舰船能量管理系统现状及发展趋势

冒如权

（驻上海地区舰艇设计研究军代表室，上海 200011）

0 引 言

舰船电站自动化系统是船舶中重要的监控设备之一，也是实现机舱自动化乃至船舶自动化不可缺少的条件。船舶电站自动化作为机舱自动化技术的重要监控系统，在船舶自动化的领域占有重要的地位，电站的可靠性、经济性及自动化程度对船舶安全、经济航行具有重要意义［1］。

舰船电站自动化系统随着控制理论、电子技术及船舶自动化的发展而发展，从简单自动化装置、成套自动化设备、微型计算机控制、多微机分布式网络到“综合能量管理”。舰船能量管理系统［2］是电力推进舰船核心控制部分之一，是集控制、监测、保护和管理于一体的综合性系统，能对电力系统的各组成设备实施实时控制、有效的故障诊断与保护，并能自动协调发电机组和电力推进功率、实时记录系统事件信息及系统的运行参数和状态。该系统包含了多项先进技术，如：传感与变送技术、计算机与网络通信技术、控制与调节技术、信息处理与显示技术、系统决策与管理技术［3］。

1 舰船能量管理系统现状

传统的船舶推进方式是利用原动机直接推进，而电力推进船舶则是一种由原动机带动发电机发电，经变频器把满足要求的电流送到推进电动机，从而驱动螺旋桨的推进方式［4］。

由于电力推进具有诸多明显的优势，将成为21世纪船舶动力发展的主要方向，综合电力推进系统中的能量管理系统是其重要组成部分，已随着电力推进船舶的推广而得到广泛的使用。

1.1 国外舰船能量管理系统现状

随着舰船电力推进技术的不断发展以及综合电力系统应用研究的持续深入，美国、英国等都在积极从事适用于综合电力系统的智能化能量管理系统的研究和规划。

军用方面，美国在研究新一代舰船的过程中，不断完善舰船综合电力系统的组成模块和特征需求，研制出了高度智能化的能量管理系统。美国海军新一代驱逐舰DDG－1000就是采用的新型IPS能量管理系统。英国也从1994年正式开始舰船全电力系统的应用研究，其Type－45“勇敢”级驱逐舰上已装备了具有能量管理系统的综合电力系统，未来预计分别于2014年和2016年建成的两艘65 000t航母也计划为其综合电力系统配置能量管理系统［5］。

将多智能体应用在舰船能量管理的研究在军事领域已有一定成果，第1个多智能体系统是1997年研制成功的ISAAC，它的出现在国际上引起较大反响并带动类似系统的开发。美国、澳大利亚等国家都有相应多智能体系统在军事领域应用。

民用方面，目前国外大中型船舶电站监控系统已经集监控、智能管理、船舶集成管理系统为一体。市场上比较有影响力的产品有KONGSBERG公司的能量管理系统 K－Chief 500；SAM公司的能量管理系统2100；SIEMENS公司的PMA300以及ABB、ALSTOM等公司的相关产品。这些产品基本上都采用分布控制、集中管理的模式，通过以太网和现场总线将能量管理系统、推进控制系统及其他重要负载系统（如动力定位系统）综合集成在1个平台管理系统，实现信息互联共享、协调控制和集中管理。

1.2 国内舰船能量管理系统现状

目前，国外能量管理系统技术发展已较成熟，有各类计算机网络型分布式能量管理系统产品推出，且性能稳定可靠，并大量用于各类舰船，尤其是电力推进船舶。国内这方面技术研究起步晚，面对21世纪国际上新型舰船综合电力系统监控管理技术的迅猛发展和我国海军的迫切需求，多个科研院所在电力推进监控及能量管理系统领域开展了大量技术研发工作，其中部分单位已开发出了能量管理系统样机并已实船工程应用［6］。

上海船舶运输科学研究所结合舰船自动化领域的设计经验，在原低压电站监控系统基础上对机械结构、硬件、软件进行改进，已研制出国产的能量管理系统。系统将电站综合保护、重载启动询问、双跨接线、电网可用功率输出等进行综合管理，能实现配电管理、负载管理、系统分析及信息网络管理等，确保向推进负载、日用负载等用电负载提供稳定、连续、优质的电能，能综合优化船舶电力系统的经济性、可靠性及安全稳定性。

2 能量管理系统体系架构及主要功能

2.1 体系架构

以配置为6套发电机组的舰船电力系统为研究对象，介绍能量管理系统体系结构。系统采用两层冗余计算机网络，上层为数据传送网，是基于综合平台管理系统的工业以太网，下层为实时数据采集网和控制网，采用CAN现场总线。为保证系统工作的可靠性，上、下层网络均采用双冗余结构。能量管理系统体系结构见图1。

