船舶智能化配电监控系统设计研究

邓勇智 丁敏飏 郑国威

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

随着船舶行业的发展，船体规模总体朝大型船舶方向靠拢。船舶排水量和电站容量不断增加，常规动力单电站或双电站设计已无法满足船舶大型化和电站容量增长的需求。三电站或更多电站的船舶日益增多，对船舶配电管理、监测和控制提出了更高要求；同时，船舶行业信息化和智能化水平不断提升，也对船舶配电信息监测与智能控制提出了更高要求。

船舶配电系统是介于船舶电源系统和用电设备之间传输与分配电能的全部装置和网络的总称。作为船舶电力系统的重要组成部分，船舶配电系统将船舶上的电源装置产生的电能输送到用电终端，为船舶各系统用电设备发挥功能提供基本保障。传统船舶一般设置配电监测系统来监测船舶配电网运行情况。传统配电监测系统一般通过互感器采集船舶重要用电负载的配电信息，仅能实现对重要负载电压、电流信息进行监测。传统配电监测系统大部分采用分散监测或者集成化程度较低的集中监测方法，人机界面简单、功能单一、管理落后且信息化智能化程度低，缺乏对配电网络集中管理和远程控制的能力。随着船舶大型化、配电网络复杂化以及电站容量不断增长的趋势，配电系统监测的对象大大增加，分布位置相对离散，故障频次增加，传统的配电监测系统已经难以满足现代船舶配电系统高度信息化和自动智能化管理控制需求。同时，开关断路器电量附件的发明应用，简化了开关信息采集和远程控制功能所需的硬件组成，降低了成本；工业计算机不断小型化，存储计算性能进一步提升，为船舶配电系统实现实时监测、集中管理、远程管控和智能控制铺平了道路。自动化、智能化已成为配电系统发展的趋势。

1 配电监控系统定位

船舶电力监控系统一般分为供电监控系统和配电监控系统。供电监控系统主要是对供电侧电源装置运行情况监测、管理以及自动化控制;配电监控系统主要是对配电侧用电对象进行监测、远程管控及自动化智能化控制。

船舶建立配电监控系统意义在于：

（1）集中监管，减员增效

配电监控系统可实时采集配电网上各设备运行情况，实现对全船配电网络的监控。管理人员不再需要通过问询或现场查看才能了解信息，只需通过监控界面便可全面掌握配电系统运行情况。对于用电负载多且分布离散的大型船舶，可大大减少人员值更需求和繁重的巡检记录工作。利用远程操控开关代替船员现场操作，可有效达到管控集中、减员增效的效果。

（2）提高电网运行可靠性

配电网络一旦出现故障，配电监控系统第一时间会发出报警。根据故障位置提供的地址信息，配电监控系统可精准定位故障位置，减少故障定位时间；同时，故障位置用电状态记录可有效复现故障发生过程，为故障分析诊断提供重要依据，减少断电时间，把故障对配电网影响降低到最小。

（3）智能优化配电网络，提高电网效率

对于多电站船舶而言，重要用电设备一般设置两路供电提升设备的供电可靠性。当用电功率较大的两电源负载（后文称为“重载设备”）运行时，通过设计智能配电算法自动为其选择最优供电电站，优化重载设备的配电路径，从而使电站负荷均衡且减少电站间的跨接电流。通过以上智能配电优化策略，可有效提高电网整体配电效率，减少能量损耗。

（4）自动化和智能化控制

开关断路器电量附件的发明应用极大方便了采集三相电压、三相电流、功率和功率因数等信息，同时能够远程通信控制开关合闸/分闸。配电监控系统根据采集信息以及供电网信息，可实现按优先级自动分级卸载和智能优化重载设备配电路径等功能，有效提升全船配电自动化智能化水平。

2 系统架构

2.1 配电监控系统信息需求

依据配电监控系统定位，系统应具备采集监控配电网状态参数以及电站状态参数功能，向上级系统发布状态信息并接收上级控制指令功能，智能决策向下级配电网下发控制指令功能等。从以上功能出发，可以分析配电监控系统需求表（表1）中的信息。

表1 配电监控系统信息需求表

续表1

2.2 系统架构

配电监控系统主要由主站、从站、采控终端以及通信网络组成，其结构如图1 所示。根据船舶电站数量，一般每个电站可设置1 个主站，主站由配电显控终端和配电区域控制中心组成。配电显控终端为使用人员提供人机交互界面，配电区域控制中心具备数据存储管理和自动化智能自动控制功能，是配电监控系统的中枢。从站数量根据配电分区终端容量来配置。从站主要由现场采集控制中心组成，负责采集对应区域的配电信息和向采控终端转发配电区域控制中心下发的控制指令，是配电监控系统中间层。采控终端具有采集配电网络信息或控制被控对象功能，是系统底层。通信网络是把主站、从站以及终端链接在一起的介质。

