CN112614020A - 一种基于电能质量的电力推进状态评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电能质量的电力推进状态评估系统，评估系统内采用统一的软件平台；评估系统包括船端现场层、船端应用层和岸基应用层，船端现场层包括船端设备、智能信息IO站、电能信息采集系统、能量管理系统、推进控制系统和监测报警系统；船端设备连接有传感器，每个传感器均与智能信息IO站连接，智能信息IO站通过网线与交换机与电能信息采集系统、能量管理系统、推进控制系统、监测报警系统连接组成POWERLINK实时数据网络；船端应用层包括由健康管理系统服务器、船舶计算机和船岸通讯系统组成的船舶局域网系统；健康管理系统服务器与POWERLINK实时数据网络相连；岸基应用层包括岸基服务器和岸基用户端。

Description

一种基于电能质量的电力推进状态评估系统

技术领域

本发明属于船舶的电力推进评估领域，特别是涉及一种基于电能质量的电力推进状态评估系统。

背景技术

目前的一些海上运输船的电能运行质量有时无法实现有效采集和监测，且电能质量的监测指标包括的电气量测量、特征参数的分析计算（包括电压偏差、电压跌落、瞬态电压偏差、电压波动的相对值、线电压不平衡度、频率偏差、瞬态频率偏差、瞬态频率恢复时间、频率周期性变化、电流不平衡度等）、谐波分析（包括单次谐波电流、总谐波电流、单次谐波电压、总谐波电压）、报警及事件管理、历时数据记录、查询显示功能等多个指标。

目前还没有相应的系统或设备对运输船中各设备的电力推进状况做健康状态评估，且没有相应的直观显示功能，不能显示主要设备的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率，并无法通过明显的标识符号显示设备的运行、待机、故障、闭合、断开等运行工况。也缺少报警及事件管理装置，无法根据触发条件报警自动触发，并记录故障发生前指定周期和故障发生后指定周期的波形。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于电能质量的电力推进状态评估系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于电能质量的电力推进状态评估系统，评估系统内采用统一的软件平台；评估系统包括船端现场层、船端应用层和岸基应用层，所述船端现场层包括船端设备、智能信息IO站、电能信息采集系统、能量管理系统、推进控制系统和监测报警系统；所述船端设备连接有传感器，每个传感器均与智能信息IO站连接，所述智能信息IO站通过网线与交换机与电能信息采集系统、能量管理系统、推进控制系统、监测报警系统连接组成POWERLINK实时数据网络 ；

所述船端应用层包括由健康管理系统服务器、船舶计算机和船岸通讯系统组成的船舶局域网系统；所述健康管理系统服务器与POWERLINK实时数据网络 相连；

所述岸基应用层包括岸基服务器和岸基用户端；所述岸基服务器与船岸通讯系统通过卫星或移动通信技术连接；

所述健康管理系统服务器和岸基服务器内均设有实时数据库和历史数据库 ；

所述船端现场层通过电能信息采集系统、智能信息IO站和传感器对船端设备的电力推进信号进行实时采集，并通过POWERLINK实时数据网络 传输至能量管理系统、推进控制系统、监测报警系统和健康管理系统服务器；所述船端应用层用于对收集到的电力推进信号进行检测并进行状态评估；并将收到的电力推进信号传输至岸基应用层进行最终的评估。

进一步的，所述船端设备包括推进系统、泵组、风机、配电板、柴油发电机组；所述推进系统包括推进变频器、推进变压器和推进电机。

进一步的，所述电能信息采集系统内设置有电压电流采集模块，电压电流信号缓存模块和信号分析模块，信号分析模块能够完成有效值频率功率计算、谐波分析、三相不平衡分析、电压波动闪变分析和暂态分析。

