船舶电力系统模拟训练系统的设计与实现

金炳哲，龚喜文

(1.葫芦岛市91202部队，辽宁 辽中 125000；2.上海船舶运输科学研究所，上海 200135)



船舶电力系统模拟训练系统的设计与实现

金炳哲，龚喜文

(1.葫芦岛市91202部队，辽宁 辽中 125000；2.上海船舶运输科学研究所，上海 200135)

为提高轮机员处理船舶电力系统故障的能力及相关训练的效果,设计船舶电力系统模拟训练系统。该模拟训练系统采用半物理仿真的方式实现多船型船舶电力系统的模拟训练和考核。通过对该模拟训练系统的体系架构、设计及实现方法、模拟训练方法及考核方法进行简要介绍，指出该系统可使轮机员身临其境地进行常见跨线形式船舶电力系统的训练，并能提高训练效率。

船舶电力系统；模拟训练系统；切换；跨线形式

0　引　言

目前对轮机员的训练主要采用陆上轮机模拟器训练和海上航行训练两种方式。这两种方式各有优势，均在培养轮机人员的过程中发挥了较大作用，但都不利于培训。

1)陆上轮机模拟器训练具有培训效率高、费用少、安全性高的优点，但存在以下缺点：

(1)教学环境固定单一，训练与工作分离，训练效率受到限制；

(2)训练模拟器的功能与实际舰船相比存在一定差距，训练效果不明显。

2)海上航行训练具备全真的环境，轮机员在事先设定好的环境中工作和学习能取得良好的训练效果，但也存在以下缺点：

(1)海上航行训练仅能进行少量非严重故障处理训练，轮机员没有积累处理突发严重故障的经验；

(2)无法对训练操作进行系统、专业的评价，训练效果不够理想；

(3)航行训练需事先进行多方协调和长时间周密安排，周期长、耗资巨、风险大，缺乏便捷性，效率较低。

基于以上不足,提出基于多船型的船舶电力系统模拟训练系统(以下简称模拟训练系统)。该系统能综合模拟所有可能的航行情况和故障情况，且训练是在实际装备上进行的，不论是在海上航行期间还是在港内停泊期间，也不论实际机电设备是否运转，都能进行轮机员训练。该模拟训练系统不仅可以让轮机员熟悉各种机电设备的情况、学习基本操作步骤、处理模拟运行故障及积累操作经验，最主要的是能通过简单的切换涵盖目前大部分形式的船舶电力系统。因此，设计与实现模拟训练系统对提高轮机员训练的效率和效果具有重要意义。

1　模拟训练系统设计

船舶电力系统是一套复杂的系统,包括柴油发电机、变频器、配电屏和电站监控系统等。这里通过对实际船舶电力系统进行分析,设计半物理仿真的模拟训练系统。

1.1设计目标和原则

通过对船舶电力系统的运行机理进行数学和物理建模，并综合数值计算、实时仿真与控制、大型数据库管理、网络通信、I/O 接口控制及图形监控等技术，设计一套集学员培训考核和系统仿真与控制于一体的训练平台。该平台可实现多种类型船舶电力系统的训练、教学和培训，设计的主要原则如下:

(1)在各类型船舶间转换模拟训练的操作简便；

(2)采用半实物物理模型与数学模型相结合的混合仿真方式实现模拟训练；

(3)采用模块化设计，具有可扩展性。

结合计算机技术和控制技术的发展趋势开展多船型电站综合控制及配套智能管理软件的技术研究，可在线选择训练方案、调用不同功能模块和控制策略，实现多船型电力系统不同工况下的动态模拟运行。

1.2模拟训练系统总体架构

模拟训练系统总体架构见图1,包含柴油发电机模拟装置、模拟负载装置、模拟配电屏装置及模拟电站监控装置等一整套船舶电力系统设备。其中：柴油发电机模拟装置模拟同步发电机、原动机及相关附属设备；模拟负载装置模拟船舶电力系统的负载；模拟配电屏装置模拟船舶电力系统的配电屏；模拟电站监控装置采用实际的发电机组控制器和跨接控制器等。上层的电力系统综合管理台也采用实际的监控设备。

