一种基于粒子分布的船舶电能参数检测及优化系统的制作方法

本技术涉及船舶电能优化技术的领域，尤其是涉及一种基于粒子分布的船舶电能参数检测及优化系统。

背景技术：

1、随着船舶电力需求和电力负荷的复杂性增加，船舶电网的无功功率增加，船舶电网能耗效率的影响越来越严重，且目前船舶上的大部分电机采用变频器控制，变频器属于非线性负荷，在运行时产生谐波，增加电路中附加损耗、电机发热，影响电动机的性能。

2、船舶电力系统中无功功率损耗问题与谐波影响问题同时存在，尤其是对电路中大负载电机的影响更为严重。针对此，目前主流缓解方法有两个；其一，陆地上集中加装电力电容器调整电路中的无功功率，提高设备功率因数，降低谐波问题的影响；其二，加装有源滤波器或静止无功发生器补偿电网中的无功功率、治理谐波。但，集中加装电力电容器线损较高，且对于船舶电力系统仅装配一台有源滤波器以及一台静止无功发生器仅能进行笼统地调控，无法一对一按照船舶内部电机进行精密调控，并不能完全解决船内所有电机的功率问题。

3、针对上述中的相关技术，发明人认为可采用有源滤波器或静止无功发射器与电容、电感相结合的技术优化方法，将全部装置组合为一套系统，在单独电机到整体电网的范围内智能分析，提高能源效率。

技术实现思路

1、为了降低船舶电网中无功功率与谐波产生的影响，本技术提供一种基于粒子分布的船舶电能参数检测及优化系统。

2、本技术提供的一种基于粒子分布的船舶电能参数检测及优化系统采用如下的技术方案：

3、一种基于粒子分布的船舶电能参数检测及优化系统，数据采集单元、控制处理模块、参数调控模块、显示模块、参数改善单元；

4、所述数据采集单元一一对应于船舶内部电机，实时监测、采集对应电机的电压、电流、功率运行参数，所述数据采集单元连接所述控制处理模块，将电机运行参数上传至所述控制处理模块、所述参数调控模块；

5、所述参数调控模块计算、分析电机运行参数，计算每个电机实时功率因数、无功功率、谐波含量参数，所述参数调控模块基于上述计算结果，计算应补偿电流、电压的大小和相位，并输出相应补偿电流、电压的脉冲宽度调制信号；

6、所述控制处理模块内部对应船舶内不同电机型号、负载条件设置有功率因数正常区间，所述控制处理模块接收、调取所述数据采集单元的采样数据，分类、计算每个电机的功率因数，比较电机是否处于正常运行的状态；所述控制处理模块接收所述参数调控模块的脉冲宽度调制信号，输出相应的补偿指令；

7、所述参数改善单元一一对应于多个电机，所述参数改善单元接收脉冲宽度调制信号，接收补偿指令、产生补偿电流、电压，注入到对应电机所处电网中，补偿无功功率；

8、所述显示模块连接所述控制处理模块，显示所述控制处理模块、所述参数调控模块的计算结果。

9、通过采用上述技术方案，将船舶上包括轻负载电机、大负载电机的所有电机在内一一对应设置一个数据采集单元，实时监测电机的电压、电流、功率运行参数，由参数调控模块计算每个电机实时的电压电流相位角、有功功率、无功功率、功率因数，根据电机实时功率因数偏差值，计算每个电机抵消谐波影响的应补偿电流区间，及补偿无功功率的交流电压幅值区间与相位区间；由于电压与电流的相互影响，数据处理单元需要在每个电机的补偿电压区间与补偿电流区间之间找到平衡点，使无功功率和谐波均得到最大程度上的补偿；

10、控制执行单元根据计算结果向参数改善单元发送相应地补偿指令，参数改善单元根据上述补偿指令调整电机的运作电压与运作电流；显示模块将上述参数调控模块的调整结果、数据采集单元的采样信息、控制模块的指令信息记录并显示，使相关人员能够直观获取船舶上每一台电机的运作状态信息与补偿状态。

