鄧勇智 丁敏飏 鄭國威

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

0 引 言

隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，船體規(guī)模總體朝大型船舶方向靠攏。船舶排水量和電站容量不斷增加，常規(guī)動力單電站或雙電站設(shè)計已無法滿足船舶大型化和電站容量增長的需求。三電站或更多電站的船舶日益增多，對船舶配電管理、監(jiān)測和控制提出了更高要求；同時，船舶行業(yè)信息化和智能化水平不斷提升，也對船舶配電信息監(jiān)測與智能控制提出了更高要求。

船舶配電系統(tǒng)是介于船舶電源系統(tǒng)和用電設(shè)備之間傳輸與分配電能的全部裝置和網(wǎng)絡(luò)的總稱。作為船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分，船舶配電系統(tǒng)將船舶上的電源裝置產(chǎn)生的電能輸送到用電終端，為船舶各系統(tǒng)用電設(shè)備發(fā)揮功能提供基本保障。傳統(tǒng)船舶一般設(shè)置配電監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測船舶配電網(wǎng)運行情況。傳統(tǒng)配電監(jiān)測系統(tǒng)一般通過互感器采集船舶重要用電負載的配電信息，僅能實現(xiàn)對重要負載電壓、電流信息進行監(jiān)測。傳統(tǒng)配電監(jiān)測系統(tǒng)大部分采用分散監(jiān)測或者集成化程度較低的集中監(jiān)測方法，人機界面簡單、功能單一、管理落后且信息化智能化程度低，缺乏對配電網(wǎng)絡(luò)集中管理和遠程控制的能力。隨著船舶大型化、配電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化以及電站容量不斷增長的趨勢，配電系統(tǒng)監(jiān)測的對象大大增加，分布位置相對離散，故障頻次增加，傳統(tǒng)的配電監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代船舶配電系統(tǒng)高度信息化和自動智能化管理控制需求。同時，開關(guān)斷路器電量附件的發(fā)明應(yīng)用，簡化了開關(guān)信息采集和遠程控制功能所需的硬件組成，降低了成本；工業(yè)計算機不斷小型化，存儲計算性能進一步提升，為船舶配電系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)測、集中管理、遠程管控和智能控制鋪平了道路。自動化、智能化已成為配電系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

1 配電監(jiān)控系統(tǒng)定位

船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)一般分為供電監(jiān)控系統(tǒng)和配電監(jiān)控系統(tǒng)。供電監(jiān)控系統(tǒng)主要是對供電側(cè)電源裝置運行情況監(jiān)測、管理以及自動化控制;配電監(jiān)控系統(tǒng)主要是對配電側(cè)用電對象進行監(jiān)測、遠程管控及自動化智能化控制。

船舶建立配電監(jiān)控系統(tǒng)意義在于：

（1）集中監(jiān)管，減員增效

配電監(jiān)控系統(tǒng)可實時采集配電網(wǎng)上各設(shè)備運行情況，實現(xiàn)對全船配電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。管理人員不再需要通過問詢或現(xiàn)場查看才能了解信息，只需通過監(jiān)控界面便可全面掌握配電系統(tǒng)運行情況。對于用電負載多且分布離散的大型船舶，可大大減少人員值更需求和繁重的巡檢記錄工作。利用遠程操控開關(guān)代替船員現(xiàn)場操作，可有效達到管控集中、減員增效的效果。

（2）提高電網(wǎng)運行可靠性

配電網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)故障，配電監(jiān)控系統(tǒng)第一時間會發(fā)出報警。根據(jù)故障位置提供的地址信息，配電監(jiān)控系統(tǒng)可精準(zhǔn)定位故障位置，減少故障定位時間；同時，故障位置用電狀態(tài)記錄可有效復(fù)現(xiàn)故障發(fā)生過程，為故障分析診斷提供重要依據(jù)，減少斷電時間，把故障對配電網(wǎng)影響降低到最小。

（3）智能優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)，提高電網(wǎng)效率

對于多電站船舶而言，重要用電設(shè)備一般設(shè)置兩路供電提升設(shè)備的供電可靠性。當(dāng)用電功率較大的兩電源負載（后文稱為“重載設(shè)備”）運行時，通過設(shè)計智能配電算法自動為其選擇最優(yōu)供電電站，優(yōu)化重載設(shè)備的配電路徑，從而使電站負荷均衡且減少電站間的跨接電流。通過以上智能配電優(yōu)化策略，可有效提高電網(wǎng)整體配電效率，減少能量損耗。

（4）自動化和智能化控制

開關(guān)斷路器電量附件的發(fā)明應(yīng)用極大方便了采集三相電壓、三相電流、功率和功率因數(shù)等信息，同時能夠遠程通信控制開關(guān)合閘/分閘。配電監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)采集信息以及供電網(wǎng)信息，可實現(xiàn)按優(yōu)先級自動分級卸載和智能優(yōu)化重載設(shè)備配電路徑等功能，有效提升全船配電自動化智能化水平。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 配電監(jiān)控系統(tǒng)信息需求

