大型船舶现场级电力监控网络系统优化研究

孙建红，高 捷，程 华

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

大型船舶现场级电力监控网络系统优化研究

孙建红，高 捷，程 华

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

针对大型船舶电力系统特点及复杂通讯网络传输要求，研究提出大型船舶现场级电力监控网络系统的研制理念与设计方案。结合某船试验中暴露的影响系统正常运行的技术问题，从系统和设备等角度提出了系统网络组建及设备优化改进方案，有效改善了现场级电力监控网络系统的可靠性、可用性，为提升我国大型水面船舶电力监控网络系统设计水平奠定了基础。

船舶 CAN总线 电力监控系统 通讯网络

0 引言

大型船舶电力系统正在不断向自动化、网络化、智能化方向发展的不断提高，基于现场总线的新型电力监控网络系统，即全分布式现场总线系统，是船舶电力监控网络系统发展的必然趋势[1]。随着计算机技术、网络通讯技术及信息处理技术的迅速发展及其在船舶军事领域中的广泛运用，大型船舶电力监控网络系统形成了集监视、测量、控制、运行调度及事故处理为一体的综合自动化系统，逐步发展演变成对整个电力系统进行监控管理的一体化集成系统。从而，可以减少船员低层次的操作（指繁重、简单或重复的操作），全面保障系统安全、可靠的运行，提升电力系统自动化和管理水平。

在国内某船上首次提出了大型船舶的电力监控网络系统的研制理念，并开展相关技术探索和开发工作，使得该技术成功地在实船上得以应用。然而由于首次实船应用，严重缺乏对大型电力监控网络系统通讯网络组建、相关监控设备研制的成熟工程实践经验，在试验中暴露了较多影响系统正常运行的技术问题。因而，在此研制及应用基础上，有必要进一步结合工程实践对监控网络系统进行优化研究，进而深入对大型监控网络组建及各级监控设备研制的技术掌控，为后续大型船舶电力监控网络系统研制提供技术支撑。

1 大型电力监控网络系统研制难点分析

电力监控网络系统是实施电力系统主干网络运行、监控、管理等各项应用需求的主要载体，须按照标准性、可靠性、可用性、安全性、扩展性、先进性等基本原则进行研制。其分布式体系结构为实现各节点之间实时、可靠的数据通讯提供了强有力的技术支持，对电力监控系统的拓扑结构、设计方法、安装调试方法等方面产生了较深远的影响。结合我国船舶电力系统的发展情况，在大型船舶上实施电力监控系统方案，其第一步重点要解决和实现对电力系统运行的可视化集中监测和故障自动检测、定位、报警，提供故障恢复建议的功能。在此基础上，分阶段地逐步向电力系统自动化的方向发展。其研制难度如下：

1.1 监测对象多

电力监控系统的监测对象分布点多、面广、分散，主要包含全船电站系统、交流配电网络、直流配电网络、照明配电网络以及主要电气设备地理及运行状态等实时参数的集中监测和管理；并对在线数据、电网数据、用户数据进行信息集成，事故状态报警、定位，多达约25000点测点。因此，不仅对于系统组织信息会带来较大的困难，对现场级通讯网络的实时性要求较高。

1.2 通讯系统复杂

由于涉及电力监控系统的现场监控设备种类和数量众多，从而增大了通讯网络组建的复杂性。从目前成熟的通讯手段看，没有一种单独的方式能够满足要求，往往综合采用多种通讯方式，并且多层集结的方式，以减少通道数量并充分发挥实时通讯的能力。此外，在现场级电力监控系统内，各种类型现场监控设备的通讯规约尚未统一，使其通讯更加复杂。

1.3 缺乏相关的规范化标准

针对现场级电力监控网络系统的子站、现场监控设备、通讯方式、通讯规约等，国内现阶段均无统一的功能配置和技术指标要求。由于缺乏成体系的系统技术构架标准、技术指标、验收检验规范，导致系统网络组建质量和效能难以保证。

1.4 现场监控设备工作环境恶劣、可靠性要求高

大部分现场监控设备，如信息采集装置、电量附件、监控单元等均布置监控台或配电板设备内部，通常要能够承受更高的环境温度。同时，配电板内存在大电流、大功率变压器等电磁环境干扰以及散热等问题，均对现场监控设备提出更高可靠性和抗干扰性要求。因而，现场监控设备是电力监控系统的关键网络设备，其可靠性至关重要。

2 电力监控网络系统总体研制情况

在国内某船舶电力监控系统研制中，首次探索并应用了大型化、网络化的全分布式现场总线体系结构，基本实现了第一步——全系统信息可视化的发展规划。即：可实现对全船电站监控外，并应用分布式监控网络系统技术——扩展到对全船的交流配电网络、直流配电网络、照明网络、主要电气设备的地理及运行状态进行自动采集、存储、集中显示，并对故障进行报警、定位和记录。该系统上船应用，极大地简化了电力系统运行和管理的工作量，有力地促进了电力自动化技术在我国船舶上的应用和发展[2]。

