一種船舶區域配電系統及其監控系統的製作方法

2023-05-11 11:26:41

專利名稱：一種船舶區域配電系統及其監控系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於船舶工程領域，涉及一種船舶區域配電系統及其監控體系設計方法。
背景技術：
隨著船舶綜合電力系統(IPS)概念的提出，全船電力系統、電力推進技術應用於船舶的緊迫需要，船舶電力系統的系統容量將以幾何曲線上升，從而使電纜布置成為一個突出的問題一是傳統的船舶電網的形式已經成為制約船舶可靠性的一大難題，當船舶受損時，船舶電網容易崩潰，影響供電質量、生命力低；或者當船舶中某一大型負載啟動或發生故障時，也會影響電網的供電質量。總之，傳統船舶電網已無法適應未來船舶的要求；二是電纜數量的增加，使得船舶建造成本上升；三是如果不能合理地布置電纜，將會導致穿過隔艙壁的電纜數目增加，不利於提高船舶電力系統的可靠性。
以輻射式配電系統和交流電機組成的電力系統是目前船舶電力系統的主流，電力系統的負載由船舶上少數幾個集中式配電中心通過電纜饋送，這樣造成全船數十根電纜在船上各部位穿插，尤其是大量的穿艙電纜不僅布置上有困難，而且會造成船舶耐壓隔壁開孔密封問題。隨著船舶電力系統容量的日趨增大，集中式配電逐漸成為船舶設計和建造成本中一個十分突出的問題，局部的電氣隔離變得很困難，同時在出現故障的時候，也很難隔離故障，局部故障有可能直接影響整個電力系統。採用區域供電網絡是解決這一問題的良好途徑，區域配電技術可通過將全船的電力系統進行區域劃分，達到降低電力系統建造成本，提高船舶生命力的目標。採用區域配電 技術後，船舶可以在建造各艙段時就獨立進行電纜布置，在此分段連接到船舶的其他分段之前，將所有本分段的設備連接好並供電。在進行艙段集成前完成設備的安裝和調試，最後通過兩條母線連接各供電區域即可，這樣可以大大提高工作效率，降低費用。同時，在區域的入口，環形供電網的母線上具有多個斷路器，在某區域出現故障後，可以通過這些斷路器切斷部分母線，或切除某個區域，可以有效的防止故障蔓延。美國以「阿利克伯」級(DDG-51)飛彈驅逐艦平臺為研究對象，將目前採用的常規配電系統與區域配電系統在重量和造價上進行了對比，結果表明，採用區域配電結構可以減少電纜的使用，同時造價也大大降低了。交流區域配電網絡結構是一個相對複雜的網絡結構，其對船舶電力系統的規劃和安全運行是一種挑戰。設備故障、大功率設備的起停、誤操作等都會使故障處理、電能調度等變得更加困難，這就對電力監控系統提出了更高要求。智能型船舶電力監控系統是現代化船舶發展的必然趨勢，是現代化船舶綜合平臺 管理系統的重要組成部分。船舶電力監控系統對於提高船舶電力系統的穩定性、可靠性具有重要的作用，傳統的船舶監控系統是建立在幹饋式電網結構的基礎上的。隨著現代船舶的規模越來越大，以及新型電力系統的使用，原來的船舶電力監控系統已不能發揮其作用。因此，設計針對新型船舶電力網絡的智能型船舶電力監控系統是十分必要的
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的缺陷，將環形供電網絡與區域配電技術有機結合起來，設計了船舶綜合電力系統。本發明一種船舶區域配電系統，兩條電力母線從船艙的兩舷通過，連接船頭、船尾的兩組發電機組，形成一個環形網絡；將整個配電系統分成n個區域，每臺發電站機組保障一個或幾個區域的負載供電，在區域的入口，環形供電網的母線上具有多個斷路器。