船舶配电监测系统设计研究

孙建红 高 捷

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

船舶配电监测系统设计研究

孙建红 高 捷

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

针对船舶配电网络运行的监测手段和管理水平相对落后的问题，构建了船舶配电监测系统的结构形式，提出了配电监测系统设计方案，并对系统的组成和功能进行了说明。该系统采用集中数据管理，分层、分布式监测控制，采集全船配电网络的电量参数数据，通过CAN总线向系统终端传输，从而实现对全船配电网络实时集中监测和故障定位。

船舶配电；监测；信息采集；故障定位

1 引 言

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配电装置和网络的总称。配电系统是船舶电力系统的重要组成部分之一，能将全船电源装置产生的电能通过配电设备及电缆输送给电力用户，是全船其他系统及设备功能发挥的基本保障。然而，目前，我国水面船舶配电监测设计均采用传统的分散监测方法，并没有对全船主要配电设备的信息进行较为全面的采集，获取信息的手段主要采用人工测量和判断。这样既费时又费力，不能对故障情况作出快速反应，不利于全船整体功能的提升，更不能完全满足现代新型船舶用电设备的需求［1］。

随着大型水面船舶用电负荷需求量不断增加，全船配电线路和配电设备分布点多、涉及面广、布置分散，对于配电网络的故障检测和维护的要求越来越高。此外，配电结构日趋复杂，所需监视控制的实时配电信息越来越多，检测工作量大，仅凭人的技术和经验越来越难于应付。这些特点使得以往船舶配电系统设计中采用的传统、分散的监测、故障处理等一系列方法不能完全满足现代新型船舶用电设备的需求。同时，船舶电力系统正在不断向自动化、网络化、智能化方向发展，将计算机网络与控制理论相结合构成网络化的智能监测系统成为配电网络监测的发展方向，船舶配电系统实现全面自动化亦已成为必然趋势。

2 配电监测系统实施的意义

全船配电监测系统采用先进的配电网络信息采集设备，通过通信网络随时掌握网络中主要配电设备信息，对配电网络进行实时集中监测和管理。在正常运行情况下，配电监测系统采集各配电支路的电压、电流、功率、功率因数及支路断路器通断状态等电量参数，实时监视配电网络中各配电设备的运行工况，优化配网的运行方式。当配电网发生故障或异常运行时，全船配电监测系统能够迅速地查出故障区域及异常情况，以便及时处理故障，减少断电时间，及时恢复正常供电，提高故障处理效率。因而，该系统能够很好地解决配电网络的远程集中监测及配网各支路电量参数的采集、存储等问题［2－3］。 全船配电监测系统是电力系统实现现代化的必然趋势，实施配电监测系统的主要意义在于：

1）提高配电网可靠性

当配电网发生故障或异常运行时，配电监测系统迅速查出故障区域及故障类型，可及时处理事故，保证用电设备的供电并尽量缩短用电设备的断电时间、缩小断电范围。同时，能通过网络接口上报到上级管理部门，从而及时调度，将影响供电的范围控制到最小。

2）改善电能品质

通过配电监测系统的实时监测和负荷预测、负荷管理与控制、状态估计及配合供电系统电压和无功优化调度等功能，及时收集电网的运行状态信息，进行网络分析，采用最佳的运行方式，改善供电质量，达到经济运行的目的。

3）减少调度管理人员及劳动强度

配电监测系统在人力尽量少介入的情况下完成大量的重复性工作，通过实时监控网络运行情况，有利于船员较全面地掌握配电状态，便于管理和维护，从而减轻船员日常检测工作量，提高船舶的现代化管理水平。

3 配电监测系统的功能定位

结合我国船舶配电系统的发展情况，针对目前在现代船舶上实施配电监测系统方案，首先要实现对配电系统的可视化集中监测和故障自动检测、定位、报警，提供故障恢复建议的功能，而断路器操作、隔离故障和转移负荷等仍通过人工方式实现。然后，在此配电监测系统的基础上，分阶段逐步向全船配电自动化的方向发展。因此，现阶段配电监测系统的主要任务是实现全船交流配电一次网络信息的自动采集、存储、显示，对配电系统的运行状态进行集中监测，并对故障进行报警、定位和记录，同时对历史数据进行统计和回放。

4 船舶配电监测系统设计方案

4.1 系统结构

全船配电监测系统主要由4个部分组成：配电馈线终端设备、子站、主站和通信网络，其结构如图1所示，用以实现对全船配电网络实时数据的自动采集、处理、存储、显示、故障定位和报警。其中：配电馈线终端设备为配合框架、塑壳式断路器的电量参数采集设备，主要完成其配网支路中各种参数的采集工作；子站为信息处理装置，是配电系统的中间层，主要实现所管辖区域的配电终端的信息集中处理、故障检测及通信等功能；主站是整个配电监测系统的监控和管理的最高层，负责全船配电网络的监视和控制；通信网络则是信息和数据传输的介质。

