CN115765194B - 基于双监控网络的船舶电力监控系统 - Google Patents

Abstract

一种将电站监控系统和配电监控系统融合，监测、控制全船电力系统运行，管理发电、配电设备，确保电能质量，保障电力系统安全运行的基于双监控网络的船舶电力监控系统。技术方案是：所述监控系统采用工业以太网作为上层监控网、CAN现场总线网络作为下层监控网的双层监控网络架构，所述上层监控网和下层监控网同时对电站监控系统和配电监控系统进行监控。

Description

基于双监控网络的船舶电力监控系统

技术领域

本发明涉及船舶电力监控设备领域，具体地说是一种电站监控系统和配电监控系统融合，监测、控制全船电力系统运行，管理发电、配电设备，确保电能质量，保障电力系统安全运行的基于双监控网络的船舶电力监控系统。

背景技术

近年来，现代船舶电站设备逐渐呈现出负载种类增多、容量增大、负荷变化加快等特点，对船舶的自动化程度要求大大提高。当然，随着电力系统规模和容量的不断扩大，对船舶实时性、可靠性、安全性和数据完整性提出了更高的要求，传统的电站监控系统已无法满足该类型现代船舶的监控需求。

常规船舶电力系统的监控系统设计仅包含了对电站部分柴油发电机组、配电板等重要设备的监控，忽视了对日益复杂的负载部分的配电监控，或是更为繁冗，需要一套独立的配电监控系统来完成相应的配电监控。

发明内容

为了解决现有电站监控技术无法满足对船舶电站监测实时性、可靠性、安全性和数据完整性的要求以及没有对配电负载部分监控的问题，本发明提供一种满足船舶电力系统实时性、可靠性、安全性和数据完整性要求，对电站监控系统和配电监控系统融合，监测、控制全船电力系统运行，管理发电、配电设备，确保电能质量，保障电力系统安全运行的基于双监控网络的船舶电力监控系统。

本发明的技术方案是：

一种基于双监控网络的船舶电力监控系统，包括电力监控台、电站监控系统和配电监控系统，其特征是所述电站监控系统由前电站和后电站监控系统组成，所述配电监控系统由前电站配电和后电站配电监控系统组成，所述前电站和后电站监控系统包含硬件设备为：电站核心控制器、电站人机界面(HMI)、机组控制器、机组人机界面(HMI)、发电机保护装置及联锁保护装置；所述前电站配电(4)和后电站配电监控系统(5)包含的硬件设备为：配电核心控制器、配电信息采集器以及配电人机界面(HMI)；

所述电力监控台、电站核心控制器、配电核心控制器及配电信息采集器通过工业以太网连接组成上层网的电力监控网，所述电力监控台、电站核心控制器、电站人机界面(HMI)、机组控制器、机组人机界面(HMI)、发电机保护装置及联锁保护装置通过CAN现场总线组成下层网的电站监控网，所述配电核心控制器、配电人机界面(HMI)通过CAN现场总线组成下层网的配电监控网；所述上层网的电力监控网和下层网的电站监控网和配电监控网，同时对电站监控系统和配电监控系统进行监控；

所述电力监控台的软件部分(100)包括信息共享单元(101)、信息处理单元(102)、信息显示单元(103)、信息存储单元(104)和人机交互单元(105)，用于汇聚电力系统实时信息，实现系统信息共享、处理、显示、存储及人机交互等功能；

其中，信息共享单元(101)用于系统对下层采集信息的共享；信息处理单元(102)根据系统需求和设定的控制策略，通过信息融合、信息挖掘方法，进行电力系统的统一协调操控，集中决策管理，实现对电力系统网络结构准确快速识别、系统运行状态分析、电力设备及负荷协调管理；向下层各模块提供正确的系统决策以满足各类操作需求，实现系统的综合控制，为系统故障后的恢复提供有效的策略；信息显示单元(103)和信息存储单元(104)用于信息实时显示和重要信息的存储和调用；人机交互单元(105)，用于对电站部分的机组的起动顺序进行有限设定，实现遥控起动、停机、合闸、解列和紧急停机功能，对跨接及母联实现遥控合闸、分闸功能；对配电部分的负载断路器实现合闸、分闸功能。

所述上层监控网为双冗余电力监控工业以太网网络，实现全船各系统综合管理及控制，电力监控系统相关设备通过100M/1000M自适应以太网多路径多节点接入上层网络。

所述下层网的电站监控网和配电监控网，两网相互独立，仅在电力监控台内的计算机交汇；下层网的电站监控网主要用于传输电站监控的控制指令，在上层网络出现风暴或故障的情况下，电力监控台通过CAN网络获取电站监控数据完成监测报警相关功能；下层网的配电监控网用于传输配电设备的现场控制指令。