一種船舶區域配電系統的監控系統包括第一層是位於區域現場的總線節點，這些節點包括智能斷路器、電動機保護模塊、PLC ;這些總線節點連接在區域內的CAN總線上，向區域監控系統或上層監控設備提供負載以及供電網絡的相關實時參數，同時，接收上層監控設備的信息，對負載以及供電網絡 進行控制；第二層是區域控制站，它是由區域監控計算機和智能測控模塊組成區域監控計算機位於操作室，監視、控制區域內所有設備的狀態，並作為系統的顯示和輸出終端，可獨立對區域現場進行控制；智能測控模塊位於區域現場，作為監控計算機的備份，獨立對區域現場進行控制；如果上層網絡出現故障或區域站與系統主站斷開連接，該區域會由區域控制站進行獨立控制，同時，監控計算機和智能測控模塊通過CAN總線連接，互為備份；第三層是系統網絡，中央計算機和各區域站通過工業乙太網連接中央計算機負責接收各個區域信息，根據船舶所處工況，進行設備控制，電能調配，系統監控，故障恢復根據負載性質和負載大小，將整個船舶電力系統分成若干區域，區域之間利用連接線或母線構成層次分明網絡，每個電站保障一個或幾個區域的負載供電。環形網絡是電站之間利用縱向橫向連接線或母線構成閉環，向用電設備供電的網絡，母線採用環形分段母線方式供電，根據區域劃分，在區域入口的母線上放置連接開關，這樣，可以根據具體情況分斷和連接母線的作用，實現電能的分配、管理，故障切除，故障恢復等功能。為了提高船舶綜合電力系統的可靠性，設計了船舶綜合電力系統的智能監控系統監控整個船舶電網，基於系統化、模塊化和智能化思想，採用綜合集成方法，將船舶動力系統、電力推進系統、通信系統等綜合成為一個智能化系統，實現信息共享、能量統一調度和控制、各系統設備協同動作。


圖I環形區域配電系統結構示意圖；圖2區域供配電網絡的結構示意圖；圖3供配網絡的原理和裝置圖；圖4配電網監控系統示意圖；圖5監控系統軟體主要功能。
具體實施例方式環形區域配電系統的結構如圖I所示。整個船舶電力系統的電站管理系統由3臺IOKW發電站機組和I臺30KW發電站機組組成，其中2臺IOKW發電機作為I號電站，I臺30KW發電機組作為2號電站，I臺IOKW發電站機組作為應急發電機組使用，並且I號和2號電站分別能獨立向全船供電，並且能並聯使用向全船供電。當主電網斷電後，應急電站發電機自啟動並在45S內向全船供電；當主電網恢復供電後，應急發電機組自動停機，保持在備車狀態。兩條電力母線從船艙的兩舷通過，連接船頭、船尾的兩組發電機組，形成一個環形網絡。左右兩舷的母線穿過水密艙，並根據負載性質和負載大小將整個配電系統分成n個區域，每臺發電站機組保障一個或幾個區域的負載供電。在區域的入口，環形供電網的母線上具有多個斷路器，在某區域出現故障後，可以通過這些斷路器切斷部分母線，或切除某個區域，最小範圍地隔離故障區域。可以看出，由於環形供電的特點，不同的斷路器通斷，使得供電網絡變化成不同的形式，構成不同的負載迴路。區域的大小通過權衡船舶建造成本的經濟性與其生命力這兩個方面來確定。一般而言，對區域的破壞集中在某一個區域或者相鄰的兩個區域。一個配電區域不能劃分得很大，就大多數的船舶而言，將其劃分成6 — 7個區域是比較合理的，這時每個區域佔整條船 長的15%左右。由於船舶水密艙的劃分是建立在船舶穩定性基礎上的，實際配電區域的劃分同樣應以水密艙為標準。這樣配電板的饋電電纜不用穿越水密艙，既提高了船舶的生命力，同時又降低了電纜的重量和造價。圖2和圖3所示為船舶綜合電力系統的物理模型。其中圖2為區域供配電網絡的結構示意圖，圖3表示供配網絡的原理和裝置圖。圖3中的兩個「A」處直接相連，構成一環形網絡。三個電站和一個應急電站分布式布置，處於不同位置，同時設立三個區域配電區域，負載有交流負載和直流負載。