进一步的，所述岸基用户端包括普通用户访问端与专业工程人员端；所述岸基服务器包括普通实体服务器与云服务器。

进一步的，所述软件平台的功能包括对在线供电系统和船端设备中电气量的测量、特征参数的分析计算、谐波分析、报警及事件管理、历时数据记录和查询显示功能；所述特征参数的分析计算包括电压偏差、电压跌落、瞬态电压偏差、电压波动的相对值、线电压不平衡度、频率偏差、瞬态频率偏差、瞬态频率恢复时间、频率周期性变化和电流不平衡度；谐波分析包括对单次谐波电流、总谐波电流、单次谐波电压、总谐波电压分析计算。

进一步的，报警及事件管理能够根据触发条件报警自动触发，并记录故障发生前指定周期和故障发生后指定周期的波形，触发条件由用户设定；所有实时采样数据、顺序事件记录均可保存到历史数据库，在船舶计算机及其岸基用户端内的图形用户界面能够自定义需要查询的参数、查询的时间段或选择查询最近更新的记录数，显示并绘制成曲线图。

软件平台的查询显示功能能够直观显示综合电力系统的网络拓扑，显示设备的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率，并用明显的标识符号显示设备的运行、待机、故障、闭合、断开运行工况；当发生故障事件记录时，显示报警提示，并能够切换至事件记录页面查看事件过程。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明采用实时通讯技术从船只已有的能量管理、推进控制、监测报警系统等系统获得已有的运行数据，充分利用现有信息资源。同时，对发电机、配电板、主推进电机等重要设备新增相应的传感器，通过高性能智能信息IO站实时告诉采集运行数据，与已有数据融合，支撑大数据分析功能。

2.本发明的系统内可以采用统一的软件平台，组织统一的数据库资源和计算资源，应用软件开发相应功能模块，嵌入式运行于各服务器，在船端任何位置的联网计算机通过浏览器均可实现对健康管理系统软件应用的调用。

3.本发明系统具备极大的扩展性，当船舶需进行其他智能系统改造升级时，新的数据可接入本数据平台，新的智能化应用也可运行于本平台，而无需再增加新的网络设备和数据库等硬件。

4.岸基及全船采用统一软件平台，该数据平台具有全面的开发性，满足全面的科研开发的需求，可提供的工具与接口包括：支持C、Python高级语言，实现复杂算法的开发。自带实时、历史数据库，支持SQL语言对数据库的访问。支持MQTT、OPC UA等协议，方便与MES、SAP、云系统的连接。

附图说明

图1是本发明的系统组成结构示意图。

图2是本发明系统的工作流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明一种基于电能质量的电力推进状态评估系统，包括船端现场层、船端应用层和岸基应用层，船端现场层包括船端设备、智能信息IO站、电能信息采集系统、能量管理系统、推进控制系统和监测报警系统；船端设备连接有传感器，每个传感器均与智能信息IO站连接，所述智能信息IO站通过网线与交换机与电能信息采集系统、能量管理系统、推进控制系统、监测报警系统连接组成POWERLINK实时数据网络；船端应用层包括由健康管理系统服务器、船舶计算机和船岸通讯系统组成的船舶局域网系统；所述健康管理系统服务器与POWERLINK实时数据网络相连；岸基应用层包括岸基服务器和岸基用户端；所述岸基服务器与船岸通讯系统通过卫星或移动通信技术连接；健康管理系统服务器和岸基服务器内均设有实时数据库和历史数据库；其中实时数据库采用APROL实时数据库，毫秒级的数据刷新周期可以支撑系统智能化应用对数据实时性的要求。

船端现场层通过电能信息采集系统、智能信息IO站和传感器对船端设备的电力推进信号进行实时采集，并通过POWERLINK实时数据网络传输至能量管理系统、推进控制系统、监测报警系统和健康管理系统服务器；船端应用层用于对收集到的电力推进信号进行检测并进行状态评估并做出初始决策及维护等；并将收到的电力推进信号传输至岸基应用层进行最终的评估。

船端设备包括推进系统、泵组、风机、配电板、柴油发电机组；推进系统包括推进变频器、推进变压器和推进电机。

电能信息采集系统内设置有电压电流采集模块，电压电流信号缓存模块和信号分析模块，能够对采集到的电力推进信号进行谐波分析、三相不平衡分析、电压闪变波动分析、电压暂态分析并存储。

