郝衛(wèi)明，劉文達

冗余智能化船舶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)設計

郝衛(wèi)明，劉文達

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

智能化船舶是船舶自動化技術發(fā)展的必然趨勢，船舶能量管理系統(tǒng)也在向著精細化、智能方向發(fā)展。本文介紹了一種熱冗余智能化船舶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)的組成和功能，并對系統(tǒng)進行了硬件設計和軟件設計，梳理了系統(tǒng)工作流程。為后續(xù)冗余智能化船舶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定基礎。

船舶 能量管理系統(tǒng) 優(yōu)化控制 熱冗余

0 引言

隨著船舶電網(wǎng)容量越來越大，船舶電站配置也越來越復雜。而且，船舶負載設備功率等級更高，船舶運行工況更加復雜、多變。傳統(tǒng)船舶能量管理系統(tǒng)通常采用單控制器作為能量管理系統(tǒng)主控制器，機組控制和保護模塊控制機組進行功率分配及增減機組，沒有從船舶總體及船舶所處環(huán)境這一層面進行船舶能量管理。缺少基于大數(shù)據(jù)和人工智能的智能化輔助控制系統(tǒng)，從船舶運行狀態(tài)、環(huán)境條件的實時狀態(tài)及船舶、環(huán)境條件的歷史數(shù)據(jù)出發(fā)，綜合多因素進行能量優(yōu)化管理?，F(xiàn)有能量管理系統(tǒng)在智能化和能量管理的優(yōu)化控制方面存在較大的提升空間[1]。

1 系統(tǒng)簡介

能量管理系統(tǒng)是船舶電站的核心，目前船舶電力系統(tǒng)中的能量管理系統(tǒng)多以單控制器或雙控制器、分布式I/O及機組控制器組成，無法滿足DP-2及以上動力定位系統(tǒng)對船舶能量管理系統(tǒng)的要求，從系統(tǒng)集成化的角度出發(fā)，船舶各系統(tǒng)配置的各類傳感器實時感知船舶的運作狀態(tài)及環(huán)境狀態(tài)，將這些數(shù)據(jù)進行深入分析及挖掘，對船舶能量管理系統(tǒng)中的控制參數(shù)進行實時動態(tài)調整，以滿足全船能量精細化、智能化的管理。使船舶電力系統(tǒng)更加可靠、穩(wěn)定、智能。

1.1 系統(tǒng)組成

熱冗余的智能化船舶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)主要由智能輔助控制模塊、熱冗余控制器、現(xiàn)場I/O模塊、機組控制器、機組恒頻率控制器、調壓器、機組調速機構，同步模塊等組成。熱冗余的智能化船舶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)的核心在于智能輔助控制器。

主電網(wǎng)上連接有多個機組控制器及主發(fā)電機組，機組控制器上連接有調壓器和調速器，機組控制器分別連接現(xiàn)場I/O模塊和控制器模塊，主/備用控制器組成的熱冗余控制模塊通過交換機與智能輔助控制模塊進行數(shù)據(jù)信息交互，同樣熱冗余控制模塊可通過交換機與現(xiàn)場的各類設備和系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，智能輔助控制器可通過對接入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行處理，綜合決策，適時調整能量管理系統(tǒng)的控制參數(shù)及控制策略。

圖1 系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)主要功能

熱冗余的智能化船舶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)可以為船舶電力系統(tǒng)、特別是具有定位能力要求的電力推進的船舶提供安全、可靠、節(jié)能的控制功能及智能化的控制策略。

熱冗余的智能化船舶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)可實現(xiàn)如下主要功能：

1）本系統(tǒng)的主用、備用控制器具有熱備冗余功能、主備用控制器之間的可實現(xiàn)實時切換，進一步降低了系統(tǒng)的故障率，可確保在苛刻條件下的供電連續(xù)性。

2）本系統(tǒng)的主備用智能輔助控制期具有熱備冗余功能、主備用輔助控制器之間的可實現(xiàn)實時切換，確保隨時進行能量控制參數(shù)的實時調整，更加智能化，可保證控制策略的實時優(yōu)化。

3）本系統(tǒng)可通過冗余的機組控制器和機組恒頻控制模塊實現(xiàn)發(fā)電機組在恒頻和下垂兩種模式工作。確保電網(wǎng)供電連續(xù)性和可靠性。