所述电站核心控制器的软件部分(200)包括电站数据信息采集单元(201)和计算决策管理单元(202)，用于监测获取电站数据信息，并根据参数进行计算决策管理；所述监控系统包含两套电站核心控制器，核心的电站控制功能冗余设计，一套控制器故障的情况下不影响整个电站的正常运行；

其中，电站数据信息采集单元(201)负责监测电站跨线的电参数状态和主汇流排上各开关状态，接收指令，实现遥控的自动同步并车及船电岸电不间断转换；接收电力监控台、HMI(人机界面)通过下层网络发送的指令，或通过控制权限转换接收上层网络发来的控制指令；计算决策管理单元(202)通过计算判断及仲裁下达给相关控制执行设备；实时进行自动控制决策，通过网络通讯对机组控制器及其他设备进行自动控制。

所述配电核心控制器作为配电监控的上层控制器，配电核心控制器的软件部分(300)包括配电信息采集单元(301)和配电信息处理单元(302)，实现集中的配电监控功能；

其中，配电信息采集单元(301)用于配电核心控制器接收主配电板内部负载断路器、绝缘监测装置等相关信息，并将自身采集的监测信息发送至上层的工业以太网，以及通过下层网络接收电力监控台、HMI(人机界面)发送的或上层网络通过控制权限转换发送的指令；配电信息处理单元(302)通过计算判断及仲裁下达给自身控制执行设备，用于对主配电板负载断路器实现分合闸控制。

所述机组控制器是电力监控系统实现电站机组控制的直接部件，每台发电机组配置1套机组控制器；机组控制器的软件部分(400)包括信号接收单元(401)、逻辑运算单元(402)、指令输出单元(403)、机旁控制设备监测显示和报警单元(404)、故障信息分级处理单元(405)以及负荷管理单元(406)；

其中，信号接收单元(401)用于采集主配电板内发电机组电压、电流、功率电信号，同时接收柴油发电机组机旁控制箱传送的机组状态信号；逻辑运算单元(402)按照控制模式和控制指令，结合机组和开关状态进行逻辑运算，实现对主开关合分闸控制；指令输出单元(403)输出对发电机组的起动、停机、调速、调压等指令；

机旁控制设备监测显示和报警单元(404)对机旁控制设备，通过双路RS485接口接收机组热工参数在电力监控台、HMI和上层设备进行监测显示和报警；

故障信息分级处理单元(405)根据机旁和主配电板的故障信息进行分级处理，进行对应的自动增机和减机处理；负荷管理单元(406)对波动的电站负荷进行负荷管理，当负荷过大时自动起动机组并投网，负荷过小时转移负载并停机。

所述发电机保护装置用于对机组差动保护的后备保护，每台机组配置一套发电机保护装置；

发电机保护装置通过采集发电机机端三相电流和发电机主开关三相电流比较两者差值，电流差值大于设定值则发出灭磁信号至发电机并输出一路开关量报警信号至发电机组控制器进行后备保护。

所述联锁保护装置用于对全船机组、跨接、母联和岸电的断路器状态进行采样和综合分析计算出当前电网工况下需要闭锁的断路器，并输出闭锁信号，保证电网能够安全可靠运行。

所述电站核心控制器人机界面(HMI)、机组控制器人机界面(HMI)以及配电核心控制器人机界面(HMI)的所有对机组、跨接、母联、岸电、负载的控制进行集成设计，并采用软控按钮设计。

本发明的效果是：基于双监控网络的船舶电力监控系统，监控系统采用工业以太网作为上层监控网、CAN现场总线网络作为下层监控网的双层监控网络架构，所述上层监控网和下层监控网同时对电站监控系统和配电监控系统进行监控。

上层监控网为双冗余电力监控工业以太网网络，实现全船各系统综合管理及控制，电力监控系统相关设备通过100M/1000M自适应以太网多路径多节点接入上层网络。下层监控网采用双冗余现场总线CAN网，CAN现场总线网分为电站监控CAN子网和配电控制CAN子网，两网相互独立，仅在电力监控台内的计算机交汇。

