CN110445121A - 动力定位船舶母联闭合型电力系统的gpa功率变送方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动力定位船舶母联闭合型电力系统的GPA功率变送方法，通过GPA功率适配单元输入模拟量信号和开关量信号，输出为电网在网机组最大负荷率，输出给主推系统；具体为：将各发电机组的模拟量信号送至GPA电量测量变送板；A/D转换芯片将各发电机组的模拟量信号转换成数字信号，送去CPU板；逻辑控制板采集开关量信号及进行逻辑计算，并将开关量信号送往CPU板；CPU板通过执行程序进行可用功率计算，并将输出的可用功率的数字信号传至D/A转换芯片，转换成模拟量信号输出给主推系统。本发明整套GPA硬件均选用高精度芯片，精度高，响应性好；可在极短的时间内获取在网机组最大负荷率和最大机组负荷率等关键信息，为电网供电连续性及能量平衡提供基础。

Description

动力定位船舶母联闭合型电力系统的GPA功率变送方法

技术领域

本发明涉及动力定位船舶母联闭合型电力系统技术领域，具体涉及一种 动力定位船舶母联闭合型电力系统的GPA功率变送方法。

背景技术

动力定位(DP)船舶母联闭合型电力系统由中压供电系统、电力推进系 统、能量管理系统和监测报警系统等组成。其中，能量管理系统主要完成供 电分系统中发电机控制和能量管理等功能。DP作业工况电网负荷大，负载 实时性高，GPA(Generator PowerAdaptor，功率适配单元)作为能量管理系 统的核心部件，充当中压供电系统与电力推进系统的桥梁作用：GPA功率适 配单元实时监测电网负载情况，最大程度地满足推进负载需求，同时避免由 于瞬时负载波动造成的电网冲击、过载甚至电网失电等恶劣情况，保证整个系统安全稳定地运行。基于上述，研发一种动力定位船舶母联闭合型电力系 统的GPA功率变送方法实为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力定位船舶母联闭合型电力系统的GPA 功率变送方法，通过GPA功率适配单元实时监测电网负载情况，最大程度地 满足推进负载需求，同时避免由于瞬时负载波动造成的电网冲击、过载甚至 电网失电等恶劣情况。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种动力定位船舶母联闭合型电力系统的GPA功率变送方法，通过GPA 功率适配单元输入模拟量信号和开关量信号，输出为电网在网机组最大负荷 率，并将当前电网在网机组最大负荷率输出给主推系统，限制主推系统的功 率；该方法包含以下过程：通过变送器将各发电机组的模拟量信号送至GPA 功率适配单元的GPA电量测量变送板；GPA电量测量变送板中的A/D转换 芯片将各发电机组的模拟量信号转换成数字信号，将其送去GPA功率适配单 元的CPU板；GPA功率适配单元的逻辑控制板高速采集开关量信号及进行 逻辑计算，并将开关量信号送往所述CPU板；CPU板通过执行程序进行可 用功率计算，并将输出的可用功率的数字信号传至GPA电量测量变送板中的 D/A转换芯片，再转换成对应的模拟量信号，输出给主推系统。

优选地，所述的GPA功率变送方法进一步包含：发电机组模拟量信号输 入至第一直流电流隔离器后，输出隔离转换后对应的电流信号；将第一直流 电流隔离器输出的电流信号经直流电流/电压转换电路，转换成电压信号后传 输至A/D转换芯片的输入端，将电压信号变成对应的数字信号，送去CPU 板，实现CPU板的模拟量采集；CPU板输出计算得到的可用功率的数字信 号，并传输至D/A转换芯片，转换成对应的电压信号，送至直流电压/电流转 换电路，转换成对应的电流信号；直流电压/电流转换电路输出的电流信号送 至第二直流电流隔离器，并输出隔离转换后可用功率的电流信号，供给主推 系统。

优选地，通过多个功率变送器将对应发电机功率以4mA～20mA信号或 者通过多个电流变送器将对应的发电机功率、电流以4mA～20mA信号输入 第一直流电流隔离器，并以4mA～20mA信号形式输出并传至直流电流/电压 转换电路，转换后的直流电压送至A/D转换芯片输入端，将直流电压信号变 成对应的数字信号，送去CPU板，实现CPU板的模拟量采集；逻辑控制板 采集的开关量被送往CPU板，实现CPU板的开关量采集；CPU板通过执行 程序进行可用功率的计算，将输出的可用功率的数字信号传至D/A转换芯片， 转换得到直流电压并经直流电压/电流转换电路，直流电压变换为直流电流， 并以4mA～20mA信号传输至第二直流电流隔离器，最终将电网可用功率以 4mA～20mA形式输出给主推系统。

