船舶PMS控制策略仿真測試平臺設計與實現

郝衛明，王永興，王 力

?

船舶PMS控制策略仿真測試平臺設計與實現

郝衛明，王永興，王 力

（武漢船用電力推進裝置研究所， 武漢 430064）

為了更好的驗證船舶功率管理系統的控制策略，避免危險工況下的測試風險，本文基于Matlab仿真軟件與Visual studio 2010開發工具，設計并實現了一個較為通用的船舶能量管理系統仿真測試平臺，從船舶能量管理系統的功能出發，具有針對性的建立船舶柴油發電機組、負載等模型用于仿真測試。該軟件可在正常和非正常狀態下測試PMS系統的控制策略，便于PMS控制策略設計，縮短PMS開發周期。

功率管理系統 仿真平臺 故障仿真

0 引言

電力電子技術以及現代控制技術的高速發展促進了船舶電力推進技術的快速進步，電力推進技術目前已經成熟的應用到科考船、海洋工程船舶、游船、散貨船、漁船等船舶，在經濟性、機動性和可靠性等方面比傳統推進船舶有明顯的優勢。受到諸多因素的限制，船舶電站的裝機容量有限，但負載設備的種類多、功率相對較大（與電站容量相比），與陸地電網相比，船舶電網具有相對獨立、容量小、負載、工況變化頻繁等特點，大功率負載啟動過程中會破壞電站穩定性，降低船舶的電網質量，影響船舶電網的頻率、電壓、諧波等指標，若控制策略不得當，會導致船舶電網失電，引發事故。

船舶功率管理系統（PMS，Power Management System）是船舶電站自動化控制系統的核心，實現了船舶能量及負載的統一管理、調度和控制。功率管理系統旨在提高船舶電站的可靠性和安全性，降低船舶電網失電的可能性，其功能大致可分為：發電裝置管理功能、配電系統管理功能、負載管理及系統輔助監控報警功能。

1 仿真測試平臺系統分析

基于上述功率管理系統的功能，目前，功率管理系統的研究熱點集中控制策略的優化研究[1]，包括：防失電控制策略優化、發電機組控制策略優化、負載限制控制策略優化和全局工況控制的策略優化問題等[2]。

在控制策略優化設計方面，需要進行大量試驗驗證工作，由于船舶電站的配置是依據船舶的類型、功能、負載、航速、航區、規范等定制生產，船舶電站PMS的控制策略也是因船而異。

在控制策略優化的實驗驗證階段，多采用基于Mabtlab/simulink建立船舶電力系統仿真模型[3]（包括柴油發電機組、配電系統、負載等）來完成控制策略或算法的優化或驗證。針對單個設備的控制策略或算法的優化研究，是尋求單目標（單設備）優化的最優解，而船舶功率管理系統的控制策略優化問題是一個多目標優化（系統級）問題。通過建立通用性強的船舶電力系統仿真模型，對系統中的各設備仿真模型進行統一的調度管理，在船舶電站功率管理系統中的控制策略驗證過程中，打破局部最優解的限制，尋找系統的多目標最優解，一方面，加快了功率管理系統的開發流程，另一方面，仿真測試平臺可以實現電力系統在破壞性試驗下的功率管理系統的響應及狀態，提高系統的安全性和可靠性。

2 仿真測試平臺的設計

2.1體系結構

在船舶功率管理系統仿真測試平臺的設計中需要綜合分析船舶功率管理系統的系統約束條件，依據仿真測試平臺的系統要求，確定如下圖1的系統體系結構。

圖1 仿真測試平臺結構

仿真測試平臺底層采用matlab/simulink為仿真驅動，在該層建立模塊化、特性參數可配置的設備仿真模型，如包括柴油機、發電機[4]、機組調速器、負載模型等，在仿真引擎中，仿真測試平臺提供仿真模型特征參數設置接口。

數據交互接口是連接仿真引擎和上層仿真調度管理模塊的橋梁，在上層管理軟件中調用仿真引擎提供的API函數，實現上層調度、管理指令的下達，并為上層軟件提供了共享實時仿真數據的接口。

基于Visual C++的可視化軟件開發工具和程序語言的兼容性[5]，完成仿真測試平臺軟件的編寫與調試，其功能模塊包含了模型調度、系統生成、與仿真引擎的數據共享、仿真控制、參數設置、故障注入以及人機交互等功能。仿真測試平臺為測試對象提供了以太網和RS485/422接口，一般情況下，由可編程邏輯控制器構成的功率管理系統均具備上述兩類接口。

2.2仿真測試平臺的運行模式

仿真測試軟件可通過下述兩種模式對功率管理系統進行測試，如流程圖2所示。

其實，中國“一字師”的故事很多。比如《唐詩紀事》記載的故事，鄭谷改齊己詩《早梅》，把“前村深雪里，昨夜數枝開”改為“前村深雪里，昨夜一枝開”；人民教育家陶行知聽從小孩的建議，把“大孩自動教小孩”改為“小孩自動教小孩”；詩人公劉聽從編輯的意見，將一詩中“中國在笑！中國在跳舞！中國在狂歡”的“跳”刪掉。金庸先生的“棒子鎮”是小說地名，改為事實上的地名“榛子鎮”，雖然改不改都可，但改為“榛子鎮”可證小說更為嚴謹，作家更為嚴謹。

