船舶智能供配電系統研究

王之民，陳松濤，胡祥平

(鎮江賽爾尼柯自動化有限公司，江蘇 鎮江 262000)

0 引言

船舶智能供配電系統從全船能量的整體優化調度和管理目標出發，覆蓋了從發電機組（包括柴油發電機、軸帶發電機以及新能源）到供配電網絡，再到負荷用電設備（全范圍），即“源-網-荷”[1]。現代船舶多為電力負荷，將智能配電板則作為信息樞紐和控制樞紐，對全船用電設備能量進行進一步高效優化管理，使船舶智能供配電系統具備對全船用電設備的電源優化調度、節能減排與健康管控（包括電力電纜與電力負荷設備的健康狀態監視、安全管理與控制）的功能，最終船舶智能供配電系統“源-網-荷”協調運行，達到節能減排環保以及提高全過程安全性的目的。

本文探討船舶智能供配電系統的功能需求，結構框架設計和關鍵技術實現。

1 系統架構

船舶設備具有“散亂雜繁”的特點，其集成控制是一技術難點。在智能船舶規范的指導下，根據設備及供配電系統實際情況，研制多項新型基于CPS、智能量測等技術的新型控制器，覆蓋機艙設備及電力電網，升級原有設備系統，提升系統信息通信功能。解耦原有的設備控制與信息傳遞組成（原通過一對一電纜連接形式被各種拓撲結構的數據通信替代），在實現設備安全可靠控制同時，又實現數據信息互聯互通。通過新型的計算機網絡數據平臺，以數據融合技術重構艙室設備智能管控平臺（各分系統通過電纜連接的點對點數據通信被中央數據庫替代），實現船舶供配電系統智能管控。同時結合艙室輔機智能管控以及已構建智能機艙平臺（智能船舶1.0）進行數據再融合，最終補充實現全面的智能機艙功能（滿足智能船舶2.0要求）[2]。其具體技術路線如圖1所示。

圖1 智能供配電系統技術路線Fig. 1 Technical route of intelligent power supply and distribution system

2 智能電站管理系統研究

智能電站管理技術的核心在于如何對能量進行分類預測、高效管理及調配[3]。結合歷史運行數據特征與專家數據庫，通過建立系統和設備的典型模型與算法對電網系統進行綜合性的需求分析及預測，在船舶不同運行模式下，確立能量配置、調配、管理策略。如船舶發電系統的啟停投切、傳輸線路的波動、負荷的間歇性變化會對船舶電網系統的穩定造成較大的影響[4]。基于功率預測，通過合理的能量管理技術對能源的出力、負荷的分配進行較為精準控制，可減小源-網-荷波動對船舶電網的影響，從而保證船舶電力系統的可靠、安全運行。

在智能電站管理系統的能量管理可實現智能電源系統中能量流的優化調度與智能管控。

2.1 船舶電站系統模型研究

包括發電機組啟停運行、額定運行、投切運行等不同工作狀態下穩態及暫態模型研究；輸電線路正常工作、短路、斷路工作狀態下模型研究；負荷投切、負荷間歇性波動、重載等工作狀況下的模型研究等。

2.2 船舶電站系統功率預測研究

船舶電網具有低慣性、多運行模式以及大量電力電子裝置接入等特點。對不同運行模式下，電網系統功率進行功率預測研究，提高系統的暫態性能以及穩定性。基于功率預測，通過合理的能量管理技術對能源的出力、負荷的分配進行較為精準控制，可減小源-網-荷波動對船舶電網的影響，從而保證船舶電力系統的可靠、安全運行。

2.3 基于協同控制的能量管理策略

智能供配電系統的智能電站管理系統是在常規電站管理系統的基礎上提出一種基于協調控制的能量策略，針對電源和負荷的隨機性運行工況，以系統網損最小、各單元的運行效率最高為目的，即協調控制各用電設備，實現功率預測、優化配置、高效管理，此外在供需之間進行能量的生產，調度，消耗等諸方面的管理，需要考慮在滿足穩定安全供電的基礎上兼顧經濟性。

圖2 船舶電源系統能量管理Fig. 2 Energy management of ship power system

3 智能供配電線路管理與控制研究

船舶電網及負荷設備的健康狀態監測和維護是保障設備正常安全運行、提高設備工作效率、延長設備使用壽命的主要手段。隨著設備制造技術的發展和科學技術的進步，現代設備的結構越來越復雜，自動化程度越來越高，設備的日常維護和故障檢修越來越困難，設備維護的費用越來越高[4]。電網及負荷設備狀態監測和維護的目的是及時準確地對多種異常狀態或故障狀態做出診斷，預防或消除故障，對設備的運行進行必要的決策支持與保護，提高設備運行的可靠性、安全性和有效性，把故障損失降低到最低水平[5]。

配電線路智能化關鍵技術，尤其是電纜、環境和氣象條件等狀態特征參數信息獲取、評估診斷等相關技術，實現配電線路狀態的智能監測與故障診斷。通過對配電線路及開關的監測與控制，實現過電流繼電保護功能，應用于分支線、分界點或線路末端開關，處理線路瞬時性故障，實現配電線路測控保一體化，為供配電融合奠定技術基礎。電力電纜絕緣監測與故障定位裝置，為智能供配電線路健康安全運行提供有效技術保障。

