專利名稱：一種船舶區(qū)域配電系統(tǒng)及其監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于船舶工程領(lǐng)域，涉及一種船舶區(qū)域配電系統(tǒng)及其監(jiān)控體系設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著船舶綜合電力系統(tǒng)(IPS)概念的提出，全船電力系統(tǒng)、電力推進技術(shù)應(yīng)用于船舶的緊迫需要，船舶電力系統(tǒng)的系統(tǒng)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(tǒng)的船舶電網(wǎng)的形式已經(jīng)成為制約船舶可靠性的一大難題，當船舶受損時，船舶電網(wǎng)容易崩潰，影響供電質(zhì)量、生命力低；或者當船舶中某一大型負載啟動或發(fā)生故障時，也會影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量?？傊瑐鹘y(tǒng)船舶電網(wǎng)已無法適應(yīng)未來船舶的要求；二是電纜數(shù)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(dǎo)致穿過隔艙壁的電纜數(shù)目增加，不利于提高船舶電力系統(tǒng)的可靠性。
以輻射式配電系統(tǒng)和交流電機組成的電力系統(tǒng)是目前船舶電力系統(tǒng)的主流，電力系統(tǒng)的負載由船舶上少數(shù)幾個集中式配電中心通過電纜饋送，這樣造成全船數(shù)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(tǒng)容量的日趨增大，集中式配電逐漸成為船舶設(shè)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(xiàn)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(tǒng)。采用區(qū)域供電網(wǎng)絡(luò)是解決這一問題的良好途徑，區(qū)域配電技術(shù)可通過將全船的電力系統(tǒng)進行區(qū)域劃分，達到降低電力系統(tǒng)建造成本，提高船舶生命力的目標。采用區(qū)域配電 技術(shù)后，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(shè)備連接好并供電。在進行艙段集成前完成設(shè)備的安裝和調(diào)試，最后通過兩條母線連接各供電區(qū)域即可，這樣可以大大提高工作效率，降低費用。同時，在區(qū)域的入口，環(huán)形供電網(wǎng)的母線上具有多個斷路器，在某區(qū)域出現(xiàn)故障后，可以通過這些斷路器切斷部分母線，或切除某個區(qū)域，可以有效的防止故障蔓延。美國以“阿利克伯”級(DDG-51)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦平臺為研究對象，將目前采用的常規(guī)配電系統(tǒng)與區(qū)域配電系統(tǒng)在重量和造價上進行了對比，結(jié)果表明，采用區(qū)域配電結(jié)構(gòu)可以減少電纜的使用，同時造價也大大降低了。交流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個相對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其對船舶電力系統(tǒng)的規(guī)劃和安全運行是一種挑戰(zhàn)。設(shè)備故障、大功率設(shè)備的起停、誤操作等都會使故障處理、電能調(diào)度等變得更加困難，這就對電力監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高要求。智能型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代化船舶發(fā)展的必然趨勢，是現(xiàn)代化船舶綜合平臺 管理系統(tǒng)的重要組成部分。船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)對于提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性具有重要的作用，傳統(tǒng)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)是建立在干饋式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上的。隨著現(xiàn)代船舶的規(guī)模越來越大，以及新型電力系統(tǒng)的使用，原來的船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)已不能發(fā)揮其作用。因此，設(shè)計針對新型船舶電力網(wǎng)絡(luò)的智能型船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，將環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域配電技術(shù)有機結(jié)合起來，設(shè)計了船舶綜合電力系統(tǒng)。