王之民，陳松濤，胡祥平

(鎮(zhèn)江賽爾尼柯自動化有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 262000)

0 引言

船舶智能供配電系統(tǒng)從全船能量的整體優(yōu)化調(diào)度和管理目標(biāo)出發(fā)，覆蓋了從發(fā)電機組（包括柴油發(fā)電機、軸帶發(fā)電機以及新能源）到供配電網(wǎng)絡(luò)，再到負荷用電設(shè)備（全范圍），即“源-網(wǎng)-荷”[1]。現(xiàn)代船舶多為電力負荷，將智能配電板則作為信息樞紐和控制樞紐，對全船用電設(shè)備能量進行進一步高效優(yōu)化管理，使船舶智能供配電系統(tǒng)具備對全船用電設(shè)備的電源優(yōu)化調(diào)度、節(jié)能減排與健康管控（包括電力電纜與電力負荷設(shè)備的健康狀態(tài)監(jiān)視、安全管理與控制）的功能，最終船舶智能供配電系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)運行，達到節(jié)能減排環(huán)保以及提高全過程安全性的目的。

本文探討船舶智能供配電系統(tǒng)的功能需求，結(jié)構(gòu)框架設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

船舶設(shè)備具有“散亂雜繁”的特點，其集成控制是一技術(shù)難點。在智能船舶規(guī)范的指導(dǎo)下，根據(jù)設(shè)備及供配電系統(tǒng)實際情況，研制多項新型基于CPS、智能量測等技術(shù)的新型控制器，覆蓋機艙設(shè)備及電力電網(wǎng)，升級原有設(shè)備系統(tǒng)，提升系統(tǒng)信息通信功能。解耦原有的設(shè)備控制與信息傳遞組成（原通過一對一電纜連接形式被各種拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)通信替代），在實現(xiàn)設(shè)備安全可靠控制同時，又實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息互聯(lián)互通。通過新型的計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺，以數(shù)據(jù)融合技術(shù)重構(gòu)艙室設(shè)備智能管控平臺（各分系統(tǒng)通過電纜連接的點對點數(shù)據(jù)通信被中央數(shù)據(jù)庫替代），實現(xiàn)船舶供配電系統(tǒng)智能管控。同時結(jié)合艙室輔機智能管控以及已構(gòu)建智能機艙平臺（智能船舶1.0）進行數(shù)據(jù)再融合，最終補充實現(xiàn)全面的智能機艙功能（滿足智能船舶2.0要求）[2]。其具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 智能供配電系統(tǒng)技術(shù)路線Fig. 1 Technical route of intelligent power supply and distribution system

2 智能電站管理系統(tǒng)研究

智能電站管理技術(shù)的核心在于如何對能量進行分類預(yù)測、高效管理及調(diào)配[3]。結(jié)合歷史運行數(shù)據(jù)特征與專家數(shù)據(jù)庫，通過建立系統(tǒng)和設(shè)備的典型模型與算法對電網(wǎng)系統(tǒng)進行綜合性的需求分析及預(yù)測，在船舶不同運行模式下，確立能量配置、調(diào)配、管理策略。如船舶發(fā)電系統(tǒng)的啟停投切、傳輸線路的波動、負荷的間歇性變化會對船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成較大的影響[4]?；诠β暑A(yù)測，通過合理的能量管理技術(shù)對能源的出力、負荷的分配進行較為精準(zhǔn)控制，可減小源-網(wǎng)-荷波動對船舶電網(wǎng)的影響，從而保證船舶電力系統(tǒng)的可靠、安全運行。

在智能電站管理系統(tǒng)的能量管理可實現(xiàn)智能電源系統(tǒng)中能量流的優(yōu)化調(diào)度與智能管控。

2.1 船舶電站系統(tǒng)模型研究

包括發(fā)電機組啟停運行、額定運行、投切運行等不同工作狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)模型研究；輸電線路正常工作、短路、斷路工作狀態(tài)下模型研究；負荷投切、負荷間歇性波動、重載等工作狀況下的模型研究等。

2.2 船舶電站系統(tǒng)功率預(yù)測研究

船舶電網(wǎng)具有低慣性、多運行模式以及大量電力電子裝置接入等特點。對不同運行模式下，電網(wǎng)系統(tǒng)功率進行功率預(yù)測研究，提高系統(tǒng)的暫態(tài)性能以及穩(wěn)定性?；诠β暑A(yù)測，通過合理的能量管理技術(shù)對能源的出力、負荷的分配進行較為精準(zhǔn)控制，可減小源-網(wǎng)-荷波動對船舶電網(wǎng)的影響，從而保證船舶電力系統(tǒng)的可靠、安全運行。