4）本系統(tǒng)具備傳統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)的所有功能、如自動、半自動模式的并車、解列、黑船自啟動、分解卸載、以及負載管理。

5）本系統(tǒng)具有故障診斷功能，在經(jīng)過系統(tǒng)故障模式分析及故障模式識別，進行故障定位及故障維修方案。并為設備及元器件壽命管理提供接口，為設備智能化維修保養(yǎng)提供升級空間。

2 硬件設計

本系統(tǒng)的主控制器采用熱冗余控制器，并配置有同步模塊，通過同步總線（可用光纖或電氣介質）進行實時同步通訊，兩套控制器獨立運行并互為備用。智能輔助控制模塊通過采集動力系統(tǒng)、機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、動力系統(tǒng)的實時運行參數(shù)，處理后結合各系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)建立的船舶動態(tài)控制優(yōu)化模型、動力系統(tǒng)故障診斷模型、動力設備狀態(tài)評估模型和系統(tǒng)控制策略優(yōu)化模型，為船舶提供高效的能效管理、準確的動力系統(tǒng)故障診斷、故障預警、動力設備運行狀態(tài)評估、優(yōu)化的動力系統(tǒng)控制策略以及智能化的動力系統(tǒng)運行維護；智能輔助控制模塊還會通過自學習功能，對系統(tǒng)中的各類模型參數(shù)進行調整和升級。

恒頻模塊、機組控制器與控制器通過現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)設置了恒頻工作方式、下垂工作方式，兩種工作方式互為備用，當恒頻模塊或者機組控制器出現(xiàn)故障，控制器停止主發(fā)電機組的并車、解列、以及開關的合分閘控制，迅速切換到另一種工作狀態(tài)，并依據(jù)電站能量需求繼續(xù)進行相關控制工作?？勺詣踊蛘呤謩忧袚Q，系統(tǒng)為手動切換提供誤操作保護功能。各機組控制器配置了基于現(xiàn)場總線和基于硬線接口的兩種負荷分配控制方案，兩種負荷分配方式互為備用，并且滿足分區(qū)供電情況下各分區(qū)負荷分配均衡。若其中一種控制方式出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動切換至另一種負荷分配模式，并進行聲光報警。

主電網(wǎng)母聯(lián)開關設置同步模塊，對不同母線上的供電設備進行調頻、調壓，實現(xiàn)不同分區(qū)的匯流排同步，實現(xiàn)母聯(lián)開關兩端的某一帶電母排不斷電合母聯(lián)開關。確保供電連續(xù)性。

3 軟件設計

3.1 控制器軟件功能結構

控制器以西門子可編程控制器為基礎，采用博圖V14平臺進行開發(fā)編程，對硬件及網(wǎng)絡進行組態(tài)編譯，利用梯形圖語言進行邏輯控制程序的編制，控制器程序主要實現(xiàn)全船動力設備的運行控制及供配電設備的控制與管理，主要包括了輸入處理塊、輸出處理塊、通信管理與處理塊、供電設備管理塊、負載管理塊、應急處理塊、決策與參數(shù)調整處理塊等組成。主要功能如圖2。

圖2 控制器軟件結構

輸入處理塊，主要處理與系統(tǒng)具有接口的設備或系統(tǒng)的狀態(tài)信號、報警信號，并對短時“閃現(xiàn)”的故障信號進行鎖存處理。

輸出處理塊，主要完成控制指令的發(fā)出及報警聲光控制信號的輸出，如開關合閘、電網(wǎng)電壓超標等。

通信處理塊，主要完成主、從控制器之間的數(shù)據(jù)同步，處理與遠程接口模塊、智能輔助控制模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，并對通信狀態(tài)進行監(jiān)控，出現(xiàn)通訊中斷，進行報警，并嘗試進行通訊恢復。

供配電設備管理塊、主要實現(xiàn)柴油發(fā)電機組的自動啟停、并車、解列、冷卻停機、機組保護功能等，同時對配電網(wǎng)絡中的各級母聯(lián)開關進行同步合閘、分閘、分級卸載等功能。

負載管理塊。主要實現(xiàn)電網(wǎng)負載的管理，包括負載開關合分閘、啟停、轉速控制、重載啟動請求、主推進器推力分配等功能。

應急處理塊，主要完成黑船啟動、主備用設備轉換等功能。

決策與參數(shù)調整處理塊，程序依據(jù)智能輔助控制器發(fā)出的控制指令及控制參數(shù)，依據(jù)當前能量管理系統(tǒng)運行狀態(tài)，對供配電設備管理塊、負載管理塊的控制策略和控制參數(shù)進行調整[2]。