上层网以开放式体系结构为基础，提供一个开放的、公共集成的运行环境，允许全船各部位的其他监控台接入，形成多台位互备互切，做到了更好的系统集成。正常情况下，电力监控系统的监测任务依托于上层网络。且为了实现多台位互切互备，在切换控制台位(非电力监控台)或电力监控自身控制网故障的情况下，电力监控系统的控制任务也可依托于上层网络。

上层网络为全船各部门和应用系统提供一个全面联网、高度综合、提醒强效、结构优化、体系开放的公共信息传输平台，满足全船各类业务的传输需求，实现信息充分共享，物理分布合理，资源配置优化，管理维护简单。上层网具备业务接入功能、多业务承载功能、服务质量保证功能、网络保护功能、故障诊断和定位分析功能、时间同步功能以及管理维护功能。

下层网采用CAN现场总线应用于对网络传输的吞吐量要求不高但对通信响应的实时性和确定性要求严格的底层现场设备层。CAN现场总线组成的通信网络优势主要包括连接简单，开发相对容易；CAN总线协议基于信息而不是基于地址，网络中增删节点模块对系统影响较小；多个节点可同时收到一组报文；支持远程帧，节点可以直接向其它节点请求数据；总线上某一节点发生错误时可以进行故障界定，错误严重的节点可自动退出，不影响总线上其它节点的正常工作。目前，电力监控现场一般控制信号的信息量不大，只有几个至几十个字节，CAN现场总线系统可以实现实时传输，CAN现场总线的传输效率很高。

工业以太网和CAN现场总线进行网络互连时要通过网关，在电力监控系统内部，安装于电站核心控制器的现场控制模块同时具备了外部以太网和CAN网络接口，在完成电站控制的同时充当了网关的作用。网关是一种低成本、高可靠性、快捷的CAN现场总线与以太网互连方案。现场控制模块的主要功能包括逻辑处理、通信处理、CAN现场总线控制和以太网控制四部分，应用此方案，可以在利用现有网络的基础上，充分发挥工业以太网和CAN现场总线相互融合的优势，实现整个船舶工业控制系统的网络连接。

基于双监控网络的船舶电力监控系统的发明将传统船舶电力系统包括了电站监控系统和配电监控系统，能够监测、控制全船电力系统运行，管理发电、配电设备，确保电能质量，保障电力系统安全运行。

在提供一个开放的、公共集成的运行环境的前提下，双控制网船舶电力监控系统的发明使得在船舶的其他部位(如驾控室、施工部位等)在获取操控权限的前提下均可对电力系统设备进行遥控控制，电力系统和电力监控能更好地实现船员的减员增效，向无人机舱的目标迈出一大步，并且对后续船舶信息化和船岸一体化的再升级有着积极的作用。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1是发明的结构示意图；

图2是本发明的电力监控台软件框图；

图3是电站核心控制器软件框图；

图4配电核心控制器软件框图；

图5机组控制器软件框图。

具体实施方式

图1中，一种基于双监控网络的船舶电力监控系统，包括电力监控台、电站监控系统和配电监控系统，电站监控系统由前电站和后电站监控系统组成，所述配电监控系统由前电站配电和后电站配电监控系统组成，所述前电站和后电站监控系统包含硬件设备为：电站核心控制器、电站人机界面(HMI)、机组控制器、机组人机界面(HMI)、发电机保护装置及联锁保护装置；所述前电站配电和后电站配电监控系统包含的硬件设备为：配电核心控制器、配电信息采集器以及配电人机界面(HMI)；

所述电力监控台、电站核心控制器、配电核心控制器及配电信息采集器通过工业以太网连接组成上层网的电力监控网，所述电力监控台、电站核心控制器、电站人机界面(HMI)、机组控制器、机组人机界面(HMI)、发电机保护装置及联锁保护装置通过CAN现场总线组成下层网的电站监控网，所述配电核心控制器、配电人机界面(HMI)通过CAN现场总线组成下层网的配电监控网；所述上层网的电力监控网和下层网的电站监控网和配电监控网，同时对电站监控系统和配电监控系统进行监控；

所述电力监控台的软件部分100包括信息共享单元101、信息处理单元102、信息显示单元103、信息存储单元104和人机交互单元105，用于汇聚电力系统实时信息，实现系统信息共享、处理、显示、存储及人机交互等功能；