图1 配电监控系统够架构

2.3 系统网络架构

配电监控系统中可采用以太网、控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）总线或串口通信组建系统网络架构。影响通信形式选择因素主要有传输的信息量、通信距离、全船网络配置以及硬件网络接口形式。一般而言，上层网传输数据量较大，宜采用以太网或者CAN 总线形式；下层数据采集数据传输量较小，宜采用CAN 总线或者串口形式。

以太网具有可靠性高、传输速率快、拓展性强以及可维护性好等特点，现代船舶中已广泛应用以太网为全船组建信息网络。配电监控系统上层网可利用该网络组建上层网络。根据分区设置来分区采集数据、分区配电以及分区设置监控台且互为备份,网络节点相互独立且网络总线有冗余能力,可使系统的整体可靠性和生命力大大提高。CAN 网络需根据通信速率和传输距离关系选用，其通信速率和距离关系见下页表2。以CAN 网络组建的上层网适合小型船舶或对网络和控制中心冗余设计要求较低的船舶，串口通信网络主要用于下层数据采集或简单控制指令通信，船舶用电终端设备容易配置串口或者CAN 接口。

表2 CAN 网络传输速度与传输距离关系

图2是某船以CAN 总线为上层网设计的配电监控系统。

图2 某船配电监控系统网络结构

该配电监控系统主站互为冗余备份，任一主站正常工作，配电监控系统即可正常工作；任一区域从站发生故障，都不会影响其他区域配电信息采集和负载远程配电控制。

3 系统硬件设计

3.1 配电显控终端

配电显控终端是配电监控系统人机交互窗口，并安装了人机界面软件。使用人员通过配电显控终端可查看各项监测数据，遥控管理用电设备。配电显控终端对硬件的存储算能力要求较低，可选用通用性较强的触控式显控一体机作为硬件，嵌装在各区域的主配电板上。在任一分区的主配电板上都可实现对全船的配电信息监测和远程配电控制。

3.2 配电区域控制中心

配电区域控制中心可选用小型通用加固计算机，其主板上可根据需求扩展标准化板卡，如内存、通信板卡和电源模块等。配电区域控制中心主要负责数据存储、分析、计算以及根据算法计算结果自动下发控制指令，一般配置较高性能的CPU和较大的内存。其本身不需要配置显示器和输入设备，只需配置相关调试接口。

3.3 现场采集控制中心

现场采集控制中心可选用小型化通用加固计算机，主要负责打包上传采集数据，下发远程控制指令。其对计算机的存储计算性能要求低于配电区域控制中心要求，但对通信接口、IO板卡需求较高，可根据终端分布配置数量。现场采集控制中心也无需配置显示器和输入设备，只需配置相关调试接口。

3.4 采控终端

采控终端主要有以下几种形式：

（1）开关断路器电量附件

通过RS485、CAN通信或者以太网通信接口形式采集开关断路器三相电压、三相电流、功率因数、功率和网络通信状态等信息；通过通信协议控制开关合闸/分闸。

（2）三相电压电流采集模块

采集监测对象（如配电板母排）三相电压、三相电流等信息。

（3）绝缘采集模块

采集监测对象绝缘信息。

（4）继电器输出模块

输出开关量控制指令，如集中照明控制等。

4 系统软件设计

配电监控系统软件由配电监控系统人机界面软件、配电中心计算软件和现场采控软件组成。配电监控系统人机界面软件安装在配电显控终端内，是配电监控系统的人机交互界面，可采用组态或者其他界面软件编制。其中组态软件通用性强，对于不同的应用对象只需要改变数据实体即可。配电中心计算软件安装在配电区域控制中心内，是配电监控系统的数据处理中心，负责集中存储数据、运行智能算法进和自动化输出控制指令。现场采控软件安装在现场采集控制中心内，是配电监控系统下层数据中转站。其主要负责打包处理来自采控终端的数据，并把打包数据上传至配电区域控制中心，同时把配电区域控制中心的控制指令下发至采控终端。

通过以上软件配电监控系统软件可实现以下功能：

（1）监测电网配电信息

配电监控系统能够实时监测配电网络通信状态，主要包括：配电板上各负载的三相电压、三相电流信息，开关的三相电压、三相电流、功率因数、功率、网络通信状态和报警信息以及支路的绝缘信息等。如下页图3和图4所示。

