船舶智能化配電監控系統設計研究

鄧勇智 丁敏飏 鄭國威

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

隨著船舶行業的發展，船體規模總體朝大型船舶方向靠攏。船舶排水量和電站容量不斷增加，常規動力單電站或雙電站設計已無法滿足船舶大型化和電站容量增長的需求。三電站或更多電站的船舶日益增多，對船舶配電管理、監測和控制提出了更高要求；同時，船舶行業信息化和智能化水平不斷提升，也對船舶配電信息監測與智能控制提出了更高要求。

船舶配電系統是介于船舶電源系統和用電設備之間傳輸與分配電能的全部裝置和網絡的總稱。作為船舶電力系統的重要組成部分，船舶配電系統將船舶上的電源裝置產生的電能輸送到用電終端，為船舶各系統用電設備發揮功能提供基本保障。傳統船舶一般設置配電監測系統來監測船舶配電網運行情況。傳統配電監測系統一般通過互感器采集船舶重要用電負載的配電信息，僅能實現對重要負載電壓、電流信息進行監測。傳統配電監測系統大部分采用分散監測或者集成化程度較低的集中監測方法，人機界面簡單、功能單一、管理落后且信息化智能化程度低，缺乏對配電網絡集中管理和遠程控制的能力。隨著船舶大型化、配電網絡復雜化以及電站容量不斷增長的趨勢，配電系統監測的對象大大增加，分布位置相對離散，故障頻次增加，傳統的配電監測系統已經難以滿足現代船舶配電系統高度信息化和自動智能化管理控制需求。同時，開關斷路器電量附件的發明應用，簡化了開關信息采集和遠程控制功能所需的硬件組成，降低了成本；工業計算機不斷小型化，存儲計算性能進一步提升，為船舶配電系統實現實時監測、集中管理、遠程管控和智能控制鋪平了道路。自動化、智能化已成為配電系統發展的趨勢。

1 配電監控系統定位

船舶電力監控系統一般分為供電監控系統和配電監控系統。供電監控系統主要是對供電側電源裝置運行情況監測、管理以及自動化控制;配電監控系統主要是對配電側用電對象進行監測、遠程管控及自動化智能化控制。

船舶建立配電監控系統意義在于：

（1）集中監管，減員增效

配電監控系統可實時采集配電網上各設備運行情況，實現對全船配電網絡的監控。管理人員不再需要通過問詢或現場查看才能了解信息，只需通過監控界面便可全面掌握配電系統運行情況。對于用電負載多且分布離散的大型船舶，可大大減少人員值更需求和繁重的巡檢記錄工作。利用遠程操控開關代替船員現場操作，可有效達到管控集中、減員增效的效果。

（2）提高電網運行可靠性

配電網絡一旦出現故障，配電監控系統第一時間會發出報警。根據故障位置提供的地址信息，配電監控系統可精準定位故障位置，減少故障定位時間；同時，故障位置用電狀態記錄可有效復現故障發生過程，為故障分析診斷提供重要依據，減少斷電時間，把故障對配電網影響降低到最小。

（3）智能優化配電網絡，提高電網效率

對于多電站船舶而言，重要用電設備一般設置兩路供電提升設備的供電可靠性。當用電功率較大的兩電源負載（后文稱為“重載設備”）運行時，通過設計智能配電算法自動為其選擇最優供電電站，優化重載設備的配電路徑，從而使電站負荷均衡且減少電站間的跨接電流。通過以上智能配電優化策略，可有效提高電網整體配電效率，減少能量損耗。

（4）自動化和智能化控制

開關斷路器電量附件的發明應用極大方便了采集三相電壓、三相電流、功率和功率因數等信息，同時能夠遠程通信控制開關合閘/分閘。配電監控系統根據采集信息以及供電網信息，可實現按優先級自動分級卸載和智能優化重載設備配電路徑等功能，有效提升全船配電自動化智能化水平。

2 系統架構

2.1 配電監控系統信息需求

依據配電監控系統定位，系統應具備采集監控配電網狀態參數以及電站狀態參數功能，向上級系統發布狀態信息并接收上級控制指令功能，智能決策向下級配電網下發控制指令功能等。從以上功能出發，可以分析配電監控系統需求表（表1）中的信息。

表1 配電監控系統信息需求表

續表1

2.2 系統架構

配電監控系統主要由主站、從站、采控終端以及通信網絡組成，其結構如圖1 所示。根據船舶電站數量，一般每個電站可設置1 個主站，主站由配電顯控終端和配電區域控制中心組成。配電顯控終端為使用人員提供人機交互界面，配電區域控制中心具備數據存儲管理和自動化智能自動控制功能，是配電監控系統的中樞。從站數量根據配電分區終端容量來配置。從站主要由現場采集控制中心組成，負責采集對應區域的配電信息和向采控終端轉發配電區域控制中心下發的控制指令，是配電監控系統中間層。采控終端具有采集配電網絡信息或控制被控對象功能，是系統底層。通信網絡是把主站、從站以及終端鏈接在一起的介質。

