卓金寶，施偉鋒，蘭瑩，鄧冉然

上海海事大學物流工程學院，上海201306

0 引 言

船舶電力系統的電能質量即運行工況下描述電能特性的一組參數。為了追求更好的穩(wěn)定性、更優(yōu)的控制性能和更高的能源利用率，電力推進系統正逐漸應用于艦船、大型郵輪、海洋作業(yè)平臺以及特種船舶，而全球電動船舶的市場規(guī)模預計也將從2013年的26億美元快速增長到2024年的73億美元［1］。然而，隨著船舶電力系統網絡拓撲結構的日益復雜、高功率密度電力電子變換器數量的增加和負載類型的多樣化，電力推進子系統在復雜工況下的電能質量難以得到保證，進而將對推進系統的穩(wěn)定運行、故障診斷與預測、狀態(tài)檢修等工作帶來風險。因此，設計適用于船舶電力推進系統的電能質量監(jiān)視系統已成為全電船電力系統的研究熱點［2-4］。

目前，電力推進船舶的電能質量監(jiān)視系統大多采用本地監(jiān)視的方式，而船上其他區(qū)域和岸基監(jiān)管機構則無法快捷、實時地獲取監(jiān)視數據。隨著無線通信技術的發(fā)展，船舶電能質量的無線監(jiān)視成為了一種可行的解決方案。但是，大多數無線監(jiān)視系統的監(jiān)視終端均為上位機，并未充分發(fā)揮無線通信方式靈活、便捷的優(yōu)點［5-7］。

基于此，考慮到目前物聯網（Internet of Things，IoT）的技術特點，可以將物聯網技術應用于船舶電能監(jiān)視系統的結構層次設計、全船無線監(jiān)視和廣域網云端存儲與可視化設計，從而使監(jiān)視系統成為多層結構、局域加廣域的監(jiān)視平臺，以保證監(jiān)視工作的可靠性、實時性和便捷性，最終實現全船和廣域網的電能質量數據共享。本文擬提出一種基于物聯網技術的電力推進船舶電能質量監(jiān)視系統的總體架構，介紹其感知層的實現方法、傳輸層的通信方式、應用層的功能用途和設計流程，并以船舶電力推進實驗系統作為監(jiān)視對象（物層），用以驗證該電能質量監(jiān)視系統的可行性與有效性。

1 總體架構設計

物聯網技術可以實現物品的智能感知、不同形式信息的快速傳輸和深度應用開發(fā)。從功能層次來說，主要包含物層、感知層、通信層和應用層。感知層通過傳感器和智能檢測儀來采集物層的信息，然后由通信層傳輸至應用層，最后實現應用功能，例如信息的顯示、存儲、分析等功能。為便于系統設計和實驗驗證，本文搭建了由市電電源、三相接觸調壓器、M340 PLC、XBTGT7340觸摸屏、ATV61變頻器、凌智異步減速電機等裝置組成的船舶電力推進實驗系統［8］，作為監(jiān)視系統的物層。在此基礎上，設計了一種基于物聯網技術的電力推進船舶電能質量監(jiān)視系統，總體架構如圖1所示，其中：粗實線為電力線路，帶箭頭的細實線為信號線路，箭頭為信號傳輸方向，虛線為轉速傳感器與推進電機的非接觸連接。

首先，感知層利用電流互感器、轉速傳感器、智能電能參數測量儀等設備對物層進行感知測量，采集的電能質量參數包括：發(fā)電側和用電側的電壓靜態(tài)偏差、電壓動態(tài)偏差、頻率靜態(tài)偏差、電壓波動、電壓變動、電壓變動頻度、次諧波電壓含有率、電壓總諧波畸變率、電流總諧波畸變率、電壓負序不平衡度、電壓零序不平衡度等。值得注意的是，由于智能電能測量儀PM850和ION7650內嵌了高精度電壓互感器，滿足IEC60687 0.5級的計量精度，可以測量多達63次的諧波真實有效值，所以本方案中不需要另外配置電壓互感器，只需要將測量儀并聯到測量節(jié)點處即可。然后，基于TCP/IP Modbus通信和海事衛(wèi)星通信，即可將這些電能參數數據和事故記錄傳輸至應用層。最后，根據不同的應用場景和用戶要求，由全船無線監(jiān)視層和廣域網云端監(jiān)視層組成的應用層來實現參數數據的存儲、分析和可視化等功能。

該監(jiān)視系統的特點如下：

1）采用多層應用架構設計，提高了全船電能質量監(jiān)視的冗余性。如果無線數據傳輸出現故障而導致無線手持端不能正常工作，廣域網云端監(jiān)視層仍然可以監(jiān)視全船電能質量，反之亦然。

