刘晓勤 施伟锋 胡红钱

（上海海事大学电气自动化，上海 200135）

1 引言

最近十多年来，船舶营运量快速上升。而同时，几乎所有的船舶公司都在尽力降低船舶营运成本并提高船舶安全性。对于船舶电力系统而言，由于用电设备的大量增加，已使得船舶发电量和用电量大幅度上升[1]。另外，船舶电力系统与船舶的各个系统均有牵连，它是船舶系统中一个较为重要的组成部分，直接影响着船舶运行的安全性与经济性[2]。

目前，海运大型船舶的投入越来越多，船舶电力系统的单机容量和电站容量不断增大，船舶供配电系统控制与管理的复杂程度和自动化程度越来越高。而对于船舶电力系统而言，电能质量问题使得船舶运行的经济性下降，降低了船舶运行的安全性，甚至对人员的生命构成威胁[3]。所以船舶电力参数的测量和电能质量的改善已成为造船领域中很紧迫的任务。

因此，设计一套有效的船舶电力监控与电能质量分析系统对船舶的安全营运具有现实意义。船舶电力系统具有以下特点：船舶电力系统的发电机组是柴油发电机组，系统用电负载的种类比较多，电力系统的动态变化范围比较大，系统的动态过程变化频繁。

本文基于船舶电站联合实验室，采用成熟的施耐德电能监控软件PowerLogic系统，实现了与全船网络终端、可编程控制器和断路器等之间的互联，完成了基于以太网的船舶电力系统远程监控与电能质量分析的功能。

2 船舶电力监视系统构成

船舶电力系统有多种多样的结构和形式：单电站系统、主辅电站系统、双电站系统和多电站系统。根据船舶电站的特点，船舶电力系统包含四个部分：电源、配电设备、电网与负载。因电能的产生、输送、分配与消耗是同时进行的，故上述四个部分是不可分割的整体。电源由柴油发电机组、应急发电机、蓄电池和岸电组成，配电设备由物理配电板上的电制参数、运行状态以及负荷分配情况等组成。

依据高可靠性、可扩展性、可维护性的设计原则，部分产品还要满足舰船建造规范。本文以交流380V/50Hz船舶电站为研究对象，用三台柴油发电机、三个 Paralleling and Protection Unit（PPU）单元和PLC等组成船舶电站控制系统，以及PowerLogic ION E软件、电力参数测量仪、带Web的网关、触摸屏和PC机来构成监视系统。

基于PowerLogic分散分层分布式结构思想，利用现场总线技术进行信息的采集、交换和管理，该套船舶电力监控与电能质量分析系统主要分为三层网络：

（1）下层为现场监控层。主要有电力系统设备和电力参数测量仪器数据采集和传输。PM850是一款真正的基于有效值的测量仪表，它支持遥测、遥信、遥控和回路测试功能，能对高度非线性负荷做精确的测量，复杂的技术使得可以测量最高达63次谐波的真实有效值，可以在本地或利用软件从远程看到 50多个测量值以及最大和最小值。并且能够集成到任何电力监控系统中，足以适应当前网络信息化的需要。

（2）中间为通讯接口层。主要有网关、交换机和PLC来进行控制和数据的传输。网关具备一个RS-485接口和一个以太网接口，支持Modbus数据到 TCP/IP数据协议转换，而且有内置用户网页，用户可以通过网络浏览器直接访问 EGX的网络地址来访问 HTML内嵌网页，实现对Modbus总线上设备的测量数据的浏览、数据跟踪、趋势预览和报表生成等。

（3）上层为系统管理层。采用电能监控软件PowerLogic ION E和触摸屏，用于数据计算和完备的用户交互，实现数据采集和处理功能、故障录波、谐波分析、异常报警与记录、运行管理、电能质量管理、运行统计和报表生成等。如图1，船舶电力监视系统构成。

船舶电力监控系统流程如下：首先选用电力参数测量仪等进行数据采集与测量，通过网关和可编程控制器进行数据收发、数据传输、状态判断和功能控制等，然后通过交换机上传到 PC机和触摸屏，PC机中的PowerLogic电能监控软件，实时显示系统各设备的状态及数据信息，并将监控界面通过网络，发布至网络内计算机；还能实现远程监视与遥控功能。其中，电力参数测量仪PM800支持Modbus RTU通信协议，具有RS-485通讯接口，可与网关连接，而网关通过 Modbus TCP/IP协议与交换机连接，实现数据的传输。