3.2 智能輔助控制器軟件功能

智能輔助控制器軟件以Windows為軟件開發(fā)平臺，采用VS2010作為開發(fā)工具，建立全船設備的各工況及環(huán)境條件下的運行參數(shù)庫優(yōu)化模型[3]。

智能輔助控制模塊綜合分析船舶各系統(tǒng)運行狀態(tài)及水文氣象信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理為船舶動力系統(tǒng)提供優(yōu)化的控制策略、故障診斷[4]及系統(tǒng)狀態(tài)評估。結合各系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)建立的航速、航跡優(yōu)化模型、動力系統(tǒng)故障診斷模型、動力設備狀態(tài)評估模型、系統(tǒng)控制策略優(yōu)化模型為船舶提供高效的能效管理、準確的動力系統(tǒng)故障診斷、故障預警、動力設備運行狀態(tài)評估、優(yōu)化的動力系統(tǒng)控制策略[5]。

4 系統(tǒng)工作流程

通過冗余設置的控制器模塊及智能輔助控制模塊、機組控制器、恒頻模塊進行負荷的分配與控制，通過按照船舶機組數(shù)量配置的機組接口模塊，實施分析來自船舶動力系統(tǒng)、機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)等各系統(tǒng)的運行參數(shù)，采用人工智能技術實現(xiàn)船舶能量的優(yōu)化管理和精確控制。

熱冗余智能化船舶能量優(yōu)化管理系統(tǒng)流程如圖3所示，主要包括如下步驟：

圖3 系統(tǒng)流程圖

步驟201，通過一個或多個網(wǎng)絡接口，采集船舶動力系統(tǒng)設備的運行參數(shù)及其周圍的環(huán)境狀態(tài)信息；

步驟202，利用來自多網(wǎng)絡接口采集的參數(shù)，通過智能輔助控制模塊中的故障診斷模型及動力設備狀態(tài)評估模型進行動力系統(tǒng)設備的故障診斷和狀態(tài)評估；

步驟203，若動力系統(tǒng)設備正常運行，則依據(jù)動力系統(tǒng)設備的實時運行狀態(tài)，生成船舶動力系統(tǒng)控制指令，還可結合來自船舶動力定位系統(tǒng)的水文氣象信息通過人工智能算法優(yōu)化船舶動力系統(tǒng)控制決策；

步驟204，能量管理系統(tǒng)的主/備用控制器接收到來自智能輔助控制模塊的控制指令，執(zhí)行起停、功率限制、降負荷、負載轉移、主備用切換等指令；

步驟205，若動力系統(tǒng)設備存在故障，則依據(jù)動力系統(tǒng)設備的故障模式，進行故障定位和故障預警；

步驟206，依據(jù)動力系統(tǒng)設備的故障定位，進行故障記錄，并依據(jù)故障模式形成輔助維修方案。

5 結束語

本文在傳統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)（PMS）的基礎上，結合智能化技術，以船舶運行參數(shù)為驅動，對船舶電力系統(tǒng)的控制策略和控制參數(shù)進行實時調整，達到了船舶能量的優(yōu)化管理的目的。

[1] 柯常國, 王勁, 楊俊飛. 電力推進船舶功率管理系統(tǒng)設計與研究[J]. 船電技術, 2013.9, 33(9): 17-21.

[2] 朱小平. 艦船主推進系統(tǒng)的建模理論、控制策略及優(yōu)化設計[D]. 上海: 同濟大學, 2007.

[3] 尹成, 顏成鋼. Visual C++2010開發(fā)權威指南[M]. 北京:人民郵電出版社, 2010.

[4] 張永俊. 智能變電站變壓器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計[D]. 成都: 西南交通大學, 2012.

[5] Damir Radan, Integrated control of marine lectricl power system[D]. Department of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology, 2008.

Design of Intelligent Ship Power Optimization Management System Based on Hot-standby Redundancy Controller

Hao Weiming, Liu Wenda

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

U664.8

A

1003-4862（2021）10-0045-03

2020-12-31

郝衛(wèi)明（1988-），男，工程師。研究方向：船舶電力推進。E-mail: 15827524739@163.com