基于StruxureWare的船舶电网监测系统

2017-10-13谌冬冬施伟锋

船电技术 2017年7期

谌冬冬，施伟锋，耿涛

谌冬冬，施伟锋，耿涛

(上海海事大学物流工程学院，上海 201306)

为了维护船舶电力系统的稳定性，监测船舶电网重要的相关参数，分析船舶电力系统的电能质量，基于施耐德StruxureWare电能管理系统搭建了一套船舶电网电能质量监测与分析的系统。系统设计了电能质量监测界面，谐波分析界面以及远程监视界面，故障报警界面。在船舶电站实验室环境下模拟了不同工况下的船舶电网，分析了不同工况下船舶电网中谐波的含量，实时的监测船舶电网中电能质量的相关参数，以及提供了故障录波以及故障报警。为解决故障提供分析基础，提高了船舶电网电能质量管理能力。

StruxureWare 船舶电网电能质量谐波分析

0 引言

近年来，国内外对电力电子技术和交流电机调速技术研究显著成果，电力推进技术成为当今船舶制造业的热点。在大量使用电力推进装置的舰船中，电力系统的稳定性将直接决定了船舶动力系统，生活用电系统等各方面的安全；如果不能迅速调整并重回稳定状态，对船舶所有工作甚至是人员和设备安全都将造成重大影响。由于大功率负载波动及大量电力电子器件的使用，对船舶电网造成很大影响，降低船舶电力系统的稳定性。所以对船舶电网电能质量的监测非常重要。

因此，设计一套能够有效的对船舶电网监测和电能质量分析系统显得尤为重要。船舶电力系统的特点为：船舶电网发电系统是柴油发电机组，电网中存在不同类型的用电负载，系统动态变化的范围较大[1]。

本文以施耐德StruxureWare电能管理系统为框架，设计了用于船舶电网电能质量监测实验装置软件。基于船舶电站不同的工况环境，使用电力参数检测仪ION7650与PM850分别检测电网侧与负载侧电力参数，实现了对不同工况下的船舶电网侧与用户端的电能参数监测，更好的监测船舶电网电力系统的稳定性。

1 船舶电网

1.1 船舶电网的特点

与陆地电网供电端电网容量无限大相比，船舶电网是一个独立小容量电网，电源容量相对较少，负载容量相对较大。大功率负载启动时，会对船舶电网造成很大冲击。

1）非线性负载较多。电力电子设备使用，导致船舶主配电板电流和电压谐波含量增大。交流电力驱动通常使用同步电机，其变频器有交-交变频器和交-直-交变频器，由此产生的谐波电流和谐波电压会通过船舶电网影响其他用电设备，特别是对通信、导航系统的影响更为严重[2]。非线性负载的相关动作(启动、加载、停止)，会产生电流暂态和电压的扰动，对敏感设备的运行造成影响。

2）船舶工况环境恶劣。工作环境会严重影响电气设备的运行性能和工作寿命。过高环境温度会使电机出力不足，加速绝缘老化；湿度较大会使电气设备绝缘受潮、发胀及变形；而盐雾的存在、霉菌的生长等都会降低电气设备的绝缘性能，妨碍其安全、可靠的工作[3]。

3）采用混合电制。船舶电网同时存在交流和直流用电设备，然而不同设备有相对独立的电压等级，导致整流逆变器、变压等非线性负载装置增多。同时，船舶电网中存在不同的工作电压、频率的直流、交流的子系统。用电系统混合电制特点，必然导致非线性负载(功率补偿器、串并联电容器)增多，导致船舶电网谐波问题增加。

4）与陆上输电距离数千千米相比，船舶电网输电距离较短，输送的容量也较小。船舶发电机端的电压、电网电压和负荷电压一般为同一电压等级，且电压低。由于船舶电气设备较集中，输电线路较短。

1.2 船舶电网中谐波的危害

电力系统在理想的状态下，是供电系统向用户提供一个频率和幅值恒定的正弦电压。也就是说，保证在正常工作条件下向用户提供的电能的连续性和电压的合格性（包括对称、频率、幅值和波形）的一系列参数。在实际工况下，不同负载会导致三相电压的幅值、频率、相位角等发生相应变化。大量电力电子器件的使用，引起谐波电流和电压会导致电压波形畸变。谐波电流和电压的出现恶化了电网电能质量。

图1 船舶电网中谐波的危害

1）电力电容器发生故障。由于感性负载的使用，会导致功率因素下降，常常使用电力电容器来补偿无功功率。谐波对电容器呈现低阻抗，使电容器成为谐波的吸收点；谐波电流与基波电流叠加超过电容器额定电流，引起电容器过载；电容器熔丝熔断，影响其正常工作[4]。

2）电机损耗增大。船舶电力拖动设备的动作大部分是由电机实现。船舶电网中的谐波对于电机来说主要是引起了谐波损耗，产生机械振动。

3）线路损耗增加。船舶电网输电距离较短，输送的容量也较小，短路电流很大，高次谐波电流在电网中流动产生有功功率损耗，构成线路损耗的一部分[5]。

4）引起电力传感器测量误差。大部分电力参数测量仪是在理想状态(纯正弦波)下检验的。当谐波引起电网波形畸变时，电力参数测量仪会出现不同程度的测量误差，导致测量结果不准确。