2）多域數據共享，解決了傳統監(jiān)視方式的空間區(qū)域限制問題。全船無線監(jiān)視層的數據面向船上任意區(qū)域的監(jiān)視人員，而廣域網云端監(jiān)視層則面向船舶監(jiān)管部門、設備廠商狀態(tài)檢修部門和船東等岸基移動用戶。

3）通過在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、全船無線監(jiān)視層和廣域網云端監(jiān)視層中編寫底層通信程序，解決現有工業(yè)設備（例如，M340 PLC）與自主開發(fā)設備（例如，手持端設備）之間的通信兼容問題。在后續(xù)開發(fā)中，可以通過更換設備和優(yōu)化通信程序，對監(jiān)視系統進行擴展升級，例如通信帶寬、測量節(jié)點數量和手持端設備數量等。

2 感知層設計

圖1 監(jiān)視系統的總體架構Fig.1 The overall architecture of the monitoring system

感知層主要測量船舶綜合電力系統中發(fā)電側和用電側的電能質量參數，其設計要求為：1）準確、有效地測量多種類型的電能參數；2）測量裝置滿足船級社等監(jiān)管部門的船用標準要求，可靠性高；3）具備初級的數據智能處理能力，例如越限報警、事件記錄、諧波分析等功能；4）具備數據存儲和通信功能。此外，經濟性也是需要考慮的設計要素。

基于上述要求，本文設計了如圖2所示的感知層。電源側和推進電機側同時接入三相電流互感器，然后分別接入智能電力參數測量儀PM850和ION7650及轉速傳感器，最后將電流互感器二次側的電流信號輸送至測量儀。由電動機轉速傳感器測量電機轉速，并通過模擬通道傳輸至PLC。

3 傳輸層設計

傳輸層的主要功能是將感知層所測量的參數數據和事件記錄傳輸至不同的應用層。本文采用Modbus TCP/IP現場總線和物聯網技術，設計了如圖3所示的傳輸層通信架構。將測量儀PM850和ION7650作為施耐德EGX300網關的節(jié)點，由網關將測量節(jié)點的RS-485 Modbus傳輸方式轉換為TCP/IP Modbus傳輸方式。在傳輸層中，網關、PLC、無線路由器和本地服務器由交換機進行連接。

全船無線監(jiān)視層經由無線路由器連接至感知層，其無線路由節(jié)點布局如圖4所示。通過全船區(qū)域內的多個信號中繼器、手持端和上位機，可以在全船任意區(qū)域實時獲取電能質量信息。由于大型船舶一般采用鋼鐵材料建造，一旦艙門關閉，各個艙室就變成了無線信號的天然屏蔽罩。為了解決這個問題，可以通過以太網線連接各個艙室，從而實現艙室之間的互聯，然后采用中繼器對網絡信號進行中繼放大，最后通過無線路由器實現艙室內無線手持端的全船聯網。在該監(jiān)視層中，手持端的通信模塊選用了高性能的UART-Wifi無線接收模塊和ATK-ESP8266串口轉換模塊，可以實現Wifi與STM32 MCU串口之間的轉換；而上位機在Matlab 2017中開發(fā)了GUI界面系統，通過編程實現了Wifi數據的通信。

圖3 傳輸層通信架構示意圖Fig.3 Diagram of transport layer communication architecture

圖4 船舶無線局域網配置示意圖Fig.4 Diagram of whole ship WLAN architecture

廣域網云端監(jiān)視層可以通過海事衛(wèi)星通信系統、船舶“動中通”衛(wèi)星地面站通信系統、百度云服務器來連接感知層，而移動終端（例如手機、平板、PC機）則可以在授權的情況下訪問云端監(jiān)視系統，以實時獲取電能質量信息。其中，本地服務器和云服務器中安裝了物聯網開發(fā)設計軟件WebAccess。在本地服務器和百度云服務器上打開互聯網信息服務（Internet Information Server，IIS）功能，即可安裝組態(tài)軟件WebAccess。然后，在本地服務器上新建工程，設置PLC局域網IP地址為“10.64.15.101”，以及通信端口502，即可通過Modbus TCP/IP讀取M340 PLC中電能質量寄存器的數據，最后可以通過公網將數據發(fā)送至百度云服務器，其中公網IP地址設置為106.12.25.222。

