通過簡單的切換涵蓋目前大部分形式的船舶電力系統。因此，設計與實現模擬訓練系統對提高輪機員訓練的效率和效果具有重要意義。

1　模擬訓練系統設計

船舶電力系統是一套復雜的系統,包括柴油發電機、變頻器、配電屏和電站監控系統等。這里通過對實際船舶電力系統進行分析,設計半物理仿真的模擬訓練系統。

1.1設計目標和原則

通過對船舶電力系統的運行機理進行數學和物理建模，并綜合數值計算、實時仿真與控制、大型數據庫管理、網絡通信、I/O 接口控制及圖形監控等技術，設計一套集學員培訓考核和系統仿真與控制于一體的訓練平臺。該平臺可實現多種類型船舶電力系統的訓練、教學和培訓，設計的主要原則如下:

(1)在各類型船舶間轉換模擬訓練的操作簡便；

(2)采用半實物物理模型與數學模型相結合的混合仿真方式實現模擬訓練；

(3)采用模塊化設計，具有可擴展性。

結合計算機技術和控制技術的發展趨勢開展多船型電站綜合控制及配套智能管理軟件的技術研究，可在線選擇訓練方案、調用不同功能模塊和控制策略，實現多船型電力系統不同工況下的動態模擬運行。

1.2模擬訓練系統總體架構

模擬訓練系統總體架構見圖1,包含柴油發電機模擬裝置、模擬負載裝置、模擬配電屏裝置及模擬電站監控裝置等一整套船舶電力系統設備。其中：柴油發電機模擬裝置模擬同步發電機、原動機及相關附屬設備；模擬負載裝置模擬船舶電力系統的負載；模擬配電屏裝置模擬船舶電力系統的配電屏；模擬電站監控裝置采用實際的發電機組控制器和跨接控制器等。上層的電力系統綜合管理臺也采用實際的監控設備。

圖1　船舶電力系統模擬訓練系統總體架構

模擬訓練系統以最多配置6臺發電機組的船舶電力系統為研究對象并采用兩層網絡。

1)上層網絡為雙冗余以太網,將電力系統綜合管理臺之間互聯,電力集控管理臺上安裝有電站監控軟件、切換軟件和考核系統軟件。

2)下層網采用可靠性高、實時性好的雙冗余CAN現場總線，通信標準為CAN2.0B，通信速率為100 Byte/s，傳輸介質采用雙絞線。每臺發電機配置一臺機組控制器,機組控制器之間通過CAN網絡通信并具備電站系統的控制功能。

3)上下層網絡之間通過電力系統綜合管理臺上的裝有CAN卡的服務器相連接,實現實時數據的解析和通信協議的轉換。

機組控制器和跨接控制器采集發電機的模擬電量信號及報警信號等其他開關量信號,通過服務器把CAN網絡信息轉換成以太網信息,送到電力系統綜合管理臺上顯示。電力系統綜合管理臺的控制信號也可通過以太網轉換成CAN網絡信息并傳輸到控制器中。模擬訓練系統的網絡拓撲結構保證了數據的實時性和可靠性。

模擬訓練系統為每臺模擬發電機配置一臺機組控制器,并配置有2個跨接控制器控制4個跨接開關的合分。電力系統綜合管理臺具有電站的啟停合分等基本控制功能及考核功能,接收并顯示控制器上傳來的模擬量和報警信號。

2　船型切換及控制功能

模擬訓練系統的特點是可方便地進行船型切換及切換各個船型的不同控制功能。通過配置安裝在配電屏上的機組控制器和跨接控制器,在接到切換協議指令后切換成不同的程序和參數配置,實現單電站、單跨線前后電站和雙跨線前后電站等不同的組態形式及不同組態形式條件下機組控制器和跨接控制器不同的控制功能。下面舉例說明船型切換的實現流程和效果。

訓練人員在電力系統監控管理臺上將船型從當前船型切換為目標訓練船型時,只需雙擊目標船型圖標,這樣電力系統監控管理臺中安裝的監控軟件即從當前船型切換成目標船型,并通過服務器把新的船型信息傳輸到各個機組的機組控制器和跨接控制器；控制器接收到新的船型信息后自動將自身的程序和配置切換為目標船型的程序和配置,完成切換。

圖2～圖4為電力系統綜合管理臺模擬屏顯示的不同電站的切換效果。其中：圖2為單電站形式的模擬屏上顯示的單線原理圖,由于此時該船型只有單電站運作,因此沒有跨接,機組一和機組二控制器參與控制,跨接控制器不參與控制，圖中顯示有通過控制器采集并送到電力系統綜合管理臺的電壓、電流、頻率、功率及合閘反饋、隔離反饋等信號；

圖2　單電站形式模擬屏單線原理圖

圖3為切換到單跨線形式船型時的單線原理圖,此時4個機組控制器均參與控制,1QT和2QT跨接開關由跨接控制器1控制,跨接控制器2不參與控制(即默認斷開3QT和4QT),由此組成電站監控系統；