本發(fā)明一種船舶區(qū)域配電系統(tǒng)，兩條電力母線從船艙的兩舷通過，連接船頭、船尾的兩組發(fā)電機組，形成一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；將整個配電系統(tǒng)分成n個區(qū)域，每臺發(fā)電站機組保障一個或幾個區(qū)域的負載供電，在區(qū)域的入口，環(huán)形供電網(wǎng)的母線上具有多個斷路器。一種船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)包括第一層是位于區(qū)域現(xiàn)場的總線節(jié)點，這些節(jié)點包括智能斷路器、電動機保護模塊、PLC ;這些總線節(jié)點連接在區(qū)域內(nèi)的CAN總線上，向區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)或上層監(jiān)控設(shè)備提供負載以及供電網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)實時參數(shù)，同時，接收上層監(jiān)控設(shè)備的信息，對負載以及供電網(wǎng)絡(luò) 進行控制；第二層是區(qū)域控制站，它是由區(qū)域監(jiān)控計算機和智能測控模塊組成區(qū)域監(jiān)控計算機位于操作室，監(jiān)視、控制區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備的狀態(tài)，并作為系統(tǒng)的顯示和輸出終端，可獨立對區(qū)域現(xiàn)場進行控制；智能測控模塊位于區(qū)域現(xiàn)場，作為監(jiān)控計算機的備份，獨立對區(qū)域現(xiàn)場進行控制；如果上層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或區(qū)域站與系統(tǒng)主站斷開連接，該區(qū)域會由區(qū)域控制站進行獨立控制，同時，監(jiān)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，中央計算機和各區(qū)域站通過工業(yè)以太網(wǎng)連接中央計算機負責接收各個區(qū)域信息，根據(jù)船舶所處工況，進行設(shè)備控制，電能調(diào)配，系統(tǒng)監(jiān)控，故障恢復(fù)根據(jù)負載性質(zhì)和負載大小，將整個船舶電力系統(tǒng)分成若干區(qū)域，區(qū)域之間利用連接線或母線構(gòu)成層次分明網(wǎng)絡(luò)，每個電站保障一個或幾個區(qū)域的負載供電。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)是電站之間利用縱向橫向連接線或母線構(gòu)成閉環(huán)，向用電設(shè)備供電的網(wǎng)絡(luò)，母線采用環(huán)形分段母線方式供電，根據(jù)區(qū)域劃分，在區(qū)域入口的母線上放置連接開關(guān)，這樣，可以根據(jù)具體情況分斷和連接母線的作用，實現(xiàn)電能的分配、管理，故障切除，故障恢復(fù)等功能。為了提高船舶綜合電力系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計了船舶綜合電力系統(tǒng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控整個船舶電網(wǎng)，基于系統(tǒng)化、模塊化和智能化思想，采用綜合集成方法，將船舶動力系統(tǒng)、電力推進系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等綜合成為一個智能化系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享、能量統(tǒng)一調(diào)度和控制、各系統(tǒng)設(shè)備協(xié)同動作。


圖I環(huán)形區(qū)域配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2區(qū)域供配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3供配網(wǎng)絡(luò)的原理和裝置圖；圖4配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖；圖5監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要功能。
具體實施例方式環(huán)形區(qū)域配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖I所示。整個船舶電力系統(tǒng)的電站管理系統(tǒng)由3臺IOKW發(fā)電站機組和I臺30KW發(fā)電站機組組成，其中2臺IOKW發(fā)電機作為I號電站，I臺30KW發(fā)電機組作為2號電站，I臺IOKW發(fā)電站機組作為應(yīng)急發(fā)電機組使用，并且I號和2號電站分別能獨立向全船供電，并且能并聯(lián)使用向全船供電。當主電網(wǎng)斷電后，應(yīng)急電站發(fā)電機自啟動并在45S內(nèi)向全船供電；當主電網(wǎng)恢復(fù)供電后，應(yīng)急發(fā)電機組自動停機，保持在備車狀態(tài)。