客滚船智能配电系统设计与应用

朱 兵，蒋晓亮，刘红平，张淇鑫

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

0 引言

船舶电力系统覆盖了“源-网-荷”3个层级，分别对应“电源装置”“配电系统”“用电负荷”。船舶配电系统由配电板、配电分电箱、启动器、变压器、配电线路和相应的控制保护设备组成[1]，对船舶的电能输送和管理发挥着承上启下的作用，关系着船舶运营的安全及能源利用的效率。与陆上的配电系统相比，船舶配电系统具有船舶电站容量有限、船舶工况多样、船上工作环境恶劣等特点。

随着船舶智能化和自主化技术的日益发展，人们对船舶电力系统供电连续性和可靠性的要求也越来越高。配电系统作为船舶的重要配套设备，其信息化和智能化水平的提高能够提升电网供电质量和容错性，提高电力系统的可靠性和稳定性，降低船舶的能耗。但目前船舶配电系统本身的智能化程度并不高，突出反映在信息化程度低、状态监测和管控能力弱等问题上，电力系统出现故障后难以快速寻找故障源，造成电力系统恢复缓慢，影响船舶运营安全和效率。

由于需要满足安全返港的要求，客滚船一般采用多机双桨的主推进系统，机舱及重要辅助设备需采用冗余设计。无论从用电设备的数量，还是从电力系统的复杂性来讲，都远远超过常规船型。因此，智能配电系统在客滚船上的应用更加复杂，技术难度更高。本文在分析智能配电系统的功能和架构的基础上，对“中华复兴”号客滚船智能配电系统进行设计，以达到提高船舶电力系统运行稳定性、可靠性和高效性目的。

1 智能配电系统设计

1.1 系统功能

智能配电系统采用分层管理机制，即系统管理层与设备控制层2个层级。

系统管理层根据电力系统“源-荷”平衡的基本原则，从“源-网-荷”动态平衡出发，以实现能量从“源”到“荷”的优化配置与动态平衡以及减轻负荷波动对电源系统的冲击与扰动为目标，对各类电源的出力特性以及各类用电设备在不同工况下的负荷特性进行分析。据此提供不同工况下与不同运营模式下用电设备的优化运行方案，完成对用电设备负荷的主动控制，实现对电源出力的主动调度功能，最终实现配电系统的全设备能量优化管理[2]。

设备控制层则通过构建电量与非电量参数获取的智能量测系统，实现对电源、电路、负荷相关数据信息的分布式采集；形成智能配电系统的信息流，为智能配电系统中的能量流向、电路绝缘状态、电能质量监测、发电功率预测、负荷波动预测提供信息支撑；完成智能配电系统信息流对电能的监测与控制，实现对用电设备的综合节能、能量优化调度等功能。

1.2 系统架构

按照上述功能的需要，智能配电系统的架构分为配电网络和信息网络两个网络，其系统图见图1。配电网络(图中实线表示)为常规的电网，负责为船舶用电负载设备供电。信息网络(图中虚线表示)采用网络分层架构技术：下层采用CAN现场总线协议的现场网络，采用分布式冗余设计，满足控制系统实时性、可靠性的要求[3]，实时采集和控制用电设备信息；上层是信息管理网络，满足开放性和共享性的要求，根据不同权限的设置实现设备的监测、控制和管理等功能。

图1 智能配电系统示意图

为了实时将发电机组、配电板、分电箱直至用电负载的电气信号采集到信息网络，需要在上述系统架构中设置特定功能的智能管控模块。这些模块运用快速的DSP微处理器与电力电子技术，专门针对配电系统智能化需要开发的电子器件[4]。具体的模块功能说明见表1。

表1 配电系统智能管控模块说明表

2 实船应用

2.1 确定管控对象

根据智能配电系统的功能要求，需要将尽可能多的用电设备涵盖进来，以提高信息监测域度和管控能力。客滚船的用电设备配置相比于常规船型设备数量更多、分布区域更广。这些设备不仅仅集中在前、后机舱，还包括艏部的前辅助设备间、上建的空调机间及艉部的后辅助设备间等处所，而单组现场总线受通讯距离的限制，因此在上述各个处所设置网关用于连接就近现场总线，再通过上层网络接入智能配电系统。

系统仅进行监测的设备为各电力分电箱等，监测其功率、电压、电流、频率等运行参数；而同时进行监测和控制的设备包括供油单元、分油机、空压机等机舱设备及机舱的油水泵、机舱风机等。为了满足旅客和车辆的特殊要求，其空调系统、车辆舱的通风系统等也属于客滚船的重要系统，占用了大量的能量消耗，因此将以上系统也纳入监控范围。智能配电系统监控对象见表2。其中：油水泵、风机的IMCC智能模块安装在各自启动器内；其他自带控制箱的模块化设备，如分油机、供油单元、空调等采用通讯接口与系统相连，并在分油机、供油单元的控制箱上进行单独改造，增加IU模块用于采集电气信号。另外，根据中国船级社(CCS)对于客滚船风机控制的要求，本船的风机控制和监测采用了独立的环路网络，且风机启动器内的智能模块为冗余设计，保证了任何一处发生故障，其余风机仍能进行正常监控。

表2 智能配电系统管控对象列表

通过对全船主要用电设备的监测，可以获得全船电能的分布情况。大负载设备在上位机能够进行远程启/停控制，既减少了船员的工作量，又可以利用上位机的数据分析能力合理分配全船电能。