图3 配电监控系统界面

（2）远程控制用电负载

通过配电显控终端软件可以远程控制开关合闸/分闸（ON/OFF按钮），从而达到远程控制负载运行或停止功能。如图4所示。

图4 开关监测信息及控制界面

（3）集中照明控制

通过软件界面实现对全船夜灯集中照明进行分区或整体控制，并且在示意图中反馈照明网络实际信号。如下页图5 所示。

图5 全船夜灯集中照明控制界面

（4）报警及历史查询

配电网发生故障时，软件界面闪烁报警，通过故障位置的通信地址可精准定位至故障位置，通过历史查询功能可查询或打印历史报警记录。

5 智能化设计

船舶电力系统智能化主要包含智能化供电和智能化配电两方面：智能化供电指电力系统根据全网供电需求，智能管理电站运行，达到电站经济运行和人员精简的目的；智能化配电是指根据配电需求，智能化分配电力资源，达到降低用电损耗和精简人员的目的。

本文智能化配电设计主要包括智能分级卸载设计和智能配电路径优化设计两方面：智能分级卸载指通过算法实现一种可根据卸载需求智能调整卸载范围的功能，智能配电路径优化主要是通过算法实现重载设备的配电路径最优。

5.1 智能分级卸载

智能分级卸载可根据上级的卸载需求，通过智能算法按优先级自动切除负载，尽量减小切除负载范围。

当电网波动使电站负荷超出发电机的指定运行负荷率时，供电监控系统将向配电系统下发卸载指令和卸载量（以电流为例）。配电监控系统收到上级下发的卸载指令和卸载量时，可根据算法按照设计优先级先卸载二级配电网络中的非重要负载。若卸载量（卸载的电流大小）仍不满足要求时，进一步卸载主配电板上的非重要负载；若还无法满足要求时，进一步卸载主配电板上的机舱负载；此时若仍不能满足卸载量的要求，配电监控系统将进一步进行二级卸载，切除更多用电负载。卸载全过程将通过配电区域控制中心、现场采集控制中心、采控终端和通讯网络自动执行，可在无人介入的情况下完成。其流程图如图6 所示。

图6 智能分级卸载功能流程图

5.2 智能配电路径优化

智能配电路径优化当重载设备发出启动请求时，配电监控系统可根据电站运行情况，通过算法计算重载设备最优配电策略，在半自动模式下给出配电优化路径建议，在自动模式下自动切换至最优配电路径。

配电路径优化策略如下：当重载设备主、备用电站并联运行，选择实际带载较小的电站作为主用电源，使重载投入后电站间跨接电流最小；若重载设备主、备用电源电站独立运行，则选择电源负荷率较低的电站作为主用电源，调整发电机负荷率，使之运行在效率较高的区间。

在电网稳定、重载设备请求运行时，配电监系统根据上述配电路径优化策略向两电源转换装置下发主备电源切换指令，收到两电源转换装置切换完毕主备电源投入位置信号后，配电监控系统向重载设备下发允许运行信号。在半自动模式下给出配电优化建议，人工选定配电策略后，下发允许运行信号。在自动模式下自动执行两电源转换并下发允许运行信号，全程无需人工参与。

若重载设备两电源转换装置能实现不间断转换，在重载设备已投入使用时，由于电网波动导致主、备用电站负荷率不均衡， 当不均衡程度超出设置指标时，系统可依据配电路径优化策略在自动模式下实现无人自动调整重载设备的配电路径，在半自动模式下提供重载设备的配电路径建议。

若重载设备两电源转换装置不支持不间断转换，在重载设备已经投入使用时，由于电网波动导致主、备用电站负荷率不均衡，系统仅能给出配电路径优化建议，需要人工干预重新进行重载问询才能实现配电路径转换。

软件界面如图7 所示。

图7 智能配电优化功能界面

智能配电优化软件流程图如图8 所示。

图8 智能配电优化功能流程图

6 结 语

针对传统配电监测系统人机界面功能简单、自动化智能化程度低、缺乏对配电网络管控能力等问题，本文提出了智能化配电监控系统方案，阐述了智能化配电监控系统架构，分析了配电系统网络构建，并对系统硬件和软件基础功能和智能化功能进行了设计。该系统可实现实时监测配电网信息、远程控制用电负载、集中照明控制、报警，以及历史查询、智能分级卸载和智能配电优化等功能，既有效提升了配电自动化智能化水平，也提高了配电网络运行可靠性。该系统已首次在某大型舰船中应用，获得了使用人员较好的评价。智能化配电监控系统的设计及应用对促进船舶电力系统向自动化智能化发展具有参考意义。