CN113341807A - 一种船舶直流配电系统电站控制系统及方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带快速保护功能的船舶直流配电系统双环网冗余电站控制系统及方法和应用，在船的左右舷分别设置有一台主控制器，每个下级子系统，包含有推进系统、日用负荷系统、甲板器械系统等均配置有子控制器；主控制器与各个下级子系统间通过EHTERCAT形成环形控制网络，实现控制与数据传输的功能，通过电站管理系统软件，在环形网络上出现任一单点故障时，仍能保证电站管理系统的正常控制工作。本发明利用EHTERCAT环网和电站管理系统软件实现电站的冗余控制功能，利用以太网通讯实现电站管理系统对外的信息交互功能，保证电站在任一单点故障发生时，不影响电站的整体控制功能。

Description

一种船舶直流配电系统电站控制系统及方法和应用

技术领域

本发明属于船舶电站管理控制技术领域，特别是涉及一种带快速保护功能的船舶直流配电系统双环网冗余电站控制系统，以及其控制方法和用于控制直流配电船舶。

背景技术

在传统的电力推进系统船舶上，通常配备有电站管理系统。通常的电站管理系统通过一个主控制器实现对全船的电力推进系统设备实现管理。

随着目前船舶作业的环境复杂化、极端化，对电站管理系统的可靠性、稳定性提出了更高的要求。而单一主控制器无法维持船舶电站管理系统的稳定运行。

发明内容

本发明的目的之一是针对现有技术的上述不足，提供一种带快速保护功能的船舶直流配电系统双环网冗余电站控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船舶直流配电电力推进系统的电站管理系统，基于左右舷主控制器、四台发电变频控制器、两台推进变频控制器及两台逆变电源控制器形成的ETHERCAT环形网络，由左舷主控制器、1#发电变频控制器、2#发电变频控制器、1#逆变电源控制器、1#推进变频控制器、2#推进变频控制器、3#发电变频控制器、4#发电变频控制器、2#逆变电源控制器以及右舷主控制器通过ETHERCAT总线顺序连接构成；所述的左舷主控制器通过ETHERCAT环形网络实现对下级的1#发电变频控制器、2#发电变频控制器、1#逆变电源控制器和1#推进变频控制器的控制及信息交互功能，所述的右舷主控制器通过ETHERCAT环形网络实现对下级的2#逆变电源控制器、4#发电变频控制器、3#发电变频控制器和2#推进变频控制器的控制及信息交互功能；所述的左舷主控制器和右舷主控制器之间连接交换机，左舷主控制器和右舷主控制器其中一台发生故障时另一台接管控制。

本发明的目的之二是提供上述控制系统的控制方法，包括如下步骤：

a），由左舷主控制器、右舷主控制器、发电变频控制器、推进变频控制器和逆变电源控制器形成ETHERCAT环形网络；左舷主控制器通过EHTERCAT主站网口与从站控制器通过链型方式进行链接，最后一台从站与右舷主控制器的EHTERCAT主站网口相连；

b），左舷主控制器和右舷主控制器根据步骤a）中形成的ETHERCAT环形网络实现对每台下级控制器的控制及信息交互，完成电站的自动管理及半自动管理功能，并保证在左舷主控制器、右舷主控制器发生单点故障时，另一台主控制器能够接管全船的控制工作；左舷主控制器和右舷主控制器通过主通讯的方式进行数据交互及控制站切换的功能；

c），左舷主控制器和右舷主控制器通过独立的以太网口与外部进行数据通讯，在单个主控制器发生故障时，外部设备仍能接受全船电站信息；

d），1～4#发电变频控制器和1～4#推进变频控制器通过CAN通信网络进行连接，实时交互电站最大负荷率和1～4#发电变频控制器电流，通过实时性好（ms级）的CAN网络数据传输，通过实时将发电变频器电流与电流限幅值进行比较，超过限幅值即通过推进变频器对推进功率进行限制，实现电站的动态功率限制功能及快速降负荷功能，保证电站能稳定运行，防止出现因为电站功率不够或机组故障导致的全船失电问题。

所述的一种船舶直流配电系统电站控制方法，其左舷主控制器和右舷主控制器通过主主通讯的方式进行数据交互及控制站切换，左舷主控制器和右舷主控制器分别通过以太网口采用modbustcp通讯协议与外部设备进行信息交互。

本发明还提供一种船舶直流配电系统电站控制方法用于控制多艘相同类型的直流配电船舶；或用于控制多艘不同类型的直流配电船舶。

本发明的有益效果是：左舷主控制器和右舷主控制器构成ETHERCAT双主站系统，分别与下层EHTERCAT从站控制器形成环网控制系统，保证在环网上的任一控制器发生单点故障时，电站控制系统依旧能够完成电站的控制功能，左舷主控制器和右舷主控制器通过以太网口与外部进行数据通讯，保证在左舷主控制器和右舷主控制器发生单点故障时，另一台主控制器能够接管全船的控制工作。本发明电站管理系统能保证船舶在发生单一故障时，继续维持船舶电站管理系统的稳定运行，可以适用不同类型的直流配电电力推进系统船舶。

