船舶智能供配电系统研究

2021-07-03王之民陈松涛胡祥平

舰船科学技术 2021年5期

王之民，陈松涛，胡祥平

(镇江赛尔尼柯自动化有限公司，江苏镇江 262000)

0 引言

船舶智能供配电系统从全船能量的整体优化调度和管理目标出发，覆盖了从发电机组（包括柴油发电机、轴带发电机以及新能源）到供配电网络，再到负荷用电设备（全范围），即“源-网-荷”[1]。现代船舶多为电力负荷，将智能配电板则作为信息枢纽和控制枢纽，对全船用电设备能量进行进一步高效优化管理，使船舶智能供配电系统具备对全船用电设备的电源优化调度、节能减排与健康管控（包括电力电缆与电力负荷设备的健康状态监视、安全管理与控制）的功能，最终船舶智能供配电系统“源-网-荷”协调运行，达到节能减排环保以及提高全过程安全性的目的。

本文探讨船舶智能供配电系统的功能需求，结构框架设计和关键技术实现。

1 系统架构

船舶设备具有“散乱杂繁”的特点，其集成控制是一技术难点。在智能船舶规范的指导下，根据设备及供配电系统实际情况，研制多项新型基于CPS、智能量测等技术的新型控制器，覆盖机舱设备及电力电网，升级原有设备系统，提升系统信息通信功能。解耦原有的设备控制与信息传递组成（原通过一对一电缆连接形式被各种拓扑结构的数据通信替代），在实现设备安全可靠控制同时，又实现数据信息互联互通。通过新型的计算机网络数据平台，以数据融合技术重构舱室设备智能管控平台（各分系统通过电缆连接的点对点数据通信被中央数据库替代），实现船舶供配电系统智能管控。同时结合舱室辅机智能管控以及已构建智能机舱平台（智能船舶1.0）进行数据再融合，最终补充实现全面的智能机舱功能（满足智能船舶2.0要求）[2]。其具体技术路线如图1所示。

图1 智能供配电系统技术路线Fig. 1 Technical route of intelligent power supply and distribution system

2 智能电站管理系统研究

智能电站管理技术的核心在于如何对能量进行分类预测、高效管理及调配[3]。结合历史运行数据特征与专家数据库，通过建立系统和设备的典型模型与算法对电网系统进行综合性的需求分析及预测，在船舶不同运行模式下，确立能量配置、调配、管理策略。如船舶发电系统的启停投切、传输线路的波动、负荷的间歇性变化会对船舶电网系统的稳定造成较大的影响[4]。基于功率预测，通过合理的能量管理技术对能源的出力、负荷的分配进行较为精准控制，可减小源-网-荷波动对船舶电网的影响，从而保证船舶电力系统的可靠、安全运行。

在智能电站管理系统的能量管理可实现智能电源系统中能量流的优化调度与智能管控。

2.1 船舶电站系统模型研究

包括发电机组启停运行、额定运行、投切运行等不同工作状态下稳态及暂态模型研究；输电线路正常工作、短路、断路工作状态下模型研究；负荷投切、负荷间歇性波动、重载等工作状况下的模型研究等。

2.2 船舶电站系统功率预测研究

船舶电网具有低惯性、多运行模式以及大量电力电子装置接入等特点。对不同运行模式下，电网系统功率进行功率预测研究，提高系统的暂态性能以及稳定性。基于功率预测，通过合理的能量管理技术对能源的出力、负荷的分配进行较为精准控制，可减小源-网-荷波动对船舶电网的影响，从而保证船舶电力系统的可靠、安全运行。

2.3 基于协同控制的能量管理策略

智能供配电系统的智能电站管理系统是在常规电站管理系统的基础上提出一种基于协调控制的能量策略，针对电源和负荷的随机性运行工况，以系统网损最小、各单元的运行效率最高为目的，即协调控制各用电设备，实现功率预测、优化配置、高效管理，此外在供需之间进行能量的生产，调度，消耗等诸方面的管理，需要考虑在满足稳定安全供电的基础上兼顾经济性。

图2 船舶电源系统能量管理Fig. 2 Energy management of ship power system

3 智能供配电线路管理与控制研究

船舶电网及负荷设备的健康状态监测和维护是保障设备正常安全运行、提高设备工作效率、延长设备使用寿命的主要手段。随着设备制造技术的发展和科学技术的进步，现代设备的结构越来越复杂，自动化程度越来越高，设备的日常维护和故障检修越来越困难，设备维护的费用越来越高[4]。电网及负荷设备状态监测和维护的目的是及时准确地对多种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的决策支持与保护，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，把故障损失降低到最低水平[5]。