图1 配电监测系统的结构

本系统通过应用硬件、软件和优化控制算法设计，突破了传统的配电检测方式，运用通信网络传输电量数据，使得电量的采集更为简洁，高效。此外，该系统具有可靠性高、实时性强、传输速度快的特点，有效地提高了船舶配电系统监测的实时性和准确性。

4.2 系统硬件设计

4.2.1 配电终端设备

配电终端设备完成对各配电支路断路器的三相电流、电压有效值、有功功率（功率因数）、频率、相序等电量参数的监测，并采用标准RS232或RS485通信接口输出。通过运用遥测等技术，配电终端设备能够采用数字计算的测量方式完成对各断路器支路电量参数和非电量信号的采集和处理工作［4］。此设备可与塑壳断路器和框架断路器配套使用，安装于断路器和插入式安装台中间。其集传感器、A／D转换器、锁相环电路、外围扩展存储器、微处理器等主要元器件于一身［5－6］，具有体积小、重量轻、安装方便等特点。图2为智能电量参数采集设备原理框图［7］。

图2 智能电量参数采集设备工作原理

目前，国内已成功研制了满足船用条件的断路器智能电量参数采集设备，即STJ18型智能控制器和DL型电量监测附件。将其与相应的船用框架式断路器和塑壳断路器的壳架配套，能够通过通信接口向信息处理装置子站传送各配电支路实时的三相电流、电压有效值、功率因数、频率及故障信息。

4.2.2 配电监测子站

配电监测子站是整个配电监测系统的重要层次，它主要用于实现对主配电板负载屏、区域配电板、专用配电板内多路配电终端设备的实时数据进行采集、集中、处理、传输至上层主站的功能。针对船舶配电电压低、电流大、分路多等问题，子站设计应具有检测通道多、配置简单灵活、体积小、可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强等特点。通过分布式安装该设备，各配电板之间仅通过一条双绞屏蔽电缆即可实现远距离传输各种电量数据，从而适应了船舶空间小、配电支路多的特点。

为配合STJ18型智能控制器和DL型电量监测附件等配电终端设备，国内相应研制了信息处理装置，其由A型设备和B型设备组成，分别安装在主配电板负载屏内和区域配电板 （或专用配电板）内，与主配电板负载屏内60路框架断路器的STJ18智能控制器和区域配电板 （或专用配电板）内14路塑壳断路器的DL型电量监测附件相配合。两型信息处理装置将检测到的多路电量数据、断路器开关状态等信息进行集中、处理后，通过协议转换，再经CAN总线网络实时进行数据发送，从而使得配电信息上传至配电监测系统主站。智能信息处理装置原理如图3所示。

4.2.3 信息传输网络

为保证配电监测系统的数据和命令及时、准确地传递，其通信是非常重要的一个环节，也是实现配电监测的基础。因此，根据不同吨位船舶配电网络的配置情况，在各种信息采集设备的基础上，制定好传输网络的总体规划，才能准确地在配电终端设备与配电监测主站之间进行数据通信和数据交换。同时，规划配电监测系统信息传输网络结构形式时，尽可能与全船电力系统监控管理网络保持一致，以提高网络的利用率和经济性。

图3 信息处理装置工作原理

由于配电监测涉及的设备数量多、范围广，如果所有的数据量都发送到配电监测主站，容易造成信息拥挤和瓶颈现象，发生故障时难以及时处理和控制，因此宜采用分层处理的方式。全船配电监测系统的信息传输网络结构形式可分为上、下两层［8］。上层网络为提供监测信息和控制指令的传输通道，其传输信息量大、实时控制要求相对不高，要求信息的完整、可靠和高速传递。因而，上层网设计可选用冗余的高速交换式工业以太网，网络的拓朴结构采用环形方式，保证系统的可靠性与生命力。下层网络则为数据采集和实时监测的传输通道，根据需要可按区域分成若干个相对独立的配电子网，现场监控设备就近接入网内。因而，下层网可设计为双冗余CAN现场总线网，网络拓朴结构采用总线方式，保证系统的可靠性与实时性。两层网络使得系统的可靠性及实时性均得到保证，网络之间由智能网关连接。这样一来，就能够将各配电区域子站处理后的各种信息首先接入区域子网，然后通过网关接入上层网传输至配电监测主站。

4.2.4 配电监测系统主站

配电监测系统主站作为人机交互的窗口，可完成各种图形显示、系统保护、设备管理、报表打印、与其他系统的信息交换等功能，整个系统采用一体化的设计思想，将配电网监控与数据采集（SCADA）、配电网地理信息系统（GIS）、配网高级应用软件等各子系统有机地结合在一起［9］。主站设计基于友好的人机界面，以简捷、直观、快速的方式监视与控制配电系统的安全、可靠和经济运行。当线路某一处发生故障时，事故信号既能反映到SCADA部分，同时在GIS的画面上也能反映出事故发生的情况及其影响的区域。