其中，信息共享单元101用于系统对下层采集信息的共享；信息处理单元102根据系统需求和设定的控制策略，通过信息融合、信息挖掘方法，进行电力系统的统一协调操控，集中决策管理，实现对电力系统网络结构准确快速识别、系统运行状态分析、电力设备及负荷协调管理；向下层各模块提供正确的系统决策以满足各类操作需求，实现系统的综合控制，为系统故障后的恢复提供有效的策略；信息显示单元103和信息存储单元104用于信息实时显示和重要信息的存储和调用；人机交互单元105，用于对电站部分的机组的起动顺序进行有限设定，实现遥控起动、停机、合闸、解列和紧急停机功能，对跨接及母联实现遥控合闸、分闸功能；对配电部分的负载断路器实现合闸、分闸功能。

所述上层监控网为双冗余电力监控工业以太网网络，实现全船各系统综合管理及控制，电力监控系统相关设备通过100M/1000M自适应以太网多路径多节点接入上层网络。

所述下层网的电站监控网和配电监控网，两网相互独立，仅在电力监控台内的计算机交汇；下层网的电站监控网主要用于传输电站监控的控制指令，在上层网络出现风暴或故障的情况下，电力监控台通过CAN网络获取电站监控数据完成监测报警相关功能；下层网的配电监控网用于传输配电设备的现场控制指令。

所述电站核心控制器的软件部分200包括电站数据信息采集单元201和计算决策管理单元202，用于监测获取电站数据信息，并根据参数进行计算决策管理；所述监控系统包含两套电站核心控制器，核心的电站控制功能冗余设计，一套控制器故障的情况下不影响整个电站的正常运行；

其中，电站数据信息采集单元201负责监测电站跨线的电参数状态和主汇流排上各开关状态，接收指令，实现遥控的自动同步并车及船电岸电不间断转换；接收电力监控台、HMI(人机界面)通过下层网络发送的指令，或通过控制权限转换接收上层网络发来的控制指令；计算决策管理单元202通过计算判断及仲裁下达给相关控制执行设备；实时进行自动控制决策，通过网络通讯对机组控制器及其他设备进行自动控制。

所述配电核心控制器作为配电监控的上层控制器，配电核心控制器的软件部分300包括配电信息采集单元301和配电信息处理单元302，实现集中的配电监控功能；

其中，配电信息采集单元301用于配电核心控制器接收主配电板内部负载断路器、绝缘监测装置等相关信息，并将自身采集的监测信息发送至上层的工业以太网，以及通过下层网络接收电力监控台、HMI(人机界面)发送的或上层网络通过控制权限转换发送的指令；配电信息处理单元302通过计算判断及仲裁下达给自身控制执行设备，用于对主配电板负载断路器实现分合闸控制。

所述机组控制器是电力监控系统实现电站机组控制的直接部件，每台发电机组配置1套机组控制器；机组控制器的软件部分400包括信号接收单元401、逻辑运算单元402、指令输出单元403、机旁控制设备监测显示和报警单元404、故障信息分级处理单元405以及负荷管理单元406；

其中，信号接收单元401用于采集主配电板内发电机组电压、电流、功率电信号，同时接收柴油发电机组机旁控制箱传送的机组状态信号；逻辑运算单元402按照控制模式和控制指令，结合机组和开关状态进行逻辑运算，实现对主开关合分闸控制；指令输出单元403输出对发电机组的起动、停机、调速、调压等指令；

机旁控制设备监测显示和报警单元404对机旁控制设备，通过双路RS485接口接收机组热工参数在电力监控台、HMI和上层设备进行监测显示和报警；

故障信息分级处理单元405根据机旁和主配电板的故障信息进行分级处理，进行对应的自动增机和减机处理；负荷管理单元406对波动的电站负荷进行负荷管理，当负荷过大时自动起动机组并投网，负荷过小时转移负载并停机。

所述发电机保护装置用于对机组差动保护的后备保护，每台机组配置一套发电机保护装置；

发电机保护装置通过采集发电机机端三相电流和发电机主开关三相电流比较两者差值，电流差值大于设定值则发出灭磁信号至发电机并输出一路开关量报警信号至发电机组控制器进行后备保护。

所述联锁保护装置用于对全船机组、跨接、母联和岸电的断路器状态进行采样和综合分析计算出当前电网工况下需要闭锁的断路器，并输出闭锁信号，保证电网能够安全可靠运行。

所述电站核心控制器人机界面(HMI)、机组控制器人机界面(HMI)以及配电核心控制器人机界面(HMI)的所有对机组、跨接、母联、岸电、负载的控制进行集成设计，并采用软控按钮设计。

本发明的工作原理是：基于双监控网的船舶电力监控系统在传统CAN现场总线网络作为主要监控网络的船舶电站监控的基础上，提出提供一个开放的、公共集成的运行环境，并搭建工业以太网作为上层监控网、CAN现场总线网络作为下层监控网的双层监控网络架构，同时将电站监控系统和配电监控系统融合成对整个船舶电力系统的监控系统。