优选地，所述CPU板通过执行程序进行可用功率的计算包含以下过程：

GPA功率适配单元内部建立电力系统模型，该模型包含隔离位置、岸电 位置、机组位置、GPA接入位置信息；

将电站形式填入到相应的配置表格中，GPA功率适配单元通过对开关量 的读取，采集到各发电机组主开关状态和跨接开关状态；

计算出与每台机组本机组在同一个单元的相关机组，并将相关机组采集 到的机组功率纳入同一组内；

配置表格内配置的GPA接入位置决定选取的相应的机组功率的组别，选 取到相应相关的机组后，再通过循环比较法选出机组负荷率最大的机组功率。

优选地，所述GPA功率适配单元与用于负责采集发电机组的状态信号和 各电量信号的机组机组控制器连接，并将所述GPA功率适配单元的工作正常 网络信号传送至所述机组控制器。

优选地，所述CPU板的外部配合有一专用定时电路，用于监测CPU板 是否正常工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的动力定位船舶母联闭合型电力系统采用GPA功率适配单元，整 套GPA硬件均选用高精度芯片，精度高，响应性好；GPA功率适配单元内 置了一套精密的算法，可在极短的时间内获取每台机组及每段汇流排之间的 对应关系，从而获取在网机组最大负荷率和最大机组负荷率等关键信息，为 电网供电连续性及能量平衡提供基础。

附图说明

图1为本发明的电量测量变送板原理框图；

图2为本发明的GPA功率适配单元的软件主程序流程图；

图2a为本发明的GPA运算处理子程序流程图；

图3为本发明的GPA信息获取路径示意图。

具体实施方式

使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本 发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的动力定位船舶母联闭合型电力系统推进负载智能控制方法主要 是推进端根据实时接收的本段电网最大机组负荷率对推进负载输出实时控 制。若在网机组负荷率已达到一定的限值，推进端则主动限制推进速度，保 证电网安全；若电网在网机组最大负荷率降低且此时推进设备有增加推进功 率的需求(即当正常的负荷降低，以正常的功率输出)，推进端应能自动获取 推进功率，保证推进速度。

当运行发电机出现严重故障造成故障机组跳闸、停机或电网出现严重故 障后，其他运行机组可能过载，为了避免由于机组过载造成的停机，需要短 时间内使主推功率降低，GPA功率适配单元可以实现该时间段内(短时间内) 发送信号给主推变频器，主推变频器限制主推的功率，使主推功率降低，保 证当前电站实际功率不超过96％(可设)额定功率。

具体地，当机组出现故障，提供速算的机组合闸反馈和跨接合闸反馈将 会出现变化，GPA功率适配单元将会迅速进行系统重构，找出与当前推进设 备相关的机组组合，并通过循环比较法选出机组负荷率最大的机组功率。GPA 功率适配单元将最大机组负荷率提供给主推，配合主推进设备进行负载负载 突降。

本发明的基于GPA的动力定位船舶母联闭合型电力系统能量管理系统， 包含GPA功率适配单元，GPA功率适配单元配备了开关量输入单元，可以 实时监测发电机组主开关状态、跨接开关状态，若开关量输入变化，即意味 着电站结构发生了变化，后续程序将按照当前电网结构进行速算；同时，还 配备了模拟量输入单元，本发明通过综合开关量及模拟量采集情况，用于后 续精密算法换算出在网机组的负载功率，从而用于主推进器主动控制推进负 载。GPA功率适配单元对外输入为各发电机组主开关状态、跨接开关状态信 号、电流(4mA～20mA)、功率(4mA～20mA)信号等；GPA功率适配单元 对外输出为电网在网机组最大负荷率4mA～20mA信号。

GPA功率适配单元通过计算电站当前的实际功率及根据各发电机组主 开关状态、跨接开关状态，可得到当前电网在网机组最大负荷率。根据当前 电网在网机组最大负荷率限制主推进装置的功率，并将当前电网在网机组最 大负荷率以4mA～20mA信号形式输出给主推系统。

如图1-图3结合所示，本实施的GPA功率适配单元包含：一块CPU板 (例如型号RC2101-4)、一块GPA电量测量变送板(例如型号PM2119-1)、 一块逻辑控制板(例如型号PM2216-1)和一块电源板(例如型号RC2103-2)。 CPU板是程序运行的物理平台，模拟量运算算法在其内执行。逻辑控制板用 于集成FPGA，高速采集开关量并进行逻辑计算。

示例地，通过1#功率变送器将1#发电机功率DC4mA～20mA信号输入直 流电流隔离器，以DC4mA～20mA信号形式输出并传至I/V转换电路(直流 电流/电压转换电路)，则直流电流经过采样变为直流电压再经运放送至A/D 转换芯片输入端，通过A/D转换芯片将模拟信号变成数字信号，送去CPU 板；同理，本实施例还同时输入2#发电机功率、3#发电机功率～xx#发电机功 率直至12#发电机功率(共计12路)，具体过程同1#发电机功率，在此不做赘述。本发明不仅限于输入1#～x#发电机功率(DC4mA～20mA)，还可以是 通过1#～x#电流变送器将1#～x#发电机电流(DC4mA～20mA)输入至GPA功 率适配单元，具体原理同上。因为GPA功率适配单元的功能主要是防止机组 过载导致全船在网机崩溃的情况发生，主要考察了发电机组的功率和电流， 其他如电压、频率等情况暂时不做考虑。

