諶冬冬，施偉鋒，耿 濤

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基于StruxureWare的船舶電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

諶冬冬，施偉鋒，耿 濤

(上海海事大學物流工程學院，上海 201306)

為了維護船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，監(jiān)測船舶電網(wǎng)重要的相關(guān)參數(shù)，分析船舶電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，基于施耐德StruxureWare電能管理系統(tǒng)搭建了一套船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與分析的系統(tǒng)。系統(tǒng)設計了電能質(zhì)量監(jiān)測界面，諧波分析界面以及遠程監(jiān)視界面，故障報警界面。在船舶電站實驗室環(huán)境下模擬了不同工況下的船舶電網(wǎng)，分析了不同工況下船舶電網(wǎng)中諧波的含量，實時的監(jiān)測船舶電網(wǎng)中電能質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)，以及提供了故障錄波以及故障報警。為解決故障提供分析基礎(chǔ)，提高了船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量管理能力。

StruxureWare 船舶電網(wǎng) 電能質(zhì)量 諧波分析

0 引言

近年來，國內(nèi)外對電力電子技術(shù)和交流電機調(diào)速技術(shù)研究顯著成果，電力推進技術(shù)成為當今船舶制造業(yè)的熱點。在大量使用電力推進裝置的艦船中，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性將直接決定了船舶動力系統(tǒng)，生活用電系統(tǒng)等各方面的安全；如果不能迅速調(diào)整并重回穩(wěn)定狀態(tài)，對船舶所有工作甚至是人員和設備安全都將造成重大影響。由于大功率負載波動及大量電力電子器件的使用，對船舶電網(wǎng)造成很大影響，降低船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以對船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測非常重要。

因此，設計一套能夠有效的對船舶電網(wǎng)監(jiān)測和電能質(zhì)量分析系統(tǒng)顯得尤為重要。船舶電力系統(tǒng)的特點為：船舶電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是柴油發(fā)電機組，電網(wǎng)中存在不同類型的用電負載，系統(tǒng)動態(tài)變化的范圍較大[1]。

本文以施耐德StruxureWare電能管理系統(tǒng)為框架，設計了用于船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測實驗裝置軟件。基于船舶電站不同的工況環(huán)境，使用電力參數(shù)檢測儀ION7650與PM850分別檢測電網(wǎng)側(cè)與負載側(cè)電力參數(shù)，實現(xiàn)了對不同工況下的船舶電網(wǎng)側(cè)與用戶端的電能參數(shù)監(jiān)測，更好的監(jiān)測船舶電網(wǎng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 船舶電網(wǎng)

1.1 船舶電網(wǎng)的特點

與陸地電網(wǎng)供電端電網(wǎng)容量無限大相比，船舶電網(wǎng)是一個獨立小容量電網(wǎng)，電源容量相對較少，負載容量相對較大。大功率負載啟動時，會對船舶電網(wǎng)造成很大沖擊。

1）非線性負載較多。電力電子設備使用，導致船舶主配電板電流和電壓諧波含量增大。交流電力驅(qū)動通常使用同步電機，其變頻器有交-交變頻器和交-直-交變頻器，由此產(chǎn)生的諧波電流和諧波電壓會通過船舶電網(wǎng)影響其他用電設備，特別是對通信、導航系統(tǒng)的影響更為嚴重[2]。非線性負載的相關(guān)動作(啟動、加載、停止)，會產(chǎn)生電流暫態(tài)和電壓的擾動，對敏感設備的運行造成影響。

2）船舶工況環(huán)境惡劣。工作環(huán)境會嚴重影響電氣設備的運行性能和工作壽命。過高環(huán)境溫度會使電機出力不足，加速絕緣老化；濕度較大會使電氣設備絕緣受潮、發(fā)脹及變形；而鹽霧的存在、霉菌的生長等都會降低電氣設備的絕緣性能，妨礙其安全、可靠的工作[3]。

3）采用混合電制。船舶電網(wǎng)同時存在交流和直流用電設備，然而不同設備有相對獨立的電壓等級，導致整流逆變器、變壓等非線性負載裝置增多。同時，船舶電網(wǎng)中存在不同的工作電壓、頻率的直流、交流的子系統(tǒng)。用電系統(tǒng)混合電制特點，必然導致非線性負載(功率補償器、串并聯(lián)電容器)增多，導致船舶電網(wǎng)諧波問題增加。

4）與陸上輸電距離數(shù)千千米相比，船舶電網(wǎng)輸電距離較短，輸送的容量也較小。船舶發(fā)電機端的電壓、電網(wǎng)電壓和負荷電壓一般為同一電壓等級，且電壓低。由于船舶電氣設備較集中，輸電線路較短。

