一种船舶能量管理系统设计

丁 琦， 韩 冰

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

0 引 言

随着船舶管理逐渐朝着数字化、信息化和智能化方向发展，以及综合电力系统技术的日益成熟和智能船舶等概念的提出，船舶能量管理系统的数字化和智能化应用逐渐成为未来船舶发展的趋势[1-2]。

船舶能量管理系统是船舶综合电力系统的核心组成部分。近年来，随着船舶电力系统技术快速发展，船舶电站的容量和电力系统的网络结构发生了巨大变化，全电力船舶的出现使得船舶能量的产生、管理和分配变得十分复杂[3-6]。目前国外已有多家船舶公司开发出成熟稳定的全船综合监控管理系统产品[7-9]。为提高船舶能源的利用效率，减少污染气体排放，有必要探究更加高效、智能的船舶能量管理方式。

船舶能量管理系统主要基于计算机监控网络，对船舶的动力系统、电力系统和其他用电设备进行综合管理，对船舶电力系统的运行状况进行监测并加以保护，实现对全船能量流的智能化控制，保证船舶运行过程中能量供应的稳定性和经济性，从而提高船舶的整体性能。由于船舶电力系统信息网络的规模越来越大、结构越来越复杂，对船舶能量管理系统网络的稳定性和时效性的要求越来越高，如何更加有效地对电力系统信息进行汇集和管理成为智能船舶发展过程中需解决的关键问题。

本文以典型的电力推进船舶为例，对船舶能量管理系统的设计和实现问题进行研究(包括需求分析、功能组成、网络构建和软件设计等)，提出一种稳定、实时的船舶能量管理系统解决方案，初步实现船舶的智能化管理。

1 能量管理系统的需求和功能分析

电力推进船舶的供电网络与常规船舶相比有明显的不同，主要表现在：单台发电机容量大；非线性负载占发电机容量相对较大且通常为动态负载；输电电缆的阻抗较小且呈容性；动力系统在电机启动、调速和制动过程中会对电网产生较大的冲击[10-12]；船舶的运行、数据处理和自控系统都需要有稳定的供电作保障。因此，能量管理系统不仅需对供电系统进行管理，而且需对船舶负载进行管理，综合考虑船舶的电力系统、动力系统和网络的稳定性，协调控制各用电设备，实现对能量的优化管理。

能量管理系统是船舶综合电力系统的管理运行核心，负责监控和管理全船能量的产生、分配、调度和功率变换，具体包括：对电力系统和动力系统进行综合管理和控制；对机组的运行状态和各种负载进行管理；在不同工况下保证船舶安全航行及供电的连续性、稳定性和经济性；延长船舶用电设备的使用寿命。全电力船舶原本独立的电力系统和动力系统通过能量管理系统紧密地联系在一起。电力系统发出的电能由能量管理系统分配给动力负载和日用负载，动力负载的运行情况和用电情况通过能量管理系统来观察和控制。供电系统相应地调整电能的供给和供应方式，优化船舶航行和日用负载的用电需求。

船舶能量管理系统的功能架构见图1，其设计需满足以下要求：

1) 供电管理和负载管理应满足船舶电力系统和动力系统的运行需求；

2) 网络管理应保证电网运行的稳定性和实时性；

3) 上位机监控系统能准确、快速、详细地显示状态信息；

4) 使船舶用电设备运行在合理的工作区间内，延长其使用寿命；

5) 各能量源输出电压的波动低于设计值，保证各设备的安全性。

图1 船舶能量管理系统的功能架构

2 船舶能量管理系统网络设计

船舶能量管理系统大多配置在电力推进船舶上。船舶电力系统网络庞大、复杂，对网络数据传输的稳定性和时效性要求较高，应能在不同工况下保持良好的性能。本文根据各电力推进设备之间的关系，在设计船舶能量管理系统网络时综合考虑以下3种网络架构方案:

1) 基于CAN总线的双层网络架构方案，由双冗余CAN现场总线构成。上层网络将集控室、架控室和服务器等关键信息站点连接起来；下层总线挂接多个现场控制设备的测控点。

