基于CAN总线的船舶电网绝缘监控系统的设计

许明华

(福建船政交通职业学院 轮机工程系，福州 350007)

基于CAN总线的船舶电网绝缘监控系统的设计

许明华*

(福建船政交通职业学院 轮机工程系，福州 350007)

为了保证船舶、人身安全和船舶电力系统的供电可靠性，通过介绍现有船舶电网绝缘故障查找方法，分析船舶电网绝缘监控的原理，设计了一种基于CAN总线的自动检测查找电网绝缘故障的方法。该方法能够更加快速查找并准确显示电网故障支路绝缘状况，从而进一步提高船舶电网绝缘监控系统运行的可靠性。

船舶电网；绝缘监控；CAN总线；故障查找

现代船舶电力系统通常采用三相三线绝缘系统。由于长年运行环境恶劣，长期暴露在外，受阳光、风浪、油污、海水和霉菌等环境因素的影响，使得船舶电网绝缘性能下降，电网绝缘故障时有发生，轻则造成电气设备损坏，重则造成船舶电力系统短路起火，甚至沉船或人员伤亡等重大事故。现代船舶电力系统要求其能够安全、可靠地航行，因此，如何有效查找船舶电网绝缘故障成为船舶电力技术的重要研究内容之一[1-2]。为了尽快查找电网绝缘故障，本文设计一种自动查找电网绝缘故障的装置，采用CAN(Controller Area Network)总线进行数据传输，保证电力系统运行安全、可靠。

1 绝缘监控技术功能分析

1.1 绝缘故障原因

船舶电网发生绝缘故障的原因有：管路破损，海水或冷却水进入电气设备；船舶的振动造成电缆线磨损导致绝缘下降；电网绝缘老化；恶劣环境造成电介质击穿等。最常见绝缘故障主要产生在甲板电气或室外照明线路。

1.2 绝缘检测方案

随着单片机技术、通信技术、传感技术的快速发展，船舶电力系统绝缘监控技术得到广泛应用，绝缘故障的诊断取得跨越发展[3-4]。目前采用的检测技术有：

1)直流叠加法。船舶电网中将直流电压叠加在电网中，通过直流的电流大小分析电网绝缘状况，在各个支路必须装有互感器进行选线。

2)双频法。当发生船舶电网低故障时，通过注入不同频率的正弦波，求得电网的绝缘电阻，但绝缘电阻计算精确较差。

3)单频法。在船舶电网只注入一股稳定正弦波信号，判断电网绝缘状况。

4)“S”注入法。通过选线定位原理，检测不同的信号，分析支路电网绝缘状况，但不能对整个系统绝缘实时监控。

5)零序电流法。通过分析支路中零序电流大小和相位，判断电网绝缘故障，但无法选出故障支路。

目前对船舶电网绝缘故障的查找主要采用断电查找法，但该方法对船舶的航行不利。为最大限度地保持船舶电力系统的持续运行，设计一个船舶电网绝缘监控和自动查找系统是非常必要的[5]。

1.3 绝缘监控功能要求

船舶电网绝缘监控和自动查找系统的主要功能要求有：

1)船舶电网绝缘故障多具有隐蔽性、偶然性和必然性，因此应及时检测并排除船舶电网接地故障。这是电网绝缘监控技术的核心和关键。

2)人为误操作导致船舶电力系统经常发生单相接地故障，为了保证供电的连续性，防止人为接地故障和排除接地故障，是船舶电网绝缘监控技术基本要求。

3)尽快排除船舶接地故障是实现电网接地监控的基本保证。

4)当电网系统绝缘低于0.5 MΩ或船舶某一设备的电网绝缘低于0.8 MΩ时，发出电网绝缘故障报警。

5)采用CAN总线技术进行数据传输，使船舶自动化系统模块控制更加快速、可靠。

2 绝缘监控系统的总体设计

2.1 系统组成

船舶电网绝缘监控系统主要由直流互感器、PLC控制器、CAN总线控制网络数据传输系统、主监控机、故障报警系统和参数显示等组成，如图1所示。

图1 绝缘监控系统的硬件结构

1)直流互感器(测量元件)：现代船舶无论是使用配电板式兆欧表，还是电网绝缘监测仪测量绝缘电阻，都是采用直流电流注入法，即通过构成直流回路进行绝缘电阻测量。因此，在负载屏的每个断路器上安装直流互感器，通过观察直流电流信号的大小，就可以判断该支路电网绝缘的高低。