11、可选的，所述控制处理模块包括：

12、数据处理单元，所述数据处理单元与所述数据采集单元进行信息数据的即时收发，接收所述数据采集单元的采集信息，根据功率因数判断船内每个电机的运作状态；

13、所述数据处理单元将处于异常状态下的电机按照功率因数的偏差值标记优先级别，功率因数偏差较大电机优先级别高，所述数据处理单元按照优先级别排列电机的无功功率补偿顺序，并将异常电机型号、对应型号电机功率因数的正常范围按照优先级别的排序依次发送至所述参数调控模块中；

14、所述参数调控模块按照优先级别的排序依次接收异常状态电机的参数信息，结合功率因数的正常范围计算补偿电流的数值范围，所述参数调控模块将优先级别较高的补偿电流数值范围作为下一个优先级别补偿范围的必要条件。

15、通过采用上述技术方案，控制处理模块为船舶内部参数检测及优化系统的中心控制模块，基于控制处理模块的作用，将其分为数据计算处理、控制指令发送两部分；数据处理单元连接上述数据采集单元，计算、分析电机实时参数，对比相关人员预设的对应型号的电机功率正常范围，判断该电机的运作是否为正常范围；

16、上述方案中，数据处理单元的运作逻辑为，根据处于异常状态的电机、运行参数，计算功率因数与正常区间中点的差值，电机功率因数差值较大，表示该电机能量损耗较高，该电机所处电网电流畸变率较大，所以，基于功率因数的偏差值排列电机的优先级，偏差较大的电机优先级别较高；

17、参数调控模块接收到数据采集单元上传的采集信息之后，按照数据处理单元的上述优先级排序，依次计算每个电机应补偿的电流、电压的数值范围，将优先级别最高的电流、电压补偿数值范围作为基础范围，下一个电机所做的调整范围仅限于上一个电流、电压补偿范围之内调整，由此，优先级别靠后的电机可做调整仅限于优先级别靠前的电机的补偿范围；若补偿的电流、电压数值范围无重合区域，则舍弃优先级低的数值补偿范围；

18、按照上述过程，将所有异常状态下的电机参数带入计算后，得出补偿范围，参数调控模块在电流、电压各自的补偿范围内找到最佳平衡点。

19、可选的，所述参数调控模块与所述控制处理模块之间、所述控制处理模块与所述数据采集单元之间均通过rs485总线连接。

20、通过采用上述技术方案，rs485支持多点通信连接，能够适应船舶上众多设备间的通讯需求，且rs485还具备较好的抗干扰能力，抵抗众多设备间的恶劣电磁环境。

21、可选的，所述控制处理模块与所述数据采集单元之间设置有交换机，一所述交换机连接、按区域划分多个所述数据采集单元与多个所述参数改善单元；

22、所述交换机汇总多个数据采集单元的采样数据，按区域发送至所述数据处理单元中，所述交换机接收所述控制处理模块的补偿指令，并将补偿指令对应发送至所述参数改善单元中。

23、通过采用上述技术方案，交换机对应船舶上多个区域设置，如货舱、休闲区、动力区，每个区域所在功能不同，其适配的电机型号也不同，每个区域中的所有电机汇集到该区域对应的交换机中，在带宽受限的情况下缓解数据传输压力，提高数据传输速度；显示模块也可根据交换机显示当前异常状态电机的所在区域。

24、相应地，每个区域中均应单独设置一电网，避免一电网中的谐波对另一电网中的电机产生影响。

25、可选的，所述显示模块包括：

26、显示单元，所述显示单元连接所述数据处理单元，调取所述数据处理单元的计算、比较结果，直观显示电机的实时功率因数、电压、电流；

27、人机交互单元，所述人机交互单元与所述控制处理模块连接，相关人员通过人机交互调取船内任一电机的运行参数，人为设置单次补偿电流数值以取代所述控制执行单元的补偿指令，所述控制执行单元优先执行所述人机交互单元的控制指令。

28、通过采用上述技术方案，显示模块通常设置在船长室的控制台上，提供人机交互功能，船舶的控制人员通过输入指令获取数据调取权限，观察船舶内任一电机的运行状况，在电机补偿周期内，显示单元提示相关人员补偿电流、电压的数值与补偿时间，相关人员也可根据人机交互功能在单次补偿周期内，自行输入补偿电流与补偿电压，强行人工干预电机的调整。