2) 基于PROFIBUS总线的3层网络架构方案[13-14]。上层由船舶管理系统、数据服务器和调试工程师站组成；中层由设备专用控制器、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和工控计算机等设备组成；下层由具有执行、驱动和变送功能的现场分布式控制单元组成。

3) 基于EPA(Ethernet for Plant Automation)的单层网络架构方案。整个网络采用高效、可靠的工业以太网作为通信信道载体，通过有线网络和无线网络统一船舶现场设备层、控制层和信息层的网络协议，使以太网报文在无协议转换的情况下也能在整个网络中传输。

3种船舶能量管理系统网络架构方案对比见表1。

船舶能量管理系统网络是一种工业监控网络。EPA工业过程实时以太网是一种将一系列成熟、可靠的计算机技术应用到工业过程控制中，提供工业以太网TCP/IP协议支持的致力于统一所有网络层协议的新型开放性实时以太网标准[15]。该标准定义了局域网(LAN)中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网技术几乎支持所有的网络协议，在数据信息网络中得到广泛应用，具有传输速率快、能耗低、便于安装、兼容性好、开放性高和支持的设备多等优势。近年来，随着网络技术的不断发展和工业控制领域对网络性能要求的逐步提高，以太网已步入工业控制领域，形成新的以太网网络控制技术。随着工业自动化系统朝着分布化和智能化控制方向发展，开放、透明的通信协议是必然需求，采用以太网通信的技术优势十分明显。因此，本文采用工业以太网构建船舶能量管理系统监控网络。在实际项目中，考虑到设备对工业以太网的兼容性，采用CAN和EPA混合架构搭建船舶能量管理系统网络。与普通的信息网络相比，船舶能量管理系统网络具有以下4个特点：

表1 3种船舶能量管理系统网络架构方案对比

1) 在网络结构上，针对船舶空间有限、设备覆盖密集和网络覆盖面积小等特点搭建的局域网效率更高。

2) 在网络性能上，采用大量现场总线和工业以太网设备，选择合理的网络设备和匹配的网络协议，能提高系统的运行效率，保证局域网数据传输的实时性、可靠性和在网设备的稳定性。

3) 在网络设备上，与普通的网络设备具有的“1台上位机可运行多个应用软件”的功能不同，船舶监控网络中的设备有其特定的功能，如数据采集、设备控制和能量监控等。

4) 在开放性上，船舶监控网络是一个较为封闭的局域网，不同于普通的外部互联网，可随时按照需求增减设备。当船舶能量管理系统网络架构和网络设备搭建好并在船舶上运行时，其位置和数量等参数一般不会轻易变动。

船舶能量管理系统的信息网络是一种底层监控设备局域网，网络管理的主要功能是保证网络的实时性、安全性和可靠性，为船舶能量管理系统提供可靠的数据传输服务[16]。基于工业控制网络架构，可采用“二层网络、三层设备”的网络架构(见图2)[17-18]。上层采用冗余高速交换工业以太网与监控服务器相连；下层采用现场总线与工业以太网组成的现场网络来连接现场设备；上层和下层采用网关与交换机连接。这种组网方式可兼容现场总线的拓扑，具有实时性好、成本低的优点。

3 船舶能量管理系统软件设计

3.1 船舶能量管理系统软件架构

基于船舶能量管理系统网络架构设计船舶能量管理系统软件，主程序包含供配电管理、负载管理、能量流管理、船舶基本信息管理、船舶信息网络管理和历史记录管理等功能，能实时反映当前工况下船舶能耗和耗能设备的具体信息，为优化管理提供充分的信息支持。

图2 船舶能量管理系统网络架构

船舶能量管理系统软件架构见图3。数据层通过外部环境接口，利用数据采集处理组件和实时通信组件，从现场设备中采集数据并将其存储到数据库中，或向现场设备发送指令，与应用层和服务层交互； 服务层从数据库中读取数据，调用不同的管理组件进行分析计算，供应用层调用；应用层根据各功能模块的需求调用服务层组件，显示不同的程序界面，实现船舶能量管理系统的软件功能。

