張 晉, 劉夢覺

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溢油回收船能效實時在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張 晉, 劉夢覺

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

電力推進系統(tǒng)共用一個船舶電網(wǎng)，具有節(jié)能環(huán)保的獨特優(yōu)勢，又能有效減少動力系統(tǒng)對船舶空間的占用。與此同時，全電推系統(tǒng)和大功耗高科技設(shè)備的配備對電能質(zhì)量安全和能量管理帶來了更大風險和不確定性。為此，本文首先介紹了CCS最新標準規(guī)范對智能船舶能效在線智能監(jiān)控的一般性要求，并基于此設(shè)計了滿足溢油回收船實際需求的船舶能效實時在線綜合監(jiān)控系統(tǒng)（EOM），詳細闡述了該系統(tǒng)的硬件組成、工作流程、監(jiān)控方法和界面設(shè)計過程。

萬噸溢油回收船 能效實時監(jiān)控 EOM

0 引言

電力推進船舶所有設(shè)備連接一個主電網(wǎng)，使得發(fā)電機電能匯集到主配電板再通過變壓器支路分配到低電壓等級子網(wǎng)實現(xiàn)全船推進及各負載的電能供給，具有自動化程度高、電站統(tǒng)一分配、便于集約化管理的優(yōu)點。

然而，隨著裝艦電氣設(shè)備數(shù)量的增多和功率的提升，對全船航行尤其對主推進系統(tǒng)帶來了更多不可控性。因此，對航行中海況、艙室環(huán)境、電站、用電設(shè)備進行在線能效監(jiān)測[1-2]以實現(xiàn)船舶最優(yōu)經(jīng)濟和安全航行具有十分的必要性。EOM通過對航行海況和能耗設(shè)備的實時數(shù)據(jù)經(jīng)自動采集、在線監(jiān)測、智能感知等方式通訊傳感發(fā)送至艦船端和岸基端處理器進行后數(shù)據(jù)處理，可為能耗影響因素的分析、航運管理的完善[3-5]以及船舶的優(yōu)化航行提供更為堅實的數(shù)據(jù)保證。

1 溢油回收船概述

萬噸溢油回收船采用電力推進系統(tǒng)，動力系統(tǒng)包含4臺2600 kW主發(fā)電機、1臺400 kW停泊發(fā)電機及1臺150 kW應(yīng)急發(fā)電機組，由兩條主推進支路、兩條消防泵支路及兩條側(cè)推進支路組成。為了保證推進系統(tǒng)的獨立性和可操作性，兩條主推支路以及側(cè)推支路分別由四套相互獨立的電推控制系統(tǒng)單獨控制，如圖1所示：

2 智能船舶規(guī)范標準

2.1 智能船舶功能

智能船舶指基于傳感器、通訊等各種技術(shù)手段的運用，探測感知并主動獲取船舶自身、口岸、所處航行環(huán)境等方面的信息和數(shù)據(jù)，并綜合應(yīng)用自動控制、計算機分析、大數(shù)據(jù)處理等先進技術(shù)，在船舶的正常航行、后期維護和運輸保養(yǎng)等各維度實現(xiàn)智能化運行的船舶，具有使船舶更加安全可靠、經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)點，包含圖2示6大功能：

2.2 智能能效管理

智能能效管理是指能夠通過對船舶航行狀態(tài)、耗能狀況的在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)的自動采集，對船舶能效狀況、航行及裝載狀態(tài)等進行評估，并通過大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值分析及優(yōu)化技術(shù)，為船舶提供數(shù)據(jù)評估分析結(jié)果和輔助決策建議，以及航速優(yōu)化、基于縱傾優(yōu)化的最佳配載等解決方案，實現(xiàn)船舶能效實時監(jiān)控[4]、智能評估及優(yōu)化，以不斷提高船舶能效管理水平。一般而言，智能能效管理應(yīng)具有如下功能：

1）船舶航行狀態(tài)、能效及耗能狀況在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)的自動采集，以及氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的獲得；

