郝卫明，王永兴，王 力



船舶PMS控制策略仿真测试平台设计与实现

郝卫明，王永兴，王 力

（武汉船用电力推进装置研究所， 武汉 430064）

为了更好的验证船舶功率管理系统的控制策略，避免危险工况下的测试风险，本文基于Matlab仿真软件与Visual studio 2010开发工具，设计并实现了一个较为通用的船舶能量管理系统仿真测试平台，从船舶能量管理系统的功能出发，具有针对性的建立船舶柴油发电机组、负载等模型用于仿真测试。该软件可在正常和非正常状态下测试PMS系统的控制策略，便于PMS控制策略设计，缩短PMS开发周期。

功率管理系统 仿真平台 故障仿真

0 引言

电力电子技术以及现代控制技术的高速发展促进了船舶电力推进技术的快速进步，电力推进技术目前已经成熟的应用到科考船、海洋工程船舶、游船、散货船、渔船等船舶，在经济性、机动性和可靠性等方面比传统推进船舶有明显的优势。受到诸多因素的限制，船舶电站的装机容量有限，但负载设备的种类多、功率相对较大（与电站容量相比），与陆地电网相比，船舶电网具有相对独立、容量小、负载、工况变化频繁等特点，大功率负载启动过程中会破坏电站稳定性，降低船舶的电网质量，影响船舶电网的频率、电压、谐波等指标，若控制策略不得当，会导致船舶电网失电，引发事故。

船舶功率管理系统（PMS，Power Management System）是船舶电站自动化控制系统的核心，实现了船舶能量及负载的统一管理、调度和控制。功率管理系统旨在提高船舶电站的可靠性和安全性，降低船舶电网失电的可能性，其功能大致可分为：发电装置管理功能、配电系统管理功能、负载管理及系统辅助监控报警功能。

1 仿真测试平台系统分析

基于上述功率管理系统的功能，目前，功率管理系统的研究热点集中控制策略的优化研究[1]，包括：防失电控制策略优化、发电机组控制策略优化、负载限制控制策略优化和全局工况控制的策略优化问题等[2]。

在控制策略优化设计方面，需要进行大量试验验证工作，由于船舶电站的配置是依据船舶的类型、功能、负载、航速、航区、规范等定制生产，船舶电站PMS的控制策略也是因船而异。

在控制策略优化的实验验证阶段，多采用基于Mabtlab/simulink建立船舶电力系统仿真模型[3]（包括柴油发电机组、配电系统、负载等）来完成控制策略或算法的优化或验证。针对单个设备的控制策略或算法的优化研究，是寻求单目标（单设备）优化的最优解，而船舶功率管理系统的控制策略优化问题是一个多目标优化（系统级）问题。通过建立通用性强的船舶电力系统仿真模型，对系统中的各设备仿真模型进行统一的调度管理，在船舶电站功率管理系统中的控制策略验证过程中，打破局部最优解的限制，寻找系统的多目标最优解，一方面，加快了功率管理系统的开发流程，另一方面，仿真测试平台可以实现电力系统在破坏性试验下的功率管理系统的响应及状态，提高系统的安全性和可靠性。

2 仿真测试平台的设计

2.1体系结构

在船舶功率管理系统仿真测试平台的设计中需要综合分析船舶功率管理系统的系统约束条件，依据仿真测试平台的系统要求，确定如下图1的系统体系结构。

图1 仿真测试平台结构

仿真测试平台底层采用matlab/simulink为仿真驱动，在该层建立模块化、特性参数可配置的设备仿真模型，如包括柴油机、发电机[4]、机组调速器、负载模型等，在仿真引擎中，仿真测试平台提供仿真模型特征参数设置接口。

数据交互接口是连接仿真引擎和上层仿真调度管理模块的桥梁，在上层管理软件中调用仿真引擎提供的API函数，实现上层调度、管理指令的下达，并为上层软件提供了共享实时仿真数据的接口。

基于Visual C++的可视化软件开发工具和程序语言的兼容性[5]，完成仿真测试平台软件的编写与调试，其功能模块包含了模型调度、系统生成、与仿真引擎的数据共享、仿真控制、参数设置、故障注入以及人机交互等功能。仿真测试平台为测试对象提供了以太网和RS485/422接口，一般情况下，由可编程逻辑控制器构成的功率管理系统均具备上述两类接口。

2.2仿真测试平台的运行模式

仿真测试软件可通过下述两种模式对功率管理系统进行测试，如流程图2所示。

其实，中国“一字师”的故事很多。比如《唐诗纪事》记载的故事，郑谷改齐己诗《早梅》，把“前村深雪里，昨夜数枝开”改为“前村深雪里，昨夜一枝开”；人民教育家陶行知听从小孩的建议，把“大孩自动教小孩”改为“小孩自动教小孩”；诗人公刘听从编辑的意见，将一诗中“中国在笑！中国在跳舞！中国在狂欢”的“跳”删掉。金庸先生的“棒子镇”是小说地名，改为事实上的地名“榛子镇”，虽然改不改都可，但改为“榛子镇”可证小说更为严谨，作家更为严谨。

