一种船舶区域配电系统及其监控系统

摘要

本发明将环形供电网络与区域配电技术有机的结合起来，设计了一种船舶综合电力系统及其监控系统。所述电力系统的两条电力母线从船舱的两舷通过，连接船头和船尾的两组发电机组，形成一个环形网络。根据负载性质和负载大小，将全船的环形电网分成若干区域，每台发电站机组保障一个或几个区域的负载供电。在区域的入口，环形供电网的母线上具有多个断路器。所述监控系统，包括：第一层位于区域现场的总线节点，第二层区域控制站，第三层系统网络，中央计算机和各区域站通过工业以太网连接。本发明将船舶动力系统、电力推进系统、通信系统等综合成为一个智能化系统，实现信息共享、能量统一调度和控制、各系统设备协同动作。

说明书

技术领域

本发明属于船舶工程领域，涉及一种船舶区域配电系统及其监控体系设计方 法。

背景技术

随着船舶综合电力系统（IPS）概念的提出，全船电力系统、电力推进技术 应用于船舶的紧迫需要，船舶电力系统的系统容量将以几何曲线上升，从而使电 缆布置成为一个突出的问题：一是传统的船舶电网的形式已经成为制约船舶可靠 性的一大难题，当船舶受损时，船舶电网容易崩溃，影响供电质量、生命力低； 或者当船舶中某一大型负载启动或发生故障时，也会影响电网的供电质量。总之， 传统船舶电网已无法适应未来船舶的要求；二是电缆数量的增加，使得船舶建造 成本上升；三是如果不能合理地布置电缆，将会导致穿过隔舱壁的电缆数目增加， 不利于提高船舶电力系统的可靠性。

以辐射式配电系统和交流电机组成的电力系统是目前船舶电力系统的主流， 电力系统的负载由船舶上少数几个集中式配电中心通过电缆馈送，这样造成全船 数十根电缆在船上各部位穿插，尤其是大量的穿舱电缆不仅布置上有困难，而且 会造成船舶耐压隔壁开孔密封问题。随着船舶电力系统容量的日趋增大，集中式 配电逐渐成为船舶设计和建造成本中一个十分突出的问题，局部的电气隔离变得 很困难，同时在出现故障的时候，也很难隔离故障，局部故障有可能直接影响整 个电力系统。

采用区域供电网络是解决这一问题的良好途径，区域配电技术可通过将全船 的电力系统进行区域划分，达到降低电力系统建造成本，提高船舶生命力的目标。 采用区域配电技术后，船舶可以在建造各舱段时就独立进行电缆布置，在此分段 连接到船舶的其他分段之前，将所有本分段的设备连接好并供电。在进行舱段集 成前完成设备的安装和调试，最后通过两条母线连接各供电区域即可，这样可以 大大提高工作效率，降低费用。同时，在区域的入口，环形供电网的母线上具有 多个断路器，在某区域出现故障后，可以通过这些断路器切断部分母线，或切除 某个区域，可以有效的防止故障蔓延。美国以“阿利克伯”级（DDG-51）导弹驱 逐舰平台为研究对象，将目前采用的常规配电系统与区域配电系统在重量和造价 上进行了对比，结果表明，采用区域配电结构可以减少电缆的使用，同时造价也 大大降低了。

交流区域配电网络结构是一个相对复杂的网络结构，其对船舶电力系统的规 划和安全运行是一种挑战。设备故障、大功率设备的起停、误操作等都会使故障 处理、电能调度等变得更加困难，这就对电力监控系统提出了更高要求。

智能型船舶电力监控系统是现代化船舶发展的必然趋势，是现代化船舶综合 平台管理系统的重要组成部分。船舶电力监控系统对于提高船舶电力系统的稳定 性、可靠性具有重要的作用，传统的船舶监控系统是建立在干馈式电网结构的基 础上的。随着现代船舶的规模越来越大，以及新型电力系统的使用，原来的船舶 电力监控系统已不能发挥其作用。因此，设计针对新型船舶电力网络的智能型船 舶电力监控系统是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，将环形供电网络与区域配电技术有机 结合起来，设计了船舶综合电力系统。

本发明一种船舶区域配电系统，两条电力母线从船舱的两舷通过，连接船头、 船尾的两组发电机组，形成一个环形网络；将整个配电系统分成n个区域，每台 发电站机组保障一个或几个区域的负载供电，在区域的入口，环形供电网的母线 上具有多个断路器。

一种船舶区域配电系统的监控系统包括：

第一层是位于区域现场的总线节点，这些节点包括：智能断路器、电动机保 护模块、PLC；这些总线节点连接在区域内的CAN总线上，向区域监控系统或 上层监控设备提供负载以及供电网络的相关实时参数，同时，接收上层监控设备 的信息，对负载以及供电网络进行控制；