2）對船舶能效及耗能狀況進行評估、報告和報警；

3）根據(jù)分析評估結(jié)果，為船舶能效提供輔助決策建議；

4）結(jié)合航行特點、燃料消耗、經(jīng)濟效益等評估結(jié)果，提供基于不同目標的航速優(yōu)化方案。

2.3 EOM一般要求

能效在線智能監(jiān)控應(yīng)能對船舶主要耗能設(shè)備、船舶航行狀況等進行監(jiān)測，進行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、分析，并對船舶能效和能耗等技術(shù)指標予以評估和分析；能定期進行船舶能效狀況綜合評估，提供能效優(yōu)化和改進的輔助決策建議；能基于能效及能耗數(shù)據(jù)等的監(jiān)測、分析和評估結(jié)果，根據(jù)需要提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)或分析評估報告，船舶能耗系統(tǒng)典型模型如圖3所示：

EOM應(yīng)對下述設(shè)備的有關(guān)數(shù)據(jù)進行實時采集[5]：主要耗能設(shè)備、軸功率監(jiān)測設(shè)備、燃料計量裝置、風速風向儀、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、計程儀、電子傾斜儀、測深儀、船舶吃水測量設(shè)備等，對以上各設(shè)備的監(jiān)測參數(shù)包括但不限于：主要耗能設(shè)備的功率、壓力、溫度參數(shù)；主要耗能設(shè)備燃料消耗參數(shù)；主機軸功率參數(shù)；風向、風力參數(shù)；船位、航向、航速參數(shù)；對水速度參數(shù)；船舶傾斜角度；水深值；船舶吃水值；涌浪參數(shù)等。

3 EOM硬件設(shè)計

3.1 功能設(shè)計

能效管理系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集、綜合航行監(jiān)測、推進系統(tǒng)監(jiān)測、能耗監(jiān)測、視頻圖像監(jiān)測、岸基管理、數(shù)據(jù)存儲與分析等功能，如圖4。

數(shù)據(jù)采集是EOM系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過遍布全船的軸功率監(jiān)測設(shè)備、燃料計量裝置、風速風向儀、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、計程儀、電子傾斜儀、深測儀、船舶吃水測量設(shè)備、GPS等各類傳感器將能效系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集并集中，經(jīng)通訊系統(tǒng)傳送至艦船各監(jiān)測臺、船上和岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。采集信息包括推進變壓器、變頻器、電機、聯(lián)軸器等設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)信息，電站的開關(guān)狀態(tài)、電網(wǎng)運行狀態(tài)、燃料供給情況信息，操舵監(jiān)測的控制方式、液壓故障、電源失電等報警信息，監(jiān)測本船當前位置、航向、水深、風速、浪涌、船舶傾斜角、海洋氣象參數(shù)信息，全船管路、水壓、氣壓、蓄能器及閥件工作狀態(tài)，能耗設(shè)備的功率、壓力、溫度、燃料消耗等信息。

綜合航行監(jiān)測涵蓋圖像、語音和數(shù)據(jù)監(jiān)測三類途徑，可以對集控室、駕駛臺、海圖室、舵槳損管系統(tǒng)等各方面參數(shù)予以監(jiān)測記錄，最大限度保障船舶的安全穩(wěn)定運行，為航行時可能出現(xiàn)的各類突發(fā)狀況提供處置依據(jù)。

推進系統(tǒng)作為全船最大的用電子系統(tǒng)，主要對推進支路上的移相變壓器、變頻器、推進電機、全回轉(zhuǎn)舵槳等部件的各項物理指標和運行情況實施監(jiān)測報警。

設(shè)備能耗主要監(jiān)測全船主要耗能設(shè)備的運行狀態(tài)，包括自動電站、各發(fā)電機組及各電壓等級負載的實時運行及耗能情況。此外，還對全網(wǎng)發(fā)電功率、母排電流、主開關(guān)分斷狀態(tài)等實施監(jiān)控，結(jié)合機組不同工況下的發(fā)電效率，進行最合理的電網(wǎng)配置，確保全船的用電安全。

岸基管理的主要作用是岸基數(shù)據(jù)儲存、分析和實時監(jiān)測，在岸上實現(xiàn)對船舶航行狀況的把控，對船上所有實時運行信息進行遠程掌控，以便在特殊狀況下獲得遠端的技術(shù)力量支持。