兩條電力母線從船艙的兩舷通過，連接船頭、船尾的兩組發(fā)電機組，形成一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。左右兩舷的母線穿過水密艙，并根據(jù)負載性質(zhì)和負載大小將整個配電系統(tǒng)分成n個區(qū)域，每臺發(fā)電站機組保障一個或幾個區(qū)域的負載供電。在區(qū)域的入口，環(huán)形供電網(wǎng)的母線上具有多個斷路器，在某區(qū)域出現(xiàn)故障后，可以通過這些斷路器切斷部分母線，或切除某個區(qū)域，最小范圍地隔離故障區(qū)域?？梢钥闯?，由于環(huán)形供電的特點，不同的斷路器通斷，使得供電網(wǎng)絡(luò)變化成不同的形式，構(gòu)成不同的負載回路。區(qū)域的大小通過權(quán)衡船舶建造成本的經(jīng)濟性與其生命力這兩個方面來確定。一般而言，對區(qū)域的破壞集中在某一個區(qū)域或者相鄰的兩個區(qū)域。一個配電區(qū)域不能劃分得很大，就大多數(shù)的船舶而言，將其劃分成6 — 7個區(qū)域是比較合理的，這時每個區(qū)域占整條船 長的15%左右。由于船舶水密艙的劃分是建立在船舶穩(wěn)定性基礎(chǔ)上的，實際配電區(qū)域的劃分同樣應(yīng)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(tǒng)的物理模型。其中圖2為區(qū)域供配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3表示供配網(wǎng)絡(luò)的原理和裝置圖。圖3中的兩個“A”處直接相連，構(gòu)成一環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。三個電站和一個應(yīng)急電站分布式布置，處于不同位置，同時設(shè)立三個區(qū)域配電區(qū)域，負載有交流負載和直流負載。監(jiān)控系統(tǒng)的組成船舶配電網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控整個船舶綜合電力系統(tǒng)，對其進行供電線路、負載狀況、電能使用等進行統(tǒng)一的監(jiān)控，實現(xiàn)信息共享、能量統(tǒng)一調(diào)度和控制、各系統(tǒng)設(shè)備協(xié)同動作。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。第一層是位于區(qū)域現(xiàn)場的總線節(jié)點，這些節(jié)點包括智能斷路器、電動機保護模塊、PLC等。這些總線節(jié)點連接在區(qū)域內(nèi)的CAN總線上，向區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)或上層監(jiān)控設(shè)備提供負載以及供電網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)實時參數(shù)，同時，接收上層監(jiān)控設(shè)備的信息，對負載以及供電網(wǎng)絡(luò)進行控制。第二層是區(qū)域控制站，它是由區(qū)域監(jiān)控計算機和智能測控模塊組成。區(qū)域監(jiān)控計算機位于操作室，可由工作人員進行操作，作為系統(tǒng)的主控設(shè)備。監(jiān)視、控制區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備的狀態(tài)，并作為系統(tǒng)的顯示和輸出終端，可獨立對區(qū)域現(xiàn)場進行控制。監(jiān)控計算機顯示區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、各回路的供電狀況、各種負載狀態(tài)。同時，監(jiān)控計算機通過工業(yè)以太網(wǎng)與上層中央計算機連接，隨時將在該區(qū)域采集到的信息發(fā)送給系統(tǒng)主站，并接收中央計算機的控制信息，對區(qū)域負載進行控制，實現(xiàn)區(qū)域電能調(diào)度的功能，故障恢復(fù)等功能；智能測控模塊位于區(qū)域現(xiàn)場，以DSP處理芯片作為處理核心，其作用相當于監(jiān)控計算機的備份，可獨立對區(qū)域現(xiàn)場進行控制。如果上層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或區(qū)域站與系統(tǒng)主站斷開連接，該區(qū)域會由區(qū)域控制站進行獨立控制，同時，監(jiān)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(tǒng)的可靠性。第三層是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，中央計算機和各區(qū)域站通過工業(yè)以太網(wǎng)連接。中央計算機負責接收各個區(qū)域信息，根據(jù)船舶所處工況，進行設(shè)備控制，電能調(diào)配，系統(tǒng)監(jiān)控，故障恢復(fù)等任務(wù)。中央計算機在一般情況下只會對重要設(shè)備進行監(jiān)控，一般設(shè)備由區(qū)域站進行監(jiān)控，將控制權(quán)下放到現(xiàn)場。當出現(xiàn)特殊狀況時，區(qū)域站自身無法進行解決，區(qū)域站會向中央計算機報警，由中央計算機進行全船統(tǒng)一調(diào)度，處理異常狀況。