一种新型的船舶能量管理系统设计研究

摘要：随着综合电力系统技术及全电力船舶的发展，船舶能量管理系统的应用逐渐成为未来船舶发展的必然趋势。本文针对一类新型船舶能量管理系统研制过程中主要技术问题进行研究。能量管理系统信息网络采用硬线直连、双冗余现场总线和双冗余以太网混合的网络构架，以保证控制的可靠性；软件系统基于松散耦合的分层架构构建，利用动态耦合组件技术实现软件接口，建立了船舶能量管理系统公用信息模型，利用实时数据缓存技术来构建能量管理实时数据库。基于这些关键技术研发的能量管理系统保证了全电力船舶网络化监控的实时性、有效性和可靠性。

关键词：船舶能量管理系统；综合电力系统；公用信息模型；动态耦合

中图分类号：U665.1 文献标识码：A

1引言

随着综合电力系统（Integrated Power System，IPS）技术及全电力船舶[1]的发展，船舶能量管理系统（Shipping Energy Management System，SEMS）的应用逐渐成为未来船舶发展的必然趋势[2-5]。

船舶能量管理系统是船舶综合电力系统的管理中心，是综合电力系统的核心系统之一。随着船舶综合电力系统技术发展，电站容量、电力系统网络结构形式都发生了变化，尤其是电力推进等高耗能系统的出现使电力的产生、分配、管理变得非常复杂，必须采用基于系统分析上的能量深层次管理方式。能量管理系统就是建立多级计算机网络，对船舶电站、电力系统、负载特别是电力推进系统等大功率负载进行综合计算分析，对电力系统的电网运行状况、安全情况、电能质量情况的监测、保护和管理，可实现能量的智能化调配，以保证能量供应的连续性、稳定性和经济性，提高船舶的续航力。

本文对新型船舶能量管理系统研制过程中的主要技术问题进行研究，包括系统软硬件体系架构及实现的关键技术等，从而保证全电力船舶网络化监控的实时性、有效性和可靠性。

2船舶能量管理系统硬件架构研究

船舶能量管理系统硬件总体框图如图1所 图1 船舶能量管理系统总体架构图

示，系统信息网络采用硬线直连、双冗余现场总线和双冗余以太网混合的网络构架。即重要的信号线、控制线为硬线直连，如紧急停车控制线等；实时性要求比较高的信号采用具有实时优先级功能的现场总线，如操控台的车钟、多功能定义键、电站的机组控制器和电站区域控制器之间、负载区域控制器与采集单元之间采用现场总线连接。

能量管理模块上层通过双冗余以太网连接，其中连接交换机的主干网络采用光纤以太网，各接入主干以太网的设备采用双冗余以太网连接。由于是环形主干网络，因此当环型链路上有一点发生断线时，自动开启备用线路，让系统恢复运行，切换时间小于 500ms。交换机之间的两条链路采用链路聚合方式运行，在双倍增加带宽的同时，增加系统的冗余度，当一条链路发生断路故障，另一条链路仍可正常运行，保证交换机之间正常通讯。

显控台是数据的融合中心和分析处理中心，作为功能软件的载体，完成能量管理的人机界面的显示、故障报警、运算分析、综合决策与控制等功能。主要包括配电及负载管理显控台、系统分析及安全管理显控台、信息与网络管理显控台、电力推进显控台等。

功能管理软件包括供配电管理、负载管理、安全管理、系统分析、电力GIS、信息网络管理6个功能模块。功能软件是在开放框架下应用开发、应用集成和系统运行的环境集合。它基于已成熟的行业技术标准，在异构分布环境（操作系统、网络、数据库）下提供透明、一致的信息访问和交互手段，对其上运行的应用进行管理，为应用提供服务，它提供统一的共享数据机制和设施，支持应用间协同工作。

3船舶能量管理系统软件架构研究

能量管理系统软件的总体部署如下：集控室部署供配电及负载管理显控台、系统分析及安全管理显控台、电力GIS与信息网络管理显控台、电力推进显控台及服务器；完成能量管理系统的人机交互功能；驾控室部署能量管理驾控室显控台，复显能量管理重要信息。

能量管理系统软件系统的逻辑架构如图2所示。数据存储层是整个软件系统的数据支撑，其主要功能包括：通过外部环境接口，利用数据采集和处理组件从现场设备采集数据，按CIM（common information model，通用信息模型）模型格式存储至数据库，或向现场设备发送指令；与服务层和应用层进行数据交互。服务层是CIS（component interface specification，组件接口规范）接口的实现层，从数据存储层读取数据，按一定的组件粒度，实现能量管理应用组件和公共应用组件，供应用层调用。应用层根据各功能模块的需求，调用服务层组件，实现能量管理平台的软件功能。

图2 能量管理系统软件架构图

采用这种松散耦合结构优点在于：

① 每一显控台按配置需求分布式地进行业务线程计算和数据处理，提高操作端的响应速度。

② 数据存储功能由应用服务器完成，避免了当监控数据量较大时的数据拥挤和通信瓶颈问题。

③ 当系统需求发生变化，增加新的功能或修改功能时，开发人员可增加功能配置参数更新业务逻辑，从而提高系统的可维护性。

④ 当终端控制台发生变化，数据或者应用服务器的业务逻辑也不需改变，从而提高系统模块的可重用性，便于系统的升级，降低建设和维护成本。

利用面向对象软件工程的设计方法，能量管理软件系统主流程（活动图）如图3所示。详细描述了包括软件初始化、数据通信与处理、主界面显示、各子界面图形显示、各功能模块应用组件、故障报警等在内的软件主体相互关系。