數(shù)據(jù)存儲分船上和岸基兩種方式：船上數(shù)據(jù)庫將上述信息匯總存儲，為方便信息的管理和安全，各監(jiān)測臺根據(jù)需要進行調(diào)取顯示而非直接將采集信息發(fā)送到監(jiān)測臺，受船上資源所限，船上數(shù)據(jù)庫采用數(shù)據(jù)限期保留的方式；為了保證數(shù)據(jù)庫的可靠性和完整性，岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用冗余方式設(shè)計，定期更新發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)庫進行增量備份處理，可最大限度節(jié)省空間和時間資源。基于航行時各設(shè)備的實時運行參數(shù)和能效指標，通過對存儲數(shù)據(jù)的處理可分析能效影響因素，為智能船舶研究提供有效數(shù)據(jù)，明確最佳能源管理方案，提高整體運行效能。

3.2 架構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)硬件配置由多臺計算機及各種類型探測設(shè)備組成，邏輯上采用三層模型架構(gòu)，自上而下分別為管理層、控制層以及數(shù)據(jù)層。

管理層由岸基監(jiān)測臺、船基綜合航行監(jiān)測臺、電力推進監(jiān)測臺、能耗設(shè)備監(jiān)測臺以及視頻監(jiān)測臺組成，通過圖形化的方式實時顯示能效管理系統(tǒng)的在線狀態(tài)，并能向現(xiàn)場控制設(shè)備下達控制指令達到人機交互的作用。

控制層主要指船基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集工作站、岸基數(shù)據(jù)分析工作站、岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和雙邊信號收發(fā)臺等設(shè)備，負責對全船采集信息的存儲和分析，是核心的處理設(shè)備。

數(shù)據(jù)層包含分布在全船各艙室的各類終端設(shè)備，具備到本船有GPS、導航雷達、陀螺羅經(jīng)、各類傳感器、攝像頭、水平儀、測深儀，風速風向儀、計程儀等，如圖5所示：

數(shù)據(jù)采集工作站通過數(shù)據(jù)層各信息采集裝置采集全船所需信息，而后將其轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以減少服務(wù)器壓力。同時，為了確保服務(wù)器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，將部分實時性要求高的數(shù)據(jù)直接傳送到相對應(yīng)的監(jiān)測臺。岸基工作站在接收到數(shù)據(jù)后先將其存入岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，隨之岸基監(jiān)測臺讀取重點監(jiān)測數(shù)據(jù)，觀察船舶航行狀態(tài)和設(shè)備運行情況，采用C/S典型架構(gòu)。

4 系統(tǒng)軟件

4.1 軟件開發(fā)

EOM系統(tǒng)軟件設(shè)計主要涵蓋開發(fā)平臺、監(jiān)測面板、控制單元及數(shù)據(jù)庫幾個方面：

本系統(tǒng)通過WinCC上位平臺進行船上監(jiān)測臺及觸摸面板的軟件開發(fā)，管理層各監(jiān)測臺之間通過WINCC支持的OPC協(xié)議進行通訊，以客戶端/服務(wù)器的模式能保障各種通訊方式的適用性和軟件開發(fā)的效率。

VS2010項目管理采用層次結(jié)構(gòu)，最上層是解決方案，中間層為項目文件，下層為資源文件，通過其提供的良好可視化開發(fā)環(huán)境進行數(shù)據(jù)分析處理軟件的開發(fā)，可有效保證保障后期數(shù)據(jù)處理功能的可更改性和適用性。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計時選用ODBC數(shù)據(jù)源作為SQL Server數(shù)據(jù)庫對外聯(lián)系的紐帶，通過SQL Server 2008進行數(shù)據(jù)庫開發(fā)以保障大量數(shù)據(jù)存儲的安全性、可靠性和易用性。