图3 船舶能量管理系统软件架构

这种松散耦合的设计方式的优点包括：每个显控台根据配置需求分布式进行业务数据计算和处理，能提高响应速度[19]；数据存储功能由其他服务器实现，能避免一次性涌入大量数据导致数据拥挤，进而影响系统的响应性能；当系统需修改或增加功能时，开发人员可根据不同的功能模块配置进行相应的修改和更新，提高系统的灵活性和可操作性；模块化的结构能保证终端控制台发生变化时数据或应用服务器的逻辑不发生变化，既可提高系统的稳定性，又便于对系统进行升级和维护。

根据设计要求，船舶能量管理系统主要具有以下功能模块：

1) 电力系统管理。对供电网络进行实时监测和控制的功能模块，不仅能实现传统船舶电站监控系统的机组自启动、并网、调频解载和解列停机等功能，而且能根据负载的实时变化进行功率需求和供电计划的实时调整，满足全船的功率需求，在稳定供电的同时保证经济性。

2) 动力系统管理。对船舶主要负载进行监测和控制的功能模块，对推进电机、侧推装置、变频器和变压器等设备进行监控，完成能量调度，满足功率需求和供电平衡要求。

3) 上位机监控。上层监控软件可提高工作效率，将整船的关键数据(如对地速度、对水速度、燃油消耗量、艏艉吃水深度、当前推力、转速、转矩和引擎功率等)及其他相关数据实时显示在概览列表中；对船舶航行历史数据(如时间、距离、航速和燃油消耗等)进行整合；对船舶电力系统的能量流向和相关数据进行监控，包括电力系统、动力系统和其他用电设备的能量使用情况；对其他相关信息进行监控，包括船舶动力系统引擎能量、放射物含量、水泵功率、螺旋桨能量、动力系统产生的废热及可循环利用的能源和引擎废气的排放等。

4) 总线通信和网络安全。船舶能量管理系统涉及到的设备较多，不同设备之间的通信线束繁多且设备之间的通信协议存在差异，采用良好的现场总线通信技术可实现便捷的通信管理，保证通信的稳定性和实时性。由于船舶电力系统网络的规模越来越大、越来越复杂，对船舶能量管理系统网络的时效性和稳定性提出更高的要求，需设计一种合理的船舶能量管理系统网络架构来满足船舶对稳定、经济运行的需求。

5) 应急保护。当船舶出现紧急状况或产生不可控故障时，系统可实现自动停机、电气控制保护和系统自保护等功能。

3.2 船舶能量管理系统软件实现

在开放的架构下采用Visual studio 2017开发船舶能量管理系统软件，旨在提供一种方便、整体的信息访问和交互手段，对船舶运行过程中的基本信息(包括电力系统、动力系统、能量流动和历史数据等)进行管理，为后续船舶能量优化调度服务。能量管理系统软件部分的人机界面如下：

1) 热流界面(见图4)，反映船舶动力系统中引擎的基本信息，实时监控引擎能量的分配、大小、流向和废气能量。

图4 船舶能量管理系统热流界面

2) 能量流界面(见图5)，反映船舶整体的能量流动，包括燃油中的总能量、动力系统与电力系统的能量消耗、热能与电能的总能量分配和能量的亏损等。

3) 历史记录界面(见图6)，反映船舶的运行状态，提供大量船舶在不同工况下运行时的具体参数，为智能化船舶管理和控制提供数据支持。同时，记录船舶当前的运行时间、运行距离、平均速度和平均油耗等。

图5 船舶能量管理系统能量流界面

图6 船舶能量管理系统历史记录界面

4 结 语

船舶能量管理系统的核心是实现全船能量流动的在线监测和控制，优化船舶能效管理水平。本文针对船舶能量管理的需求，设计开发了一种船舶综合能量管理系统，保证网络和控制的可靠性。软件系统基于松散耦合的架构搭建，界面设计简洁直观，便于操作，实现了船舶网络化监控的实时性、有效性和可靠性。