雖然無線網絡可能被近距離破解并威脅信息安全，但考慮到信息化技術的快速發(fā)展將顯著提升軍用艦艇的工作效率和綜合作戰(zhàn)能力，美國、加拿大等國家一直在積極嘗試無線網絡技術的實船應用。目前，無線網絡技術上艦主要面臨2個問題：一是在復雜電磁環(huán)境下與通信系統的兼容性問題；二是網絡安全問題。其中第1個問題涉及到通信協議轉換、無線網絡設計與空間布局等內容，需要在艦船上配置高性能的通信轉換模塊和無線路由裝置。本文計劃將艦船劃分為不同的無線局域網覆蓋區(qū)域，然后在各區(qū)域的不同層和不同艙室安裝無線路由器和中繼器，最后將各區(qū)域的無線網接入全船通信系統。當單個路由設備布置于電力變頻器1 m范圍內，且附近5 m范圍內存在其他2臺無線收發(fā)裝置時，本文設計的手持端可以在距離其20～30 m范圍內正常收發(fā)無線信號。第2個問題涉及到無線網絡節(jié)點準入、安全密鑰的可靠性、網絡數據訪問權限等問題，本文暫未開展這方面的研究工作。

4 應用層設計

考慮到艦船操作人員和岸基監(jiān)管機構的不同需求，本文開發(fā)設計了2個應用層：全船無線監(jiān)視層和廣域網云端監(jiān)視層。其中全船無線監(jiān)視層面向艦船操作人員，具有全船電能質量數據共享、關鍵參數越限報警、數據存儲、數據圖形化顯示等功能；而廣域網云端監(jiān)視層則面向岸基監(jiān)管機構，具有廣域網云端數據共享、數據云存儲、數據圖形化顯示、移動終端便捷訪問等功能。

總體來說，整個應用層的特點是：

1）使用便捷。用戶通過無線手持端、船用上位機及移動終端即可遠程獲取電能數據，無需在推進系統機艙進行實地觀測。

2）功能齊全。各個終端的功能可以滿足船基和岸基的實際應用需求。

3）系統可擴展性高。在網絡資源充裕的條件下，可以通過預留擴展模塊接口（例如，統計學描述模塊、故障預測模塊和視情維修計劃模塊等）接入大量的應用終端。

開發(fā)應用層時，需要計算一些電能質量指標，例如電壓波動與閃變、總諧波畸變率、不平衡度等。針對電力推進船舶的電力系統，本文選取的電能質量指標如表1所示。

4.1 全船無線監(jiān)視層設計

艦船指揮人員、機組管理維護人員、其他專業(yè)人員都可以在船上通過手持端和上位機實時獲取船舶電力推進系統的電能質量信息，例如電能參數數據、故障事件記錄和報警信息記錄，并為實施機組操作、運行、管理、維修的艦員提供實時監(jiān)測數據，為下達航行指令的艦船指揮人員提供推進系統狀態(tài)信息，為武器操作人員、后勤保障人員、甲板工作人員等其他需要在戰(zhàn)時實時獲取船舶狀態(tài)和緊急報警信息的專業(yè)人員提供支持。手持端、上位機的算法流程和界面功能如圖5所示。

表1 電能質量指標Table 1 Power quality index

圖5 全船無線監(jiān)視層的設計方案Fig.5 Design of wireless monitoring layer for whole ship

本文基于STM32 MCU開發(fā)手持端，通過ATK-ESP8266無線收發(fā)模塊與感知層進行通信，采用TFT-LCD液晶屏顯示運行結果，采用FATFS SD卡記錄存儲信息，實現了數據可視化、圖形可視化、故障報警和信息存儲等功能。通過設置不同的IP地址，多個手持端可以同時在線讀取電能數據。同時，本文基于Matlab 2017開發(fā)了上位機監(jiān)視系統，其GUI界面系統主要分為登錄界面、電網側界面和推進側界面，具備數據顯示、圖形曲線繪制、運行狀態(tài)評估、故障報警、故障事件記錄、數據記錄等功能。

4.2 廣域網云端監(jiān)視層設計

岸基監(jiān)管機構、設備廠商、系統設計部門等岸基人員可以通過云端監(jiān)視層獲取推進系統的運行數據，從而提供遠程診斷和維修建議。云端監(jiān)視系統的設計流程如圖6所示。通過在本地服務器和百度云服務器的WebAccess軟件中新建工程，即可設置通信端口。如果在本地服務器和云服務器上同時啟用監(jiān)控，即可將感知層的電能質量數據上傳到云端監(jiān)控系統。在岸基通過手機、平板或PC機等終端打開瀏覽器，登陸云服務器公網IP地址，即可查看在云端WebAccess Dashboard中開發(fā)的監(jiān)視系統界面。云端監(jiān)視系統可以集中顯示電能質量數據、繪制三相電壓和三相電流的相量圖、記錄歷史數據和故障事件并進行故障報警，同時具備界面友好和操作簡單的優(yōu)點。