1.2 船舶電網(wǎng)中諧波的危害

電力系統(tǒng)在理想的狀態(tài)下，是供電系統(tǒng)向用戶提供一個頻率和幅值恒定的正弦電壓。也就是說，保證在正常工作條件下向用戶提供的電能的連續(xù)性和電壓的合格性（包括對稱、頻率、幅值和波形）的一系列參數(shù)。在實際工況下，不同負載會導致三相電壓的幅值、頻率、相位角等發(fā)生相應變化。大量電力電子器件的使用，引起諧波電流和電壓會導致電壓波形畸變。諧波電流和電壓的出現(xiàn)惡化了電網(wǎng)電能質(zhì)量。

圖1 船舶電網(wǎng)中諧波的危害

1）電力電容器發(fā)生故障。由于感性負載的使用，會導致功率因素下降，常常使用電力電容器來補償無功功率。諧波對電容器呈現(xiàn)低阻抗，使電容器成為諧波的吸收點；諧波電流與基波電流疊加超過電容器額定電流，引起電容器過載；電容器熔絲熔斷，影響其正常工作[4]。

2）電機損耗增大。船舶電力拖動設備的動作大部分是由電機實現(xiàn)。船舶電網(wǎng)中的諧波對于電機來說主要是引起了諧波損耗，產(chǎn)生機械振動。

3）線路損耗增加。船舶電網(wǎng)輸電距離較短，輸送的容量也較小，短路電流很大，高次諧波電流在電網(wǎng)中流動產(chǎn)生有功功率損耗，構(gòu)成線路損耗的一部分[5]。

4）引起電力傳感器測量誤差。大部分電力參數(shù)測量儀是在理想狀態(tài)(純正弦波)下檢驗的。當諧波引起電網(wǎng)波形畸變時，電力參數(shù)測量儀會出現(xiàn)不同程度的測量誤差，導致測量結(jié)果不準確。

2 船舶電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

船舶電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測層，通信管理層和系統(tǒng)管理層3部分組成，船舶電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 船舶電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

1）現(xiàn)場監(jiān)測層。通過電力參數(shù)測量儀ION7650和PM850，各種電力檢測傳感器采集電網(wǎng)側(cè)與負載側(cè)的電力參數(shù)。ION7650可以非常精確的計費數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率和電度的有效測量值，還具有高級電能質(zhì)量測量和電能質(zhì)量標準驗證功能[7]。

2）通信管理層?，F(xiàn)場層采用Modbus的通信協(xié)議及RS-485串行通信的方式實現(xiàn)控制端與帶有通訊功能的相關(guān)設備的通訊連接和數(shù)據(jù)交換，將電力參數(shù)測量儀采集的數(shù)據(jù)傳輸給PLC。為了確保數(shù)據(jù)的實時性和準確性，采用基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與遠程設備通信。通過EX300轉(zhuǎn)換現(xiàn)場設備的通信協(xié)議，使用交換機建立局域網(wǎng)。

3）系統(tǒng)管理層。通過施耐德StruxureWare電能管理系統(tǒng)，將電力參數(shù)檢測儀，以及各種電力傳感器采集到的電力參數(shù)實時的顯示。實現(xiàn)對船舶各個用電系統(tǒng)的實時監(jiān)測，及時的發(fā)現(xiàn)一些潛在電能質(zhì)量問題(諧波含量、電壓閃變、波動和暫降、不平衡度、頻率偏差、功率因素)。設置波形自動捕捉，記錄故障時相應的電力參數(shù)波形，以便根據(jù)波形對故障進行分析，提供故障的解決方案。

由于大量非線性、沖擊性負載的使用，容易引起船舶電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變，導致一系列電能質(zhì)量問題，影響船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。船舶電網(wǎng)存在許多電能質(zhì)量問題，急切需要加大對電能質(zhì)量的研究。StruxureWare電能管理系統(tǒng)具有靈活的交互性和擴展性，作為完整的設備監(jiān)測平臺極大的提升了能源管理水平，有效的優(yōu)化了電力系統(tǒng)的運行效率，改善底層設備的使用效率。借助于實時監(jiān)測、報警和電能質(zhì)量分析，可以避免設備的損壞與宕機的風險。StruxureWare電能管理系統(tǒng)能夠自動采集數(shù)據(jù)，實時的了解從發(fā)電端、變電站，到負載側(cè)的電能質(zhì)量信息，并通過多種方式進行信息的共享。使設備優(yōu)化運行，降低維護成本。實時電能質(zhì)量信息監(jiān)測和報表生成，對電能質(zhì)量進行有效的評定并避免問題產(chǎn)生事件立即通知，影響運行設備并損壞設備前發(fā)現(xiàn)和解決問題，有效的診斷工具減少停電恢復時間，并且根據(jù)相應的船舶電能質(zhì)量相關(guān)參數(shù)標準來檢測電能質(zhì)量。StruxureWare電能管理系統(tǒng)功能如圖3所示。