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信方式采用現(xiàn)場總線CAN與以太網(wǎng)相結(jié)合的方式。區(qū)域內(nèi)選用現(xiàn)場總線CAN，現(xiàn)場總線連接最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備；考慮到不同區(qū)域間的信息交換流量有時很大，本發(fā)明中將CAN總線與工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet在船舶監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中有機地集成在一起，將現(xiàn)場總線的實時性、抗干擾性與工業(yè)以太網(wǎng)的高速性、遠距離傳輸性
相結(jié)合。智能監(jiān)控上位軟件設(shè)計配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的上位機軟件是為實現(xiàn)實時監(jiān)測船舶電力系統(tǒng)的工作狀況、實時動態(tài)反映現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息、模擬現(xiàn)場布局、記錄歷史信息、存檔和打印輸出、故障恢復(fù)以及特 定的控制等功能而設(shè)計的。軟件在保證實現(xiàn)各項基本功能的基礎(chǔ)上，充分考慮操作方便、運行穩(wěn)定、容錯能力強，以及易理解、易維護和易擴展等特性。系統(tǒng)軟件米用集成開發(fā)環(huán)境Visual Basic 6. 0企業(yè)版開發(fā),充分利用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法及該集成開發(fā)環(huán)境的⑶I (Graphical User Interface)和ActiveX控件等功倉泛。配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的上位機軟件融合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、軟件工程、人機系統(tǒng)等技術(shù)，具有以下特點I.可以實現(xiàn)實時設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備運行數(shù)據(jù)自動記錄和統(tǒng)計分析等，減少維護人員的人為因素造成的設(shè)備故障，提高系統(tǒng)的維護和管理質(zhì)量；2.使電力系統(tǒng)具有全自動功能，減少維護人員的總數(shù)，降低維護成本；3.通過自動記錄設(shè)備的故障情況和維護人員的處理過程，便于區(qū)分職責，便于迅速定位和排除故障；4.電站系統(tǒng)與全船其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，便于做出決策一一尤其是故障情況下的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)決策，提聞全船的生命力和戰(zhàn)斗力。監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括5項功能系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)設(shè)定、以太網(wǎng)通訊、其它功能。具體功能如圖5所示。系統(tǒng)監(jiān)控包括1)設(shè)備監(jiān)視通過CAN總線獲取設(shè)備實時數(shù)據(jù)，監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)，當設(shè)備出現(xiàn)故障，進行聲光報警；2)設(shè)備控制控制設(shè)備或負載運行或停止，用于正常情況下的電力調(diào)度和故障情況下的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；3)故障診斷當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，迅速定位故障點并從電網(wǎng)上切除故障區(qū)域，在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后分析故障原因，為以后的可靠性運行提供更好的保障。數(shù)據(jù)顯示包括1)全局狀態(tài)顯示以圖形方式顯示區(qū)域負載在區(qū)域內(nèi)的布局及其工作狀態(tài)；2)實時曲線顯示顯示各設(shè)備的實時參數(shù)曲線；3)歷時數(shù)據(jù)顯示顯示和查詢各設(shè)備的歷史參數(shù)曲線；4)極值數(shù)據(jù)顯示顯示和查詢各設(shè)備的極值設(shè)定參數(shù)；5)報警數(shù)據(jù)顯示顯示和查詢各設(shè)備的報警信息；6)故障信息顯示顯示和查詢各設(shè)備的故障信息。系統(tǒng)設(shè)定包括1)極值設(shè)定設(shè)定各設(shè)備的參數(shù)極限，作為報警或保護動作的依據(jù)；2)CAN總線參數(shù)設(shè)定設(shè)定CAN總線參數(shù)，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(shè)備管理進行設(shè)備添加和刪除，進行設(shè)備總線地址、設(shè)備性質(zhì)等參數(shù)修改；4)用戶管理用戶名、密碼、權(quán)限管理。