图2 仿真系统工作流程图

正常运行测试，可以进行功率管理系统控制策略的测试，如负荷自动增减机控制策略测试，推进装置功率限制策略测试，失电恢复控制策略测试[6]，重载询问控制策略测试等，可在此工作模式下测试并验证控制逻辑和控制策略的合理与优劣。

在设备出现单点故障时，引起系统的变化是具有连锁效应的。因此，将船舶电力系统中的故障参数进行提取，形成故障参数集合，在仿真模型正常运行期间，采用故障注入技术，向模型注入故障参数集，实现系统突发故障的仿真，故障具有真实性、可信度高的特点。可在此模式下测试功率管理系统在船舶电力系统出现突发情况时的响应状态，如主发电机组故障跳闸等。

2.3模型建立

典型的电力推进船舶配备的设备主要包含有主柴油发电机组，主配电板、应急/停泊柴油发电机组，应急配电板，变压器、变频器、推进电机、螺旋桨及其它电力设备。

船舶电力系统仿真模型能够准确的反应船舶电力系统的实际运行状态，电力系统模型中的仿真模型参数按照国家标准以及中国船级社的规范整定，满足船舶电网静态与动态特性，电力系统模型采用模块化的设计，见仿真系统图3，有利于模型调度、管理。

图3 系统仿真模型

2.4仿真测试软件实现

基于Visual studio 2010开发仿真测试软件，具备模型的调度、管理、内存管理、故障注入、人机交互等功能。人机交互功能实现模型参数与系统参数设置，仿真测试系统实时运行状态，故障集合设置及测试结果显示等功能。

3 仿真测试实例

以某电力推进系统船舶电站配置为例，对系统进行了验证，该船配备了4台800 kW柴油发电机组，调速器使用Woodward UG25+，自动电压调节器为巴斯勒DECS-100。该船配备的负载中具有在作业工况下启停较为频繁，对船舶电网的稳定性造成了较大的冲击，特别是对机组的调速、调压性能具有较大的影响[8]。

在仿真过程中，参数采用该船实船数据，负载选用三相电阻负载，共分为二级负载，一级负载为固有负载，占发电机组容量的10%，二级负载为变动负载，容量为机组容量的30%。对二级负载的突加30%情况做出仿真验证，观察发电机机端电压、机组转速、发电机输出功率、发电机励磁电流以及A相输出电流的标幺值，如图4所示。

4 结束语

本文以Matlab为仿真驱动，利用Visual studio2010设计开发了船舶能量管理系统控制策略仿真测试软件，为能量管理系统的控制策略研究提供了一个模块化、通用化、可视化的研究平台。另一方面，可在该平台实现部分破坏性试验的测试工作，弥补物理实验无法完成的工作。该仿真平台还需要进一步的优化，特别是在仿真软件中各线程的管理计算机资源的合理分配、人机界面等方面都需要改进。

图 4 突加30%负载仿真结果

[1] 孙宝龙. 船舶电站功率管理系统理论研究与设计 [D]. 大连: 大连海事大学, 2014.

[2] 柯常国, 王劲, 杨俊飞. 电力推进船舶功率管理系统设计与研究[J]. 船电技术, 2013.9, .33(.9): 17-21.

[3] 苏金明. Matlab高级编程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.

[4] 武福愿, 高海波, 赵文科. 船用同步发电机可控相复励励磁系统的仿真[J]. 船海工程, 2008, 37(5): 82-85.

[5] 尹成, 颜成钢. Visual C++2010开发权威指南[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2010.

[6] Damir Radan, Integrated control of marine lectricl power system[D], Department of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology, 2008.

[7] 梁树甜, 沈枫, 王孟连等. 基于VC++的船舶电力推进系统故障仿真软件设计[J]. 船电技术, 2011, 31(8): 18-22.

[8] 潘志强. 电力推进船舶能量管理系统控制策略研究[D]. 武汉, 武汉理工大学, 2014.

Design and Realization of Simulation and Test Platform for Ship’s PMS Control Strategy

Hao Weiming, Wang Yongxing, Wang Li

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

In order to get a better PMS control strategy and avoid risk of the test under dangerous condition, a general simulation and test platform for PMS control strategy is designed by using the combination of Matlab simulation and visual studio 2010 developing tools, for diesel generator sets, load and other equipments. This software can be used to test the control strategy of PMS both under normal and fault condition, and shorten the development cycle of PMS.

power management system; simulation platform; fault simulation

TP391.9 TM761

A

1003-4862（2016）04-0073-04

2015-12-23

郝卫明（1988-），男。研究方向：船舶电力推进。