基于工业以太环网的船舶直流组网管理控制系统及其功率管理方法与流程

本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种基于工业以太环网的船舶直流组网管理控制系统及其功率管理方法。

背景技术：

直流组网电力推进系统的各个组成模块是否运行良好，并相互协调而发挥最佳效能，是整个电力推进系统优劣和安全、可靠运行的关键。

功率管理系统(简称“pms”)作为整个直流组网电力推进船舶(系统)的核心控制(管控)系统，执行发电机的控制、检测、调节和保护功能，并通过对电站状态的合理调节，确保电站持续、可靠与经济的运行，因此，功率管理系统对于保证船舶直流组网系统电力的持续供给与品质以及电网安全尤为重要。

对现有文献进行检索以及研究后发现，专利201210128971.5中所述的功率管理系统可实现半自动控制模式下的在网机组的频率调节和功率分配，但未涉及功率分配的具体方法，例如功率分配时如何考虑母线上的压降问题。同时该专利介绍了功率限制，同样未提供功率限制的具体方法，很难判定该方法对船舶复杂航行工况的适应性。专利201210346466.8中所述的以太环网保护方法中通过链路切换解决了以太环网节点本身出现故障的问题，但此方法并不适用于运行复杂的船舶直流组网功率管理系统。专利201910259541.9中所述的功率分配方法在进行功率微调时未考虑不同机组之间的相互影响，从而影响功率调节精度与效果。因此，现有功率管理系统没有很好地解决在船舶运行工况变化时对各分系统进行自动调节，使其自身工作稳定，并使各子系统之间能量自动平衡，以提高整个系统运行的安全性、稳定性和总能利用效率等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于工业以太环网的船舶直流组网管理控制系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：基于工业以太环网的船舶直流组网管理控制系统，包括设置在船舶控制室的带显示器的第一控制柜、设置在船舶控制室的带显示器的第二控制柜、左舷主控制器、右舷主控制器、以及分别设置在左舷和右舷的两组子控制组件，左舷主控制器与右舷主控制器之间相互通信，左舷和右舷的子控制组件之间相互通信，左舷主控制器通过第一工业交换机与第一控制柜之间相互通信，右舷主控制器通过第二工业交换机与第二控制柜之间相互通信，第一控制柜和第二控制柜之间相互通信；左舷的子控制组件与左舷主控制器之间相互通信，右舷的子控制组件与右舷主控制器之间相互通信；子控制组件包括任意串联起来进行通信的侧推模块子控制器、主推模块子控制器、日用电路子控制器、电容模块子控制器、第一至第n共n个发电模块子控制器；

本发明另一个所要解决的技术问题是：提供一种上述的工业以太环网的船舶直流组网管理控制系统的功率管理方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：工业以太环网的船舶直流组网管理控制系统的功率管理方法，具体如下：

步骤a：直流母线预充，系统得电；

步骤b：通过第一控制柜或第二控制柜人机交互输入功率分配指令或功率限制指令；

步骤c：系统接收指令，判断任务为功率分配还是功率限制；

步骤d：当系统通信路线正常运行时，系统沿左舷通信路线或右舷通信路线进行数据传输，并执行步骤e；当管理控制系统中某处通信路线的传输链路中断时，系统同时沿左舷通信路线和右舷通信路线进行数据传输，并执行步骤e；当左舷或右舷子控制组件中的任一子控制器未收到相应的左舷主控制器或右舷主控制器发出的启动控制脉冲信号时，则判定为相应的左舷主控制器或右舷主控制器发生故障，反馈故障信号至第一控制柜或第二控制柜的显示器以提示系统需要维修；

步骤e：当系统接收到功率分配指令时，执行步骤e-1至步骤e-5；当系统接收到功率限制指令时，执行步骤e-6至步骤e-20；

步骤e-1：根据柴油发电机组的较佳能耗点，预设直流母线电压控制区间u1-u2(975v-1000v)；

步骤e-2：各个发电模块子控制器分别采集对应柴油发电机组的电流i1、i2、…、in和电压u1、u2、…、un，并计算相对应柴油发电机组的功率值：p1＝i1*u1、p2＝i2*u2、…、pn＝in*un，并上传至相对应的左舷主控制器或右舷主控制器；

步骤e-3：各个发电模块子控制器通过电压外环和电流内环控制，将直流母线电压控制在预设区间；

步骤e-4：左舷主控制器或右舷主控制器根据相对应柴油发电机组的功率值p1、p2、…与pn，分别计算电压补偿因子k1、k2、…与kn，并输出给相应发电模块子控制器；