2.1 电力监控网络系统总体网络构架

该大型电力监控系统网络拓扑为两层结构设计。上层网络采用冗余的高速交换式工业以太网，网络拓扑采用环形方式。下层网络采用现场级双冗余CAN 现场总线网，按系统或按区域分成若干个相对独立的子网。两层网络之间由智能网关连接。现场监控设备采集的实时数据通过下层网定时传送给网关，网关对数据进行处理后通过上层网为工作站和数据库提供服务[3-4]。电力监控网络系统网络拓扑结构框图如下图1所示。

2.2 现场级电力监控网络系统结构组建

由于整个电力监控系统涉及的设备数量多、范围广，如果所有的数据量都直接发送到电力监控系统主站，将容易造成信息拥挤和瓶颈现象，而且发生故障时难以及时处理和控制，因此宜采用分层、分布式的通讯网络。现场级电力监控网络则为数据采集和实时监测的传输通道，根据需要按区域分成若干个相对独立的区域子网，现场监控设备就近接入网内[5]。

全分布式的现场级电力监控网络系统，即为分布式现场总线系统。其主要由三部分组成：现场监控设备、子站（即：区域网关或区域监控装置）和通讯网络，其结构如图2所示，用以实现对区域电力系统实时数据的自动采集、处理、存储、显示、故障定位和报警。

图1 电力监控系统网络拓扑结构框图

图2 电力监控系统分层控制划分结构框图

其中，现场监控设备主要完成其现场级设备内各种参数的采集；子站是监控系统的中间层，主要实现所管辖区域的现场监控设备的信息集中处理、故障检测等功能；通讯网络为信息和数据传输的介质。而上层监控网主站则是整个电力监控系统的监控和管理的最高层，负责全船电力系统运行状况的监视和控制[6]。

3 现场级电力监控网络系统优化研究

结合实船试验中暴露的各类技术问题，从系统和设备等主要角度，提出现场级电力监控系统网络设计、现场监控设备和现场施工等三个主要方面提出改进方案，从而提高系统的可靠性和可用度。

3.1 系统级优化

3.1.1 网络故障定位困难

现场级电力监控网络系统采用CAN总线结构，由一对屏蔽双绞线组成，分为高电平和低电平。为保障系统网络的可靠性，采用主备双冗余热备的形式，即有两条独立、并行的总线，通过逐段连接的方式将各个现场监控设备串联起来。为有效解决因电缆接线不正确、电缆断裂、电缆破损接地而引起CAN网络通讯故障，从而系统隔离故障节点不影响其他节点的正常运行，使得故障恢复过程快速。

1）双冗余CAN网络电缆采用不同的电缆编号。

2）选用能够较容易区分主用芯线对和备用芯线对的电缆作为CAN网络的通讯电缆，如两对芯线采用不同的颜色等。

3）不同现场监控设备的接线方式和通讯协议，采用统一的端子定义、命名规则和协议格式。3.1.2网络线路太长和节点设备过多

网络长度、网络上通讯设备的节点数以及网络传输速率均对网络通讯有很大的影响。传输速率和最大传输距离之间的关系如表1所示。

表1 CAN网络传输速率与传输距离的关系

由于CAN网络是分段连接的，并且实船电磁环境比较复杂，因此实船上的最大传输距离达不到理论最大传输距离。在满足监控功能实现基础上，可以适度调整网络数据的传输速率、各通讯信道的采集频率等方案，以解决配电监测网络无法正常通讯的问题。此外，为增强系统的可靠性和可用度，可适度减少网络电缆长度或者增加监控子网络组建数量[7]。

1）优化区域子网的电缆连接关系，使得网络总长度最小。

2）控制网段节点数量不超过32个节点，否则影响通讯信号质量。

3）设置网络中继器或者网桥的方式，提高网络的传输距离。

4）增加上层网关数量，减少区域现场级子网络的节点数和网络长度。

3.1.3 报警和消警方式不当

由于报警信息实时性要求较高，而现场监控设备存在一定的延时（小于2 s），其一般采用主动发送报警报文方式。但由于网络通讯条件恶劣时，报警报文可能丢失，其单纯依靠监测设备主动发送报警报文实现故障报警是不完善的，因而可考虑增加监测状态报文方式作为故障报警的备用方式。

对于故障消警，没有较高的实时性要求，且对于不到2 s的消警延时是完全可以接受的。因此，消警完全可以通过监测报文来实现，而不必采用监测设备主动发送消警报文的方式。这样既可保障消警的可靠性，也减少了网络上通讯的数据量，从而对网络系统的可靠运行也有帮助。3.1.4网络终端电阻设置不当

在CAN通讯网络两端设置120 Ω终端电阻是CAN网络正常通讯的基本要求，终端电阻缺失会直接导致通讯失败；或者网络中间设备电阻并入通讯网络，也将会降低网络通讯性能。为有效解决系统网络终端电阻设置的问题，在现场监控设备上采取跳线的方式设置终端电阻。当设备处于网络终端时，使120 Ω的终端电阻处于有效状态；当设备处于网络中间时，使120 Ω的终端电阻处于无效状态。