依據(jù)配電監(jiān)控系統(tǒng)定位，系統(tǒng)應(yīng)具備采集監(jiān)控配電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)以及電站狀態(tài)參數(shù)功能，向上級系統(tǒng)發(fā)布狀態(tài)信息并接收上級控制指令功能，智能決策向下級配電網(wǎng)下發(fā)控制指令功能等。從以上功能出發(fā)，可以分析配電監(jiān)控系統(tǒng)需求表（表1）中的信息。

表1 配電監(jiān)控系統(tǒng)信息需求表

續(xù)表1

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

配電監(jiān)控系統(tǒng)主要由主站、從站、采控終端以及通信網(wǎng)絡(luò)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。根據(jù)船舶電站數(shù)量，一般每個電站可設(shè)置1 個主站，主站由配電顯控終端和配電區(qū)域控制中心組成。配電顯控終端為使用人員提供人機交互界面，配電區(qū)域控制中心具備數(shù)據(jù)存儲管理和自動化智能自動控制功能，是配電監(jiān)控系統(tǒng)的中樞。從站數(shù)量根據(jù)配電分區(qū)終端容量來配置。從站主要由現(xiàn)場采集控制中心組成，負責(zé)采集對應(yīng)區(qū)域的配電信息和向采控終端轉(zhuǎn)發(fā)配電區(qū)域控制中心下發(fā)的控制指令，是配電監(jiān)控系統(tǒng)中間層。采控終端具有采集配電網(wǎng)絡(luò)信息或控制被控對象功能，是系統(tǒng)底層。通信網(wǎng)絡(luò)是把主站、從站以及終端鏈接在一起的介質(zhì)。

圖1 配電監(jiān)控系統(tǒng)夠架構(gòu)

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

配電監(jiān)控系統(tǒng)中可采用以太網(wǎng)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）總線或串口通信組建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。影響通信形式選擇因素主要有傳輸?shù)男畔⒘俊⑼ㄐ啪嚯x、全船網(wǎng)絡(luò)配置以及硬件網(wǎng)絡(luò)接口形式。一般而言，上層網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)量較大，宜采用以太網(wǎng)或者CAN 總線形式；下層數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)傳輸量較小，宜采用CAN 總線或者串口形式。

以太網(wǎng)具有可靠性高、傳輸速率快、拓展性強以及可維護性好等特點，現(xiàn)代船舶中已廣泛應(yīng)用以太網(wǎng)為全船組建信息網(wǎng)絡(luò)。配電監(jiān)控系統(tǒng)上層網(wǎng)可利用該網(wǎng)絡(luò)組建上層網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)分區(qū)設(shè)置來分區(qū)采集數(shù)據(jù)、分區(qū)配電以及分區(qū)設(shè)置監(jiān)控臺且互為備份,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互獨立且網(wǎng)絡(luò)總線有冗余能力,可使系統(tǒng)的整體可靠性和生命力大大提高。CAN 網(wǎng)絡(luò)需根據(jù)通信速率和傳輸距離關(guān)系選用，其通信速率和距離關(guān)系見下頁表2。以CAN 網(wǎng)絡(luò)組建的上層網(wǎng)適合小型船舶或?qū)W(wǎng)絡(luò)和控制中心冗余設(shè)計要求較低的船舶，串口通信網(wǎng)絡(luò)主要用于下層數(shù)據(jù)采集或簡單控制指令通信，船舶用電終端設(shè)備容易配置串口或者CAN 接口。

表2 CAN 網(wǎng)絡(luò)傳輸速度與傳輸距離關(guān)系

圖2是某船以CAN 總線為上層網(wǎng)設(shè)計的配電監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2 某船配電監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該配電監(jiān)控系統(tǒng)主站互為冗余備份，任一主站正常工作，配電監(jiān)控系統(tǒng)即可正常工作；任一區(qū)域從站發(fā)生故障，都不會影響其他區(qū)域配電信息采集和負載遠程配電控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 配電顯控終端

配電顯控終端是配電監(jiān)控系統(tǒng)人機交互窗口，并安裝了人機界面軟件。使用人員通過配電顯控終端可查看各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，遙控管理用電設(shè)備。配電顯控終端對硬件的存儲算能力要求較低，可選用通用性較強的觸控式顯控一體機作為硬件，嵌裝在各區(qū)域的主配電板上。在任一分區(qū)的主配電板上都可實現(xiàn)對全船的配電信息監(jiān)測和遠程配電控制。