1）數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)能實時或定時采集開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)，對重要歷史數(shù)據(jù)進行處理并存入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)生成各種運行統(tǒng)計報表和圖形(曲線、棒圖、餅圖等)，顯示、打印歷史數(shù)據(jù)、各種運行統(tǒng)計報表。

2）事件報警和記錄。當發(fā)生報警信號(遙測越限、開關(guān)事故變位、保護動作等)時，系統(tǒng)能夠發(fā)出報警聲響并在遠程界面顯示報警的相關(guān)信息，經(jīng)過相關(guān)的操作員確認才能復位。提供相關(guān)的報警原因、時間和電氣參數(shù)值等信息，便于快速排除故障和事故分析。

3）運行監(jiān)視。監(jiān)測主機實時顯示系統(tǒng)的主要接線圖和電氣設備的運行狀態(tài)以及設備的各種電氣參數(shù)，數(shù)據(jù)按畫面刷新時間自動更新，并能按整定的限值自動改變顏色以表示不同的運行狀態(tài)，如過負荷，對應的運行參數(shù)變色并發(fā)出報警信號。

4）電能質(zhì)量監(jiān)視。實時監(jiān)視船舶電網(wǎng)電力參數(shù)，如系統(tǒng)諧波含量、頻率偏差、電壓變化、不平衡度等；設置手動或自動觸發(fā)波形捕捉功能，采集電能質(zhì)量參數(shù)變化的波形，可以根據(jù)波形記錄進行電能質(zhì)量分析和故障分析。

3 不同工況下電能質(zhì)量分析

船舶電網(wǎng)是一個獨立的小容量電網(wǎng)，導致電能質(zhì)量問題的因素很多。因此，對裝置不同工況下的電壓諧波的分布情況進行分析。

1）在電壓為380 V，頻率為45 Hz、50 Hz、55 Hz三種頻率變化下變頻器兩端AB間線電壓測量的結(jié)果，分析了2次至63次諧波的含量。

由圖4和圖5可知電網(wǎng)側(cè)諧波很小，幾乎可以忽略不計，但是奇次諧波的含量相對與偶次諧波的含量要大很大，其中3、5、7、11、13、17、25諧波含量比較顯著，頻率的改變對諧波分布沒有什么影響。相對于電網(wǎng)側(cè)，負載側(cè)的諧波含量比較多，不管是偶次諧波還是奇次諧波含量都比較多。低頻相對于高頻區(qū)諧波含量大，所以頻率的變化會導致諧波分布情況的變化。

2)在頻率恒定的情況下，以AB間線電壓為例。在電機空載時，分別取380 V和32 3V不同電壓下運行的負載側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的電壓測量結(jié)果，分析了電壓波形2至63次諧波的含量的比較。

通過分析可知，電網(wǎng)的側(cè)諧波含量相對來說比較小，奇次諧波相對于偶次諧波的含量比較突出，其中以3、5、7、11、13次諧波含量尤為顯著，電壓下降對電網(wǎng)側(cè)的諧波而言沒有什么顯著影響。相對于電網(wǎng)側(cè)，負載側(cè)的諧波含量比較高，尤其是在低頻，中頻段，主要以奇次諧波為主。電壓變化時，在中頻段諧波變化比較顯著。所以電壓的變化會導致諧波分布情況的改變。

4 總結(jié)

隨著船舶大量使用電力推進裝置，引發(fā)大量電能質(zhì)量的問題，威脅著船舶設備的運行安全。基于StruxureWare的船舶電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測整個船舶用電系統(tǒng)電能質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)，對相關(guān)故障及時預警以及錄波分析，并采取適當?shù)拇胧﹣砀纳拼半娋W(wǎng)電能質(zhì)量，對船舶設備的正常工作，船舶的安全運行具有重要的意義。

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Electric Network Monitoring System for Ship Based on StruxureWare

Chen Dongdong, ShiWeifeng, Geng Tao

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ, Shanghai 201306, China)

TM732

A

1003-4862（2017）07-0037-04

2017-03-15

諶冬冬（1992-），男。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。