4能量管理系统实现关键技术研究

4.1 船舶公共信息模型（CIM）技术研究

船舶能量管理系统作为一个集数据采集、数据通信、实时监控和数据处理为一体的信息流对能量流的管理系统，无论是底层的智能终端所具有的数据采集和程序处理，还是各种高级应用程序，其功能的最终操作对象都是数据。因此构建船舶能量管理系统公共信息模型（Common Information Model，CIM）是船舶能量管理系统软件实现的一项关键技术。

本文借鉴“国际电工委员会制定的IEC 61970系列标准”，结合船舶能量管理系统与陆地能量管理系统的联系和区别，对公共信息模型CIM语义上进行扩展，以对象类和属性的方式来显示船舶电力系统资源以及它们之间关系，实现不同应用系统间集成。并用统一建模语言（UML）构建支持面向对象的元数据模型。

4.2 船舶能量管理系统软件接口规范

网络化使船舶能量管理平台系统软件在分布式环境下分工合作， 不再靠“单干”， 不再是“孤岛”， 这种分布式系统往往是一个由不同硬件、不同操作系统、不同支撑环境或不同厂家的产品组成的异构系统， 要使其协调工作，各个部分的软件接口必须标准化， 能像硬件那样“即插即用”。

本课题提出利用动态耦合组件技术实现软件接口的方案。动态耦合组件技术是指根据能量管理系统的特点，将数据通讯、数据存储与读取、监控对象数据显示、数据综合显示、功能模块调用等应用，按照不同的组件粒度进行封装，按照不同的功能需求调用相应的组件。

4.3 船舶能量管理系统数据库管理技术研究

在能量管理系统中，数据库系统是实现有组织、动态的存储大量电力系统数据，方便多操作者访问的由计算机软硬件资源组成的系统。不论是底层的智能终端所具有的数据采集和处理程序，还是各种高级应用程序，其功能的最终操作对象都是数据，因此数据库系统是能量管理软件的核心。

从现场设备的物理位置来看，能量管理系统数据可分为以下几类：发电机组状态数据、配电状态数据、推进状态数据、电能质量测量状态数据以及电量同步测量状态数据等。从数据特性上来看，能量管理数据又可以分为以下几类：实时量测数据、状态估计数据、基本数据、历史数据和临时数据。能量管理数据还可分为实时态数据和研究态数据。由此可见，能量管理系统涉及的数据种类复杂，数据量大、相互联系交互。只有从系统的角度仔细设计数据库，才能把不同的应用软件连成有机的能量管理整体，并能适应综合电力系统的扩展。

本课题利用实时数据缓存技术来构建能量管理实时数据库，从而保证数据读取的实时性。结构如图4所示的。实时数据库包括数据库数据结构模型、实时资源管理、数据操作和数据通信等模块。实时数据库数据直接对内存进行操作，使每个实时事务执行过程中避免了磁盘I/O，减少了不确定因素，提高了执行效率。

实时数据库的“实时资源管理”主要涉及到数据存储形式（一种是存储在内存数据库中，另一种是转储到磁盘上）。能量管理系统的数据十分庞大，并不是所有数据都需要存放在内存数据库中，而是根据实时数据库管理策略将实时性、高效性、关键性数据放到内存数据库中。并且建立事件触发机制，按策略将实时数据缓存的数据存入历史数据库。

5结论

船舶能量管理系统的核心是实现全船能量的在线监测与合理控制， 以保证在船舶主机和发电机都不过载的前提下满足全船动力、电力和推进等特种负荷的需要。本文针对一类新型船舶能量管理系统研制过程中主要技术问题进行了研究。设计的能量管理系统信息网络采用硬线直连、双冗余现场总线和双冗余以太网混合的网络构架，以保证控制的可靠性；软件系统基于松散耦合的分层架构构建，利用动态耦合组件技术实现软件接口，建立了船舶能量管理系统公用信息模型，利用实时数据缓存技术来构建能量管理实时数据库。基于这些关键技术研发的能量管理系统保证了全电力船舶网络化监控的实时性、有效性和可靠性。本文所研究的能量管理系统设计方法将随着综合电力技术的发展而进一步提高，以满足未来现代化船舶设计的需要，大幅提高船舶整体性能。

参考文献：

[1] 郑元璋， 冀路明， 李海量. 舰船综合电力推进监控系统研究[ J]. 中国航海， 2005（4）： 83-86.

[2] 徐永法，韩旗，杜军，等. 船舶能量管理系统PMS 研究[J]. 中国航海，2005（3）： 78-80， 86.

[3] 罗成汉，陈辉. 船舶能量管理系统PMS 对策[J]. 中国航海，2007（4）：87-91.

[4] 韩旗，黄一民，张纪元，等. 船舶能量管理系统技术[J].船舶工程，2009（31）： 102-104.

[5] 张纪元， 王洪波， 罗晓春. 舰船能量管理系统技术研究[J]. 船电技术，2007，27（2）： 97-99.

推荐访问:管理系统 船舶 能量 研究 设计