岸基用户端包括普通用户访问端与专业工程人员端；普通用户访问端的使用人员包括公司用户等；专业工程人员端包括工程师等，用于远程维护和辅助决策。岸基服务器包括普通实体服务器与云服务器。

本实施例以液化天然气（LNG）运输船“海洋石油301”号为例，基于实时以太网、实时数据库等先进架构，构建船岸协同的数据共享平台和功能融合平台，在保证船舶运行安全的基础上，通过对船舶运行电能质量相关大数据的有效采集和融合，构建一套船端和云端相互融合的电力推进状态评估系统。对电力推进状态评估系统的设计构思如下：

1.关于系统内各电能数据状态感知的设计

1.1电能波形数据实时采集需求分析

电能波形数据实时采集功能主要分为信号采样设置和信号分析处理。信号采样设置采用信号采集卡进行基本配置，如通道设置、采样速率设置、限幅设置等。信号分析处理包括数据缓存，数据分析，数据存储与查询。

根据IEC标准电能质量要求，电压电流品质分析实时分析10个周波。分析参数有功率的计算，电压电流有效值计算，电压电流谐波分析，电压三相不平衡度分析，电压暂态扰动分析和电压波动闪变分析。根据分析的结果判断是否符合电能质量要求，最后进行数据记录。

通过一套硬件系统来集成传统的数据采集，录波，信号分析等功能。

具体IO需求如下：

（1）电压信号不少于6路，电压采集范围为0~100V

（2）电流信号不少于12路，电流采集范围为0~5A。

1.2电压电流信号采集

首先要进行电压电流信号采集设置，第一步对各设备的电压采集通道和电流采集通道进行设置，然后对设置在智能信息IO站内的集卡输入端电压电流进行限幅，电压限幅-10~10V，电流限幅-5~5A。设置完后开始任务进行信号采集，对电压电流进行信号采集，并且实时与限幅值判断，如果实际采样值超出限幅值，就以限幅值为极限输入值。最后实时采集的电压电流信号给到电压电流信号缓存模块。

1.3 电压电流信号缓存

根据IEC标准，为了分析波形的准确性与实时性，需要对电压电流信号的10个周波进行分析。当电压电流信号缓存模块接受到电压电流采集模块传来的波形数据后，就开始进行信号缓存，每缓存一次进行一次缓存个数判断，如果通道缓存区间不够10个周波，则返回继续缓存，如果通道缓存区内缓存到10个周波，就将缓存区的波形立刻传到信号分析模块进行实时波形分析。

1.4 电能波形数据实时采集方案

1.4.1 整体设计分析

由于本发明系统应用在船舶电力系统中，环境相对与陆地来说比较复杂多变，所以对平台结构性设计显得比较重要。在设计硬件平台时，设计需要更加合理，最好能实现重要部件模块化整合，使得系统更加稳固，安全。

2.4.2 各个关键模块设计分析

（1）电压采集单元

根据需求，需要采集不少于6路电压信号，且电压幅值范围在0-100V。在上位机进行数据分析和处理时，一般输入处理器的电压模拟信号在-10~+10之间，范围有可能会更小，所以在进行数据分析之前，首先要对原始电压信号进行数据转换。

首先需要对传感器提供直流电源，而且还要设计霍尔传感器外围信号处理电路。这样就增加了电压转换的体积和复杂度，而且对传感器外部供电电压有较高的要求。如果同时采集20多路信号，这样就大大增加了电压转换单元的体积和传感器与传感器之间的相互干扰也会增加。整体的抗干扰能力会下降。

所以需要采用一种简单、实用、干扰小的电压采集单元进行电压变换。首先利用电压互感器来代替传统霍尔传感器。这样就能减少对电压转换器件进行外部供电，而且外围电路也可以大幅减少，增强抗干扰能力。

（2）电流采集单元

根据需求，电流至少需要采集12路，电流采集范围为0~5A。通常情况下，为了方便将模拟信号转换成数字信号，首先需要将电流信号转换成电压信号。与上面电压采集单元的设计一样，我们需要设计一个电流采集单元。采用电流互感器将电流信号转换成电压信号。