电量测量变送板将数字信号送去CPU板，实现CPU板的模拟量采集； 同时，由逻辑控制板高速采集的开关量(例如发电机组合闸状态、跨接开关 合闸状态等)也送往CPU，即实现CPU板的开关量采集，CPU通过执行程 序进行可用功率计算，即利用GPA运算处理子程序根据各发电机组的功率信 号、电流信号及发电机组主开关状态、跨接开关状态等，计算供电系统的剩 余功率，然后将输出的可用功率传至D/A转换芯片，然后输出DC 0V-5V， 并经V/I转换电路(直流电压/电流转换电路)，将直流电压变换为直流电流， 以DC4mA～20mA信号输至直流电流隔离器，最终将电网可用功率以 4mA～20mA形式输出。

本发明中，发电机组不仅向GPA功率适配单元输入发电机功率和发电机 电流，还输入有发电机组主开关状态、跨接开关状态等至机组控制器(该机 组控制器负责采集机组的状态信号和各电量信号)，这些信息均用来进行电站 结构的推算和最终结果的速算，机组控制器和GPA功率适配单元之间保留通 信信号，可以将GPA功率适配单元正常工作的网络信号传至其他机组控制 器，甚至是整个网络通信系统，可以实时反映其工作状态，必须保证其正常 运行。

如图1-图3结合所示，本发明提供一种GPA功率变送方法，该方法包含 以下过程：

通过功率变送器将发电机功率(4mA～20mA)或者通过电流变送器将发 电机功率、电流(4mA～20mA)信号输入直流电流隔离器，以DC4mA～20mA 信号形式输出并传至I/V转换电路，则直流电流变为直流电压送至A/D转换 芯片输入端；

通过A/D转换芯片将模拟信号(直流电压)变成数字信号，送去CPU 板；

电量测量变送板将数字信号送去CPU板，实现CPU板的模拟量采集； 同时，由逻辑控制板高速采集的开关量(例如发电机主开关状态、跨接开关 状态等)也送往CPU，即实现CPU板的开关量采集，则CPU执行定时处理 程序，并根据发电机功率、发电机主开关状态、跨接开关状态，进行标志位 处理程序，然后CPU通过功率抑制适配算法进行运算，得出最大机组负荷率 (如图2中所示的推进功率抑制信号)将输出的最大机组负荷率由数字量信 号经过D/A转换芯片转换成4～20mA模拟量信号输出给推进变频器，主推 进器是根据最大机组负荷率自己进行功率限制，即推进端根据实时接收的本 段电网最大机组负荷率对推进负载输出实时控制。

其中，CPU的外部还配有专用定时电路“看门狗”(Watch Dog Timer)， 用于监测CPU是否正常工作；“喂狗”(kicking the dog)操作指程序内会定 时输出一个信号至“看门狗”电路用于将计时器清零，即如果程序因某种情 况跑飞进入死循环后将无法定时“喂狗”，然后“看门狗”电路计时结束将强 制输出复位信号将CPU复位。

所述CPU通过功率抑制适配算法的原理如下：

(1)针对不同的电站系统，GPA功率适配单元内部建立了一个电力系 统模型，模型中包含了隔离位置、岸电位置、机组位置、GPA接入位置(相 应的机组位置)等关键信息。

(2)针对不同船型的电站，将电站形式填入到相应的配置表格中(配置 表格中包含接口类型、接口内容等信息)，GPA功率适配单元通过对开关量 的读取采集到了各发电机组主开关状态和跨接开关状态鉴于信号的真实性， 电路板进行了相应的硬件滤波，保证所采集到的信号真实有效。

(3)配置内的每台机组主程序向左向右分别走一个循环，直至跨接开关 断开位置，速算出与本发电机组在同一个单元的相关机组，并将相关机组采 集到的机组功率(已经滤波处理好的4～20mA模拟量信号)纳入同一组内。 表内配置的GPA接入的位置决定了选取的相应的机组功率的组别，选取到相 应相关的机组后再通过循环比较法(可通过程序实现的一种常规循环比较方 法)选出机组负荷率最大的机组功率。最终通过D/A转换，将最大机组负荷 率由数字量信号转换成4～20mA模拟量信号输出给推进设备。