4.2 界面設(shè)計

EOM系統(tǒng)基于Windows平臺的Wincc上位平臺設(shè)計開發(fā)人機交互界面，在管理層監(jiān)測臺上實時顯示全船信息的后臺監(jiān)控功能和集成顯示畫面，包括用戶登錄界面、能效監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析主界面。其中，能效監(jiān)測界面位于船基端，數(shù)據(jù)分析界面位于岸基端，兩主界面又因萬噸溢油船實際功能需求內(nèi)含若干子界面，如圖6所示：

能效監(jiān)測界面包含5個子界面，各子界面間可任意切換，分別顯示相對應(yīng)的信息。實時能耗子界面設(shè)計了溢油回收船各臺機組發(fā)電功率、兩條推進支路總功耗、消防泵支路功耗及能耗效率等，典型溢油回收工況下的能耗監(jiān)測界面如圖7示，日用總負荷為690 V負載、400 V負載及230 V負載的總和。

圖7 溢油回收工況EOM能耗界面

數(shù)據(jù)分析可根據(jù)需要選擇數(shù)據(jù)建立分析表，調(diào)用岸基數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)，如圖8示：

圖8 EOM系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢界面

5 數(shù)據(jù)分析

該船采用電力推進驅(qū)動方式，具有消防、溢油回收、正常航行、進出港、DP2等多種工況，根據(jù)EOM采集到的機組發(fā)電功率及690V、400V、230V各電壓等級實時負載，匯總各典型工況數(shù)據(jù)如表1所示(功率單位：kW)：

以上各典型工況中，單軸推進工況1臺機組在網(wǎng)，全速航行工況3臺機組在網(wǎng)，其余工況均為2臺機組在網(wǎng)。以溢油回收工況為例，采用ETAP12.6諧波計算分析軟件輸入上表工況數(shù)據(jù)及參數(shù)得到全網(wǎng)諧波分析結(jié)果如圖9-10示。

圖9 溢油回收工況諧波分析

圖10 溢油回收工況母線電壓

兩圖中，紅色曲線為690 V電網(wǎng)數(shù)據(jù)，綠色為400 V電網(wǎng)數(shù)據(jù)，藍色為230 V電網(wǎng)數(shù)據(jù)。圖9縱坐標為各電壓等級諧波值，其中690 V子網(wǎng)諧波量2.7，400V子網(wǎng)諧波2.08，230 V子網(wǎng)諧波1.27，均在CCS規(guī)范要求的5%以內(nèi)；圖10縱坐標為各母排電壓標幺值。分析結(jié)果確保了萬噸溢油回收船采用電推方式的優(yōu)越性，也證明了針對該船EOM系統(tǒng)設(shè)計的合理性和有效性。

6 總結(jié)

針對環(huán)保能耗要求的日益嚴苛和船舶自動化程度的不斷提升，本文針對萬噸級溢油回收船工況多、負載多、電網(wǎng)復雜的實際特點，設(shè)計了滿足實用性要求的能效實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，詳細敘述了EOM系統(tǒng)軟硬件設(shè)計過程，并以EOM系統(tǒng)采集的溢油回收工況實測數(shù)據(jù)分析的全網(wǎng)諧波情況為例，驗證了設(shè)計的有效性。

[1] 夏偉,謝坤,陽世容. 船舶分布式智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J]. 機電工程, 2013, 30(8):1020-1024.

[2] Qian Mei, Wu Zhengguo, Han Jianggui. Real-time simulation and analyses of ship energy management system network[J].Energy Procedia, 2012, 16: 1972-1978.

[3] 中國船級社.中國船級社（CCS）首次授予船舶能效實時在線綜合監(jiān)控（EOM）附加標志[EB/OL]. 2015-03-27.http://www.ccs.org.cn.

[4] 廖南翔. EOM系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備安裝及檢驗要求[R].北京：中國船級社, 2015.

[5] 陳蟒,許頡溫,于洋,馬振淼,朱琇瑋. EOM附加標志申請與系統(tǒng)安裝綜述[J].船舶與海洋工程, 2016, 32(6):59-67.

Design of EOM System for Oil Spilling Recovery Ship

Zhang Jin, Liu Mengjue

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

TM721

A

1003-4862（2017）07-0072-05

2017-03-15

張晉（1989-），男，碩士。研究方向：船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用。