劉曉勤 施偉鋒 胡紅錢

（上海海事大學(xué)電氣自動化，上海 200135）

1 引言

最近十多年來，船舶營運(yùn)量快速上升。而同時，幾乎所有的船舶公司都在盡力降低船舶營運(yùn)成本并提高船舶安全性。對于船舶電力系統(tǒng)而言，由于用電設(shè)備的大量增加，已使得船舶發(fā)電量和用電量大幅度上升[1]。另外，船舶電力系統(tǒng)與船舶的各個系統(tǒng)均有牽連，它是船舶系統(tǒng)中一個較為重要的組成部分，直接影響著船舶運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性[2]。

目前，海運(yùn)大型船舶的投入越來越多，船舶電力系統(tǒng)的單機(jī)容量和電站容量不斷增大，船舶供配電系統(tǒng)控制與管理的復(fù)雜程度和自動化程度越來越高。而對于船舶電力系統(tǒng)而言，電能質(zhì)量問題使得船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性下降，降低了船舶運(yùn)行的安全性，甚至對人員的生命構(gòu)成威脅[3]。所以船舶電力參數(shù)的測量和電能質(zhì)量的改善已成為造船領(lǐng)域中很緊迫的任務(wù)。

因此，設(shè)計(jì)一套有效的船舶電力監(jiān)控與電能質(zhì)量分析系統(tǒng)對船舶的安全營運(yùn)具有現(xiàn)實(shí)意義。船舶電力系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組是柴油發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)用電負(fù)載的種類比較多，電力系統(tǒng)的動態(tài)變化范圍比較大，系統(tǒng)的動態(tài)過程變化頻繁。

本文基于船舶電站聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，采用成熟的施耐德電能監(jiān)控軟件PowerLogic系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與全船網(wǎng)絡(luò)終端、可編程控制器和斷路器等之間的互聯(lián)，完成了基于以太網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與電能質(zhì)量分析的功能。

2 船舶電力監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成

船舶電力系統(tǒng)有多種多樣的結(jié)構(gòu)和形式：單電站系統(tǒng)、主輔電站系統(tǒng)、雙電站系統(tǒng)和多電站系統(tǒng)。根據(jù)船舶電站的特點(diǎn)，船舶電力系統(tǒng)包含四個部分：電源、配電設(shè)備、電網(wǎng)與負(fù)載。因電能的產(chǎn)生、輸送、分配與消耗是同時進(jìn)行的，故上述四個部分是不可分割的整體。電源由柴油發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、蓄電池和岸電組成，配電設(shè)備由物理配電板上的電制參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)以及負(fù)荷分配情況等組成。

依據(jù)高可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性的設(shè)計(jì)原則，部分產(chǎn)品還要滿足艦船建造規(guī)范。本文以交流380V/50Hz船舶電站為研究對象，用三臺柴油發(fā)電機(jī)、三個 Paralleling and Protection Unit（PPU）單元和PLC等組成船舶電站控制系統(tǒng)，以及PowerLogic ION E軟件、電力參數(shù)測量儀、帶Web的網(wǎng)關(guān)、觸摸屏和PC機(jī)來構(gòu)成監(jiān)視系統(tǒng)。

基于PowerLogic分散分層分布式結(jié)構(gòu)思想，利用現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行信息的采集、交換和管理，該套船舶電力監(jiān)控與電能質(zhì)量分析系統(tǒng)主要分為三層網(wǎng)絡(luò)：

（1）下層為現(xiàn)場監(jiān)控層。主要有電力系統(tǒng)設(shè)備和電力參數(shù)測量儀器數(shù)據(jù)采集和傳輸。PM850是一款真正的基于有效值的測量儀表，它支持遙測、遙信、遙控和回路測試功能，能對高度非線性負(fù)荷做精確的測量，復(fù)雜的技術(shù)使得可以測量最高達(dá)63次諧波的真實(shí)有效值，可以在本地或利用軟件從遠(yuǎn)程看到 50多個測量值以及最大和最小值。并且能夠集成到任何電力監(jiān)控系統(tǒng)中，足以適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息化的需要。

（2）中間為通訊接口層。主要有網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)和PLC來進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)關(guān)具備一個RS-485接口和一個以太網(wǎng)接口，支持Modbus數(shù)據(jù)到 TCP/IP數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換，而且有內(nèi)置用戶網(wǎng)頁，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器直接訪問 EGX的網(wǎng)絡(luò)地址來訪問 HTML內(nèi)嵌網(wǎng)頁，實(shí)現(xiàn)對Modbus總線上設(shè)備的測量數(shù)據(jù)的瀏覽、數(shù)據(jù)跟蹤、趨勢預(yù)覽和報表生成等。

（3）上層為系統(tǒng)管理層。采用電能監(jiān)控軟件PowerLogic ION E和觸摸屏，用于數(shù)據(jù)計(jì)算和完備的用戶交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理功能、故障錄波、諧波分析、異常報警與記錄、運(yùn)行管理、電能質(zhì)量管理、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)和報表生成等。如圖1，船舶電力監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成。