（3）数据实时显示、处理单元

在到可以直接采样处理的电压电流信号后，需要对信号进行数字信号采样、量化、分析等操作，才能得到显示与分析的信号。所以在设计数据实时显示、处理单元时，既要考虑同时采集约20路数据，又要考虑单元的实时性、采样精度、抗干扰能力和稳定性。

1.5硬件设计分析说明

在设计船舶中压交流供电系统电网电能品质在线测量分析软件之前，需要完成外围采样调理电路的设计、加工和调试。外围采样调理电路包括电压变换调理电路和电流变换调理电路。

（1）电压转换调理电路

电压变换调理电路的设计包括设计电压互感器外围电路、继电器驱动电路；测试电路适用性。

（2）电流转换调理电路

电流变换调理电路包括小电流和大电流两种调理电路。包括设计电流互感器外围电路、数字输入触点驱动电路；测试电路适用性。

2.关于电能质量的状态评估

2.1频率、有效值、功率计算分析

频率、有效值、功率计算分析是最基本的电压电流分析功能，当通道缓存区有10个周波的电压电流信号后，进行信号分析，首先要将采集到的线电压信号转换为相电压信号，其次需要将电压信号和电流信号的干扰直流量去除，防止计算不准。还需要将采集到的电压电流信号进行定标处理，利用定标后的实际值计算设备实际有功、无功和功率因素。根据IEC标准要求进行每隔设定时间计算一次波形频率。利用电压电流定标后的实际波形进行电压电流有效值计算。判断计算出的频率、电压有效值和电流有效值是否达到电能质量要求。

2.2系统功能分析模块

本实施例中将功能分析模块设置在电能信息采集系统中，功能分析模块主要分为电压电流采集模块，电压电流信号缓存模块和信号分析模块，信号分析模块又包括有效值频率功率计算，谐波分析，三相不平衡分析，电压波动闪变分析和暂态分析。信号分析模块的五个分析功能同时进行分析。

2.2.1 谐波分析

谐波分析是电能质量分析的重要指标，多个周波的实时缓存波形通电压FFT计算和电流FFT计算获得电压电流波形的谐波信息，根据电压FFT输出的电压频谱信息可以得到各次电压谐波幅值，并且利用电压频谱信息计算每一相电压的总谐波畸变率。同理根据电流FFT计算和THD计算得到电流各次谐波幅值和总谐波畸变率

2.2.2 三相不平衡分析

三相不平衡分析主要分析三相对称情况，有无零负序电流。根据一定数量周波的电压电流缓存信息通过FFT计算，得到电压电流频谱信息，然后利用电压电流频谱信息通过电压电流正序负序零序相序分离计算出电压正、负、零序电压幅值，最后利用电压电流各个相序幅值计算出三相电压电流不平衡度。

2.2.3 电压闪变波动分析

采用IEC推荐的闪变波动计算方法进行分析，根据设定数量电压周波信号首先进行瞬时闪变波动计算，根据瞬时闪变计算出的实时视度值进行短时闪变波动计算。根据短时闪变波动计算结果判断电压波动是否超限，如果持续波动超限量大于设定值，则短时波动指示灯亮，且输出结果用做长时波动的计算输入，如果没有超过设定值则继续判断。

2.2.4 电压暂态分析

电压暂态分析是将一些瞬时变化的情况检查出来，一般暂态变化包括短时电压上升、短时电压下降、短时电压中断、冲击暂态和电压高频谐振暂态。利用多个周波标量电压实时缓存量进行电压暂态分析，选择将要分析的ABC三相电压，然后通过离散小波变换检测到电压波形瞬态扰动点，如果检测到瞬态事件，则报警并且保存瞬态波形。如果没有检测到则继续判断。

2.2.5事件产生、数据存储

当波形分析结果超出电能质量指标，则需要保存瞬态波形和稳态波形。瞬态事件产生，立即保存当前波形。稳态数据如电压电流频率和THD超限，判断是否持续超过设定值，如果超时则保存实时波形，如果没有则继续判断。

