程 華, 王 偉

(中國艦船研究設計中心,武漢 430064)

大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)組網技術探究

程 華, 王 偉

(中國艦船研究設計中心,武漢 430064)

基于現(xiàn)場總線的配電監(jiān)控已成為當前船舶電力系統(tǒng)重要的發(fā)展方向，有必要開展大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)組網技術研究。針對區(qū)域配電監(jiān)控控制器域網絡(Controller Area Network,CAN)和現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網絡，通過理論分析和計算，給出網絡數(shù)據(jù)采樣頻率、最大長度、傳輸速率和最大節(jié)點數(shù)量等網絡技術參數(shù)選擇的依據(jù)，為大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)的組網設計提供參考。

船舶電力監(jiān)控；配電系統(tǒng)；控制器局域網絡；傳輸速率；采樣頻率

0 引 言

隨著計算機技術和網絡技術不斷發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)的自動化水平不斷提高，已從傳統(tǒng)的電站自動化逐步向配電自動化擴展[1-3]。基于現(xiàn)場總線的配電監(jiān)控已成為當前船舶電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，并已在某大型船舶上得到成功應用[4-5]。

由于大型船舶上的配電設備眾多且分布較廣，導致配電監(jiān)控的數(shù)據(jù)量巨大，網絡傳輸困難。為保障配電監(jiān)控網絡的可靠性和實時性，需選擇合適的網絡技術體制，并合理地設置監(jiān)控網絡的技術參數(shù)，包括網絡長度限制、網絡傳輸速率和網絡節(jié)點數(shù)量限制等。已有研究主要集中在配電監(jiān)控網絡的總體規(guī)劃上，對具體的網絡技術參數(shù)研究較少。因此，有必要開展大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)組網技術的研究，明確相關網絡技術參數(shù)的選擇，為大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)的組網設計提供參考。

1 大型船舶電力監(jiān)控網絡的總體設計

大型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)按層次可劃分為綜合管理層、區(qū)域監(jiān)控層和現(xiàn)場采集層[6]，電力監(jiān)控網絡可劃分為綜合管理層網絡、區(qū)域監(jiān)控層網絡和現(xiàn)場采集層網絡。電力監(jiān)控網絡的拓撲結構見圖1。

1) 綜合管理層網絡用于實現(xiàn)大型船舶各立體區(qū)域間的通信，一般采用冗余的高速交換式工業(yè)以太網。

2) 區(qū)域監(jiān)控層網絡用于實現(xiàn)船舶立體區(qū)域內各現(xiàn)場監(jiān)控設備間的通信，一般采用雙冗余控制器局域網絡(Controller Area Network,CAN)。現(xiàn)場采集層網絡用于實現(xiàn)小范圍內現(xiàn)場監(jiān)控設備與本地傳感器間的通信。

3) 綜合管理層網絡和區(qū)域監(jiān)控層網絡一般通過智能網關實現(xiàn)互聯(lián)，區(qū)域監(jiān)控層網絡與現(xiàn)場采集層網絡一般通過現(xiàn)場監(jiān)控設備實現(xiàn)互聯(lián)[6-7]。

區(qū)域監(jiān)控層網絡按照功能系統(tǒng)可劃分為區(qū)域電站監(jiān)控網絡和區(qū)域配電監(jiān)控網絡等;現(xiàn)場監(jiān)控層網絡按照功能系統(tǒng)可劃分為現(xiàn)場電站監(jiān)控網絡和現(xiàn)場配電監(jiān)控網絡等。這里重點研究區(qū)域配電監(jiān)控網絡和現(xiàn)場配電監(jiān)控網絡的組網技術。

2 區(qū)域配電監(jiān)控網絡組網技術

區(qū)域配電監(jiān)控網絡的主要作用為:將綜合管理層網絡下達的配電控制指令傳送給現(xiàn)場配電監(jiān)控設備，并將現(xiàn)場配電監(jiān)控設備采集到的監(jiān)測信息上傳至綜合管理層網絡。

區(qū)域配電監(jiān)控網絡一般采用CAN網絡。由于大型船舶區(qū)域配電設備眾多，導致需采集的配電監(jiān)測數(shù)據(jù)量巨大,且配電設備一般就近分布在用電設備周圍，導致配電設備在船舶立體空間上的分布范圍很廣。CAN網絡在傳輸速率與傳輸距離上存在一定的限制關系(見表1)，且網絡傳輸速率、監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣頻率和配電設備節(jié)點數(shù)量間存在數(shù)據(jù)量的制約關系，因此單個區(qū)域配電監(jiān)控網絡存在網絡傳輸速率選擇、網絡長度限制、監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣頻率選擇和配電設備節(jié)點數(shù)量限制等網絡參數(shù)設置方面的問題。這些網絡參數(shù)間相互制約，通過理論計算與分析，給出這些網絡參數(shù)選擇方面的建議。