圖6 云端監(jiān)視系統設計流程圖Fig.6 Design flow chart of cloud monitoring system

5 系統實現

進行系統調試時，電能質量監(jiān)視系統的物層即船舶電力推進實驗系統，主要包括：380 V/50 Hz交流市電電源；0～430 V范圍，3 kVA容量的TSGC2J-3型三相接觸調壓器；M340 PLC；XBTGT7340觸摸屏；施耐德Altivar61型1.5 kW/2 hp變頻器；凌智4極0.75 kW，1∶10三相異步減速電機。

不同應用層的監(jiān)視界面如圖7～圖9所示。由圖7可知，全船無線監(jiān)視層的手持端能夠清晰地顯示電能參數數據。圖7（b）的電壓/電流相量圖顯示了三相電壓/電流的幅值和相位，可為監(jiān)視人員分析推進系統的穩(wěn)定性和平衡性提供依據。圖7（c）的相電壓諧波柱狀圖顯示了基波和2～63次諧波的成分含量，其中2次諧波的成分含量最大，總諧波畸變率為71.87%，偶次諧波畸變率為32.25%，奇次諧波畸變率為64.23%。由此可見，在未添加濾波裝置時，推進實驗系統的波形水平與畸變電能指標均較低。同時，諧波畸變率數據也可為改善變頻器和推進電機的運行性能提供數據參考。圖7（d）的三相電壓曲線圖顯示了實時刷新的電壓幅值。

圖7 手持端的顯示界面Fig.7 Display interfaces of hand-held terminal

圖8所示為全船無線監(jiān)視層的上位機顯示界面。由圖8可知，上位機監(jiān)視系統的負載側界面由電壓電流參數模塊、電能質量模塊、功率參數模塊、運行與報警指示模塊、相電壓均值折線圖、線電壓均值折線圖、相電流均值折線圖、運行狀態(tài)評估模塊、事件信息記錄模塊、三相電壓相量圖、三相電流相量圖、A相電壓各次諧波成分柱狀圖、A相電壓各次諧波相角折線圖等模塊組成。上位機顯示界面不僅能顯示電能參數數據、繪制數據曲線，還能進一步處理分析數據。例如，運行狀態(tài)與報警指示模塊可以分析顯示系統的運行狀態(tài)、A相斷路、B相斷路、C相斷路、過電壓、欠電壓等數據信息。實驗結果表明：界面模塊可以正常運行，能滿足電力推進系統電能質量的一般監(jiān)視需求。

圖9所示為廣域網云端監(jiān)視層的系統界面。通過平板電腦的瀏覽器訪問云端服務器，即可登錄廣域網云端監(jiān)視層系統。由圖9可以看出，云端監(jiān)視系統可以實現預設的監(jiān)視功能，界面簡潔友好。同時，云端監(jiān)視系統也可以將電能參數數據和故障報警信息存儲在云端數據庫中，從而為用戶的大數據分析提供支持。

圖9 廣域網云端監(jiān)視層的系統界面Fig.9 System interfaces of the wide area network cloud monitoring layer

6 結 語

本文采用物聯網技術開發(fā)了電力推進船舶的電能質量監(jiān)視系統，基于STM32 MCU開發(fā)了手持端無線監(jiān)視應用程序，基于Matlab2017開發(fā)了上位機GUI無線監(jiān)視系統，基于WebAccess軟件和百度云開發(fā)了云端監(jiān)視系統。首先，感知層通過智能電力參數測量儀和高精度傳感器測量感知電力推進系統的電能質量數據；然后，全船無線監(jiān)視層和廣域網云端監(jiān)視層分別經全船傳輸層和廣域網傳輸層進行通信，并通過多個手持端、上位機和岸基移動終端等軟、硬件實現電能質量信息的任意地點無線獲取、分析和顯示；最后，以船舶電力推進實驗系統作為物層，驗證了監(jiān)視系統的可行性和實用性。

此外，本文所設計的監(jiān)視系統選用了標準工業(yè)化裝置和技術，具有較高的可移植性。后期需在數據通信、故障報警、數據云存儲等方面開展進一步的測試，以明確船舶無線路由器的性能要求和網絡布局，從而提高監(jiān)視系統在復雜工況條件下的故障容錯性。