1、电力监控系统设计

为达到上述目的，本电力监控系统架构设计如图1所示，系统主要设备包括：

1)电力监控台，电力监控台作为上层的模块，负责汇聚电力系统实时信息，实现系统信息共享、处理、显示、存储及人机交互等功能。根据系统需求和设定的控制策略，通过信息融合、信息挖掘等方法，合理、有效、快速地进行电力系统的统一协调操控，集中决策管理，实现对电力系统网络结构准确快速识别、系统运行状态分析、电力设备及负荷协调管理；向下层各模块提供正确的系统决策以满足各类操作需求，实现系统的综合控制，为系统故障后的恢复提供有效的策略。

监控台可对电站部分的机组的起动顺序进行有限设定，实现遥控起动、停机、合闸、解列和紧急停机功能，对跨接及母联实现遥控合闸、分闸功能；能对配电部分的负载断路器实现合闸、分闸功能。

2)电站核心控制器，电站核心控制器是电力监控所属的电站监控部分的核心部件，主要用于监测获取电站数据信息，并根据参数进行计算决策管理。本电力监控系统包含两套电站核心控制器，核心的电站控制功能冗余设计，一套控制器故障的情况下不影响整个电站的正常运行。

电站核心控制器负责监测电站跨线的电参数状态和主汇流排上各开关状态，接收指令，实现遥控的自动同步并车及船电岸电不间断转换功能；接收电力监控台、HMI(人机界面)通过下层网络发送的或上层网络通过控制权限转换发送的指令，通过计算判断及仲裁下达给相关控制执行设备；实时进行自动控制决策，通过网络通讯对机组控制器及其他设备进行自动控制。

电站核心控制器作为上层控制网络和下层控制网络的信息枢纽，接收下层控制器及自身采集的监测信息并发送至上层的工业以太网，同时接收上层网络(在具备控制权限的前提下)发来的控制指令。

3)机组控制器，机组控制器是电力监控系统实现电站机组控制的直接部件，每台发电机组配置1套发电机组控制器。

发电机组控制器负责采集主配电板内发电机组电压、电流、功率等重要电信号，同时接收柴油发电机组机旁控制箱传送的机组状态信号，按照控制模式和控制指令，结合机组和开关状态进行逻辑运算，实现对主开关合分闸控制，输出对发电机组的起动、停机、调速、调压等指令。

对接信息化和集成化的机旁控制设备，机组控制器具备双路RS485接口接收机组相关的热工参数在电力监控台、HMI和上层设备进行监测显示和报警。

机组控制器根据机旁和主配电板的故障信息进行分级处理，进行对应的自动增机和减机处理。同时对波动的电站负荷进行负荷管理，当负荷过大时自动起动机组并投网，负荷过小时转移负载并停机。

4)发电机保护装置，发电机保护装置主要实现对机组差动保护的后备保护，每台机组配置1套发电机保护装置。

发电机保护装置通过采集发电机机端三相电流和发电机主开关三相电流比较两者差值，电流差值大于设定值则发出灭磁信号至发电机并输出一路开关量报警信号至发电机组控制器进行后备保护。

5)联锁保护装置，联锁保护装置主要用于对全船机组、跨接、母联和岸电的断路器状态进行采样和综合分析计算出当前电网工况下需要闭锁的断路器，并输出闭锁信号，保证电网能够安全可靠地运行。

6)配电核心控制器，配电核心控制器是电力监控所属的配电监控部分的核心部件，作为配电监控的上层控制器，主要实现集中的配电监控功能。

配电核心控制器接收电力监控台、HMI(人机界面)通过下层网络发送的或上层网络通过控制权限转换发送的指令，通过计算判断及仲裁下达给自身控制执行设备。

配电核心控制器作为上层控制网络和下层控制网络的信息枢纽，采集主配电板内部负载断路器、绝缘监测装置等相关信息，并将自身采集的监测信息发送至上层的工业以太网，同时接收上层网络(在具备控制权限的前提下)发来的控制指令，并对主配电板负载断路器实现分合闸控制功能。

7)配电信息采集器，配电信息采集器采集配电板内部负载断路器及所属区域的充放电装置、交流不间断电源等的相关配电信息，并将自身采集的监测信息发送至上层的工业以太网。

8)HMI(人机界面),该项发明的HMI共三类，分别对应电站核心控制器、机组控制器、配电核心控制器进行配置，充分按照“通用化、系列化、组合化”的“三化”要求进行设计，所有HMI硬件、机械结构相同，装入不同软件实现不同的操作、显示功能。