系统为每台发电机组各配置1套发电机组控制器，包含AI／AO、DI／DO，实现机组的智能测量及输出控制功能；配置2套跨接综合控制器实现双跨接线控制等功能；配置1套功率自适应控制器，实时监测电网机组及可用功率状况，实现电网可用功率输出功能；配置2套能量管理控制器，采用冗余技术设计，互为备用，实现对供电系统的能量管理功能；配置2套控制管理微机，采用冗余技术设计，互为备用，实现对整个电站的监视、集中管理并具有终端在网远程遥控等功能。

2.2 系统主要功能

舰船能量管理系统是电力推进舰船的运行管理核心，是集控制、监测、保护和管理于一体的综合性系统，能对电力系统的各组成设备实施实时控制，有效的故障诊断与保护，并能自动协调发电机组和电力推进功率，实时记录系统事件信息及系统的运行参数和状态。主要功能包括供配电管理、负载管理、系统分析及信息网络管理等，确保向推进负载、日用负载等用电负载提供稳定、连续优质的电能。

图1 能量管理系统体系结构图

1）供配电管理

（1）控制部位及方式；

（2）机组的自动启动、投网、解列、停机；

（3）机组的自动调频、调载；

（4）自动功率增机、减机，故障增机、减机；

（5）配电网络监控；

（6）系统重构。

2）负载管理

（1）多级卸载；

（2）功率限制；

（3）重载启动询问。

3）系统分析

（1）网络拓扑分析；

（2）状态分析；

（3）设备的检测与故障诊断分析。

4）信息网络管理

（1）信息网配置管理；

（2）信息网故障管理；

（3）信息网性能管理。

3 舰船能量管理系统的发展趋势

现代舰船在向大型化、全电力推进化发展的同时，舰船电力系统的地位也从辅助系统变成主动力系统。随着舰船电力系统容量成几十倍的增长和电网结构的负载多样化，对全船电能进行集中管理的要求更高，能量管理系统需要完成的功能也更趋复杂。

针对新需求，舰船电力监控与推进监控仅仅沿用常规船舶系统分类方法，将电力系统和推进系统作为两个相互独立的系统而各自配置监控系统，仅单纯从电力系统的安全稳定角度出发对推进系统进行功率限制，将在一定程度上影响推进系统的机动性、削弱战斗舰艇的整体战斗力。因此，开展采用模块化结构和区域配电，舰船电力监控与推进监控融合的智能化、一体化能量管理系统研究势在必行。系统需实现潮流分析、电力系统安全分析、电网状态评估、电能质量监控等功能，并将发电、配电、电能储存、推进、变电等模块进行集中监控与管理。

同时，多智能体在国内的研究时间相对较晚，但在军事领域如电压控制、继电保护等方面已取得了一定进展。将多智能体应用于舰船能量管理的研究，由于在解决复杂大系统问题上有其突出的优势，应用领域正在不断扩展，因此对舰船能量管理多智能体体系架构及应用研究和舰船能量管理信息网络高精度时间同步与流量控制研究有待开展。

当前舰船能量管理系统的发展趋势应以“电”组成的舰船动力能源平台为载体，对集成化、模块化的综合电力系统实现监控管理系统化、信息综合化和功能智能化，同时系统基于多智能体体系架构，实现对电能的生产、输送、分配、变换和使用全过程的实时监测、协调控制、调度管理和分析评估，实现对全电力系统设备、网络和特殊用电负载的实时监测、状态诊断和安全保护。

4 结 语

对舰船能量管理系统的现状进行介绍和分析，通过介绍某型船舶能量管理系统体系架构及主要功能，结合电力推进舰船的发展特点对未来舰船能量管理系统的发展趋势提出自己的观点。电力推进具有诸多优势，将成为21世纪船舶动力的发展方向，作为综合电力推进系统中的能量管理系统，也会随着电力推进船舶的推广而得到广泛的使用，其应用前景十分广阔，也将朝智能化发展，同时基于多智能体的舰船能量管理系统也将成为研究热点。

［1］ 管小铭.船舶电力系统及自动化［M］.大连：大连海事大学出版社，1999.

［2］ 于尔铿.能量管理系统（EMS）［M］.北京：科学出版社，2001.

［3］ 徐永法，韩旗，杜军，等.船舶能量管理系统PMS研究［J］.中国航海，2005（3）：78－80.

［4］ 冀路明，徐定海，陈新刚.发展综合全电力推进技术是现代舰船发展的客观要求［J］.船舶，2002，13（2）：53－55.

［5］ 刘赟，徐绍佐.船舶综合电力系统综述［J］.柴油机，2004，25（2）：1－3.

［6］ 郑元璋，冯宁，李海量.全电力推进船舶推进控制技术研究［J］.中国航海，2007（4）：92－95.