3.对电力推进系统的状态进行评估的软件平台的设计

3.1功能设计

软件平台是针对电力推进状态评估系统开发，可基于301船电力系统电能质量进行电力推进的健康状态评估。

软件平台的功能应包含对在线供电系统和设备主要电气量的测量、特征参数的分析计算（包括电压偏差、电压跌落、瞬态电压偏差、电压波动的相对值、线电压不平衡度、频率偏差、瞬态频率偏差、瞬态频率恢复时间、频率周期性变化、电流不平衡度等）、谐波分析（包括单次谐波电流、总谐波电流、单次谐波电压、总谐波电压）、报警及事件管理、历时数据记录、查询显示功能等。

报警及事件管理能够根据触发条件报警自动触发，并记录故障发生前指定周期和故障发生后指定周期的波形，触发条件由用户设定；所有实时采样数据、顺序事件记录等均可保存到历史数据库，在图形用户界面能够自定义需要查询的参数、查询的时间段或选择查询最近更新的记录数，显示并绘制成曲线图。

直观显示综合电力系统的网络拓扑，显示主要设备的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率，并用明显的标识符号显示设备的运行、待机、故障、闭合、断开等运行工况。当发生故障事件记录时，在此页面需有明显的报警提示，并可快速切换至事件记录页面查看事件过程。

以下为本实施例提供的软件平台界面描述，软件平台主界面的一侧能够显示主要设备的主要参数实时在线观察界面，在线参数观察界面显示主要设备的电压电流有效值、有功无功功率和功率因素等主要参数，以及设备运行状况。主界面另一侧是系统的功能界面，功能界面主要采用一个选页卡实现；选页卡共有四个子页面，分别为电气结构、历史数据查询、故障事件分析和电能质量综合评估，单击选页卡上方子页面选项即可切换到子页面。

（1）电气结构反应整个船舶电力系统的大致结构。将各设备图标设计成控件，点击控件可以弹出对应设备的在线分析界面，在线分析界面采用选页卡实现分析功能。主要分析功能界面有实时波形界面、谐波分析界面、电压闪变与波动界面、三相不平衡界面和小波瞬时分析界面。

实时波形界面不仅用于显示实时电压电流波形，还能够显示波形有效值、功率等相关参数。还何以观察出当前值与额定值的偏差量，并且看出是否越限。用户可以通过指标阀值自定义区设置实际情况所需的阀值参数。

设备谐波分析界面主要实时分析当前波形谐波含量，电压电流波形索引及观察谐波越限区可以索引三相电压电流波形的某一相进行分析；电压谐波幅频谱区能够显示该电压波形的50次谐波频谱，看出谐波含量分布及幅值大小；电流谐波幅频谱区能够显示该电流波形的50次谐波频谱，看出谐波含量分布及幅值大小；电压、电流THD计算区能够实时计算出当前波形的总谐波畸变率；电压、电流各次谐波幅值查找区可以看出各次谐波的具体幅值大小；指标阀值自定义区能够设置谐波阀值。

闪变分析区可以在线分析电压的瞬时闪变、短时闪变和长时闪变。电压变化区可以观察出当前波形的有效值一段时间内的变化情况；频率变化区可知一段时间内的频率变化情况；指标阀值自定义区-闪变阀值设置可以根据需求设置闪变阀值。

三相不平衡界面中可实时显示当前三相电压相量图，三相电压电流不平衡度计算区实时计算当前电压和电流不平衡度计算；三相不平衡度电压相序幅值计算区可以计算出三相电压正序、负序电压幅值；三相不平衡度电压电流越界判断区可以判断电压电流不平衡度是否越界。

小波瞬时分析界面可选择分析三相中其中一相的波形进行分析，一相电压实时波形区显示所选电压的实时波形；一相电压波形扰动点检测区可以分析出当前波形瞬态扰动情况。

（2）历史数据查询界面可以对数据库中保存的电压有效值、电流有效值、频率等常见参数进行导出分析，观察参数历史变化情况；时间区选择和设备选择可以选择想要分析的设备及时间段；历史参数波显示区可以将历史数据绘制成曲线，观察变化趋势。波形选择区选择想要观察的波形。