HMI的设计充分体该系统信息化、集成化、一致化的特点，将所有对机组、跨接、母联、岸电、负载的控制充分集成，并按照信息化理念设计成软控按钮，最大限度减少了配电盘的零散部件，节约了配电盘的布置空间，并极大限度地提高了操作的便捷性。HMI的界面设计最大限度与电力监控台的软件界面保持一致，提高软件的可用性。HMI属于对应控制器的附属部件，其所承担的监控任务仅为电力监控台的若干分之一，且仅适用于在配电板本地进行监测和操控，因此HMI仅接入下层网络。

2、网络设计

(1)电力监控网络架构总体设计

基于双监控网络的电力监控系统采用数字化网络技术实现系统数据和信息的可靠传输。系统采用开放式、分层式、双冗余结构的网络。

电力监控系统采用双层监控网络结构。首先有必要在全船上层构建双冗余电力监控工业以太网网络，实现全船各系统综合管理及控制。电力监控系统相关设备通过100M/1000M自适应以太网多路径多节点接入上层网络。

下层采用双冗余现场总线CAN网，CAN现场总线网分为电站监控CAN子网和配电控制CAN子网，两网相互独立，仅在电力监控台内的计算机交汇，既保证了控制信息的安全性，又将电站监控和配电监控两系统融合。网络设计遵循统一的、开放式集成框架与设计标准，并具有开放性，具备拓展、升级能力，可支持新技术的引入和各子系统的更新升级。

CAN现场总线应用于对网络传输的吞吐量要求不高但对通信响应的实时性和确定性要求严格的底层现场设备层。CAN现场总线组成的通信网络优势主要包括连接简单，开发相对容易；CAN总线协议基于信息而不是基于地址，网络中增删节点模块对系统影响较小；多个节点可同时收到一组报文；支持远程帧，节点可以直接向其它节点请求数据；总线上某一节点发生错误时可以进行故障界定，错误严重的节点可自动退出，不影响总线上其它节点的正常工作。目前，电力监控现场一般控制信号的信息量不大，只有几个至几十个字节，CAN现场总线系统可以实现实时传输，CAN现场总线的传输效率很高。

工业以太网和CAN现场总线进行网络互连时要通过网关，在电力监控系统内部，安装于电站核心控制器的现场控制模块同时具备了外部以太网和CAN网络接口，在完成电站控制的同时充当了网关的作用。网关是一种低成本、高可靠性、快捷的CAN现场总线与以太网互连方案。现场控制模块的主要功能包括逻辑处理、通信处理、CAN现场总线控制和以太网控制四部分，应用此方案，可以在利用现有网络的基础上，充分发挥工业以太网和CAN现场总线的优势，实现整个工业控制系统的网络连接。

(2)下层网

1)电站监控子网络：为实现机组、断路器等设备的现场控制搭建了独立的电站监控子网络，接入子网的设备主要包含：电力监控台、电站核心控制器及其HMI、机组控制器及其HMI、发电机保护装置及联锁保护装置。电站监控设备子网络采用双冗余现场总线，通信速率高、实时性强、组态灵活可靠。通信协议以CAN2.0B规范为基础，采用统一的通信协议框架。设计通讯波特率为250kbps，数据发送周期为：常规监测数据报文1s，心跳报文5s。为保证电站监控数据的时效性，重要的模拟量参数(如多机调频调载工况下的机组频率、功率等)传输时间间隔初步设计为200ms并且可根据系统匹配；开关量报文设计具备定时发送功能和触发发送功能，保证重要的监控信息报文不丢失且时效性强。

电站监控子网络主要用于传输电站监控的控制指令，如：机组起动、停机，断路器合闸、分闸等。同时各控制器也会将电站监控的参数发送至总线网络，供电站核心控制器调用进行逻辑运算及处理并通过上层网络进行转发。在上层网络出现风暴或故障的情况下，电力监控台通过CAN网络获取电站监控数据完成监测报警相关功能。

2)配电监控子网络：为实现主配电板负载断路器的集中合分闸控制操作，搭建了独立的配电监控子网络，接入子网络的设备主要包含：配电核心控制器及其HMI，配电监控设备子网络采用双冗余现场总线，用于传输配电设备的现场控制指令。其详细设计情况与电站监控子网络相同。