本发明的GPA功率适配单元是实现动力定位船舶母联闭合型电力系统 推进负载智能控制方法的软件和硬件载体。GPA功率适配单元在整个能量管 理系统中负担了较为核心的负载限制任务，是能量管理系统对外的传达中介， 若出现故障将导致整个电网无法正常工作，甚至出现严重事故。GPA功率适 配单元除了保证单个自我恢复功能外，还需要由热备份GPA设备，随时准备 替代故障设备。

如图4所示，所有机组状态和电网信息都必须同时接入两个GPA功率适 配单元，两台设备接收状态同步一致，算法及控制策略相同，区分只是在安 装部位和执行部分。两台设备必须安装在船舶不同的舱室，若极端情况出现 失去一个舱室，另一台设备应能保持正常工作，从而维持整个能量管理系统 的正常运行，保证电网供电的连续性和能量的平衡。正常情况下，推进设备 同时接收两个GPA功率适配单元变送的电网在网机组最大负荷率信号，但是 只根据主设备的变送情况判断执行。当主控制器出现故障时，在能量管理系 统内能自励报警并失去正常工作标识，推进系统则根据备用GPA变送信号进 行判断执行。通过接收端选择性接收的方式来保证系统控制不间断。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识 到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述 内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的 保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种动力定位船舶母联闭合型电力系统的GPA功率变送方法，其特征在于，通过GPA功率适配单元输入模拟量信号和开关量信号，输出为电网在网机组最大负荷率，并将当前电网在网机组最大负荷率输出给主推系统，限制主推系统的功率；该方法包含以下过程：

通过变送器将各发电机组的模拟量信号送至GPA功率适配单元的GPA电量测量变送板；

GPA电量测量变送板中的A/D转换芯片将各发电机组的模拟量信号转换成数字信号，将其送去GPA功率适配单元的CPU板；

GPA功率适配单元的逻辑控制板高速采集开关量信号及进行逻辑计算，并将开关量信号送往所述CPU板；

CPU板通过执行程序进行可用功率计算，并将输出的可用功率的数字信号传至GPA电量测量变送板中的D/A转换芯片，再转换成对应的模拟量信号，输出给主推系统。

2.如权利要求1所述的GPA功率变送方法，其特征在于，

进一步包含：

发电机组模拟量信号输入至第一直流电流隔离器后，输出隔离转换后对应的电流信号；

将第一直流电流隔离器输出的电流信号经直流电流/电压转换电路，转换成电压信号后传输至A/D转换芯片的输入端，将电压信号变成对应的数字信号，送去CPU板，实现CPU板的模拟量采集；

CPU板输出计算得到的可用功率的数字信号，并传输至D/A转换芯片，转换成对应的电压信号，送至直流电压/电流转换电路，转换成对应的电流信号；

直流电压/电流转换电路输出的电流信号送至第二直流电流隔离器，并输出隔离转换后可用功率的电流信号，供给主推系统。

3.如权利要求2所述的GPA功率变送方法，其特征在于，

通过多个功率变送器将对应发电机功率以4mA～20mA信号或者通过多个电流变送器将对应的发电机功率、电流以4mA～20mA信号输入第一直流电流隔离器，并以4mA～20mA信号形式输出并传至直流电流/电压转换电路，转换后的直流电压送至A/D转换芯片输入端，将直流电压信号变成对应的数字信号，送去CPU板，实现CPU板的模拟量采集；

逻辑控制板采集的开关量被送往CPU板，实现CPU板的开关量采集；

CPU板通过执行程序进行可用功率的计算，将输出的可用功率的数字信号传至D/A转换芯片，转换得到直流电压并经直流电压/电流转换电路，直流电压变换为直流电流，并以4mA～20mA信号传输至第二直流电流隔离器，最终将电网可用功率以4mA～20mA形式输出给主推系统。

4.如权利要求1所述的GPA功率变送方法，其特征在于，

所述CPU板通过执行程序进行可用功率的计算包含以下过程：

GPA功率适配单元内部建立电力系统模型，该模型包含隔离位置、岸电位置、机组位置、GPA接入位置信息；

将电站形式填入到相应的配置表格中，GPA功率适配单元通过对开关量的读取，采集到各发电机组主开关状态和跨接开关状态；

计算出与各台机组本机组在同一个单元的相关机组，并将与当前推进设备相关的机组采集到的机组功率纳入同一组内；

配置表格内配置的GPA接入位置决定选取的相应的机组功率的组别，选取到相应相关的机组后，再通过循环比较法选出机组负荷率最大的机组功率。

5.如权利要求1所述的GPA功率变送方法，其特征在于，

所述GPA功率适配单元与用于负责采集发电机组的状态信号和各电量信号的机组控制器连接，并将所述GPA功率适配单元的工作正常网络信号传送至所述机组控制器。

6.如权利要求1所述的GPA功率变送方法，其特征在于，

所述CPU板的外部配合有一专用定时电路，用于监测CPU板是否正常工作。