…

其中kp和ki为修正常数，pavg为系统所需功率p目标的平均值，即

步骤e-5：各个发电模块子控制器接收左舷主控制器或右舷主控制器发来的相对应的补偿信息，并结合自身的测量，进行调节：当任一发电模块子控制器的功率低于pavg时，相对应的左舷主控制器或右舷主控制器提供“加载”指令；当任一发电模块子控制器的功率高于pavg时，相对应的左舷主控制器或右舷主控制器提供“减载”指令。通过上述精确控制，将功率分配保持在2％误差内；

步骤e-6：在各个发电模块子控制器中预设相对应的发电机组的修正功率，同时预设功率限制档次：a档和b档，且a>b；

步骤e-7：各个发电模块子控制器分别采集相对应柴油发电机组转速，确定该柴油发电机组的修正功率px1、px2、…、pxn，并计算机组总功率：p1＝px1+px2+…+pxn；

步骤e-8：各个发电模块子控制器分别采集相对应柴油发电机组端的电流i1、i2、…、in和电压u1、u2、…、un，并计算相应的功率：p1＝i1*u1、p2＝i2*u2、…、pn＝in*un；

步骤e-9：计算左舷或右舷的各个发电机组负载总功率：p2＝p1+p2+…+pn；

步骤e-10：计算左舷或右舷的各个发电机组总负载率：ε＝p2/p1；

步骤e-11：预设三档机组总负载率阈值：分别是第一总负载率ε1、第二总负载率ε2和第三总负载率ε3，且ε1＜ε2＜ε3；

步骤e-12：左舷主控制器和右舷主控制器分别对相应侧的发电机组总负载率进行判断：若机组总负载率ε1＜ε＜ε2，执行步骤e-13；若机组总负载率ε2＜ε＜ε3，执行步骤e-14；若机组总负载率ε＞ε3，执行步骤e-18至步骤e-20；

步骤e-13：以设定时长m分钟进行计时，若在m分钟之后机组总负载率仍然满足ε1＜ε＜ε2，执行步骤e-15至步骤e-17；否则执行结束；

步骤e-14：以设定时长n秒进行计时，若在n秒之后组总负载率仍然满足ε1＜ε＜ε3，执行步骤e-15至步骤e-17；否则执行结束；

步骤e-15：检测系统是否具有备用发电能力，若具有发电能力，发出增机命令，然后执行结束，若不具有发电能力，执行结束；

步骤e-16：在执行步骤e-15的同时，左舷主控制器或右舷主控制器把相对应的左舷主推进电机或右舷主推进电机的功率限制到a，延时设定时长m分钟；

步骤e-17：在延时设定时长m分钟之后，左舷主控制器或右舷主控制器释放对于左舷主推进电机或右舷主推进电机的功率限制，然后执行结束；

步骤e-18：检测系统是否具有备用发电能力，若具有发电能力，发出增机命令，然后执行结束，若不具有发电能力，执行结束；

步骤e-19：在执行步骤e-18的同时，左舷主控制器或右舷主控制器把相对应的左舷主推进电机或右舷主推进电机的功率限制到b，延时设定时长m分钟；

步骤e-20：在延时设定时长m分钟之后，左舷主控制器或右舷主控制器释放对于左舷主推进电机或右舷主推进电机的功率限制，然后执行结束。

作为一种优选的方案，所述步骤d中，反馈故障信号至第一控制柜或第二控制柜的显示器以提示系统需要维修的同时执行步骤f；当系统接收到功率分配指令时，执行步骤f-1至步骤f-6；当系统接收到功率限制指令时，执行结束；

步骤f-1：子控制器切换为本地模式，即接受柴油机组的本地控制柜柜门按钮控制指令。

步骤f-2：各个发电模块子控制器分别采集相对应柴油发电机组的电压值，并把电压值传输并显示在相应的柴油机组的本地控制柜柜门上；

步骤f-3：各个发电模块子控制器通过电压外环和电流内环控制，将直流母线电压控制在区间u1-u2内；

步骤f-4：操作人员通过本地控制柜柜门上的电压值对功率分配进行调节：当任一柴油发电机组的电压低于设定电压下限u1时，操作人员启动本地控制柜柜门上的“加载”按钮，发出“加载”指令；当任一柴油发电机组的电压高于设定电压上限u2时，操作人员启动本地控制柜柜门上的“减载”按钮，发出“减载”指令，且通过上述控制，将功率分配保持在2％误差内；