(3)上层网

上层网以开放式体系结构为基础，提供一个开放的、公共集成的运行环境，允许全船各部位的其他监控台接入，形成多台位互备互切，做到了更好的系统集成。

正常情况下，电力监控系统的监测任务依托于上层网络。且为了实现多台位互切互备，在切换控制台位(非电力监控台)或电力监控自身控制网故障的情况下，电力监控系统的控制任务也需依托于上层网络。

上层网络为全船各部门和应用系统提供一个全面联网、高度综合、提醒强效、结构优化、体系开放的公共信息传输平台，满足全船各类业务的传输需求，实现信息充分共享，物理分布合理，资源配置优化，管理维护简单。上层网具备业务接入功能、多业务承载功能、服务质量保证功能、网络保护功能、故障诊断和定位分析功能、时间同步功能以及管理维护功能。

电力监控系统接入上层网络从物理连接和逻辑功能两个层面进行考虑。物理连接角度，电力监控系统通过100M/1000M自适应以太网接口双冗余接入上层网络，接入方式尽可能地遵循“线不船舱”的原则，就进接入临近的接入层交换机，以减少贯穿舱室的线缆数量。

从逻辑功能的角度，由上层网通过在接入层采用VLAN技术对个功能子系统进行划分，实现逻辑网络上的彼此隔离，保证电力监控子系统与其他功能子系统的相对独立性，减少对电力监控子系统的干扰。

接入设备包含：电力监控台、电站核心控制器、配电核心控制器及配电信息采集器。

从监控功能角度分析，电力监控功能的监测主要功能依托上层网络实现。1#电站核心控制器作为电站监控主控设备，将电站监控的所有电量信息及状态信息发送至上层网络，1#电站核心控制器故障情况下由2#电站核心控制器作为冗余设备进行发送。配电监控的所有数据信息由配电信息采集器直接发送至上层网络。进入上层网络的数据由上层环境实时同步至电力监控台内的实时数据库，电力监控软件通过读取实时数据库实现电力监测功能。核心控制器或上层网络故障的情况下，电力监控台可通过CAN网络获取电力监控数据。电力监控台也可作为电站核心控制器的冗余部件向上层发送电站监测数据。

Claims (8)

1.一种基于双监控网络的船舶电力监控系统，包括电力监控台、电站监控系统和配电监控系统，其特征是所述电站监控系统由前电站和后电站监控系统组成，所述配电监控系统由前电站配电和后电站配电监控系统组成，所述前电站和后电站监控系统包含硬件设备为：电站核心控制器、电站人机界面(HMI)、机组控制器、机组人机界面(HMI)、发电机保护装置及联锁保护装置；所述前电站配电(4)和后电站配电监控系统(5)包含的硬件设备为：配电核心控制器、配电信息采集器以及配电人机界面(HMI)；

所述电力监控台、电站核心控制器、配电核心控制器及配电信息采集器通过工业以太网连接组成上层网的电力监控网，所述电力监控台、电站核心控制器、电站人机界面(HMI)、机组控制器、机组人机界面(HMI)、发电机保护装置及联锁保护装置通过CAN现场总线组成下层网的电站监控网，所述配电核心控制器、配电人机界面(HMI)通过CAN现场总线组成下层网的配电监控网；所述上层网的电力监控网和下层网的电站监控网和配电监控网，同时对电站监控系统和配电监控系统进行监控；所述下层网的电站监控网和配电监控网，两网相互独立，仅在电力监控台内的计算机交汇；下层网的电站监控网用于传输电站监控的控制指令，在上层网络出现风暴或故障的情况下，电力监控台通过CAN网络获取电站监控数据完成监测报警相关功能；下层网的配电监控网用于传输配电设备的现场控制指令；

所述电力监控台的软件部分(100)包括信息共享单元(101)、信息处理单元(102)、信息显示单元(103)、信息存储单元(104)和人机交互单元(105)，用于汇聚电力系统实时信息，实现系统信息共享、处理、显示、存储及人机交互等功能；

其中，信息共享单元(101)用于系统对下层采集信息的共享；信息处理单元(102)根据系统需求和设定的控制策略，通过信息融合、信息挖掘方法，进行电力系统的统一协调操控，集中决策管理，实现对电力系统网络结构准确快速识别、系统运行状态分析、电力设备及负荷协调管理；向下层各模块提供正确的系统决策以满足各类操作需求，实现系统的综合控制，为系统故障后的恢复提供有效的策略；信息显示单元(103)和信息存储单元(104)用于信息实时显示和重要信息的存储和调用；人机交互单元(105)，用于对电站部分的机组的起动顺序进行有限设定，实现遥控起动、停机、合闸、解列和紧急停机功能，对跨接及母联实现遥控合闸、分闸功能；对配电部分的负载断路器实现合闸、分闸功能。