图1　船舶电力系统模拟训练系统总体架构

模拟训练系统以最多配置6台发电机组的船舶电力系统为研究对象并采用两层网络。

1)上层网络为双冗余以太网,将电力系统综合管理台之间互联,电力集控管理台上安装有电站监控软件、切换软件和考核系统软件。

2)下层网采用可靠性高、实时性好的双冗余CAN现场总线，通信标准为CAN2.0B，通信速率为100 Byte/s，传输介质采用双绞线。每台发电机配置一台机组控制器,机组控制器之间通过CAN网络通信并具备电站系统的控制功能。

3)上下层网络之间通过电力系统综合管理台上的装有CAN卡的服务器相连接,实现实时数据的解析和通信协议的转换。

机组控制器和跨接控制器采集发电机的模拟电量信号及报警信号等其他开关量信号,通过服务器把CAN网络信息转换成以太网信息,送到电力系统综合管理台上显示。电力系统综合管理台的控制信号也可通过以太网转换成CAN网络信息并传输到控制器中。模拟训练系统的网络拓扑结构保证了数据的实时性和可靠性。

模拟训练系统为每台模拟发电机配置一台机组控制器,并配置有2个跨接控制器控制4个跨接开关的合分。电力系统综合管理台具有电站的启停合分等基本控制功能及考核功能,接收并显示控制器上传来的模拟量和报警信号。

2　船型切换及控制功能

模拟训练系统的特点是可方便地进行船型切换及切换各个船型的不同控制功能。通过配置安装在配电屏上的机组控制器和跨接控制器,在接到切换协议指令后切换成不同的程序和参数配置,实现单电站、单跨线前后电站和双跨线前后电站等不同的组态形式及不同组态形式条件下机组控制器和跨接控制器不同的控制功能。下面举例说明船型切换的实现流程和效果。

训练人员在电力系统监控管理台上将船型从当前船型切换为目标训练船型时,只需双击目标船型图标,这样电力系统监控管理台中安装的监控软件即从当前船型切换成目标船型,并通过服务器把新的船型信息传输到各个机组的机组控制器和跨接控制器；控制器接收到新的船型信息后自动将自身的程序和配置切换为目标船型的程序和配置,完成切换。

图2～图4为电力系统综合管理台模拟屏显示的不同电站的切换效果。其中：图2为单电站形式的模拟屏上显示的单线原理图,由于此时该船型只有单电站运作,因此没有跨接,机组一和机组二控制器参与控制,跨接控制器不参与控制，图中显示有通过控制器采集并送到电力系统综合管理台的电压、电流、频率、功率及合闸反馈、隔离反馈等信号；

图2　单电站形式模拟屏单线原理图

图3为切换到单跨线形式船型时的单线原理图,此时4个机组控制器均参与控制,1QT和2QT跨接开关由跨接控制器1控制,跨接控制器2不参与控制(即默认断开3QT和4QT),由此组成电站监控系统；

图4为切换到双跨线形式船型时的单线原理图,1QT和3QT跨接开关由跨接控制器1控制, 2QT和4QT跨接开关由跨接控制器2控制,由此组成电站监控系统。

图3　单跨线形式模拟屏单线原理图

图4　双跨线形式模拟屏单线原理图

切换成不同跨线形式的目标船型后,模拟训练系统电站监控管理台及控制器的软件和配置都会切换成新的目标船型配置,具有各自的控制功能。轮机员根据该船的特点进行启停合分等训练操作。

3　模拟训练方法

模拟训练系统基本涵盖现有船舶电力系统的所有跨线形式,包括单电站形式、单跨线形式和双跨形式等。在电站综合训练管理台上进行切换操作时,电力监控系统程序(包括电力监控管理台的电站监控管理软件和机组控制器跨接控制器中的控制程序)全部切换为需要训练的船型,轮机员根据船舶电力系统的使用说明进行操作。

