基于SPDA的船舶智能电网系统构建

何丹青 谢坤 屈稳太

摘 要：为解决船舶配电系统中供配电、输电、用电等设备电路的信息化、各供配电设备的稳定性、系统容差保护与报错等问题，构建开发了基于固态二次配电装置的船舶智能电网。重点从配电控制中心、水冷式电源、现场配电板、智能配电箱等方面对智能电网进行了系统架构设计。试验结果表明，该船舶智能电网可靠性高，扩展性强，有较高的集成度，能有效提高船舶配电系统的自动化水平。

关键词：船舶;SPDA;智能电网;二次配电

中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0166-03

0 引言

随着新船舶技术对自动化需求的不断提升，传统二次配电网络设备多、占空高、信息化水平低、配电效能低等问题突显。基于目前船舶电网现状，笔者提出了一种基于固态二次配电装置（Secondary Power Distribution Apparatus，简称SPDA）的船舶智能电网系统，以提高船舶配电系统的智能化、集成化水平以及配电的安全性和可靠性。

SPDA采用以固態功率控制器（Solid State Power Controllers，简称SSPC）为核心的数字式控制系统，具有数据通道多、数据处理速度快、实时性好等特点，可以实现电能的配送、控制、保护，并兼具容错供电功能和负载自动管理能力。[1]

本文在分析船舶电网功能需求和性能指标要求的基础上，设计了一种以SPDA为现场配电关键技术的智能配电网络，给出了主要组成部分的详细配置。

1 智能电网系统架构

如图1所示，船舶智能电网由全船配电控制中心（管理层）、现场配电设备（控制层）和用电负载（设备层）组成，相互之间通过CAN总线和硬接线实现实时通信，控制读取配电状态和相关数据。

全船配电控制中心监控电源设备、配电系统和负载用电情况，管理船舶发电、储能、配电和用电状态。现场配电系统通过CAN总线将用电参数信息上传至配电控制中心。

2 配电控制中心

配电控制中心实现对船舶动力、电力、保障系统等机电设备的集中监控和管理，通过基于SPDA的现场配电板为现场负载实现供电控制、监测和报警。具备以下功能：电力系统运行状态和主要运行参数实时同步监测、记录、存储、显示;电力系统供电网络控制、网络状态显示及存储;电力系统主要运行参数的越限报警及存储，并对越限参数进行声光报警提示;具备两路交流电源失电继续工作5min的能力;具备自检、查灯、报警消音功能。各组件需达到的主要性能指标如下所示。

2.1 电源

为提高全船机电控制中心供电可靠性、提高电源效率，电力柜电源采用两台交流电源模块和一组阀控铅酸XDC组共同供电方案，其中铅酸XDC组平均电压为24V。全船机电控制中心电源拓扑结构图如图2所示。

交流输入选择模块按照一定策略自动选择两路交流输入电源中某一路交流作为交流电源模块和XDC管理模块的输入电源，交流电源模块将交流电转换为直流28V电压，XDC管理模块完成XDC的充放电及其管理，使得XDC端电压低于26.5V。XDC输出直流XX电与交流电源模块输出的直流28V电分别经二极管向直流母线供电。加固计算机、加固液晶显示器、PLC、功能面板以及直流电源模块等组件分别从直流母线取电。直流电源模块将直流24V电压转换为直流±15V电压，为电压传感器和电流传感器提供供电服务。

正常情况下，交流输入选择模块优先选择第一路交流电;若第一路交流电失电，则自动选择第二路交流电，并由交流电源模块向直流母线供电;若当前正在使用第二路交流电，第一路交流电恢复供电，则自动选择第一路交流电，并由交流电源模块向直流母线供电;若第一路和第二路交流电均失电，则由XDC向直流母线供电。

2.2 加固计算机

为满足全船机电控制中心对数据采集、传输、处理的要求，加固计算机选用6U结构CPCI总线计算机，配置6U结构电压电流输入模块2块、CAN总线模块2块、以太网模块2块、CPU模块1块以及电源模块2块。需要说明的是，通过鉴定的电压电流输入模块尚不能满足16路模拟量实时同步采集的能力。通过与标准化硬件研制厂家多次沟通协调，可在现有模块技术基础上开展改进研制，技术风险可控。

加固计算机采用水冷散热，内部不设置风扇，内部电子元器件产生的热量通过水冷板内循环水带走，一方面降低了加固计算机向舱内散出的热量，另一方面也降低了设备运行噪音，满足总体综合节能和减振降噪设计要求。水冷加固计算机效果，如图3所示。

2.3 可编程逻辑控制器设计

电力系统主要断路器的状态反馈信号均为无源触点，该类信息作为电力系统拓扑结构控制的输入。为保障电力系统正常运行，该类信号由可靠性高、稳定性优、逻辑运算能力强的PLC完成采集工作。同时，为了便于系统故障分析，全船机电控制中心主要控制开关、按钮的状态也由PLC进行采集。功能面板断路器状态显示信息由PLC通过数字量接口驱动。PLC将采集的所有数字量信息通过RS485总线上传给加固计算机。PLC选用西门子SIMATIC S7-200系列PLC。

2.4 越限报警设计

机电控制中心加固计算机通过CAN总线接口、以太网接口与外部设备进行数据交换，如直流网络绝缘、交流网络绝缘、XDC状态等信息，加固计算机对该类信息进行处理、显示，并对各类越限参数生成报警指令，经RS485总线将发送给PLC，由PLC驱动功能面板上的蜂鸣器和报警指示灯，完成告警提示。加固计算机也可对各类通讯故障发出告警提示。在功能面板上设置了消音和查灯按钮用于蜂鸣器消音和指示灯试灯。

2.5 风冷控制设计

加固计算机采用水冷散热方式，正常情况下全船机电控制中心采用总体提供的冷却水进行冷却。水冷故障时，全船机电控制中心内部设置的压力传感器输出控制信号启动强制风冷风机，将柜内热量排出，保证柜内电气组件能够正常工作。