第二层是区域控制站，它是由区域监控计算机和智能测控模块组成：

区域监控计算机位于操作室，监视、控制区域内所有设备的状态，并作为系 统的显示和输出终端，可独立对区域现场进行控制；智能测控模块位于区域现场， 作为监控计算机的备份，独立对区域现场进行控制；如果上层网络出现故障或区 域站与系统主站断开连接，该区域会由区域控制站进行独立控制，同时，监控计 算机和智能测控模块通过CAN总线连接，互为备份；

第三层是系统网络，中央计算机和各区域站通过工业以太网连接：中央计算 机负责接收各个区域信息，根据船舶所处工况，进行设备控制，电能调配，系统 监控，故障恢复

根据负载性质和负载大小，将整个船舶电力系统分成若干区域，区域之间利 用连接线或母线构成层次分明网络，每个电站保障一个或几个区域的负载供电。 环形网络是电站之间利用纵向横向连接线或母线构成闭环，向用电设备供电的网 络，母线采用环形分段母线方式供电，根据区域划分，在区域入口的母线上放置 连接开关，这样，可以根据具体情况分断和连接母线的作用，实现电能的分配、 管理，故障切除，故障恢复等功能。

为了提高船舶综合电力系统的可靠性，设计了船舶综合电力系统的智能监控 系统监控整个船舶电网，基于系统化、模块化和智能化思想，采用综合集成方法， 将船舶动力系统、电力推进系统、通信系统等综合成为一个智能化系统，实现信 息共享、能量统一调度和控制、各系统设备协同动作。

附图说明

图1环形区域配电系统结构示意图；

图2区域供配电网络的结构示意图；

图3供配网络的原理和装置图；

图4配电网监控系统示意图；

图5监控系统软件主要功能。

具体实施方式

环形区域配电系统的结构如图1所示。

整个船舶电力系统的电站管理系统由3台10KW发电站机组和1台30KW发电 站机组组成，其中2台10KW发电机作为1号电站，1台30KW发电机组作为2号 电站，1台10KW发电站机组作为应急发电机组使用，并且1号和2号电站分别 能独立向全船供电，并且能并联使用向全船供电。当主电网断电后，应急电站发 电机自启动并在45S内向全船供电；当主电网恢复供电后，应急发电机组自动停 机，保持在备车状态。

两条电力母线从船舱的两舷通过，连接船头、船尾的两组发电机组，形成一 个环形网络。左右两舷的母线穿过水密舱，并根据负载性质和负载大小将整个配 电系统分成n个区域，每台发电站机组保障一个或几个区域的负载供电。在区域 的入口，环形供电网的母线上具有多个断路器，在某区域出现故障后，可以通过 这些断路器切断部分母线，或切除某个区域，最小范围地隔离故障区域。可以看 出，由于环形供电的特点，不同的断路器通断，使得供电网络变化成不同的形式， 构成不同的负载回路。

区域的大小通过权衡船舶建造成本的经济性与其生命力这两个方面来确定。 一般而言，对区域的破坏集中在某一个区域或者相邻的两个区域。一个配电区域 不能划分得很大，就大多数的船舶而言，将其划分成6－7个区域是比较合理的， 这时每个区域占整条船长的15％左右。由于船舶水密舱的划分是建立在船舶稳 定性基础上的，实际配电区域的划分同样应以水密舱为标准。这样配电板的馈电 电缆不用穿越水密舱，既提高了船舶的生命力，同时又降低了电缆的重量和造价。

图2和图3所示为船舶综合电力系统的物理模型。其中图2为区域供配电网 络的结构示意图，图3表示供配网络的原理和装置图。图3中的两个“A”处直接 相连，构成一环形网络。三个电站和一个应急电站分布式布置，处于不同位置， 同时设立三个区域配电区域，负载有交流负载和直流负载。

监控系统的组成

船舶配电网络智能监控系统主要用于监控整个船舶综合电力系统，对其进行 供电线路、负载状况、电能使用等进行统一的监控，实现信息共享、能量统一调 度和控制、各系统设备协同动作。其结构如图4所示。

第一层是位于区域现场的总线节点，这些节点包括：智能断路器、电动机保 护模块、PLC等。这些总线节点连接在区域内的CAN总线上，向区域监控系统 或上层监控设备提供负载以及供电网络的相关实时参数，同时，接收上层监控设 备的信息，对负载以及供电网络进行控制。