圖1 配電監控系統夠架構

2.3 系統網絡架構

配電監控系統中可采用以太網、控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）總線或串口通信組建系統網絡架構。影響通信形式選擇因素主要有傳輸的信息量、通信距離、全船網絡配置以及硬件網絡接口形式。一般而言，上層網傳輸數據量較大，宜采用以太網或者CAN 總線形式；下層數據采集數據傳輸量較小，宜采用CAN 總線或者串口形式。

以太網具有可靠性高、傳輸速率快、拓展性強以及可維護性好等特點，現代船舶中已廣泛應用以太網為全船組建信息網絡。配電監控系統上層網可利用該網絡組建上層網絡。根據分區設置來分區采集數據、分區配電以及分區設置監控臺且互為備份,網絡節點相互獨立且網絡總線有冗余能力,可使系統的整體可靠性和生命力大大提高。CAN 網絡需根據通信速率和傳輸距離關系選用，其通信速率和距離關系見下頁表2。以CAN 網絡組建的上層網適合小型船舶或對網絡和控制中心冗余設計要求較低的船舶，串口通信網絡主要用于下層數據采集或簡單控制指令通信，船舶用電終端設備容易配置串口或者CAN 接口。

表2 CAN 網絡傳輸速度與傳輸距離關系

圖2是某船以CAN 總線為上層網設計的配電監控系統。

圖2 某船配電監控系統網絡結構

該配電監控系統主站互為冗余備份，任一主站正常工作，配電監控系統即可正常工作；任一區域從站發生故障，都不會影響其他區域配電信息采集和負載遠程配電控制。

3 系統硬件設計

3.1 配電顯控終端

配電顯控終端是配電監控系統人機交互窗口，并安裝了人機界面軟件。使用人員通過配電顯控終端可查看各項監測數據，遙控管理用電設備。配電顯控終端對硬件的存儲算能力要求較低，可選用通用性較強的觸控式顯控一體機作為硬件，嵌裝在各區域的主配電板上。在任一分區的主配電板上都可實現對全船的配電信息監測和遠程配電控制。

3.2 配電區域控制中心

配電區域控制中心可選用小型通用加固計算機，其主板上可根據需求擴展標準化板卡，如內存、通信板卡和電源模塊等。配電區域控制中心主要負責數據存儲、分析、計算以及根據算法計算結果自動下發控制指令，一般配置較高性能的CPU和較大的內存。其本身不需要配置顯示器和輸入設備，只需配置相關調試接口。

3.3 現場采集控制中心

現場采集控制中心可選用小型化通用加固計算機，主要負責打包上傳采集數據，下發遠程控制指令。其對計算機的存儲計算性能要求低于配電區域控制中心要求，但對通信接口、IO板卡需求較高，可根據終端分布配置數量。現場采集控制中心也無需配置顯示器和輸入設備，只需配置相關調試接口。

3.4 采控終端

采控終端主要有以下幾種形式：

（1）開關斷路器電量附件

通過RS485、CAN通信或者以太網通信接口形式采集開關斷路器三相電壓、三相電流、功率因數、功率和網絡通信狀態等信息；通過通信協議控制開關合閘/分閘。

（2）三相電壓電流采集模塊

采集監測對象（如配電板母排）三相電壓、三相電流等信息。

（3）絕緣采集模塊

采集監測對象絕緣信息。

（4）繼電器輸出模塊

輸出開關量控制指令，如集中照明控制等。

4 系統軟件設計

配電監控系統軟件由配電監控系統人機界面軟件、配電中心計算軟件和現場采控軟件組成。配電監控系統人機界面軟件安裝在配電顯控終端內，是配電監控系統的人機交互界面，可采用組態或者其他界面軟件編制。其中組態軟件通用性強，對于不同的應用對象只需要改變數據實體即可。配電中心計算軟件安裝在配電區域控制中心內，是配電監控系統的數據處理中心，負責集中存儲數據、運行智能算法進和自動化輸出控制指令。現場采控軟件安裝在現場采集控制中心內，是配電監控系統下層數據中轉站。其主要負責打包處理來自采控終端的數據，并把打包數據上傳至配電區域控制中心，同時把配電區域控制中心的控制指令下發至采控終端。

通過以上軟件配電監控系統軟件可實現以下功能：

（1）監測電網配電信息

配電監控系統能夠實時監測配電網絡通信狀態，主要包括：配電板上各負載的三相電壓、三相電流信息，開關的三相電壓、三相電流、功率因數、功率、網絡通信狀態和報警信息以及支路的絕緣信息等。如下頁圖3和圖4所示。