步骤f-5：结束。

作为一种优选的方案，所述步骤e-6中各个发电模块子控制器中预设相对应的发电机组功率限制档次时，a档为相对应的发电机组总功率的30％，b档为0。

作为一种优选的方案，所述步骤e-11中预设三档机组总负载率阈值：第一总负载率ε1取值为85％、第二总负载率ε2取值为95％、第三总负载率ε3取值为120％。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的功率管理系统采用基于以太环网双控制系统，双控制系统为一备一用；当整个以太环网系统中任意一条传输链路中断时，系统仍然能够保持数据传输与正常运行，且当主控制器故障时，系统可以切换到本地模式运行，提高整个系统的可靠性。

(2)本发明的功率管理系统在进行功率分配时，考虑到不同母线电压间的误差，增加了电压补偿因子，并自动实时控制各柴油发电机组在较佳燃油耗点处运行，不仅节约成本，提高燃油利用率，还减少污染物的排放，保护海洋环境；

(3)本发明的功率管理系统采用两级限制功率的方法，针对三种不同的运行工况，采用不同的功率限制方法，扩大了功率限制的范围，不仅实现了对全船电网的保护，延长了机组的使用寿命，还可使各分系统运行稳定。

(4)本发明的功率管理系统通过功率分配和功率限制，自动平衡各子系统之间的能量，不仅提高了整个系统的运行稳定性，还提高了全船电网总能的利用效率。

附图说明

图1是本发明的直流组网功率管理系统拓扑结构图

图2是本发明的直流组网功率管理系统单线图

图3是本发明的功率限制控制流程图

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。

如图1所示，基于工业以太环网的船舶直流组网管理控制系统，包括设置在船舶控制室的带显示器的第一控制柜、设置在船舶控制室的带显示器的第二控制柜、左舷主控制器、右舷主控制器、以及分别设置在左舷和右舷的两组子控制组件，左舷主控制器与右舷主控制器之间相互通信，左舷和右舷的子控制组件之间相互通信，左舷主控制器通过第一工业交换机与第一控制柜之间相互通信，右舷主控制器通过第二工业交换机与第二控制柜之间相互通信，第一控制柜和第二控制柜之间相互通信；左舷的子控制组件与左舷主控制器之间相互通信，右舷的子控制组件与右舷主控制器之间相互通信；子控制组件包括任意串联起来进行通信的侧推模块子控制器、主推模块子控制器、日用电路子控制器、电容模块子控制器、第一至第n共n个发电模块子控制器；

如图1-3所示，基于上述工业以太环网的船舶直流组网管理控制系统的功率管理方法，具体运行方法如下：

步骤a：直流母线预充，系统得电；

步骤b：通过第一控制柜或第二控制柜人机交互输入功率分配指令或功率限制指令；

步骤c：系统接收指令，判断任务为功率分配还是功率限制；

步骤d：当系统通信路线正常运行时，系统沿左舷通信路线或右舷通信路线进行数据传输，并执行步骤e；

当管理控制系统中某处通信路线的传输链路中断时，系统同时沿左舷通信路线和右舷通信路线进行数据传输，并执行步骤e；

当左舷或右舷子控制组件中的任一子控制器未收到相应的左舷主控制器或右舷主控制器发出的启动控制脉冲信号时，则判定为相应的左舷主控制器或右舷主控制器发生故障，反馈故障信号至第一控制柜或第二控制柜的显示器以提示系统需要维修；同时执行步骤f；

步骤e：当系统接收到功率分配指令时，执行步骤e-1至步骤e-5；当系统接收到功率限制指令时，执行步骤e-6至步骤e-20；

步骤e-1：根据柴油发电机组的较佳能耗点，预设直流母线电压控制区间u1-u2(975v-1000v)；

步骤e-2：各个发电模块子控制器分别采集对应柴油发电机组的电流i1、i2、…、in和电压u1、u2、…、un，并计算相对应柴油发电机组的功率值：p1＝i1*u1、p2＝i2*u2、…、pn＝in*un，并上传至相对应的左舷主控制器或右舷主控制器；

步骤e-3：各个发电模块子控制器通过电压外环和电流内环控制，将直流母线电压控制在预设区间；

步骤e-4：左舷主控制器或右舷主控制器根据相对应柴油发电机组的功率值p1、p2、…与pn，分别计算电压补偿因子k1、k2、…与kn，并输出给相应发电模块子控制器；

