综合电力智能化能量管理系统网络体系构架研究

黄友桥，王黎明

（1.海军驻701所军事代表室，武汉 430064；2.海军工程大学，武汉 430033）

0 引言

近几年来，随着国防建设及我海军发展的需要，以综合电力系统为标志的新一代大型海上动力平台正逐步纳入我海军装备建设规划中。综合电力系统[1]将舰船发电、供电、推进和舰载设备用电集成在一个统一的系统内，从而实现发电、配电与电力推进用电及其他设备用电统一调度和集中控制。因此，采用综合电力系统的大中型舰船对电力系统的监控和管理提出了更高更复杂的要求，即必须对全电网进行实时动态监测，并在此基础上采取相应的最优控制策略及措施，实现电力系统可靠稳定运行与高质量供电。智能化能量管理系统[2]就是建立多级计算机网络，对舰船电站、配电系统、负载特别是电力推进系统等大功率负载进行综合计算分析，对电力系统的电网运行状况、安全情况、电能质量情况的监测、保护和管理，可实现能量的智能化调配，以保证能量供应的连续性、稳定性和经济性，提高舰船的生命力、续航力和战斗力。

1 智能化能量管理系统的功能及配置需求

1.1 智能化能量管理系统的功能

智能化能量管理系统作为舰船电力自动化的技术核心，涵盖了供电系统、推进系统、武备系统在内的舰上各种用电负载，通过对各个分系统进行综合管理，协调系统之间的关系，确保舰船的生命力、机动性和战斗力。其能够实现发电自动化、系统监测报警、输配电监控保护及用电设备监控管理；能够根据舰船的运行工况有效并且迅速地调度电能，可对全舰的电能和各种负载的用电情况进行有效的管理；能够向推进负载、日用负载和武备系统等提供稳定、优质的电能。由于采用了先进的计算机和信息技术，其呈现出如下特点：

1)系统网络化

系统网络基本上分为上下两层。下层为监控网，采用现场总线，传输介质为双绞线；上层为信息传输网，采用高速工业以太网，传输介质采用光纤或双绞线，这样使得系统的可靠性及快速性均得到了保证。

2)系统功能模块化

系统模块化包含二个含义：一是系统由符合标准化、通用化、模块化的产品组合而成；二是舰船机舱的动力设备也有模块化的设备组合而成，并已包含其自身的监控设备。

3)系统管理功能智能化

系统以各功能模块为基础，集计算机技术、智能控制技术、网络通信技术、信息处理决策及传感器执行技术为一体，具有实时性、自动化、最优化等智能化特点。

1.2 智能化能量管理系统的模块化组成

智能化能量管理系统是一个集控制、监测、保护和管理与一体的综合性系统。根据我国能量管理系统标准方案，舰船能量管理系统可由以下六大模块组成，如图1所示。

2 能量管理系统硬件体系构架设计

能量管理系统硬件主要包括数据采集与执行子系统和计算机网络硬件。一般分为底层网络构架和顶层网络构架两层。

2.1 底层网络构架设计

底层网络由集中监控单元、智能网桥、智能节点、智能网关、现场总线网络及其他异构网络组成，如图2所示。采用CAN总线的多主从的工作方式，从网络上任意一个节点均可在任意时刻向网络上的其他节点发送数据信心，而不分主从。见图2所示。

CAN现场总线作为基本的通信网络，不仅有数据采集的上行数据，同时有控制指令的下行数据，对实时性要求高。所谓实时性就是要保证系统的行为满足一定的时限要求，对于通信网络主要是解决由于数据传输带来的延时问题，需要采用合适的调度算法解决“何时”执行和“何地”执行，以满足消息传输的时间约束。

2.2 顶层以太网构架设计

采用 OPNET Technology公司的仿真软件OPNET对监控系统上层以太网进行仿真，可分析监控网络的拓扑结构，网络构成，网络协议；能对基于网络的数据流特点和网络应用功能分析，总结数据产生、传输的基本过程和统计特性；基于 OPNET软件可对网络节点和网络数据流完成建模；可对网络的链路负载、传输时延进行统计；分析影响网络的链路负载、传输时延的原因，提出优化措施。

3 能量管理系统软件体系结构设计

能量管理系统包含供配电管理、负载管理、系统分析、安全管理、电力与舰载模拟训练，信息网络管理六大功能模块，所涉及的是一个由不同硬件、不同操作系统、不同支撑环境和不同厂家的产品组成的异构系统，要使其协调工作，必须从软件体系与软件接口技术方面对其进行研究。因此，从顶层对软件体系进行规划，进一步提高系统信息开放性。能量管理系统的软件体系结构设计应遵循分层组件式、模块式设计原则。根据软件功能进行标准化设计，确定软件标准化组件及模块，时限模块内部高内聚，模块间的松耦合，提高可靠性、维护性和重用性。

3.1 软件层次结构设计

采用层次组件化结构，分为三层：基础平台层、软总线层和应用层。基础平台层是整个软件系统的支撑，包括操作系统、文件系统和数据库等，其主要功能包括：通过外部环境接口，利用数据采集和处理组件从现场设备采集数据，按公用信息模型（CIM）格式存储至数据库，或向现场设备发送指令；与软总线层进行数据交互。软总线层是CIS(组件接口规范)接口的实现层，从基础平台层读取数据，按一定的组件粒度，实现能量关系应用组件和公共应用组件，供应用层调用。应用层指各功能模块根据需求，调用软总线层组件，实现能量管理平台的具体功能，见图3所示。

3.2 软件功能流程设计

由于系统功能复杂，模块间相互联系紧密，因此，软件整体流程应进行优化设计，主要分为以下部分：1）软件初始化。能对系统设备状态、网络通讯、数据库连接等进行检测、测试，若出现错误可报警，选择退出。2）权限管理。初始化完成后，显示系统Logo，并进入登录权限认证菜单，根据全新不同，进入相应功能模块的主界面进行操作。3）数据采集与处理。利用状态估计和潮流分系统计算组件，对缓存空间的量测数据进行处理，剔除不良数据，将数据存入分配好的运算数据缓存空间。4）主程序界面。提供各功能模块的入口，调用各组件接口进行后台运算后生成相应的人机图形界面。5）功能模块应用组件。利用模块间和模块内的信息交互完成相应的应用功能。6）功能模块人机图形显示界面。结合图形界面组态，显示相应的调用结果。

4 结束语

本文以综合电力系统为动力平台，提出了智能化能量管理系统的功能及配置需求，开展了智能化能量管理系统的模块化组成方案、硬件网络体系构架和软件体系构架方案设计初步研究，从理论上可以实现对综合电力系统的有效控制、监测和管理，对开展工程应用具有参考意义。

[1]马伟明. 舰船动力发展的方向－综合电力系统. 海军工程大学学报，2002，14（6）：1-5.

[2]夏立，王黎明，徐袭. 舰船能量管理系统相关技术探讨. 国防科技前沿论坛论文集，国防工业出版社,2009.