2.根据权利要求1所述的基于双监控网络的船舶电力监控系统，其特征是所述上层监控网为双冗余电力监控工业以太网网络，实现全船各系统综合管理及控制，电力监控系统相关设备通过100M/1000M自适应以太网多路径多节点接入上层网络。

3.根据权利要求1所述的基于双监控网络的船舶电力监控系统，其特征是所述电站核心控制器的软件部分(200)包括电站数据信息采集单元(201)和计算决策管理单元(202)，用于监测获取电站数据信息，并根据参数进行计算决策管理；所述监控系统包含两套电站核心控制器，核心的电站控制功能冗余设计，一套控制器故障的情况下不影响整个电站的正常运行；

其中，电站数据信息采集单元(201)负责监测电站跨线的电参数状态和主汇流排上各开关状态，接收指令，实现遥控的自动同步并车及船电岸电不间断转换；接收电力监控台、HMI(人机界面)通过下层网络发送的指令，或通过控制权限转换接收上层网络发来的控制指令；计算决策管理单元(202)通过计算判断及仲裁下达给相关控制执行设备；实时进行自动控制决策，通过网络通讯对机组控制器及其他设备进行自动控制。

4.根据权利要求1所述的基于双监控网络的船舶电力监控系统，其特征是所述配电核心控制器作为配电监控的上层控制器，配电核心控制器的软件部分(300)包括配电信息采集单元(301)和配电信息处理单元(302)，实现集中的配电监控功能；

其中，配电信息采集单元(301)用于配电核心控制器接收主配电板内部负载断路器、绝缘监测装置等相关信息，并将自身采集的监测信息发送至上层的工业以太网，以及通过下层网络接收电力监控台、HMI(人机界面)发送的或上层网络通过控制权限转换发送的指令；配电信息处理单元(302)通过计算判断及仲裁下达给自身控制执行设备，用于对主配电板负载断路器实现分合闸控制。

5.根据权利要求1所述的基于双监控网络的船舶电力监控系统，其特征是所述机组控制器是电力监控系统实现电站机组控制的直接部件，每台发电机组配置1套机组控制器；机组控制器的软件部分(400)包括信号接收单元(401)、逻辑运算单元(402)、指令输出单元(403)、机旁控制设备监测显示和报警单元(404)、故障信息分级处理单元(405)以及负荷管理单元(406)；

其中，信号接收单元(401)用于采集主配电板内发电机组电压、电流、功率电信号，同时接收柴油发电机组机旁控制箱传送的机组状态信号；逻辑运算单元(402)按照控制模式和控制指令，结合机组和开关状态进行逻辑运算，实现对主开关合分闸控制；指令输出单元(403)输出对发电机组的起动、停机、调速、调压等指令；

机旁控制设备监测显示和报警单元(404)对机旁控制设备，通过双路RS485接口接收机组热工参数在电力监控台、HMI和上层设备进行监测显示和报警；

故障信息分级处理单元(405)根据机旁和主配电板的故障信息进行分级处理，进行对应的自动增机和减机处理；负荷管理单元(406)对波动的电站负荷进行负荷管理，当负荷过大时自动起动机组并投网，负荷过小时转移负载并停机。

6.根据权利要求1所述的基于双监控网络的船舶电力监控系统，其特征是所述发电机保护装置用于对机组差动保护的后备保护，每台机组配置一套发电机保护装置；

发电机保护装置通过采集发电机机端三相电流和发电机主开关三相电流比较两者差值，电流差值大于设定值则发出灭磁信号至发电机并输出一路开关量报警信号至发电机组控制器进行后备保护。

7.根据权利要求1所述的基于双监控网络的船舶电力监控系统，其特征是所述联锁保护装置用于对全船机组、跨接、母联和岸电的断路器状态进行采样和综合分析计算出当前电网工况下需要闭锁的断路器，并输出闭锁信号，保证电网能够安全可靠运行。

8.根据权利要求1所述的基于双监控网络的船舶电力监控系统，其特征是所述电站核心控制器人机界面(HMI)、机组控制器人机界面(HMI)以及配电核心控制器人机界面(HMI)的所有对机组、跨接、母联、岸电、负载的控制进行集成设计，并采用软控按钮设计。