29、可选的，所述参数调控模块包括有源滤波器和静止无功发生器；

30、所述有源滤波器与所述静止无功发生器接收所述数据处理单元的分析结果、所述数据采集单元的采集数据；

31、所述有源滤波器根据所述采集单元的采集数据，计算每个电机的电流补偿范围；所述静止无功发生器根据所述采集单元的采集数据，计算每个电机的交流电压的补偿幅值范围与补偿相位范围；

32、所述有源滤波器与所述静止无功发生器发出相应地脉冲宽度调制信号，所述数据处理单元接收并根据电流与电压的脉冲宽度调制信号确定最佳补偿电流与补偿电压的最佳平衡数值；

33、所述控制执行单元收到所述数据处理单元的脉冲宽度调制信号后即时做出补偿指令，控制所述参数改善单元按照脉冲宽度调制信号输出补偿电流。

34、通过采用上述技术方案，有源滤波器与静止

35、可选的，还包括：

36、无线模块，所述无线模块提供船舶与陆地基站的多条网络通讯通道，所述无线模块与所述数据处理单元连接，所述数据处理单元的计算与比较结果、所述参数调控模块的每次补偿数值与次数通过所述无线模块发送至陆地基站的数据服务器中存储记录；所述无线模块连接所述显示模块，陆地上基站工作人员通过网络通讯通道向船舶提供信息服务，通过所述显示模块推送；

37、所述无线模块对接收所述人机交互单元的控制指令，切换船舶通讯网络。

38、通过采用上述技术方案，无线模块为船舶与外界联系的网络通讯通道，船舶通过无线模块获取gps定位，船舶通过船舶上的天线与陆地上的网络基站进行信息收发，陆地上船舶管理公司的工作人员能够通过无线模块实时获取船舶的内部情况；

39、当船舶上的任一电机、任一区域发生损坏，船舶内部工程师无法修复的情况下，船舶管理人员可通过网络通讯系统与陆地船舶管理公司取得联系，及时向外界发送求救信息；当其中一通讯通道信号较差，相关人员通过人机交互单元发送船舶通讯网络的切换指令，切换至网络信号较好的网络通道。

40、可选的，所述数据采集单元包括电流互感器、指令电流运算电路；

41、所述电流互感器采集直流线路上的电流，所述参数调控模块将采集的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号；所述指令电流运算电路采集电流中的谐波成分，上传至所述参数调控模块进行处理；

42、所述参数改善单元包括一一对应于电机设置的逆变器、变压器；所述逆变器接受、执行所述控制处理模块的指令，改变相应电机与电流的相位差以调节无功功率；所述变压器接受、执行所述控制处理模块的指令，调整对应电机的运行电压；

43、所述指令电流运算电路连接所述参数改善单元。

44、通过采用上述技术方案，电流互感器、指令电流运算电路用于电机上电流的采样，将采样数据通过交换机发送至数据处理单元、参数调控模块中，由控制执行单元发送补偿指令，而后，根据数据处理单元发出的脉冲宽度调制信号，逆变器与变压器运作，改变电机的运行电压电压相位调整；

45、由于相邻两采样周期间隔预设时长，所以在采样间隔中，指令电流运算电路在采样间隔中根据上一次的补偿指令与脉冲宽度调制信号，向逆变器、变压器持续输出控制指令，将电机的电压稳定在最佳平衡值附近，至下一次采样周期中，所述逆变器、所述变压器、所述指令电流运算电路收到另一最佳平衡值；

46、采样间隔可为10s、20s……，优选10s，即数据处理单元每隔10s收到数据采集单元的采集信息。

47、综上所述，本技术至少具有以下一种有益效果：

48、智能化设计，采用定制的逻辑算法实现船舶中每个大负荷电机、轻负荷电机的自行计算、控制补偿；

49、本套系统将监控船的电能质量并根据算法快速补偿，降低电能的额外消耗。