（3）故障事件分析界面主要记录故障事件、分析故障波形以及查询事件发生系统运行图。

（4）电能质量综合分析界面

电能质量综合分析界面评价指标有平频率偏差、电压偏差、电压THD、电流THD、电压三相不平衡、电流三相不平衡、短时闪变和电压波动进行电能质量综合评估。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电能质量的电力推进状态评估系统，其特征在于，评估系统内采用统一的软件平台；评估系统包括船端现场层、船端应用层和岸基应用层，所述船端现场层包括船端设备、智能信息IO站、电能信息采集系统、能量管理系统、推进控制系统和监测报警系统；所述船端设备连接有传感器，每个传感器均与智能信息IO站连接，所述智能信息IO站通过网线及交换机与电能信息采集系统、能量管理系统、推进控制系统、监测报警系统连接组成POWERLINK实时数据网络；

所述船端应用层包括由健康管理系统服务器、船舶计算机和船岸通讯系统组成的船舶局域网系统；所述健康管理系统服务器与POWERLINK实时数据网络相连；

所述岸基应用层包括岸基服务器和岸基用户端；所述岸基服务器与船岸通讯系统通过卫星或移动通信技术连接；

所述健康管理系统服务器和岸基服务器内均设有实时数据库和历史数据库；

所述船端现场层通过电能信息采集系统、智能信息IO站和传感器对船端设备的电力推进信号进行实时采集，并通过POWERLINK实时数据网络传输至能量管理系统、推进控制系统、监测报警系统和健康管理系统服务器；所述船端应用层用于对收集到的电力推进信号进行检测并进行状态评估；并将收到的电力推进信号传输至岸基应用层进行最终的评估。

2.根据权利要求1所述一种基于电能质量的电力推进状态评估系统，其特征在于，所述船端设备包括推进系统、泵组、风机、配电板、柴油发电机组；所述推进系统包括推进变频器、推进变压器和推进电机。

3.根据权利要求1所述一种基于电能质量的电力推进状态评估系统，其特征在于，所述电能信息采集系统内设置有电压电流采集模块，电压电流信号缓存模块和信号分析模块，信号分析模块能够完成有效值频率功率计算、谐波分析、三相不平衡分析、电压波动闪变分析和暂态分析。

4.根据权利要求1所述一种基于电能质量的电力推进状态评估系统，其特征在于，所述岸基用户端包括普通用户访问端与专业工程人员端；所述岸基服务器包括普通实体服务器与云服务器。

5.根据权利要求1所述一种基于电能质量的电力推进状态评估系统，其特征在于，所述软件平台的功能包括对在线供电系统和船端设备中电气量的测量、特征参数的分析计算、谐波分析、报警及事件管理、历时数据记录和查询显示功能；所述特征参数的分析计算包括电压偏差、电压跌落、瞬态电压偏差、电压波动的相对值、线电压不平衡度、频率偏差、瞬态频率偏差、瞬态频率恢复时间、频率周期性变化和电流不平衡度；谐波分析包括对单次谐波电流、总谐波电流、单次谐波电压、总谐波电压分析计算。

6.根据权利要求5所述一种基于电能质量的电力推进状态评估系统，其特征在于，报警及事件管理能够根据触发条件报警自动触发，并记录故障发生前指定周期和故障发生后指定周期的波形，触发条件由用户设定；所有实时采样数据、顺序事件记录均可保存到历史数据库，在船舶计算机及其岸基用户端内的图形用户界面能够自定义需要查询的参数、查询的时间段或选择查询最近更新的记录数，显示并绘制成曲线图；

软件平台的查询显示功能能够直观显示综合电力系统的网络拓扑，显示设备的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率，并用明显的标识符号显示设备的运行、待机、故障、闭合、断开运行工况；当发生故障事件记录时，显示报警提示，并能够切换至事件记录页面查看事件过程。

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