3.2 配電區(qū)域控制中心

配電區(qū)域控制中心可選用小型通用加固計算機，其主板上可根據(jù)需求擴展標(biāo)準(zhǔn)化板卡，如內(nèi)存、通信板卡和電源模塊等。配電區(qū)域控制中心主要負責(zé)數(shù)據(jù)存儲、分析、計算以及根據(jù)算法計算結(jié)果自動下發(fā)控制指令，一般配置較高性能的CPU和較大的內(nèi)存。其本身不需要配置顯示器和輸入設(shè)備，只需配置相關(guān)調(diào)試接口。

3.3 現(xiàn)場采集控制中心

現(xiàn)場采集控制中心可選用小型化通用加固計算機，主要負責(zé)打包上傳采集數(shù)據(jù)，下發(fā)遠程控制指令。其對計算機的存儲計算性能要求低于配電區(qū)域控制中心要求，但對通信接口、IO板卡需求較高，可根據(jù)終端分布配置數(shù)量?，F(xiàn)場采集控制中心也無需配置顯示器和輸入設(shè)備，只需配置相關(guān)調(diào)試接口。

3.4 采控終端

采控終端主要有以下幾種形式：

（1）開關(guān)斷路器電量附件

通過RS485、CAN通信或者以太網(wǎng)通信接口形式采集開關(guān)斷路器三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、功率和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)等信息；通過通信協(xié)議控制開關(guān)合閘/分閘。

（2）三相電壓電流采集模塊

采集監(jiān)測對象（如配電板母排）三相電壓、三相電流等信息。

（3）絕緣采集模塊

采集監(jiān)測對象絕緣信息。

（4）繼電器輸出模塊

輸出開關(guān)量控制指令，如集中照明控制等。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

配電監(jiān)控系統(tǒng)軟件由配電監(jiān)控系統(tǒng)人機界面軟件、配電中心計算軟件和現(xiàn)場采控軟件組成。配電監(jiān)控系統(tǒng)人機界面軟件安裝在配電顯控終端內(nèi)，是配電監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互界面，可采用組態(tài)或者其他界面軟件編制。其中組態(tài)軟件通用性強，對于不同的應(yīng)用對象只需要改變數(shù)據(jù)實體即可。配電中心計算軟件安裝在配電區(qū)域控制中心內(nèi)，是配電監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，負責(zé)集中存儲數(shù)據(jù)、運行智能算法進和自動化輸出控制指令。現(xiàn)場采控軟件安裝在現(xiàn)場采集控制中心內(nèi)，是配電監(jiān)控系統(tǒng)下層數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。其主要負責(zé)打包處理來自采控終端的數(shù)據(jù)，并把打包數(shù)據(jù)上傳至配電區(qū)域控制中心，同時把配電區(qū)域控制中心的控制指令下發(fā)至采控終端。

通過以上軟件配電監(jiān)控系統(tǒng)軟件可實現(xiàn)以下功能：

（1）監(jiān)測電網(wǎng)配電信息

配電監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測配電網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)，主要包括：配電板上各負載的三相電壓、三相電流信息，開關(guān)的三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、功率、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)和報警信息以及支路的絕緣信息等。如下頁圖3和圖4所示。

圖3 配電監(jiān)控系統(tǒng)界面

（2）遠程控制用電負載

通過配電顯控終端軟件可以遠程控制開關(guān)合閘/分閘（ON/OFF按鈕），從而達到遠程控制負載運行或停止功能。如圖4所示。

圖4 開關(guān)監(jiān)測信息及控制界面

（3）集中照明控制

通過軟件界面實現(xiàn)對全船夜燈集中照明進行分區(qū)或整體控制，并且在示意圖中反饋照明網(wǎng)絡(luò)實際信號。如下頁圖5 所示。

圖5 全船夜燈集中照明控制界面

（4）報警及歷史查詢

配電網(wǎng)發(fā)生故障時，軟件界面閃爍報警，通過故障位置的通信地址可精準(zhǔn)定位至故障位置，通過歷史查詢功能可查詢或打印歷史報警記錄。

5 智能化設(shè)計

船舶電力系統(tǒng)智能化主要包含智能化供電和智能化配電兩方面：智能化供電指電力系統(tǒng)根據(jù)全網(wǎng)供電需求，智能管理電站運行，達到電站經(jīng)濟運行和人員精簡的目的；智能化配電是指根據(jù)配電需求，智能化分配電力資源，達到降低用電損耗和精簡人員的目的。

本文智能化配電設(shè)計主要包括智能分級卸載設(shè)計和智能配電路徑優(yōu)化設(shè)計兩方面：智能分級卸載指通過算法實現(xiàn)一種可根據(jù)卸載需求智能調(diào)整卸載范圍的功能，智能配電路徑優(yōu)化主要是通過算法實現(xiàn)重載設(shè)備的配電路徑最優(yōu)。