船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)流程如下：首先選用電力參數(shù)測量儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與測量，通過網(wǎng)關(guān)和可編程控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)判斷和功能控制等，然后通過交換機(jī)上傳到 PC機(jī)和觸摸屏，PC機(jī)中的PowerLogic電能監(jiān)控軟件，實(shí)時顯示系統(tǒng)各設(shè)備的狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息，并將監(jiān)控界面通過網(wǎng)絡(luò)，發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算機(jī)；還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視與遙控功能。其中，電力參數(shù)測量儀PM800支持Modbus RTU通信協(xié)議，具有RS-485通訊接口，可與網(wǎng)關(guān)連接，而網(wǎng)關(guān)通過 Modbus TCP/IP協(xié)議與交換機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 船舶電力監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成

3 Powerlogic軟件及其功能運(yùn)用

施耐德電氣公司PowerLogic配電監(jiān)控系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)及現(xiàn)場總線的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對配電監(jiān)控系統(tǒng)的集中監(jiān)控管理和分散數(shù)據(jù)采集，通過遙測、遙信、遙控、遙調(diào)及電能質(zhì)量監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)分析等功能，使用戶的電力系統(tǒng)透明化，是一套提高電力系統(tǒng)安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的智能化系統(tǒng)。

在本文中，PowerLogic ION E電能質(zhì)量監(jiān)控軟件的主要功能有：

（1）系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視和控制。在監(jiān)控界面中，顯示整個電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖，動態(tài)刷新顯示各主接線圖上的實(shí)時運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并支持遠(yuǎn)程控制功能。

（2）電能質(zhì)量監(jiān)視和分析。可以對整個系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測。實(shí)時監(jiān)視系統(tǒng)諧波含量，電壓閃變、擾動，頻率偏差，不平衡度，功率因數(shù)等電能質(zhì)量問題。能夠評估電能質(zhì)量是否滿足 IEC61000-4-30或EN50160標(biāo)準(zhǔn)。通過手動或自動觸發(fā)波形捕捉，記錄擾動時的波形，進(jìn)行電能質(zhì)量分析和故障分析。如圖2是對船舶電力系統(tǒng)諧波測量分析圖。

圖2 船舶電力系統(tǒng)諧波測量分析圖

（3）報警和事件管理。系統(tǒng)可以設(shè)置在電能質(zhì)量事件發(fā)生時、測量值越限、設(shè)備狀態(tài)變化時觸發(fā)報警。系統(tǒng)報警時能夠進(jìn)行信息語言提示，自動彈出報警畫面或觸發(fā)必要的操作，同時可以將報警信息通過email，手機(jī)短信或PDA等方式通知相關(guān)人員。

（4）歷史數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)基于 SQL server數(shù)據(jù)庫完成歷史數(shù)據(jù)管理，所有實(shí)時采樣數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到歷史數(shù)據(jù)庫。在監(jiān)控畫面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、查詢的時間段或選擇查詢最近更新的記錄數(shù)，顯示并繪制曲線圖。

（5）報表管理。可基于系統(tǒng)已有模板，或自定義新的模板生成報表?？梢允謩踊蚋鶕?jù)預(yù)設(shè)時間表定時生成，或通過事件觸發(fā)生成xml格式報表。報表能自動通過email或HTML格式進(jìn)行發(fā)送或自動打印。

（6）用戶權(quán)限管理。為了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理提供可靠的安全保障。

4 監(jiān)視系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動記錄、數(shù)據(jù)跟蹤、數(shù)據(jù)預(yù)測和波形捕捉等功能，最大的數(shù)據(jù)長度為12天，并且可以全部利用以太網(wǎng)技術(shù)，通過email、FTP等將船舶電力系統(tǒng)的信息通過報表、HTML等形式發(fā)給所需要的用戶。

（2）發(fā)揮PowerLogic ION E軟件的強(qiáng)大功能，解決了不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

（3）利用PowerLogic ION E軟件的模塊統(tǒng)籌各種參數(shù)，進(jìn)行綜合分析與計(jì)算，得出一個可靠的節(jié)能點(diǎn)，為船舶電站提供參考。

5 結(jié)束語

任何電力系統(tǒng)的使用都會遇到電能質(zhì)量問題，有電能質(zhì)量問題的電力系統(tǒng)就會造成很大的浪費(fèi)，提高電能質(zhì)量是優(yōu)化電能消費(fèi)的重要因素。船舶電力系統(tǒng)是一個容量較小的獨(dú)立電力系統(tǒng)，其電力系統(tǒng)中的諧波、浪涌、電壓跌落等電力品質(zhì)問題比較嚴(yán)重，會對船舶的正常行駛及其電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成重大影響。因此對其進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控并規(guī)定其電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，不僅能夠提高船舶電力系統(tǒng)的能源利用率，還能提高船舶的運(yùn)行效率，必將給企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]Janusz Mindykowski. Assessment of electric power quality in ship system fitted with converter subsystem.Gdansk：Press of Shipbuilding and Shipping Ltd,2003.

[2]包文俊. 船舶電站多種發(fā)電方式聯(lián)合運(yùn)行的仿真研究. 上海海事大學(xué)碩士學(xué)位論文, 上海,2002.3.

[3]孫詩南. 艦船電力推進(jìn)的新進(jìn)展. 船電通訊, 2004（8）：4-6.

[4]儲云峰. 施耐德電氣可編程序控制器原理及應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[5]楊兵利,杜國慶. Powerlogic配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 低壓電器，2008.

[6]羅超，聶延生. 船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)中上位機(jī)與 PLC串行通信的實(shí)現(xiàn)[J]. 世界海運(yùn).2003.8.

[7]王虹飛, 向先波, 劉土光. 船舶電站實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)通信軟件設(shè)計(jì)[J]. 船舶工程.2007.5.