图1 船舶电力监视系统构成

3 Powerlogic软件及其功能运用

施耐德电气公司PowerLogic配电监控系统充分利用现代电子技术、计算机技术、网络技术、控制技术及现场总线的先进技术，实现了对配电监控系统的集中监控管理和分散数据采集，通过遥测、遥信、遥控、遥调及电能质量监视、历史数据分析等功能，使用户的电力系统透明化，是一套提高电力系统安全性、可靠性和经济性的智能化系统。

在本文中，PowerLogic ION E电能质量监控软件的主要功能有：

（1）系统运行监视和控制。在监控界面中，显示整个电力系统的网络图，动态刷新显示各主接线图上的实时运行参数和设备运行状态，并支持远程控制功能。

（2）电能质量监视和分析。可以对整个系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续的监测。实时监视系统谐波含量，电压闪变、扰动，频率偏差，不平衡度，功率因数等电能质量问题。能够评估电能质量是否满足 IEC61000-4-30或EN50160标准。通过手动或自动触发波形捕捉，记录扰动时的波形，进行电能质量分析和故障分析。如图2是对船舶电力系统谐波测量分析图。

图2 船舶电力系统谐波测量分析图

（3）报警和事件管理。系统可以设置在电能质量事件发生时、测量值越限、设备状态变化时触发报警。系统报警时能够进行信息语言提示，自动弹出报警画面或触发必要的操作，同时可以将报警信息通过email，手机短信或PDA等方式通知相关人员。

（4）历史数据管理。系统基于 SQL server数据库完成历史数据管理，所有实时采样数据、顺序事件记录等均可保存到历史数据库。在监控画面中能够自定义需要查询的参数、查询的时间段或选择查询最近更新的记录数，显示并绘制曲线图。

（5）报表管理。可基于系统已有模板，或自定义新的模板生成报表。可以手动或根据预设时间表定时生成，或通过事件触发生成xml格式报表。报表能自动通过email或HTML格式进行发送或自动打印。

（6）用户权限管理。为了系统安全稳定运行，用户权限管理能够防止未经授权的操作。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行维护管理提供可靠的安全保障。

4 监视系统优点

（1）实现数据自动记录、数据跟踪、数据预测和波形捕捉等功能，最大的数据长度为12天，并且可以全部利用以太网技术，通过email、FTP等将船舶电力系统的信息通过报表、HTML等形式发给所需要的用户。

（2）发挥PowerLogic ION E软件的强大功能，解决了不同通信协议的转换，增强了系统的灵活性。

（3）利用PowerLogic ION E软件的模块统筹各种参数，进行综合分析与计算，得出一个可靠的节能点，为船舶电站提供参考。

5 结束语

任何电力系统的使用都会遇到电能质量问题，有电能质量问题的电力系统就会造成很大的浪费，提高电能质量是优化电能消费的重要因素。船舶电力系统是一个容量较小的独立电力系统，其电力系统中的谐波、浪涌、电压跌落等电力品质问题比较严重，会对船舶的正常行驶及其电力系统的稳定性造成重大影响。因此对其进行系统监控并规定其电力系统的电能质量，不仅能够提高船舶电力系统的能源利用率，还能提高船舶的运行效率，必将给企业带来极大的经济效益。

[1]Janusz Mindykowski. Assessment of electric power quality in ship system fitted with converter subsystem.Gdansk：Press of Shipbuilding and Shipping Ltd,2003.

[2]包文俊. 船舶电站多种发电方式联合运行的仿真研究. 上海海事大学硕士学位论文, 上海,2002.3.

[3]孙诗南. 舰船电力推进的新进展. 船电通讯, 2004（8）：4-6.

[4]储云峰. 施耐德电气可编程序控制器原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社,2007.

[5]杨兵利,杜国庆. Powerlogic配电监控系统的设计与应用[J]. 低压电器，2008.

[6]罗超，聂延生. 船舶电站监控系统中上位机与 PLC串行通信的实现[J]. 世界海运.2003.8.

[7]王虹飞, 向先波, 刘土光. 船舶电站实时监控系统通信软件设计[J]. 船舶工程.2007.5.