以太網(wǎng)通訊包括1)數(shù)據(jù)傳輸中央計算機與電站監(jiān)控中心之間、電站監(jiān)控中心之間、電站監(jiān)控中心與區(qū)域智能節(jié)點之間、區(qū)域智能節(jié)點相互間進行數(shù)據(jù)交換；2)數(shù)據(jù)庫升級升級中央計算機數(shù)據(jù)庫信息。其它功能包括1)系統(tǒng)日志記錄不同的用戶對系統(tǒng)的登錄、注銷、對數(shù)據(jù)庫的訪問、修改操作等動作；2)數(shù)據(jù)打印打印數(shù)據(jù)表；3)幫助軟件功能介紹。權(quán)利要求
1.一種船舶區(qū)域配電系統(tǒng)，其特征在于兩條電力母線從船艙的兩舷通過，連接船頭、船尾的兩組發(fā)電機組，形成一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；將整個配電系統(tǒng)分成n個區(qū)域，每臺發(fā)電站機組保障一個或幾個區(qū)域的負載供電，在區(qū)域的入口，環(huán)形供電網(wǎng)的母線上具有多個斷路器。
2.一種船舶區(qū)域配電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述監(jiān)控系統(tǒng)包括 第一層是位于區(qū)域現(xiàn)場的總線節(jié)點，這些節(jié)點包括智能斷路器、電動機保護模塊、PLC ;這些總線節(jié)點連接在區(qū)域內(nèi)的CAN總線上，向區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)或上層監(jiān)控設(shè)備提供負載以及供電網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)實時參數(shù)，同時，接收上層監(jiān)控設(shè)備的信息，對負載以及供電網(wǎng)絡(luò)進行控制； 第二層是區(qū)域控制站，它是由區(qū)域監(jiān)控計算機和智能測控模塊組成 區(qū)域監(jiān)控計算機位于操作室，監(jiān)視、控制區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備的狀態(tài)，并作為系統(tǒng)的顯示和輸出終端，可獨立對區(qū)域現(xiàn)場進行控制；智能測控模塊位于區(qū)域現(xiàn)場，作為監(jiān)控計算機的備份，獨立對區(qū)域現(xiàn)場進行控制；如果上層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或區(qū)域站與系統(tǒng)主站斷開連接，該區(qū)域會由區(qū)域控制站進行獨立控制，同時，監(jiān)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，中央計算機和各區(qū)域站通過工業(yè)以太網(wǎng)連接中央計算機負責接收各個區(qū)域信息，根據(jù)船舶所處工況，進行設(shè)備控制，電能調(diào)配，系統(tǒng)監(jiān)控，故障恢復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明將環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域配電技術(shù)有機的結(jié)合起來，設(shè)計了一種船舶綜合電力系統(tǒng)及其監(jiān)控系統(tǒng)。所述電力系統(tǒng)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(fā)電機組，形成一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)負載性質(zhì)和負載大小，將全船的環(huán)形電網(wǎng)分成若干區(qū)域，每臺發(fā)電站機組保障一個或幾個區(qū)域的負載供電。在區(qū)域的入口，環(huán)形供電網(wǎng)的母線上具有多個斷路器。所述監(jiān)控系統(tǒng)，包括第一層位于區(qū)域現(xiàn)場的總線節(jié)點，第二層區(qū)域控制站，第三層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，中央計算機和各區(qū)域站通過工業(yè)以太網(wǎng)連接。本發(fā)明將船舶動力系統(tǒng)、電力推進系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等綜合成為一個智能化系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享、能量統(tǒng)一調(diào)度和控制、各系統(tǒng)設(shè)備協(xié)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(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)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