模拟训练系统一般具有以下功能:(1)控制部位及方式选择；(2) 机组的半自动起动、停机、合闸、分闸、调频和调压；(3)机组的自动投网、调频、调载、解列和停机；(4) 加减负载；(5)功率增机、减机；(6)故障增机、减机。

下面以自动模式下的故障增机功能为例介绍轮机员利用模拟训练系统训练的方法。

将模拟训练系统切换成某一船型后,在电力监控管理台上通过半自动控制方式启动2台机组,合闸并通过模拟负载屏加上60%的负载,使2台机组在网稳定运行；随后切换到自动控制方式,此时通过输入滑油压力低故障(一般故障)观察机组的运行情况。当机组发生一般故障时，启动备用机组并自动投网运行；并网成功后，故障机组逐渐自动转移负荷，自动解列和停机。当机组发生严重故障时,故障机组立即解列并停机,同时启动备用机组,投网及进行调频、调载。图5为一般故障输入及处理模拟训练操作流程图。

通过学习模拟训练系统的基本操作流程,可使轮机员熟悉船舶电力系统的设备组成、体系架构和运行方式等；同时通过设置故障,可使轮机员学习排除故障的方法,进而提高排除故障的能力。

4　模拟训练效果评估

为考察轮机员对训练内容的掌握情况,模拟训练系统还设计有一套检验训练效果的评估和考核系统。轮机员在学习、熟悉该系统并具备一定的船舶电力系统操作能力后,通过电力监控综合管理台进入评估考核系统,进行启动、停机及加减负载等具体操作,评估考核系统通过监测反馈对轮机员的每一项操作进行评估和打分,经过一系列的操作对训练内容给出总的评估分数。图6为加负载模拟训练考核方法及策略图，以考核轮机员加减负载为例说明系统如何评估轮机员对训练内容的掌握情况。

图5　一般故障输入及处理模拟训练操作流程图

图6　加负载模拟训练考核方法及策略图

5　结　语

设计并实现了涵盖目前大部分船舶电力系统的船舶电力系统模拟训练系统,重点讨论了该系统的系统架构、控制功能、切换功能及训练和考核方法。通过该系统，轮机员可身临其境地进行常见跨线形式电力系统。运用该模拟训练系统进行训练是一种全新的模拟训练方法,且附有一套行之有效的考核方法,能提高船舶电力系统的训练效率。

[1]龚喜文，郑元璋，石林龙.船舶PMS控制器设计及关键技术研究[J].上海船舶运输科学研究所学报,2010,33(2):83-87.

[2]刘伟,陈鸣妤,林春平.船舶轴带发电机电站监控系统设计[J].上海船舶运输科学研究所学报,2014,37(2):37-42.

[3]姜锦范．船舶电站及自动化 [M]．大连：大连海事大学出版社，2005.

[4]管小铭.船舶电力系统及自动化[M]. 大连：大连海事大学出版社，1999.

[5]王焕文.舰船电力系统及自动装置[M]. 北京：科学出版社，2004.

Design and Implementation of Training Simulator for the Ship Power System

JIN Bingzhe,GONG Xiwen

(1.HuludaoCity912022Troop,LiaozhongLiaoning125000,China； 2.StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology，ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute，Shanghai200135，China)

Marine engineers need to familiar with the operation of the ship power system. The simulator is developed to improve the training in the capability to handle faults in the ship power system. The Simulator based on the semi-physical simulation is designed both for training and operation assessment.The system structure, the design and implementation, training approach and assessment method are introduced.

ship power system； simulation training system； switch； jump-over connection

2015-10-13

金炳哲(1973—)，男，辽宁辽中人，工程师，从事装备管理与维修工作。

1674-5949(2016)01-049-05

U665.1;TM743

A