監控系統的組成船舶配電網絡智能監控系統主要用於監控整個船舶綜合電力系統，對其進行供電線路、負載狀況、電能使用等進行統一的監控，實現信息共享、能量統一調度和控制、各系統設備協同動作。其結構如圖4所示。第一層是位於區域現場的總線節點，這些節點包括智能斷路器、電動機保護模塊、PLC等。這些總線節點連接在區域內的CAN總線上，向區域監控系統或上層監控設備提供負載以及供電網絡的相關實時參數，同時，接收上層監控設備的信息，對負載以及供電網絡進行控制。第二層是區域控制站，它是由區域監控計算機和智能測控模塊組成。區域監控計算機位於操作室，可由工作人員進行操作，作為系統的主控設備。監視、控制區域內所有設備的狀態，並作為系統的顯示和輸出終端，可獨立對區域現場進行控制。監控計算機顯示區域配電網絡狀態、各迴路的供電狀況、各種負載狀態。同時，監控計算機通過工業乙太網與上層中央計算機連接，隨時將在該區域採集到的信息發送給系統主站，並接收中央計算機的控制信息，對區域負載進行控制，實現區域電能調度的功能，故障恢復等功能；智能測控模塊位於區域現場，以DSP處理晶片作為處理核心，其作用相當於監控計算機的備份，可獨立對區域現場進行控制。如果上層網絡出現故障或區域站與系統主站斷開連接，該區域會由區域控制站進行獨立控制，同時，監控計算機和智能測控模塊通過CAN總線連接，互為備份，提高系統的可靠性。第三層是系統網絡，中央計算機和各區域站通過工業乙太網連接。中央計算機負責接收各個區域信息，根據船舶所處工況，進行設備控制，電能調配，系統監控，故障恢復等任務。中央計算機在一般情況下只會對重要設備進行監控，一般設備由區域站進行監控，將控制權下放到現場。當出現特殊狀況時，區域站自身無法進行解決，區域站會向中央計算機報警，由中央計算機進行全船統一調度，處理異常狀況。監控網絡通信方式採用現場總線CAN與乙太網相結合的方式。區域內選用現場總線CAN，現場總線連接最底層的現場控制器和現場智能儀表設備；考慮到不同區域間的信息交換流量有時很大，本發明中將CAN總線與工業乙太網Ethernet在船舶監控系統網絡中有機地集成在一起，將現場總線的實時性、抗幹擾性與工業乙太網的高速性、遠距離傳輸性
相結合。智能監控上位軟體設計配電網監控系統的上位機軟體是為實現實時監測船舶電力系統的工作狀況、實時動態反映現場數據信息、模擬現場布局、記錄歷史信息、存檔和列印輸出、故障恢復以及特 定的控制等功能而設計的。軟體在保證實現各項基本功能的基礎上，充分考慮操作方便、運行穩定、容錯能力強，以及易理解、易維護和易擴展等特性。系統軟體米用集成開發環境Visual Basic 6. 0企業版開發,充分利用面向對象的程序設計方法及該集成開發環境的⑶I (Graphical User Interface)和ActiveX控制項等功倉泛。配電網監控系統的上位機軟體融合了現代計算機技術、自動控制技術、通信技術、軟體工程、人機系統等技術，具有以下特點I.可以實現實時設備監控、設備運行數據自動記錄和統計分析等，減少維護人員的人為因素造成的設備故障，提高系統的維護和管理質量；2.使電力系統具有全自動功能，減少維護人員的總數，降低維護成本；3.通過自動記錄設備的故障情況和維護人員的處理過程，便於區分職責，便於迅速定位和排除故障；4.電站系統與全船其他系統聯網，便於做出決策一一尤其是故障情況下的網絡重構決策，提聞全船的生命力和戰鬥力。監控系統軟體主要包括5項功能系統監控、數據顯示、系統設定、乙太網通訊、其它功能。具體功能如圖5所示。