本发明能实现船舶直流配电系统电站的自动管理及半自动管理功能，通过冗余配置的控制器和以太网完成冗余控制功能，同时利用发电机控制器与推进控制器间的CAN网络实现快速降负荷来实现快速保护功能。

附图说明

图1为本发明的系统控制拓扑图；

图2为本发明的主从通讯拓扑图。

各附图标记为：10—左舷主控制器，11—1#发电变频控制器，12—2#发电变频控制器，13—1#逆变电源控制器，14—1#推进变频控制器，20—右舷主控制器，21—3#发电变频控制器，22—4#发电变频控制器，23—2#逆变电源控制器，24—2#推进变频控制器，30—交换机。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与解决问题的有效性易于理解，结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步说明。

参照图1、图2所示，本发明公开的一种带快速保护功能的船舶直流配电系统双环网冗余电站控制系统，可应用于配置有四台发电机组、两台推进机组的深海科考船，基于左右舷主控制器和四台发电变频控制器、两台推进变频控制器、两台逆变电源控制器、两组其他设备控制器（例如左右甲板机械控制器）形成的ETHERCAT环形网络，在船的左右舷分别设置有一台主控制器，每个下级子系统，包含有推进系统、日用负荷系统、甲板器械系统等均配置有子控制器；主控制器与各个下级子系统间通过EHTERCAT形成环形控制网络，实现控制与数据传输的功能，通过电站管理系统软件，在环形网络上出现任一单点故障时，仍能保证电站管理系统的正常控制工作。

ETHERCAT双主站系统与下层EHTERCAT从站控制器形成环网控制系统，完成电站的自动与半自动管理功能；从站间通过CAN通讯网络进行连接，完成动态功率限制和快速降负荷等功能；同时保证在环网上的任一控制器发生单点故障时，电站控制系统依旧能够完成电站的控制功能。

具体拓扑结构由左舷主控制器10、1#发电变频控制器11、2#发电变频控制器12、1#逆变电源控制器13、其他设备控制器、1#推进变频控制器14、2#推进变频控制器24、3#发电变频控制器21、4#发电变频控制器22、2#逆变电源控制器23、其他设备控制器以及右舷主控制器20通过ETHERCAT总线顺序连接构成；所述的左舷主控制器10通过ETHERCAT环形网络实现对下级的1#发电变频控制器11、2#发电变频控制器12、1#逆变电源控制器13、其他设备控制器和1#推进变频控制器14的控制及信息交互功能，所述的右舷主控制器20通过ETHERCAT环形网络实现对下级的其他设备控制器、2#逆变电源控制器23、4#发电变频控制器22、3#发电变频控制器21和2#推进变频控制器24的控制及信息交互功能。

其中所述的左舷主控制器10和右舷主控制器20通过主主通讯的方式进行数据交互及控制站切换，左舷主控制器10和右舷主控制器20之间连接交换机30，左舷主控制器10和右舷主控制器20其中一台发生故障时另一台接管控制。所述的左舷主控制器10和右舷主控制器20分别通过以太网口采用modbustcp通讯协议与外部设备进行信息交互。

本发明管理系统由左舷主控制器10通过EHTERCAT主站网口与从站控制器通过链型方式进行链接，最后一台从站与右舷主控制器20的EHTERCAT主站网口相连，在单个主控制器发生故障时，外部设备仍能接受全船电站信息。

主控制器与各个下级子系统间通过EHTERCAT形成环形控制网络，实现控制与数据传输的功能，通过电站管理系统软件，在环形网络上出现任一单点故障时，仍能保证电站管理系统的正常控制工作。

主控制器与外部通过独立的以太网口通讯，将电站信息传送到外部设备上，并通过左舷主控制器和右舷主控制器形成冗余配置输出信息到外部监测报警系统上，达到电站信息稳定输出的目的。

电站管理系统在船的左右舷分别设置有一台主控制器，每个下级子系统，包含有推进系统、日用负荷系统、其他设备等均配置有子控制器；主控制器与各个下级子系统间通过EHTERCAT形成环形控制网络，实现控制与数据传输的功能，通过电站管理系统软件，在环形网络上出现任一单点故障时，仍能保证电站管理系统的正常控制工作；主控制器与外部通过独立的以太网口通讯，将电站信息传送到外部设备上，并通过左右舷主控制器形成冗余配置输出信息到外部监测报警系统上，达到电站信息稳定输出的目的；发电机控制器与推进控制直接通过CAN进行通讯，完成快速功率限制等功能。

本发明提供的一种带快速保护功能的船舶直流配电系统双环网冗余电站控制方法，基于配置左、右带EHTERCAT主站功能的主控制器，以及从站设备配置带EHTERCAT从站功能的从站控制器的工程船，步骤为：

a），左舷主控制器10、右舷主控制器20、1～4#发电变频控制器、1～4#推进变频控制器和逆变电源控制器形成ETHERCAT环形网络。

b），左舷主控制器10和右舷主控制器20根据步骤a）中形成的ETHERCAT环形网络实现对下级控制器的控制及信息交互，完成电站的自动管理及半自动管理功能，并保证在左舷主控制器10、右舷主控制器20发生单点故障时，另一台主控制器能够接管全船的控制工作。