圖2 仿真系統工作流程圖

正常運行測試，可以進行功率管理系統控制策略的測試，如負荷自動增減機控制策略測試，推進裝置功率限制策略測試，失電恢復控制策略測試[6]，重載詢問控制策略測試等，可在此工作模式下測試并驗證控制邏輯和控制策略的合理與優劣。

在設備出現單點故障時，引起系統的變化是具有連鎖效應的。因此，將船舶電力系統中的故障參數進行提取，形成故障參數集合，在仿真模型正常運行期間，采用故障注入技術，向模型注入故障參數集，實現系統突發故障的仿真，故障具有真實性、可信度高的特點。可在此模式下測試功率管理系統在船舶電力系統出現突發情況時的響應狀態，如主發電機組故障跳閘等。

2.3模型建立

典型的電力推進船舶配備的設備主要包含有主柴油發電機組，主配電板、應急/停泊柴油發電機組，應急配電板，變壓器、變頻器、推進電機、螺旋槳及其它電力設備。

船舶電力系統仿真模型能夠準確的反應船舶電力系統的實際運行狀態，電力系統模型中的仿真模型參數按照國家標準以及中國船級社的規范整定，滿足船舶電網靜態與動態特性，電力系統模型采用模塊化的設計，見仿真系統圖3，有利于模型調度、管理。

圖3 系統仿真模型

2.4仿真測試軟件實現

基于Visual studio 2010開發仿真測試軟件，具備模型的調度、管理、內存管理、故障注入、人機交互等功能。人機交互功能實現模型參數與系統參數設置，仿真測試系統實時運行狀態，故障集合設置及測試結果顯示等功能。

3 仿真測試實例

以某電力推進系統船舶電站配置為例，對系統進行了驗證，該船配備了4臺800 kW柴油發電機組，調速器使用Woodward UG25+，自動電壓調節器為巴斯勒DECS-100。該船配備的負載中具有在作業工況下啟停較為頻繁，對船舶電網的穩定性造成了較大的沖擊，特別是對機組的調速、調壓性能具有較大的影響[8]。

在仿真過程中，參數采用該船實船數據，負載選用三相電阻負載，共分為二級負載，一級負載為固有負載，占發電機組容量的10%，二級負載為變動負載，容量為機組容量的30%。對二級負載的突加30%情況做出仿真驗證，觀察發電機機端電壓、機組轉速、發電機輸出功率、發電機勵磁電流以及A相輸出電流的標幺值，如圖4所示。

4 結束語

本文以Matlab為仿真驅動，利用Visual studio2010設計開發了船舶能量管理系統控制策略仿真測試軟件，為能量管理系統的控制策略研究提供了一個模塊化、通用化、可視化的研究平臺。另一方面，可在該平臺實現部分破壞性試驗的測試工作，彌補物理實驗無法完成的工作。該仿真平臺還需要進一步的優化，特別是在仿真軟件中各線程的管理計算機資源的合理分配、人機界面等方面都需要改進。

圖 4 突加30%負載仿真結果

[1] 孫寶龍. 船舶電站功率管理系統理論研究與設計 [D]. 大連: 大連海事大學, 2014.

[2] 柯常國, 王勁, 楊俊飛. 電力推進船舶功率管理系統設計與研究[J]. 船電技術, 2013.9, .33(.9): 17-21.

[3] 蘇金明. Matlab高級編程[M]. 北京: 機械工業出版社, 2008.

[4] 武福愿, 高海波, 趙文科. 船用同步發電機可控相復勵勵磁系統的仿真[J]. 船海工程, 2008, 37(5): 82-85.

[5] 尹成, 顏成鋼. Visual C++2010開發權威指南[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

[6] Damir Radan, Integrated control of marine lectricl power system[D], Department of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology, 2008.

[7] 梁樹甜, 沈楓, 王孟連等. 基于VC++的船舶電力推進系統故障仿真軟件設計[J]. 船電技術, 2011, 31(8): 18-22.

[8] 潘志強. 電力推進船舶能量管理系統控制策略研究[D]. 武漢, 武漢理工大學, 2014.

Design and Realization of Simulation and Test Platform for Ship’s PMS Control Strategy

Hao Weiming, Wang Yongxing, Wang Li

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

In order to get a better PMS control strategy and avoid risk of the test under dangerous condition, a general simulation and test platform for PMS control strategy is designed by using the combination of Matlab simulation and visual studio 2010 developing tools, for diesel generator sets, load and other equipments. This software can be used to test the control strategy of PMS both under normal and fault condition, and shorten the development cycle of PMS.

power management system; simulation platform; fault simulation

TP391.9 TM761

A

1003-4862（2016）04-0073-04

2015-12-23

郝衛明（1988-），男。研究方向：船舶電力推進。