2 船舶电网监测系统构成

船舶电网监测系统主要由现场监测层，通信管理层和系统管理层3部分组成，船舶电网监测系统如图2所示。

图2 船舶电网监测系统构成

1）现场监测层。通过电力参数测量仪ION7650和PM850，各种电力检测传感器采集电网侧与负载侧的电力参数。ION7650可以非常精确的计费数据，包括电压、电流、功率和电度的有效测量值，还具有高级电能质量测量和电能质量标准验证功能[7]。

2）通信管理层。现场层采用Modbus的通信协议及RS-485串行通信的方式实现控制端与带有通讯功能的相关设备的通讯连接和数据交换，将电力参数测量仪采集的数据传输给PLC。为了确保数据的实时性和准确性，采用基于TCP/IP的工业以太网协议与远程设备通信。通过EX300转换现场设备的通信协议，使用交换机建立局域网。

3）系统管理层。通过施耐德StruxureWare电能管理系统，将电力参数检测仪，以及各种电力传感器采集到的电力参数实时的显示。实现对船舶各个用电系统的实时监测，及时的发现一些潜在电能质量问题(谐波含量、电压闪变、波动和暂降、不平衡度、频率偏差、功率因素)。设置波形自动捕捉，记录故障时相应的电力参数波形，以便根据波形对故障进行分析，提供故障的解决方案。

由于大量非线性、冲击性负载的使用，容易引起船舶电网电压波形发生畸变，导致一系列电能质量问题，影响船舶电力系统的稳定性。船舶电网存在许多电能质量问题，急切需要加大对电能质量的研究。StruxureWare电能管理系统具有灵活的交互性和扩展性，作为完整的设备监测平台极大的提升了能源管理水平，有效的优化了电力系统的运行效率，改善底层设备的使用效率。借助于实时监测、报警和电能质量分析，可以避免设备的损坏与宕机的风险。StruxureWare电能管理系统能够自动采集数据，实时的了解从发电端、变电站，到负载侧的电能质量信息，并通过多种方式进行信息的共享。使设备优化运行，降低维护成本。实时电能质量信息监测和报表生成，对电能质量进行有效的评定并避免问题产生事件立即通知，影响运行设备并损坏设备前发现和解决问题，有效的诊断工具减少停电恢复时间，并且根据相应的船舶电能质量相关参数标准来检测电能质量。StruxureWare电能管理系统功能如图3所示。

1）数据采集和历史数据管理。系统能实时或定时采集开关量、模拟量数据，对重要历史数据进行处理并存入数据库。系统生成各种运行统计报表和图形(曲线、棒图、饼图等)，显示、打印历史数据、各种运行统计报表。

2）事件报警和记录。当发生报警信号(遥测越限、开关事故变位、保护动作等)时，系统能够发出报警声响并在远程界面显示报警的相关信息，经过相关的操作员确认才能复位。提供相关的报警原因、时间和电气参数值等信息，便于快速排除故障和事故分析。

3）运行监视。监测主机实时显示系统的主要接线图和电气设备的运行状态以及设备的各种电气参数，数据按画面刷新时间自动更新，并能按整定的限值自动改变颜色以表示不同的运行状态，如过负荷，对应的运行参数变色并发出报警信号。

4）电能质量监视。实时监视船舶电网电力参数，如系统谐波含量、频率偏差、电压变化、不平衡度等；设置手动或自动触发波形捕捉功能，采集电能质量参数变化的波形，可以根据波形记录进行电能质量分析和故障分析。

3 不同工况下电能质量分析

船舶电网是一个独立的小容量电网，导致电能质量问题的因素很多。因此，对装置不同工况下的电压谐波的分布情况进行分析。

1）在电压为380 V，频率为45 Hz、50 Hz、55 Hz三种频率变化下变频器两端AB间线电压测量的结果，分析了2次至63次谐波的含量。

由图4和图5可知电网侧谐波很小，几乎可以忽略不计，但是奇次谐波的含量相对与偶次谐波的含量要大很大，其中3、5、7、11、13、17、25谐波含量比较显著，频率的改变对谐波分布没有什么影响。相对于电网侧，负载侧的谐波含量比较多，不管是偶次谐波还是奇次谐波含量都比较多。低频相对于高频区谐波含量大，所以频率的变化会导致谐波分布情况的变化。

2)在频率恒定的情况下，以AB间线电压为例。在电机空载时，分别取380 V和32 3V不同电压下运行的负载侧和电网侧的电压测量结果，分析了电压波形2至63次谐波的含量的比较。

通过分析可知，电网的侧谐波含量相对来说比较小，奇次谐波相对于偶次谐波的含量比较突出，其中以3、5、7、11、13次谐波含量尤为显著，电压下降对电网侧的谐波而言没有什么显著影响。相对于电网侧，负载侧的谐波含量比较高，尤其是在低频，中频段，主要以奇次谐波为主。电压变化时，在中频段谐波变化比较显著。所以电压的变化会导致谐波分布情况的改变。