主站设计主要包括：建立一个能为各种子系统的实施和执行提供强大功能的环境和开放式的基础平台，该平台除提供基本的硬件技术和操作系统的基本服务外，还能提供诸如数据库系统、信息交互、人机界面、实时环境应用程序等服务。鉴于现阶段配电监测系统的功能定位，基于此平台重点实现2个应用子系统的功能：SCADA和GIS，这些子系统之间在开放系统结构基础上实现有机的横向和纵向的集成，形成一个较完整的配网监测管理系统，实现配网运行可视化，故障自动定位、报警功能。

通过对图集（原理单线图、通信线路图等）、静态数据 （配电设备数据，如配电板名称和布置舱室、支路负载名称等）和动态数据（支路电压，电流，功率，线路故障等实时数据和断路器状态等）进行有机合成，实时地将各种变化反映到图集上，可以提高监测系统的可管理性和直观性。这样一来船员在集控室即可完成对每一条支路的管理。在发生配电支路故障时，船员能在第一时间了解情况，提高故障处理效率。多功能主站以人机界面形式可对全船电力系统运行情况进行如下管理［9］：

1）实时状态监测与显示

在LCD显示屏上以图形、曲线、表格等形式显示配电系统运行状态。

2）电网运行状态数据查看

在LCD显示屏上显示一次配电网络及各断路器、母联开关、跨接开关状态；显示电网运行方式、显示岸电接入状态；显示交流配电网络各段母排配电支路断路器开关状态，支路的电压、电流、频率、功率等参数，如图4所示。

图4 配网运行状态显示界面图

3）历史数据查询和统计

对配电系统实时数据进行打印，对历史数据进行分析、统计、回放等管理。

4）故障报警处理

发生通信故障或支路故障时，系统将出现的报警信息记录到数据库中保存以备查看。用户可以切换至报警列表画面查询各配电支路故障发生时间及故障类型，如图5所示。

5）电网运行安全管理

在配电监测系统主站上可对全船所有交流配电网络一次网设备的运行情况进行监测和管理。

图5 报警列表显示界面图

4.3 系统软件设计

配电监测系统软件由数据采集、数据库管理系统、数据处理与分析3个程序模块组成。

4.3.1 数据采集程序

数据采集程序通过CAN总线从现场配电监测子站获得实时数据。子站程序主要实现数据采集、数字信号处理、存储、显示、通信处理等功能，软件由主程序、外部中断程序、串行口中断程序等模块组成。主程序完成中断方式、串行口方式、定时器方式等初始化和RAM、ROM、数据存储判断等工作，并进行I／O检测、数据采集处理、本地显示等。

4.3.2 数据库管理系统

配电监测系统的数据库系统包含两个部分：历史数据库和实时数据库。其中，历史数据库运行在主站数据库服务器上，可采用商用数据库，如SQL Server等，对系统的数据结构进行定义和描述；实时数据库分布式运行在每个子站上，主要用于反映当前配网的状态，存放实时性要求比较高的数据。

4.3.3 数据处理与分析程序

数据处理与分析程序运行在配电监测系统的主站上，主要提供用户操作界面，包括参数设置、数据运行、系统管理3项功能［10］。其软件主要是对数据进行进一步处理，实现了实时监测、动态显示、历史数据的数据库查询、曲线绘制、报表显示以及打印输出等功能。

1）参数设置主要是指设置数据库中各个通道的系统参数，标定等功能，便于采集子站标准化，对需要删除或修改的系统参数进行编辑管理。

2）数据运行主要是指设置定时采集的参数，可实时采集历史数据和实时数据。对采集来的数据进行整理、分析，并生成曲线报表及事件报告，并可打印输出。

3）系统管理是指对使用此系统的用户进行维护，它可以设置、修改、删除用户帐号、密码，维护用户的使用权限。

5 结束语

针对船舶配电网络中结构复杂、位置分散、管理手段落后等问题，本文构建了船舶分布式的配电监测系统。该系统采用集中数据管理，实现分层、分布式监测，采集配电系统一次网络设备及各支路的电量参数数据，通过网络接口向配电监测主站传输信息，实现了配电系统远程集中监测和对故障准确、及时定位的功能。此系统已在国内船舶领域首次应用，能够极大地减少配电系统的运行和管理工作量，提高系统的可靠性，也便于存储历史数据及故障分析，对促进配电自动化技术在我国船舶上的应用和发展具有一定的意义。

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Research and Design of Power Distribution Monitoring System on Ships

Sun Jian-hong Gao Jie
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The monitoring and management of the power distribution network on ships have not been fully developed.In this paper， architecture and design of a power distribution monitoring system are presented， together with the descriptions of the element contained and functions of the system.The system has several features： centralized data management， multi－level and distributed monitoring and controlling，and the collected system data transmitted to terminal through CAN field bus.Therefore， centralized monitoring and fault location of the power distribution network on a whole ship are achieved in a realtime manner.

marine power distribution system； monitoring； information collection； fault location

U665.14

A

1673－3185（2010）02－69－05

2009－12-19

孙建红（1976－），女，工程师。研究方向：船舶电气。E-mail：sjh94＠ 163.com