圖3 配電監控系統界面

（2）遠程控制用電負載

通過配電顯控終端軟件可以遠程控制開關合閘/分閘（ON/OFF按鈕），從而達到遠程控制負載運行或停止功能。如圖4所示。

圖4 開關監測信息及控制界面

（3）集中照明控制

通過軟件界面實現對全船夜燈集中照明進行分區或整體控制，并且在示意圖中反饋照明網絡實際信號。如下頁圖5 所示。

圖5 全船夜燈集中照明控制界面

（4）報警及歷史查詢

配電網發生故障時，軟件界面閃爍報警，通過故障位置的通信地址可精準定位至故障位置，通過歷史查詢功能可查詢或打印歷史報警記錄。

5 智能化設計

船舶電力系統智能化主要包含智能化供電和智能化配電兩方面：智能化供電指電力系統根據全網供電需求，智能管理電站運行，達到電站經濟運行和人員精簡的目的；智能化配電是指根據配電需求，智能化分配電力資源，達到降低用電損耗和精簡人員的目的。

本文智能化配電設計主要包括智能分級卸載設計和智能配電路徑優化設計兩方面：智能分級卸載指通過算法實現一種可根據卸載需求智能調整卸載范圍的功能，智能配電路徑優化主要是通過算法實現重載設備的配電路徑最優。

5.1 智能分級卸載

智能分級卸載可根據上級的卸載需求，通過智能算法按優先級自動切除負載，盡量減小切除負載范圍。

當電網波動使電站負荷超出發電機的指定運行負荷率時，供電監控系統將向配電系統下發卸載指令和卸載量（以電流為例）。配電監控系統收到上級下發的卸載指令和卸載量時，可根據算法按照設計優先級先卸載二級配電網絡中的非重要負載。若卸載量（卸載的電流大小）仍不滿足要求時，進一步卸載主配電板上的非重要負載；若還無法滿足要求時，進一步卸載主配電板上的機艙負載；此時若仍不能滿足卸載量的要求，配電監控系統將進一步進行二級卸載，切除更多用電負載。卸載全過程將通過配電區域控制中心、現場采集控制中心、采控終端和通訊網絡自動執行，可在無人介入的情況下完成。其流程圖如圖6 所示。

圖6 智能分級卸載功能流程圖

5.2 智能配電路徑優化

智能配電路徑優化當重載設備發出啟動請求時，配電監控系統可根據電站運行情況，通過算法計算重載設備最優配電策略，在半自動模式下給出配電優化路徑建議，在自動模式下自動切換至最優配電路徑。

配電路徑優化策略如下：當重載設備主、備用電站并聯運行，選擇實際帶載較小的電站作為主用電源，使重載投入后電站間跨接電流最小；若重載設備主、備用電源電站獨立運行，則選擇電源負荷率較低的電站作為主用電源，調整發電機負荷率，使之運行在效率較高的區間。

在電網穩定、重載設備請求運行時，配電監系統根據上述配電路徑優化策略向兩電源轉換裝置下發主備電源切換指令，收到兩電源轉換裝置切換完畢主備電源投入位置信號后，配電監控系統向重載設備下發允許運行信號。在半自動模式下給出配電優化建議，人工選定配電策略后，下發允許運行信號。在自動模式下自動執行兩電源轉換并下發允許運行信號，全程無需人工參與。

若重載設備兩電源轉換裝置能實現不間斷轉換，在重載設備已投入使用時，由于電網波動導致主、備用電站負荷率不均衡， 當不均衡程度超出設置指標時，系統可依據配電路徑優化策略在自動模式下實現無人自動調整重載設備的配電路徑，在半自動模式下提供重載設備的配電路徑建議。

若重載設備兩電源轉換裝置不支持不間斷轉換，在重載設備已經投入使用時，由于電網波動導致主、備用電站負荷率不均衡，系統僅能給出配電路徑優化建議，需要人工干預重新進行重載問詢才能實現配電路徑轉換。

軟件界面如圖7 所示。

圖7 智能配電優化功能界面

智能配電優化軟件流程圖如圖8 所示。

圖8 智能配電優化功能流程圖

6 結 語

針對傳統配電監測系統人機界面功能簡單、自動化智能化程度低、缺乏對配電網絡管控能力等問題，本文提出了智能化配電監控系統方案，闡述了智能化配電監控系統架構，分析了配電系統網絡構建，并對系統硬件和軟件基礎功能和智能化功能進行了設計。該系統可實現實時監測配電網信息、遠程控制用電負載、集中照明控制、報警，以及歷史查詢、智能分級卸載和智能配電優化等功能，既有效提升了配電自動化智能化水平，也提高了配電網絡運行可靠性。該系統已首次在某大型艦船中應用，獲得了使用人員較好的評價。智能化配電監控系統的設計及應用對促進船舶電力系統向自動化智能化發展具有參考意義。