…

其中kp和ki为修正常数，本实施例中取kp＝0.001ki＝0.0005，pavg为系统所需功率p目标的平均值，即

步骤e-5：各个发电模块子控制器接收左舷主控制器或右舷主控制器发来的相对应的补偿信息，并结合自身的测量，进行调节：当任一发电模块子控制器的功率低于pavc时，相对应的左舷主控制器或右舷主控制器提供“加载”指令；当任一发电模块子控制器的功率高于pavc时，相对应的左舷主控制器或右舷主控制器提供“减载”指令。通过上述精确控制，将功率分配保持在2％误差内；

步骤e-6：在各个发电模块子控制器中预设相对应的发电机组的修正功率，同时预设功率限制档次：a(30％)档和b(0)档，且a>b；

步骤e-7：各个发电模块子控制器分别采集相对应柴油发电机组转速，确定该柴油发电机组的修正功率px1、px2、…、pxn，并计算机组总功率：p1＝px1+px2+…+pxm；

步骤e-8：各个发电模块子控制器分别采集相对应柴油发电机组端的电流i1、i2、…、in和电压u1、u2、…、un，并计算相应的功率：p1＝i1*u1、p2＝i2*u2、…、pn＝in*un；

步骤e-9：计算左舷或右舷的各个发电机组负载总功率：p2＝p1+p2+…+pn；

步骤e-10：计算左舷或右舷的各个发电机组总负载率：ε＝p2/p1；

步骤e-11：预设机组总负载率阈值ε1(85％)、ε2(95％)和ε3(120％)，且ε1＜ε2＜ε3；

步骤e-12：左舷主控制器和右舷主控制器分别对相应侧的发电机组总负载率进行判断：若机组总负载率(85％)ε1＜ε＜ε2(95％)，执行步骤e-13；若机组总负载率(95％)ε2＜ε＜ε3(120％)，执行步骤e-14；若机组总负载率ε＞ε3(120％)，执行步骤e-18至步骤e-20；

步骤e-13：以设定时长1分钟进行计时，若在1分钟之后机组总负载率仍然满足(85％)ε1＜ε＜ε2(95％)，执行步骤e-15至步骤e-17；否则执行结束；

步骤e-14：以设定时长1秒进行计时，若在1秒之后组总负载率仍然满足(85％)ε1＜ε＜ε3(120％)，执行步骤e-15至步骤e-17；否则执行结束；

步骤e-15：检测系统是否具有备用发电能力，若具有发电能力，发出增机命令，然后执行结束，若不具有发电能力，执行结束；

步骤e-16：在执行步骤e-15的同时，左舷主控制器或右舷主控制器把相对应的左舷主推进电机或右舷主推进电机的功率限制到a(30％)(即功率限制模式1)，延时设定时长1分钟；

步骤e-17：在延时设定时长1分钟之后，左舷主控制器或右舷主控制器释放对于左舷主推进电机或右舷主推进电机的功率限制，然后执行结束；

步骤e-18：检测系统是否具有备用发电能力，若具有发电能力，发出增机命令，然后执行结束，若不具有发电能力，执行结束；

步骤e-19：在执行步骤e-18的同时，左舷主控制器或右舷主控制器把相对应的左舷主推进电机或右舷主推进电机的功率限制到b(0)(即功率限制模式2)，延时设定时长1分钟；

步骤e-20：在延时设定时长1分钟之后，左舷主控制器或右舷主控制器释放对于左舷主推进电机或右舷主推进电机的功率限制，然后执行结束；

步骤f；当系统接收到功率分配指令时，执行步骤f-1至步骤f-6；当系统接收到功率限制指令时，执行结束；

步骤f-1：子控制器切换为本地模式，即接受柴油机组的本地控制柜柜门按钮控制指令。

步骤f-2：各个发电模块子控制器分别采集相对应柴油发电机组的电压值，并把电压值传输并显示在相应的柴油机组的本地控制柜柜门上；

步骤f-3：各个发电模块子控制器通过电压外环和电流内环控制，将直流母线电压控制在区间(u1-u2)(975v-1000v)内；

步骤f-4：操作人员通过本地控制柜柜门上的电压值对功率分配进行调节：当任一柴油发电机组的电压低于设定电压下限u1时，操作人员启动本地控制柜柜门上的“加载”按钮，发出“加载”指令；当任一柴油发电机组的电压高于设定电压上限u2时，操作人员启动本地控制柜柜门上的“减载”按钮，发出“减载”指令，且通过上述控制，将功率分配保持在2％误差内；

步骤f-5：结束。

上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。