配电线路智能化关键技术，尤其是电缆、环境和气象条件等状态特征参数信息获取、评估诊断等相关技术，实现配电线路状态的智能监测与故障诊断。通过对配电线路及开关的监测与控制，实现过电流继电保护功能，应用于分支线、分界点或线路末端开关，处理线路瞬时性故障，实现配电线路测控保一体化，为供配电融合奠定技术基础。电力电缆绝缘监测与故障定位装置，为智能供配电线路健康安全运行提供有效技术保障。

3.1 智能供配电线路特征参数获取

利用计算机技术、嵌入式系统控制技术、传感器技术以及现场总线技术等先进技术对配电线路导线、环境和气象条件等状态特征参数信息（如电压、电流、温度等）进行获取、评估诊断、远程及实时通讯等技术处理，开发智能供配电线路高级应用，为后续线路绝缘故障监测及故障定位、线路测试控制保护一体化提供接入平台，并最终接入智能电站管理系统平台。

3.2 绝缘监测及故障定位装置开发

向船舶电网电缆导体上注入特定某一频率交流电压，利用软硬件滤波算法等技术测量出等效接地点相应频率响应电流，计算出电网绝缘等效阻抗即系统的等效绝缘电阻和系统对地泄漏电容等参数，并通过安装在不同回路的环形互感器检测获取定位电流信号，通过综合分析比较可实现对故障回路的自动定位。

图3 绝缘监测及故障定位Fig. 3 Insulation monitoring and fault location

3.3 线路测控保一体化技术研究

借助具有遥控、遥信、故障检测功能的馈线自动化终端装置，通过总线与集控室通信，最大程度减少通信电缆[6]。并将部分馈线开关集成入馈线自动化终端装置，转移至线路末端，实现一二次设备融合，有效实现“源-网-荷”测控保解耦，便于隔离故障扩散。

4 负荷主动管理与控制研究

船舶的主要负荷包括数量众多由电动机驱电动的泵、风机与空调等等。负荷主动管理与控制研究在于构建一种基于信息感知与数据融合的智能负荷预测与分布式负荷管控系统[7]。负荷主动管控由智能量测系统（信息感知）、基于负荷分类（数据融合）的负荷预测、基于工况优化的分布式能量管理与控制、基于环境舒适度评价的空调负荷智能调度控制以及智能电机综合保护控制器组成。船舶电力负荷及作业负荷根据负荷运行特性的不同，需依据实际运行工况下的诸如风速风向、吃水、油量、作业模式等历史运行数据实现对该类负荷进行功率预测[8]。从而构建以负荷分类为基础的负荷精确预测系统，从而实现全船负荷运行模式的共享，全船所有用电设备则通过分层网络进行基于全船管理系统的工况调度要求与负荷预测数据进行跨系统的优化配置与调度，实现分布式协同功率控制与协同保护功能。

图4 线路智能化Fig. 4 Intelligent power grid

4.1 智能量测系统

基于嵌入式系统（ARM）核心和数字信号控制器（DSP）核芯的双核架构的智能量测系统。该系统借助现场总线冗余技术为本专项诸如环境评价系统、电能质量监测、船舶电站发电量监测、负荷监测与智能电站管理系统平台等提供先进的信息感知手段，并形成智能供配电系统的信息流，此外，该系统通过冗余双现场总线与上级综合管控网络平台进行信息交互。

以DSP芯片为技术的智能量测技术，全面解决船用电力系统的测量精度问题，控制及后台的智能管控提供精准数据。

全船负荷根据负荷运行特性的不同，如对易受航行海区的海洋环境、季节或昼夜的变化等影响的风机、泵类负载，需依据实际运行工况下的诸如风速风向、吃水、油量等历史运行数据实现对该类负荷进行功率预测。从而构建以负荷分类为基础的负荷精确预测系统。

4.2 智能电机管理控制系统

图5 基于嵌入式+DSP技术的智能控制器示意图Fig. 5 intelligent controller based on embedded + DSP Technology

基于嵌入式控制器核心和数字信号控制器核芯的双核架构的智能电机综合保护与控制器，使船舶智能供配电系统具备机旁与遥控的两级负荷管控与电机保护的功能，以及通过冗余双现场总线与上级综合管控网络平台进行信息交互。

在源/荷电量测量的基础上，研制智能电机管理控制系统。通过特定的参数设置，为各种电机的应用场合提供适当的控制、监测和保护功能。控制器测量和计算的电气参数包括三相电流（A）、功率因数、三相线电压（V）、频率（Hz）、有功功率（kW）、视在功率（kVA）、电能（kWh），以及电机状态、电动机运行时间、电机停止时间、启动次数、脱扣次数。从而实现全船负荷运行模式的共享，全船所有电机则通过分层网络进行基于全船用电设备的工况调度要求与负荷预测数据进行跨系统的优化配置与调度，实现分布式协同功率控制与协同保护功能。