2.3 基于協(xié)同控制的能量管理策略

智能供配電系統(tǒng)的智能電站管理系統(tǒng)是在常規(guī)電站管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出一種基于協(xié)調(diào)控制的能量策略，針對電源和負荷的隨機性運行工況，以系統(tǒng)網(wǎng)損最小、各單元的運行效率最高為目的，即協(xié)調(diào)控制各用電設(shè)備，實現(xiàn)功率預(yù)測、優(yōu)化配置、高效管理，此外在供需之間進行能量的生產(chǎn)，調(diào)度，消耗等諸方面的管理，需要考慮在滿足穩(wěn)定安全供電的基礎(chǔ)上兼顧經(jīng)濟性。

圖2 船舶電源系統(tǒng)能量管理Fig. 2 Energy management of ship power system

3 智能供配電線路管理與控制研究

船舶電網(wǎng)及負荷設(shè)備的健康狀態(tài)監(jiān)測和維護是保障設(shè)備正常安全運行、提高設(shè)備工作效率、延長設(shè)備使用壽命的主要手段。隨著設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，現(xiàn)代設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，自動化程度越來越高，設(shè)備的日常維護和故障檢修越來越困難，設(shè)備維護的費用越來越高[4]。電網(wǎng)及負荷設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和維護的目的是及時準(zhǔn)確地對多種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷，預(yù)防或消除故障，對設(shè)備的運行進行必要的決策支持與保護，提高設(shè)備運行的可靠性、安全性和有效性，把故障損失降低到最低水平[5]。

配電線路智能化關(guān)鍵技術(shù)，尤其是電纜、環(huán)境和氣象條件等狀態(tài)特征參數(shù)信息獲取、評估診斷等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)配電線路狀態(tài)的智能監(jiān)測與故障診斷。通過對配電線路及開關(guān)的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)過電流繼電保護功能，應(yīng)用于分支線、分界點或線路末端開關(guān)，處理線路瞬時性故障，實現(xiàn)配電線路測控保一體化，為供配電融合奠定技術(shù)基礎(chǔ)。電力電纜絕緣監(jiān)測與故障定位裝置，為智能供配電線路健康安全運行提供有效技術(shù)保障。

3.1 智能供配電線路特征參數(shù)獲取

利用計算機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù)等先進技術(shù)對配電線路導(dǎo)線、環(huán)境和氣象條件等狀態(tài)特征參數(shù)信息（如電壓、電流、溫度等）進行獲取、評估診斷、遠程及實時通訊等技術(shù)處理，開發(fā)智能供配電線路高級應(yīng)用，為后續(xù)線路絕緣故障監(jiān)測及故障定位、線路測試控制保護一體化提供接入平臺，并最終接入智能電站管理系統(tǒng)平臺。

3.2 絕緣監(jiān)測及故障定位裝置開發(fā)

向船舶電網(wǎng)電纜導(dǎo)體上注入特定某一頻率交流電壓，利用軟硬件濾波算法等技術(shù)測量出等效接地點相應(yīng)頻率響應(yīng)電流，計算出電網(wǎng)絕緣等效阻抗即系統(tǒng)的等效絕緣電阻和系統(tǒng)對地泄漏電容等參數(shù)，并通過安裝在不同回路的環(huán)形互感器檢測獲取定位電流信號，通過綜合分析比較可實現(xiàn)對故障回路的自動定位。

圖3 絕緣監(jiān)測及故障定位Fig. 3 Insulation monitoring and fault location

3.3 線路測控保一體化技術(shù)研究

借助具有遙控、遙信、故障檢測功能的饋線自動化終端裝置，通過總線與集控室通信，最大程度減少通信電纜[6]。并將部分饋線開關(guān)集成入饋線自動化終端裝置，轉(zhuǎn)移至線路末端，實現(xiàn)一二次設(shè)備融合，有效實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷”測控保解耦，便于隔離故障擴散。