表1 CAN網絡傳輸速率與傳輸距離之間的關系

2.1現(xiàn)場配電監(jiān)控設備上傳網絡的數(shù)據(jù)量估算

對于配電設備而言，一般與現(xiàn)場配電監(jiān)控設備一一對應。配電設備的監(jiān)測信息主要是配電設備所包含斷路器的電量信息和分合狀態(tài)信息，其中電量信息包括三相電壓、三相電流和功率。配電設備監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)量與其包含的斷路器數(shù)量和網絡采樣頻率直接相關。此外，現(xiàn)場配電監(jiān)控設備上傳的網絡數(shù)據(jù)還包括部分報警信息和事件信息。

2.1.1 CAN網絡數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)量D0

根據(jù)CAN通信協(xié)議的特點，CAN網絡單個數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)量一般為

D0=幀頭(29 bit)+數(shù)據(jù)(8×8 bit)=93 bit

(1)

2.1.2 單個斷路器需上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)量D1

單個斷路器需傳輸?shù)谋O(jiān)測信息包括三相電壓、三相電流、功率和斷路器分合狀態(tài),其中,三相電壓和功率可打包為1幀數(shù)據(jù)，三相電流和斷路器分合狀態(tài)可打包為1幀數(shù)據(jù)。因此,單個斷路器需傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)量為2幀數(shù)據(jù)。則單個斷路器需上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)量D1

D1=2×D0=186 bit

(2)

2.1.3 單個配電設備每秒需上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)量D2

若單個配電板包含的開關數(shù)量為n，配電監(jiān)測網絡的數(shù)據(jù)采樣頻率為f1，則配電板每秒需傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)量D2為

D2=f1×n×D1

(3)

2.1.4 單個現(xiàn)場配電監(jiān)控設備每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量D3

現(xiàn)場配電監(jiān)控設備上傳的網絡數(shù)據(jù)除監(jiān)測數(shù)據(jù)D2之外，還包括部分報警信息和事件信息。報警信息主要包括斷路器過載和脫扣等，事件信息主要包括斷路器合閘和分閘等。

報警信息和事件信息為實時上傳數(shù)據(jù)，1個報警信息為1幀數(shù)據(jù)，1個事件信息為1幀數(shù)據(jù)。若報警信息的產生頻率為f2，事件信息的產生頻率為f3，則單個現(xiàn)場配電監(jiān)控設備每秒上傳網絡的數(shù)據(jù)量D3為

D3=D2+f2×D0+f3×D0

(4)

一般而言，報警信息的頻率f2≤1 Hz，事件信息的頻率f3≤1 Hz。因此，作為一種近似估算，式(4)可簡化為

D3=D2+2D0

(5)

現(xiàn)場配電監(jiān)控設備除上傳網絡的數(shù)據(jù)D3之外，還會接受上層網絡下達的對時信息和開關分閘、合閘指令。

2.1.5 單個現(xiàn)場配電監(jiān)控設備每秒上傳數(shù)量據(jù)量D4

對時信息為固定頻率信息，控制指令為實時下達數(shù)據(jù)，1個對時信息為1幀數(shù)據(jù)，1個控制指令為1幀數(shù)據(jù)。若對時信息的產生頻率為f4，控制指令的產生頻率為f5，則單個現(xiàn)場配電監(jiān)控設備每秒傳輸網絡的數(shù)據(jù)量D4為

D4=D3+f4×D0+f5×D0

(6)

一般而言，對時信息的頻率f4≤1 Hz，控制指令的頻率f5≤1 Hz。因此，作為一種近似估算，式(6)可簡化為

D4=D3+2D0=D2+4D0

(7)

表2 單個現(xiàn)場配電監(jiān)控設備每秒上傳網絡的數(shù)據(jù)量D4

若配電監(jiān)測網絡的數(shù)據(jù)采樣頻率為f1=0.5 Hz,1 Hz,2 Hz，單個配電設備包含的開關數(shù)量n=10,20,40，則根據(jù)式(1)～式(7)，通過計算可知單個現(xiàn)場配電監(jiān)控設備每秒上傳網絡的數(shù)據(jù)量D4(見表2)。

2.2CAN網絡允許接入的現(xiàn)場配電監(jiān)控設備節(jié)點數(shù)量N估算

若CAN網絡傳輸速率為B，網絡傳輸數(shù)據(jù)的占空比為r，則CAN網絡允許接入的現(xiàn)場配電監(jiān)控設備節(jié)點數(shù)量N為

N=

(8)

2.3區(qū)域配電監(jiān)控CAN網絡技術參數(shù)的選擇

一般而言，大型船舶區(qū)域配電監(jiān)控網絡的總長度在200～3 000 m之間。為保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，網絡占空比r不宜太高，一般設置為0.6。根據(jù)表1和式(1)～式(8)，通過計算可得到典型區(qū)域配電監(jiān)控CAN網絡的采樣頻率、最大傳輸距離、網絡傳輸速率和配電監(jiān)控設備節(jié)點數(shù)量間的關系(見表3)。