系統監控包括1)設備監視通過CAN總線獲取設備實時數據，監視設備狀態，當設備出現故障，進行聲光報警；2)設備控制控制設備或負載運行或停止，用於正常情況下的電力調度和故障情況下的網絡重構；3)故障診斷當系統出現故障時，迅速定位故障點並從電網上切除故障區域，在網絡重構後分析故障原因，為以後的可靠性運行提供更好的保障。數據顯示包括1)全局狀態顯示以圖形方式顯示區域負載在區域內的布局及其工作狀態；2)實時曲線顯示顯示各設備的實時參數曲線；3)歷時數據顯示顯示和查詢各設備的歷史參數曲線；4)極值數據顯示顯示和查詢各設備的極值設定參數；5)報警數據顯示顯示和查詢各設備的報警信息；6)故障信息顯示顯示和查詢各設備的故障信息。系統設定包括1)極值設定設定各設備的參數極限，作為報警或保護動作的依據；2)CAN總線參數設定設定CAN總線參數，包括工作模式、中斷模式、總線時鐘、輸出控制、分時模式、接收地址、接收地址掩碼；3)設備管理進行設備添加和刪除，進行設備總線地址、設備性質等參數修改；4)用戶管理用戶名、密碼、權限管理。乙太網通訊包括1)數據傳輸中央計算機與電站監控中心之間、電站監控中心之間、電站監控中心與區域智能節點之間、區域智能節點相互間進行數據交換；2)資料庫升級升級中央計算機資料庫信息。其它功能包括1)系統日誌記錄不同的用戶對系統的登錄、註銷、對資料庫的訪問、修改操作等動作；2)數據列印列印數據表；3)幫助軟體功能介紹。權利要求
1.一種船舶區域配電系統，其特徵在於兩條電力母線從船艙的兩舷通過，連接船頭、船尾的兩組發電機組，形成一個環形網絡；將整個配電系統分成n個區域，每臺發電站機組保障一個或幾個區域的負載供電，在區域的入口，環形供電網的母線上具有多個斷路器。
2.一種船舶區域配電系統的監控系統，其特徵在於所述監控系統包括 第一層是位於區域現場的總線節點，這些節點包括智能斷路器、電動機保護模塊、PLC ;這些總線節點連接在區域內的CAN總線上，向區域監控系統或上層監控設備提供負載以及供電網絡的相關實時參數，同時，接收上層監控設備的信息，對負載以及供電網絡進行控制； 第二層是區域控制站，它是由區域監控計算機和智能測控模塊組成 區域監控計算機位於操作室，監視、控制區域內所有設備的狀態，並作為系統的顯示和輸出終端，可獨立對區域現場進行控制；智能測控模塊位於區域現場，作為監控計算機的備份，獨立對區域現場進行控制；如果上層網絡出現故障或區域站與系統主站斷開連接，該區域會由區域控制站進行獨立控制，同時，監控計算機和智能測控模塊通過CAN總線連接，互為備份； 第三層是系統網絡，中央計算機和各區域站通過工業乙太網連接中央計算機負責接收各個區域信息，根據船舶所處工況，進行設備控制，電能調配，系統監控，故障恢復。
全文摘要
本發明將環形供電網絡與區域配電技術有機的結合起來，設計了一種船舶綜合電力系統及其監控系統。所述電力系統的兩條電力母線從船艙的兩舷通過，連接船頭和船尾的兩組發電機組，形成一個環形網絡。根據負載性質和負載大小，將全船的環形電網分成若干區域，每臺發電站機組保障一個或幾個區域的負載供電。在區域的入口，環形供電網的母線上具有多個斷路器。所述監控系統，包括第一層位於區域現場的總線節點，第二層區域控制站，第三層系統網絡，中央計算機和各區域站通過工業乙太網連接。本發明將船舶動力系統、電力推進系統、通信系統等綜合成為一個智能化系統，實現信息共享、能量統一調度和控制、各系統設備協同動作。
文檔編號H02J13/00GK102751787SQ20121020318
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者劉維亭, 張冰, 朱志宇, 袁文華, 馬繼先, 魏海峰, 黃巧亮 申請人:江蘇科技大學