2)PLC监控器：通过PLC监控器的巡回检测，多路选通，可以及时发现电网绝缘故障并发出声光报警。

3)CAN总线控制网络数据传输系统：由于整个供电系统的负载支路多，加上船舶恶劣的工作环境，采用CAN总线控制网络数据传输系统，可以大大提高系统内部各单元之间的通信能力和抗干扰能力[6]，防止干扰产生的误报警，系统更安全，船舶自动化更完善。

4)主监控机：采集电网绝缘电阻，分析电网绝缘电阻的变化，预警可能出现电网绝缘故障。

5)故障报警系统：使船舶所有故障报警构成整体。

6)参数显示：可以直观显示故障种类、性质和故障位置。

该绝缘监控系统的特点是：采用直流低压低阻测量技术，当电网发生接地故障时，电网绝缘监控器对电网接地故障直流电流进行测量，可以自动准确测量接地故障；当电网没有接地故障时，检测通道没有电流，不会产生误信号，检测电路安全可靠。整个系统操作简便，对工作人员要求不高。

2.2 系统工作原理

无论船舶采用中压或低压电力系统，当电网系统或支路发生单相接地故障时，故障回路(包含线路阻抗、接地电阻和分布电容等)只产生很小的故障电流，不会威胁船员生命和船舶的安全，并能保证船舶继续供电，这也是三相三线绝缘系统的优点。当测量元件检测到故障电流，即当绝缘电阻低于安全值时，通过电压比较器把信号发送到PLC，经PLC的分析和线选，把模拟信号转换成数字信号，通过CAN总线的数据传输，主监控器分析，轮机人员就能了解电网绝缘故障点并及时排除故障。整个过程无需断电，因此提高了电网供电的可靠性。

2.3 系统电路设计

绝缘监控系统总体接口电路如图2所示。主监控器通过分析、判断电网绝缘故障支路，与CAN控制器和CAN收发器连接。测量元件上得到的模拟信号经A/D转换后，通过CAN总线进行数据传输，在SJAl000和PCA82C250之间加了高速光耦合隔离器件6N137，以增强船舶各个控制节点的抗干扰能力，防止线路间串扰[7]。

图2 系统总体接口电路

2.4 系统软件设计

绝缘监控系统中软件工作流程为：首先对系统初始化，由主监控机发给指令，采集电网绝缘电阻和各支路绝缘电阻，分析判断绝缘电阻情况，实时监控电网系统的绝缘状况，一旦电网绝缘电阻低，执行中断程序，显示并声光报警，如图3所示。

图3 绝缘监控系统的软件流程

3 结语

船舶三相三线绝缘监控系统的设计和开发，在一定程度上解决了目前电网绝缘查找存在的局限性，保障了船舶电力系统正常运行，实验结果表明该设计方案的有一定可行性。

[1] 杨涛,王金全,徐晔,等.IT系统绝缘检测技术研究综述[J].船电技术,2013,33(4):13-16.

[2] 曹健,郭建明,陈亮.船舶电网绝缘监测系统的设计与实现[J].船电技术,2008,28(5):227-280.

[3] 王勇,张哲,尹项根,等.单频法绝缘监测原理与仿真分析[J].船电技术，2007,27(5):277-281.

[4] 喻浩,焦绍光，杨锋.舰船直流电网绝缘状态监测装置设计[J].中国舰船研究,2010,5(3):56-58.

[5] 林林,金震.配电网绝缘在线监测技术研究[J].信息科技,2012(16):100-101.

[6] 谭长森.一种基于CAN总线的矿用排水监控系统设计[J].煤矿机电,2013(4):14-17.

[7] 王友兵,吴杰长,郭朝有.船舶集控系统直流电源网络绝缘检测技术研究[J].计算机测量与控制,2011,19(4):756-781.

Research on Insulation Monitoring for Ship Power Network based on CAN Bus

XUMinghua*

(Department of Marine Engineering, Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China)

Nowadays, in order to guarantee the reliability for ship, personal safety and ship power supply system, three phase three wire insulation are adopted in modern ships. One of the key factors for ship safety is ship power network insulation monitoring. There is a broadly prospect of application for automatic search network insulation fault technology. The article analyzes the principle of ship power network insulation monitoring, design methods for searching the automatic detection according to the existing ship power network search method. By applying the ship power network insulation and CAN bus, the ship power network insulation branch troubleshooting can search the faults rapidly and show the fault accurately, therefore, the reliability increases during the operation of the system.

ship power system; insulation monitoring; CAN bus; fault diagnosis

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2015.04.003

2015-07-02

许明华(1963— )，男(汉族)，福建莆田人，副教授，研究方向：船舶电气及船舶自动化，通信作者邮箱：71834643@qq.com。

TP63

A

2095-5383(2015)04-0008-03