4 負荷主動管理與控制研究

船舶的主要負荷包括數(shù)量眾多由電動機驅(qū)電動的泵、風(fēng)機與空調(diào)等等。負荷主動管理與控制研究在于構(gòu)建一種基于信息感知與數(shù)據(jù)融合的智能負荷預(yù)測與分布式負荷管控系統(tǒng)[7]。負荷主動管控由智能量測系統(tǒng)（信息感知）、基于負荷分類（數(shù)據(jù)融合）的負荷預(yù)測、基于工況優(yōu)化的分布式能量管理與控制、基于環(huán)境舒適度評價的空調(diào)負荷智能調(diào)度控制以及智能電機綜合保護控制器組成。船舶電力負荷及作業(yè)負荷根據(jù)負荷運行特性的不同，需依據(jù)實際運行工況下的諸如風(fēng)速風(fēng)向、吃水、油量、作業(yè)模式等歷史運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)對該類負荷進行功率預(yù)測[8]。從而構(gòu)建以負荷分類為基礎(chǔ)的負荷精確預(yù)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)全船負荷運行模式的共享，全船所有用電設(shè)備則通過分層網(wǎng)絡(luò)進行基于全船管理系統(tǒng)的工況調(diào)度要求與負荷預(yù)測數(shù)據(jù)進行跨系統(tǒng)的優(yōu)化配置與調(diào)度，實現(xiàn)分布式協(xié)同功率控制與協(xié)同保護功能。

圖4 線路智能化Fig. 4 Intelligent power grid

4.1 智能量測系統(tǒng)

基于嵌入式系統(tǒng)（ARM）核心和數(shù)字信號控制器（DSP）核芯的雙核架構(gòu)的智能量測系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助現(xiàn)場總線冗余技術(shù)為本專項諸如環(huán)境評價系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測、船舶電站發(fā)電量監(jiān)測、負荷監(jiān)測與智能電站管理系統(tǒng)平臺等提供先進的信息感知手段，并形成智能供配電系統(tǒng)的信息流，此外，該系統(tǒng)通過冗余雙現(xiàn)場總線與上級綜合管控網(wǎng)絡(luò)平臺進行信息交互。

以DSP芯片為技術(shù)的智能量測技術(shù)，全面解決船用電力系統(tǒng)的測量精度問題，控制及后臺的智能管控提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

全船負荷根據(jù)負荷運行特性的不同，如對易受航行海區(qū)的海洋環(huán)境、季節(jié)或晝夜的變化等影響的風(fēng)機、泵類負載，需依據(jù)實際運行工況下的諸如風(fēng)速風(fēng)向、吃水、油量等歷史運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)對該類負荷進行功率預(yù)測。從而構(gòu)建以負荷分類為基礎(chǔ)的負荷精確預(yù)測系統(tǒng)。

4.2 智能電機管理控制系統(tǒng)

圖5 基于嵌入式+DSP技術(shù)的智能控制器示意圖Fig. 5 intelligent controller based on embedded + DSP Technology

基于嵌入式控制器核心和數(shù)字信號控制器核芯的雙核架構(gòu)的智能電機綜合保護與控制器，使船舶智能供配電系統(tǒng)具備機旁與遙控的兩級負荷管控與電機保護的功能，以及通過冗余雙現(xiàn)場總線與上級綜合管控網(wǎng)絡(luò)平臺進行信息交互。

在源/荷電量測量的基礎(chǔ)上，研制智能電機管理控制系統(tǒng)。通過特定的參數(shù)設(shè)置，為各種電機的應(yīng)用場合提供適當(dāng)?shù)目刂啤⒈O(jiān)測和保護功能?？刂破鳒y量和計算的電氣參數(shù)包括三相電流（A）、功率因數(shù)、三相線電壓（V）、頻率（Hz）、有功功率（kW）、視在功率（kVA）、電能（kWh），以及電機狀態(tài)、電動機運行時間、電機停止時間、啟動次數(shù)、脫扣次數(shù)。從而實現(xiàn)全船負荷運行模式的共享，全船所有電機則通過分層網(wǎng)絡(luò)進行基于全船用電設(shè)備的工況調(diào)度要求與負荷預(yù)測數(shù)據(jù)進行跨系統(tǒng)的優(yōu)化配置與調(diào)度，實現(xiàn)分布式協(xié)同功率控制與協(xié)同保護功能。

圖6 基于信息融合的智能負載預(yù)測Fig. 6 Intelligent load forecasting based on information fusion

5 結(jié) 語

通過對“源-網(wǎng)-荷”3個方面的研究，實現(xiàn)以提高船舶各負荷設(shè)備集中管控、健康狀態(tài)監(jiān)測及其安全性和實現(xiàn)節(jié)能減排為目標(biāo)，開發(fā)船舶智能供配電系統(tǒng)，完成與全船網(wǎng)絡(luò)平臺融合，實現(xiàn)可視化、信息化及遠程操控等優(yōu)越性能。