第二层是区域控制站，它是由区域监控计算机和智能测控模块组成。

区域监控计算机位于操作室，可由工作人员进行操作，作为系统的主控设备。 监视、控制区域内所有设备的状态，并作为系统的显示和输出终端，可独立对区 域现场进行控制。监控计算机显示区域配电网络状态、各回路的供电状况、各种 负载状态。同时，监控计算机通过工业以太网与上层中央计算机连接，随时将在 该区域采集到的信息发送给系统主站，并接收中央计算机的控制信息，对区域负 载进行控制，实现区域电能调度的功能，故障恢复等功能；智能测控模块位于区 域现场，以DSP处理芯片作为处理核心，其作用相当于监控计算机的备份，可 独立对区域现场进行控制。如果上层网络出现故障或区域站与系统主站断开连 接，该区域会由区域控制站进行独立控制，同时，监控计算机和智能测控模块通 过CAN总线连接，互为备份，提高系统的可靠性。

第三层是系统网络，中央计算机和各区域站通过工业以太网连接。中央计算 机负责接收各个区域信息，根据船舶所处工况，进行设备控制，电能调配，系统 监控，故障恢复等任务。中央计算机在一般情况下只会对重要设备进行监控，一 般设备由区域站进行监控，将控制权下放到现场。当出现特殊状况时，区域站自 身无法进行解决，区域站会向中央计算机报警，由中央计算机进行全船统一调度， 处理异常状况。

监控网络通信方式采用现场总线CAN与以太网相结合的方式。区域内选用 现场总线CAN，现场总线连接最底层的现场控制器和现场智能仪表设备；考虑 到不同区域间的信息交换流量有时很大，本发明中将CAN总线与工业以太网 Ethernet在船舶监控系统网络中有机地集成在一起，将现场总线的实时性、抗干 扰性与工业以太网的高速性、远距离传输性相结合。

智能监控上位软件设计

配电网监控系统的上位机软件是为实现实时监测船舶电力系统的工作状况、 实时动态反映现场数据信息、模拟现场布局、记录历史信息、存档和打印输出、 故障恢复以及特定的控制等功能而设计的。软件在保证实现各项基本功能的基础 上，充分考虑操作方便、运行稳定、容错能力强，以及易理解、易维护和易扩展 等特性。

系统软件采用集成开发环境Visual Basic 6.0企业版开发，充分利用面向 对象的程序设计方法及该集成开发环境的GUI(Graphical User Interface)和 ActiveX控件等功能。

配电网监控系统的上位机软件融合了现代计算机技术、自动控制技术、通信 技术、软件工程、人机系统等技术，具有以下特点：

1．可以实现实时设备监控、设备运行数据自动记录和统计分析等，减少维 护人员的人为因素造成的设备故障，提高系统的维护和管理质量；

2．使电力系统具有全自动功能，减少维护人员的总数，降低维护成本；

3．通过自动记录设备的故障情况和维护人员的处理过程，便于区分职责， 便于迅速定位和排除故障；

4．电站系统与全船其他系统联网，便于做出决策----尤其是故障情况下的 网络重构决策，提高全船的生命力和战斗力。

监控系统软件主要包括5项功能：系统监控、数据显示、系统设定、以太网 通讯、其它功能。具体功能如图5所示。

系统监控包括：1）设备监视：通过CAN总线获取设备实时数据，监视设备 状态，当设备出现故障，进行声光报警；2）设备控制：控制设备或负载运行或 停止，用于正常情况下的电力调度和故障情况下的网络重构；3）故障诊断：当 系统出现故障时，迅速定位故障点并从电网上切除故障区域，在网络重构后分析 故障原因，为以后的可靠性运行提供更好的保障。

数据显示包括：1）全局状态显示：以图形方式显示区域负载在区域内的布 局及其工作状态；2）实时曲线显示：显示各设备的实时参数曲线；3）历时数据 显示：显示和查询各设备的历史参数曲线；4）极值数据显示：显示和查询各设 备的极值设定参数；5）报警数据显示：显示和查询各设备的报警信息；6）故障 信息显示：显示和查询各设备的故障信息。

系统设定包括：1）极值设定：设定各设备的参数极限，作为报警或保护动 作的依据；2）CAN总线参数设定：设定CAN总线参数，包括：工作模式、中断 模式、总线时钟、输出控制、分时模式、接收地址、接收地址掩码；3）设备管 理：进行设备添加和删除，进行设备总线地址、设备性质等参数修改；4）用户 管理：用户名、密码、权限管理。

以太网通讯包括：1）数据传输：中央计算机与电站监控中心之间、电站监 控中心之间、电站监控中心与区域智能节点之间、区域智能节点相互间进行数据 交换；2）数据库升级：升级中央计算机数据库信息。

其它功能包括：1）系统日志：记录不同的用户对系统的登录、注销、对数 据库的访问、修改操作等动作；2）数据打印：打印数据表；3）帮助：软件功能 介绍。