3.1 智能供配電線路特征參數獲取

利用計算機技術、嵌入式系統控制技術、傳感器技術以及現場總線技術等先進技術對配電線路導線、環境和氣象條件等狀態特征參數信息（如電壓、電流、溫度等）進行獲取、評估診斷、遠程及實時通訊等技術處理，開發智能供配電線路高級應用，為后續線路絕緣故障監測及故障定位、線路測試控制保護一體化提供接入平臺，并最終接入智能電站管理系統平臺。

3.2 絕緣監測及故障定位裝置開發

向船舶電網電纜導體上注入特定某一頻率交流電壓，利用軟硬件濾波算法等技術測量出等效接地點相應頻率響應電流，計算出電網絕緣等效阻抗即系統的等效絕緣電阻和系統對地泄漏電容等參數，并通過安裝在不同回路的環形互感器檢測獲取定位電流信號，通過綜合分析比較可實現對故障回路的自動定位。

圖3 絕緣監測及故障定位Fig. 3 Insulation monitoring and fault location

3.3 線路測控保一體化技術研究

借助具有遙控、遙信、故障檢測功能的饋線自動化終端裝置，通過總線與集控室通信，最大程度減少通信電纜[6]。并將部分饋線開關集成入饋線自動化終端裝置，轉移至線路末端，實現一二次設備融合，有效實現“源-網-荷”測控保解耦，便于隔離故障擴散。

4 負荷主動管理與控制研究

船舶的主要負荷包括數量眾多由電動機驅電動的泵、風機與空調等等。負荷主動管理與控制研究在于構建一種基于信息感知與數據融合的智能負荷預測與分布式負荷管控系統[7]。負荷主動管控由智能量測系統（信息感知）、基于負荷分類（數據融合）的負荷預測、基于工況優化的分布式能量管理與控制、基于環境舒適度評價的空調負荷智能調度控制以及智能電機綜合保護控制器組成。船舶電力負荷及作業負荷根據負荷運行特性的不同，需依據實際運行工況下的諸如風速風向、吃水、油量、作業模式等歷史運行數據實現對該類負荷進行功率預測[8]。從而構建以負荷分類為基礎的負荷精確預測系統，從而實現全船負荷運行模式的共享，全船所有用電設備則通過分層網絡進行基于全船管理系統的工況調度要求與負荷預測數據進行跨系統的優化配置與調度，實現分布式協同功率控制與協同保護功能。

圖4 線路智能化Fig. 4 Intelligent power grid

4.1 智能量測系統

基于嵌入式系統（ARM）核心和數字信號控制器（DSP）核芯的雙核架構的智能量測系統。該系統借助現場總線冗余技術為本專項諸如環境評價系統、電能質量監測、船舶電站發電量監測、負荷監測與智能電站管理系統平臺等提供先進的信息感知手段，并形成智能供配電系統的信息流，此外，該系統通過冗余雙現場總線與上級綜合管控網絡平臺進行信息交互。

以DSP芯片為技術的智能量測技術，全面解決船用電力系統的測量精度問題，控制及后臺的智能管控提供精準數據。

全船負荷根據負荷運行特性的不同，如對易受航行海區的海洋環境、季節或晝夜的變化等影響的風機、泵類負載，需依據實際運行工況下的諸如風速風向、吃水、油量等歷史運行數據實現對該類負荷進行功率預測。從而構建以負荷分類為基礎的負荷精確預測系統。

4.2 智能電機管理控制系統

圖5 基于嵌入式+DSP技術的智能控制器示意圖Fig. 5 intelligent controller based on embedded + DSP Technology

基于嵌入式控制器核心和數字信號控制器核芯的雙核架構的智能電機綜合保護與控制器，使船舶智能供配電系統具備機旁與遙控的兩級負荷管控與電機保護的功能，以及通過冗余雙現場總線與上級綜合管控網絡平臺進行信息交互。

在源/荷電量測量的基礎上，研制智能電機管理控制系統。通過特定的參數設置，為各種電機的應用場合提供適當的控制、監測和保護功能。控制器測量和計算的電氣參數包括三相電流（A）、功率因數、三相線電壓（V）、頻率（Hz）、有功功率（kW）、視在功率（kVA）、電能（kWh），以及電機狀態、電動機運行時間、電機停止時間、啟動次數、脫扣次數。從而實現全船負荷運行模式的共享，全船所有電機則通過分層網絡進行基于全船用電設備的工況調度要求與負荷預測數據進行跨系統的優化配置與調度，實現分布式協同功率控制與協同保護功能。

圖6 基于信息融合的智能負載預測Fig. 6 Intelligent load forecasting based on information fusion

5 結 語

通過對“源-網-荷”3個方面的研究，實現以提高船舶各負荷設備集中管控、健康狀態監測及其安全性和實現節能減排為目標，開發船舶智能供配電系統，完成與全船網絡平臺融合，實現可視化、信息化及遠程操控等優越性能。