左舷主控制器10通过EHTERCAT主站网口与从站控制器通过链型方式进行链接，最后一台从站与右舷主控制器20的EHTERCAT主站网口相连。

左舷主控制器10通过EHTERCAT通讯对推进系统、日用负荷系统、甲板器械系统等均配置有EHTERCAT从站的控制器进行通讯控制，从站上任一控制器出现故障时，基于EHTERCAT通讯的特性，不影响链路上其他从站控制器的通讯。

左舷主控制器10对发电控制器进行控制，在自动模式下，实现电站的自动增减机、故障增减机、黑船启动等自动电站功能，在半自动模式下可通过主控制器实现单台机组的启动并网功能。

右舷主控制器20通过与左舷主控制器10的主主通讯检测左舷主控制器10的状态，左舷主控制器10正常工作时，右舷主控制器20的EHERCAT状态切换为初始就绪状态；左舷主控制器10发生故障时，右舷主控制器20的EHERCAT状态从就绪状态切换为运行状态，接管主控制器的控制工作。

c），左舷主控制器10和右舷主控制器20通过独立的以太网口接入外部设备通讯，在单个主控制器发生故障时，外部设备仍能接受全船电站信息，此种方式可将外部通讯与内部控制通讯环路隔离，避免影响内部环路控制的实时性和稳定性。

d），1～4#发电变频控制器和1～4#推进变频控制器通过CAN通信网络进行连接，实时交互电站最大负荷率，1～4#发电变频控制器电流，使用实时性好（ms级）的CAN网络数据传输，通过实时将发电变频器电流与电流限幅值进行比较，超过限幅值即通过推进变频器对推进功率进行限制，实现电站的动态功率限制功能及快速降负荷功能，保证电站稳定运行，防止出现因为电站功率不够或机组故障导致的全船失电问题。

本方法可以同时对多艘相同或不同的工程船进行操控所述的船舶为相同类型的多艘。即直流配电船舶可配置为相同类型的多艘，也为配置为不同类型的多艘。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种船舶直流配电系统电站控制系统，其特征在于：由左舷主控制器（10）、1#发电变频控制器（11）、2#发电变频控制器（12）、1#逆变电源控制器（13）、1#推进变频控制器（14）、2#推进变频控制器（24）、3#发电变频控制器（21）、4#发电变频控制器（22）、2#逆变电源控制器（23）以及右舷主控制器（20）通过ETHERCAT总线顺序连接构成；所述的左舷主控制器（10）通过ETHERCAT环形网络实现对1#发电变频控制器（11）、2#发电变频控制器（12）、1#逆变电源控制器（13）和1#推进变频控制器（14）的控制及信息交互，所述的右舷主控制器（20）通过ETHERCAT环形网络实现对2#逆变电源控制器（23）、4#发电变频控制器（22）、3#发电变频控制器（21）和2#推进变频控制器（24）的控制及信息交互；所述的左舷主控制器（10）和右舷主控制器（20）之间连接交换机（30），左舷主控制器（10）和右舷主控制器（20）其中一台发生故障时另一台接管控制。

2.一种如权利要求1所述船舶直流配电电力推进系统的电站控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

a），左舷主控制器（10）、右舷主控制器（20）、发电变频控制器、推进变频控制器和逆变电源控制器形成ETHERCAT环形网络；

b），左舷主控制器（10）和右舷主控制器（20）根据ETHERCAT环形网络实现对下级控制器的控制及信息交互，完成电站的自动管理及半自动管理，保证在左舷主控制器（10）、右舷主控制器（20）发生单点故障时，另一台主控制器接管全船的控制工作；

c），左舷主控制器（10）和右舷主控制器（20）通过以太网口与外部进行数据通讯，在单个主控制器发生故障时，外部设备仍能接受全船电站信息；

d），发电变频控制器和推进变频控制器通过CAN通信网络进行连接，实时交互电站最大负荷率和发电变频控制器电流，通过CAN网络数据传输，实时将发电变频器电流与电流限幅值进行比较，超过限幅值即进功率限制，实现电站的动态功率限制功能及快速降负荷功能，保证电站稳定运行，防止全船失电。

3.根据权利要求2所述的一种船舶直流配电系统电站控制方法，其特征在于，所述的左舷主控制器（10）和右舷主控制器（20）通过主主通讯的方式进行数据交互及控制站切换，左舷主控制器（10）和右舷主控制器（20）分别通过以太网口采用modbustcp通讯协议与外部设备进行信息交互。

4.一种如权利要求2所述船舶直流配电系统电站控制方法用于控制多艘相同类型的直流配电船舶。

5.一种如权利要求2所述船舶直流配电系统电站控制方法用于控制多艘不同类型的直流配电船舶。

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