5.1 智能分級卸載

智能分級卸載可根據(jù)上級的卸載需求，通過智能算法按優(yōu)先級自動切除負載，盡量減小切除負載范圍。

當(dāng)電網(wǎng)波動使電站負荷超出發(fā)電機的指定運行負荷率時，供電監(jiān)控系統(tǒng)將向配電系統(tǒng)下發(fā)卸載指令和卸載量（以電流為例）。配電監(jiān)控系統(tǒng)收到上級下發(fā)的卸載指令和卸載量時，可根據(jù)算法按照設(shè)計優(yōu)先級先卸載二級配電網(wǎng)絡(luò)中的非重要負載。若卸載量（卸載的電流大?。┤圆粷M足要求時，進一步卸載主配電板上的非重要負載；若還無法滿足要求時，進一步卸載主配電板上的機艙負載；此時若仍不能滿足卸載量的要求，配電監(jiān)控系統(tǒng)將進一步進行二級卸載，切除更多用電負載。卸載全過程將通過配電區(qū)域控制中心、現(xiàn)場采集控制中心、采控終端和通訊網(wǎng)絡(luò)自動執(zhí)行，可在無人介入的情況下完成。其流程圖如圖6 所示。

圖6 智能分級卸載功能流程圖

5.2 智能配電路徑優(yōu)化

智能配電路徑優(yōu)化當(dāng)重載設(shè)備發(fā)出啟動請求時，配電監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)電站運行情況，通過算法計算重載設(shè)備最優(yōu)配電策略，在半自動模式下給出配電優(yōu)化路徑建議，在自動模式下自動切換至最優(yōu)配電路徑。

配電路徑優(yōu)化策略如下：當(dāng)重載設(shè)備主、備用電站并聯(lián)運行，選擇實際帶載較小的電站作為主用電源，使重載投入后電站間跨接電流最??；若重載設(shè)備主、備用電源電站獨立運行，則選擇電源負荷率較低的電站作為主用電源，調(diào)整發(fā)電機負荷率，使之運行在效率較高的區(qū)間。

在電網(wǎng)穩(wěn)定、重載設(shè)備請求運行時，配電監(jiān)系統(tǒng)根據(jù)上述配電路徑優(yōu)化策略向兩電源轉(zhuǎn)換裝置下發(fā)主備電源切換指令，收到兩電源轉(zhuǎn)換裝置切換完畢主備電源投入位置信號后，配電監(jiān)控系統(tǒng)向重載設(shè)備下發(fā)允許運行信號。在半自動模式下給出配電優(yōu)化建議，人工選定配電策略后，下發(fā)允許運行信號。在自動模式下自動執(zhí)行兩電源轉(zhuǎn)換并下發(fā)允許運行信號，全程無需人工參與。

若重載設(shè)備兩電源轉(zhuǎn)換裝置能實現(xiàn)不間斷轉(zhuǎn)換，在重載設(shè)備已投入使用時，由于電網(wǎng)波動導(dǎo)致主、備用電站負荷率不均衡， 當(dāng)不均衡程度超出設(shè)置指標(biāo)時，系統(tǒng)可依據(jù)配電路徑優(yōu)化策略在自動模式下實現(xiàn)無人自動調(diào)整重載設(shè)備的配電路徑，在半自動模式下提供重載設(shè)備的配電路徑建議。

若重載設(shè)備兩電源轉(zhuǎn)換裝置不支持不間斷轉(zhuǎn)換，在重載設(shè)備已經(jīng)投入使用時，由于電網(wǎng)波動導(dǎo)致主、備用電站負荷率不均衡，系統(tǒng)僅能給出配電路徑優(yōu)化建議，需要人工干預(yù)重新進行重載問詢才能實現(xiàn)配電路徑轉(zhuǎn)換。

軟件界面如圖7 所示。

圖7 智能配電優(yōu)化功能界面

智能配電優(yōu)化軟件流程圖如圖8 所示。

圖8 智能配電優(yōu)化功能流程圖

6 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)配電監(jiān)測系統(tǒng)人機界面功能簡單、自動化智能化程度低、缺乏對配電網(wǎng)絡(luò)管控能力等問題，本文提出了智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)方案，闡述了智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，分析了配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，并對系統(tǒng)硬件和軟件基礎(chǔ)功能和智能化功能進行了設(shè)計。該系統(tǒng)可實現(xiàn)實時監(jiān)測配電網(wǎng)信息、遠程控制用電負載、集中照明控制、報警，以及歷史查詢、智能分級卸載和智能配電優(yōu)化等功能，既有效提升了配電自動化智能化水平，也提高了配電網(wǎng)絡(luò)運行可靠性。該系統(tǒng)已首次在某大型艦船中應(yīng)用，獲得了使用人員較好的評價。智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用對促進船舶電力系統(tǒng)向自動化智能化發(fā)展具有參考意義。