2.2 能耗控制与管理

通常机舱辅助电气设备的参数都是在满足给定的极端环境工况和主推进系统最大负荷运行的情况下确定的。而船舶实际营运过程中，并不会长时间在极端环境工况下全负荷运行，主机的常用负荷一般为50%～75%，环境温度和海水温度通常也都明显小于设定的极端工况。若推进辅助设备始终在最大负荷下运行，会产生大量不必要的能源消耗，尤其是双机舱的客滚船，由于辅助设备的数量大大增加，使得这一矛盾变得尤其突出。实船采用变频控制的方式可以有效缓解电能利用不经济的情况。确定变频控制对象后，选择与环境工况和主、辅机工况最紧密相关的、功率较大且节能效果明显的负载，最终确定为4台机舱风机、6台低温冷却淡水泵、6台主海水冷却泵。

通常的变频控制系统，仅依赖参数对自身系统进行单独调节。为了更好地实现节能减耗的目的，“中华复兴”号客滚船对不同工况下的外部环境状态、机舱环境状态、主机运行状态、辅助设备运行状态等特定输入信息进行采集，作为所有系统控制的统一输入参数。各个系统除了调整自身运行状态外，还结合其他系统的运行状态同步协调进一步优化，使各个系统相互协调和配合，实现总体能源的最优运行。能耗影响因素逻辑关系见图2。

图2 能耗影响因素逻辑关系

例如：本船的机舱通风系统随着船舶航行工况和设备运行的变化，其机舱的温度也会分时间、分区域变化。这一变化直接影响机舱通风系统的参数包括温度和风量，因此必须为每台机舱风机增加温度传感器(TS)及压差传感器(DPS)。此外，主机、分油机、锅炉等也会影响机舱总热量，所以主机负荷、各设备运行状态等参数也可作为通风系统的控制依据。基于所有这些参数的分析，对机舱风机转速、调风门开度等设备进行控制，调控各设备区域通风的优先级，实现通风系统的更优节能。机舱风机的自动运行控制策略见图3。以前机舱2号送风机为例，当处于主机油门突加工况时，该风机在一段时间内定频运行不作转速调节；处于常规工况时，首先以压差信号作为控制依据调节风机转速,在保证机舱压力满足设定要求的前提下，再以温度信号作为控制依据调节风机转速，直到机舱压差(DP)和温度(T)均满足设定要求[5]。

2.3 电路绝缘监测与定位

由于客滚船采用前、后主配电板分区供电，相关设备为满足安全返港要求采用双路供电，使得整个电力网络相当复杂，且船舶的工作环境相对恶劣，导致电路绝缘故障的发生率较高。因此，采用绝缘状态在线监测及故障定位的技术十分有必要[6]。

通过绝缘监测装置向船舶电网电缆导体上注入某一特定频率的交流电压，测量等效接地点相应频率响应电流，扫频辨识出电网等效阻抗，即电路的等效绝缘电阻和电路对地泄漏电容等，判断电路绝缘情况。在此基础上，通过不同回路的环形互感器检测获取与绝缘监测装置注入信号成正比的信号，使其用于定位并自动鉴别故障回路。

图3 机舱风机自动运行控制策略

实船在主配电板、应急配电板每个馈电回路均安装有绝缘监测仪，用于监测主、应配电板每个馈电回路的绝缘状态。此外，由于机舱、厨房、洗衣间和车辆舱的环境较为恶劣，容易发生绝缘故障，因此在厨房分电箱、洗衣设备分电箱、机舱区域和货舱区域的照明分电箱内也安装有绝缘监测仪，从而保证了供电的连续性，提高了整个电网的可靠性。电路绝缘示意图见图4。

1G、2G、3G—1号发电机、2号发电机、3号发电机。

2.4 负荷分析与能量调度

智能配电系统的另一大技术特点就是设置数据库服务器，完整记录船舶运营过程中在信息网络产生的数据，同时基于这些数据及专家数据库，结合配电系统的数学模型进行系统性优化，综合控制全船电力设备，对能量进行调度管理。通过合理的能量管理技术对能源的出力、负荷的分配进行较为精准地控制，可减小“源-网-荷”波动对船舶电网的影响，达到提升电网质量的目标，从而保证船舶电力系统的稳定可靠运行。

例如：基于电力负荷的分析可以得出航行工况下电网的波动大部分来自空压机的启动和停止。实船通过智能配电系统获得了全船能耗分布情况，因此可根据当前负荷状态调整空压机启动时间，当电站负荷不高时，远程控制空压机启动进行补气。在主机稳定运行后，还可自动调整启动压力的设置，避免空压机的频繁启动，使全船电力负荷更加稳定。

3 结语

上述智能配电系统通过合理配置智能管控模块，建立配电系统的信息网络，并赋予智能化的管控机制，提升了船舶电力系统的信息化和智能化水平，改善了船舶电网电能质量。经过实船的运行检验，本文设计的智能配电系统有效降低了船舶电网的运行成本，增强了配电系统的管控能力，降低了船员的劳动强度，提高了船舶电力系统运行的稳定性、可靠性和高效性，达到了节能降耗的目的。从客滚船的应用结果看出，船舶智能配电系统的设计和应用具有普适性，同样适用于其他船型的电力系统，可以作为其智能化设计参考。