由于大型船舶配電設備的數(shù)量可多達幾百個，因此需將全船配電監(jiān)控網絡合理的劃分為若干個區(qū)域配電監(jiān)控網絡。例如，若全船配電設備有200個，每個配電設備包含的開關數(shù)量n=20，區(qū)域配電監(jiān)控網絡的最大長度約為1 000 m，則從表3可知，比較合適的CAN網絡技術參數(shù)選擇為網絡采樣頻率f1=0.5 Hz，網絡傳輸速率B=50 kpbs，網絡節(jié)點數(shù)量N≤13，全船區(qū)域配電監(jiān)控網絡最少需要設置16個。

3 現(xiàn)場配電監(jiān)控網絡組網技術

隨著智能化和信息化技術的發(fā)展，國內外多型開關都集成電量信息采集、開關狀態(tài)采集和遙控分合閘的功能。配電設備內的現(xiàn)場配電監(jiān)控設備與開關之間通過網絡實現(xiàn)互聯(lián)，完成現(xiàn)場信息的采集和開關分合閘指令的下達。

表3 區(qū)域配電監(jiān)控CAN網絡技術參數(shù)間關系

由于配電設備內部電磁環(huán)境較為復雜，對現(xiàn)場配電監(jiān)控網絡的抗干擾能力要求較高，而CAN網絡抗干擾能力較強，因此現(xiàn)場監(jiān)控網絡采用CAN網絡是比較合適的選擇。

若現(xiàn)場監(jiān)控層網絡的采樣頻率為f6。開關的報警信息頻率為f7，事件信息頻率為f8，對時信息頻率為f9，控制指令頻率為f10，則在現(xiàn)場監(jiān)控層網絡，每個開關需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量D5為

D5=f6D1+f7D0+f8D0+f9D0+f10D0

(9)

一般而言，開關的報警信息頻率為f7，事件信息頻率為f8，對時信息頻率為f9，控制指令頻率為f10均不超過1 Hz，作為一種近似估算，式(9)可簡化為

D5=2f6D0+4D0

(10)

若現(xiàn)場監(jiān)控層CAN網絡傳輸速率為B1，網絡傳輸數(shù)據(jù)的占空比為r1，則CAN網絡允許接入的開關節(jié)點數(shù)量N1為

N1=

(11)

一般而言，現(xiàn)場配電監(jiān)控網絡的總長度在幾米至一百米之間。為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，網絡占空比r1不宜太高，一般設置為0.6。根據(jù)表1中式(11)，通過計算可得到典型現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網絡的采樣頻率、最大傳輸距離、網絡傳輸速率和開關節(jié)點數(shù)量之間的關系見表4。

表4 現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網絡技術參數(shù)之間的關系

由于單個配電設備內的開關數(shù)量在幾個至幾十個之間，因此從表4可知，單個配電設備內部僅需組建一個現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網絡。若配電設備包含的開關數(shù)量N1=40，現(xiàn)場配電監(jiān)控網絡的最大長度約50 m，則由表4可知，比較合適的CAN網絡技術參數(shù)選擇為網絡采樣頻率f1≤40 Hz，網絡傳輸速率B=500 kpbs。

4 結 語

提出一種大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)組網設計方法。針對區(qū)域配電監(jiān)控CAN網絡和現(xiàn)場配電監(jiān)控CAN網絡，通過理論分析與計算，給出網絡數(shù)據(jù)采樣頻率、最大長度、傳輸速率和最大節(jié)點數(shù)量等網絡技術參數(shù)選擇的依據(jù)，為大型船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)的組網設計提供參考。

[1] 祝賀. 船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[2] 陳在平，岳有軍. 工業(yè)控制網絡與現(xiàn)場總線技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3] 孫建紅，高捷. 船舶配電監(jiān)測系統(tǒng)設計研究[J]. 中國艦船研究，2010(2)：69-73.

[4] 趙潔，茅云升. 基于現(xiàn)場總線的船舶配電監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].船海工程，2011，40(2)：32-35.

[5] 孫建紅，高捷，程華. 大型船舶現(xiàn)場級電力監(jiān)控網絡優(yōu)化研究[J]. 船電技術，2015，35(8)：9-13.

[6] 徐鈞，蔣子峰. 大型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)層次化設計[J]. 機電設備， 2015(3)：56-58.

[7] 楊柳濤. 以太網技術在船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].上海船舶運輸科學研究所學報，2006，29(2)：90-93.

NetworkingofPowerDistributionMonitoringSystemonLargeShips

CHENGHua,WANGWei
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

The objects of ship power monitoring have been extending gradually from power generation to power distribution. We can see that a lot of effort is put into developing power distribution monitoring systems based on CAN-Bus. With theory analysis and computing, this paper proposes a method for choosing network parameters of regional and local CAN-Bus-Based power distribution monitoring networks, such as sampling frequency, largest bus length, transmission rate, largest number of nodes.

ship power monitoring system； power distribution system； CAN-Bus； transmission rate； sampling frequency

2017-03-20

程華(1982—)，湖北禾壁人，工程師，博士，主要從事船舶電氣和圖像處理研究。

1674-5949(2017)02-0042-05

U665.1

：A