圖4為切換到雙跨線形式船型時的單線原理圖,1QT和3QT跨接開關由跨接控制器1控制, 2QT和4QT跨接開關由跨接控制器2控制,由此組成電站監控系統。

圖3　單跨線形式模擬屏單線原理圖

圖4　雙跨線形式模擬屏單線原理圖

切換成不同跨線形式的目標船型后,模擬訓練系統電站監控管理臺及控制器的軟件和配置都會切換成新的目標船型配置,具有各自的控制功能。輪機員根據該船的特點進行啟停合分等訓練操作。

3　模擬訓練方法

模擬訓練系統基本涵蓋現有船舶電力系統的所有跨線形式,包括單電站形式、單跨線形式和雙跨形式等。在電站綜合訓練管理臺上進行切換操作時,電力監控系統程序(包括電力監控管理臺的電站監控管理軟件和機組控制器跨接控制器中的控制程序)全部切換為需要訓練的船型,輪機員根據船舶電力系統的使用說明進行操作。

模擬訓練系統一般具有以下功能:(1)控制部位及方式選擇；(2) 機組的半自動起動、停機、合閘、分閘、調頻和調壓；(3)機組的自動投網、調頻、調載、解列和停機；(4) 加減負載；(5)功率增機、減機；(6)故障增機、減機。

下面以自動模式下的故障增機功能為例介紹輪機員利用模擬訓練系統訓練的方法。

將模擬訓練系統切換成某一船型后,在電力監控管理臺上通過半自動控制方式啟動2臺機組,合閘并通過模擬負載屏加上60%的負載,使2臺機組在網穩定運行；隨后切換到自動控制方式,此時通過輸入滑油壓力低故障(一般故障)觀察機組的運行情況。當機組發生一般故障時，啟動備用機組并自動投網運行；并網成功后，故障機組逐漸自動轉移負荷，自動解列和停機。當機組發生嚴重故障時,故障機組立即解列并停機,同時啟動備用機組,投網及進行調頻、調載。圖5為一般故障輸入及處理模擬訓練操作流程圖。

通過學習模擬訓練系統的基本操作流程,可使輪機員熟悉船舶電力系統的設備組成、體系架構和運行方式等；同時通過設置故障,可使輪機員學習排除故障的方法,進而提高排除故障的能力。

4　模擬訓練效果評估

為考察輪機員對訓練內容的掌握情況,模擬訓練系統還設計有一套檢驗訓練效果的評估和考核系統。輪機員在學習、熟悉該系統并具備一定的船舶電力系統操作能力后,通過電力監控綜合管理臺進入評估考核系統,進行啟動、停機及加減負載等具體操作,評估考核系統通過監測反饋對輪機員的每一項操作進行評估和打分,經過一系列的操作對訓練內容給出總的評估分數。圖6為加負載模擬訓練考核方法及策略圖，以考核輪機員加減負載為例說明系統如何評估輪機員對訓練內容的掌握情況。

圖5　一般故障輸入及處理模擬訓練操作流程圖

圖6　加負載模擬訓練考核方法及策略圖

5　結　語

設計并實現了涵蓋目前大部分船舶電力系統的船舶電力系統模擬訓練系統,重點討論了該系統的系統架構、控制功能、切換功能及訓練和考核方法。通過該系統，輪機員可身臨其境地進行常見跨線形式電力系統。運用該模擬訓練系統進行訓練是一種全新的模擬訓練方法,且附有一套行之有效的考核方法,能提高船舶電力系統的訓練效率。

[1]龔喜文，鄭元璋，石林龍.船舶PMS控制器設計及關鍵技術研究[J].上海船舶運輸科學研究所學報,2010,33(2):83-87.

[2]劉偉,陳鳴妤,林春平.船舶軸帶發電機電站監控系統設計[J].上海船舶運輸科學研究所學報,2014,37(2):37-42.

[3]姜錦范．船舶電站及自動化 [M]．大連：大連海事大學出版社，2005.

[4]管小銘.船舶電力系統及自動化[M]. 大連：大連海事大學出版社，1999.

[5]王煥文.艦船電力系統及自動裝置[M]. 北京：科學出版社，2004.

Design and Implementation of Training Simulator for the Ship Power System

JIN Bingzhe,GONG Xiwen

(1.HuludaoCity912022Troop,LiaozhongLiaoning125000,China； 2.StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology，ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute，Shanghai200135，China)

Marine engineers need to familiar with the operation of the ship power system. The simulator is developed to improve the training in the capability to handle faults in the ship power system. The Simulator based on the semi-physical simulation is designed both for training and operation assessment.The system structure, the design and implementation, training approach and assessment method are introduced.

ship power system； simulation training system； switch； jump-over connection

2015-10-13

金炳哲(1973—)，男，遼寧遼中人，工程師，從事裝備管理與維修工作。

1674-5949(2016)01-049-05

U665.1;TM743

A