3.2 现场监控设备级优化[8-10]

3.2.1 设备抗干扰、可靠性方面设计不够

由于现场级电力监控网络的节点比较分散，船舶现场电气噪声大，特别当多个节点设备连接会出现干扰累加，如果未得到有效处理，很可能导致总线通讯瘫痪或设备死机甚至烧坏。目前，现场监控设备的软、硬件采用开放式环境，支持多种硬件平台，然而在滤波及容错性等抗干扰性方面充分考虑得不够。在实船恶劣环境下，现场监控设备常出现通讯质量不高，甚至出现误报警、漏报警现象。

因而在设备级优化设计中，须重点考虑网络系统的关键设备应冗余配置，单点故障不应引起系统功能丧失和数据丢失，以保证数据安全。如优化通讯方式、通讯协议增设防过流、过压、极性接反等保护手段，均可提高设备在恶劣电磁环境下的抗干扰能力。

3.2.2 设备可调试、可维性方面不够

现场监控设备常出现网络节点通讯故障、ID设置重复、软件不稳定等现象，然而在实船上其故障诊断与排除困难、排查工作量大，效率低。因而在设备研制中，其硬、软件和数据信息应便于维护，具备完整的故障检测、定位和诊断功能。

在可调试性方面，可增设大容量的存储芯片，作为本地报警历史记录，便于调试中查找原因提供数据；设置故障监测程序，快速定位故障，提高各接口调试效率；同时须考虑实船环境的复杂性和网络距离预计不足，采用拨码形式可动态设置波特率或地址编码。在可维修性方面，可设置故障编码对采集过程的故障进行存储、在线扩充系统软件功能等措施。

3.3 施工角度提高系统可靠性

现场级网络电缆应采用带屏蔽的通讯电缆，屏蔽层可靠接地，且避免通讯电缆与电力电缆敷设在一起，以降低噪声和其他电力电缆对网络的干扰。总线网络接地点设置一点，以防止接地点之间的电位差产生电流而干扰总线。另外，主用与备用总线电缆要分开从不同路径敷设，以防止电缆因故同时损坏。

4 结论

针对大型船舶电力系统特点及复杂通讯网络传输要求，本文研究提出大型船舶现场级电力监控网络系统的研制理念与设计方案。同时结合复杂而恶劣的大型船舶环境，从系统设计、设备和现场施工等三个方面，提出了大型现场级电力监控网络系统优化方法，并定性和定量地论证了其方法的有效性。从而，有效改进了现场级电力监控网络系统的可靠性、可用性，为形成较为完善的大型船舶电力监控网络系统提供技术积累和奠定实践经验。

[1] 孟祥忠, 王博主编. 电力系统自动化[M]. 北京∶ 中国林业出版社, 北京大学出版社. 2006, (8)∶ 19-42.

[2] 孙建红, 高捷. 船舶配电监测系统设计研究[J]. 中国船舶研究, 2010, (2)∶ 69-73.

[3] 莫仕勋, 杨柳林, 蔡义明. 电力系统分层分布式监控通讯模式的研究[J]. 信息技术, 2006,(10)∶161-163.

[4] 陈维刚, 费敏锐, 边宁宁. 一种工业以太网与现场总线协议转换器的研制[J]. 仪器仪表学报, 2005, (5)∶ 497-501.

[5] 张艳霞, 姜惠兰编著. 电力系统保护与控制[M]. 北京∶ 清华大学出版社. 2005, (9)∶ 5-8.

[6] 孙建红, 高捷. 船舶配电监测信息采集装置研制[J].船电技术, 2009, (9)∶ 36-39.

[7] 陈在平, 岳有军编著. 工业控制网络与现场总线技术[M]. 北京∶ 机械工业出版社, 2006, (2)∶ 49-81.

[8] 刘德辉, 廖高华, 朱杰斌. 低压配电实时监测系统的设计[J]. 配网自动化, 2007, (5)∶ 44-47.

[9] 梁玲飞, 金燕贾, 立新何等. 新型配电自动化监测控制器的设计[J]. 电子技术, 2007, (7)∶ 14-16.

[10] 孙建红. 基于DSP的电量参数采集和处理系统研究[J]. 船电技术, 2012, (1)∶ 39-41.

Optimization of on-site Electrical Power Monitoring and Controlling Network System in a Large-scale Ships

Sun Jianhong, Gao Jie, Cheng Hua
（China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China）

In view of the characteristics of electrical power system and the demand for complex communication network and transmission in a large-scale ship, this paper puts forward the conception and the design of the on-site electric power monitoring and controlling network system. With trials of the ship, the revealed questions which affect the normal operation of system, from the point of the system and the equipments, we research improved methods which network established and equipment optimized, to improve the reliability and usability of the field electric power monitoring and controlling network system. It lay a foundation to step up the design level of the electric power monitoring and controlling network system in large-scale ships.

ships; CAN field bus; power monitoring and controlling system; communication network

TM764

A

1003-4862（2015）08-0009-05

2015-04-28

孙建红（1976-），女，高级工程师。研究方向：船舶电气。