CN116316518A - 一种无人船的直流供配电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人船的直流供配电系统，属于无人船供配电技术领域，包括直流主配电板、直流发电机组、锂电池组、一组以上UPS和若干断路器；直流主配电板包括采用隔离开关连接的一号直流主汇流排与二号直流主汇流排；一号主汇流排连接若干直流发电机组；二号主汇流排连接若干直流发电机组；锂电池组通过锂电池充电装置与二号直流主汇流排电连接，用于为锂电池组充电，通过锂电池放电装置与一号直流主汇流排电连接；每组UPS包括UPSⅠ和UPSⅡ，UPSⅠ与一号直流主汇流排电连接，UPSⅡ与二号直流主汇流排电连接；直流负载既与UPSⅠ和UPSⅡ电连接。该直流供配电系统保证了对直流负载稳定可靠的电源供应。

Description

一种无人船的直流供配电系统
技术领域
本发明属于无人船供配电技术领域，具体涉及一种无人船的直流供配电系统。
背景技术
无人船本船电力、动力、通信导航、作业系统控制电源等直流负载均由直流系统供电，为保证设备通讯和控制的可靠性，无人船的直流供配电系统应当能够提供稳定可靠的电源。
为了使无人船的直流供配电系统提供稳定可靠的电源，往往使用不间断电源即UPS电源技术，但是，UPS电源一般只在无人船的发电机组出现故障时作为备份使用，若发电机组的故障不能及时排除，或者UPS电源自身出现故障时，无人船的直流负载仍然无法获得稳定可靠的电源供应。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无人船的直流供配电系统，解决了无人船发电机组或者UPS电源故障时，直流负载无法获得稳定可靠的电源供应的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种无人船的直流供配电系统，包括直流主配电板、直流发电机组、锂电池组、一组以上UPS和若干断路器；所述直流供配电系统用于为无人船上的直流负载供电；
所述直流主配电板包括采用隔离开关连接的一号直流主汇流排与二号直流主汇流排；所述一号主汇流排连接若干所述直流发电机组；所述二号主汇流排连接若干所述直流发电机组，并设置有岸电接口；
所述锂电池组通过锂电池充电装置与所述二号直流主汇流排电连接，用于为所述锂电池组充电，通过锂电池放电装置与所述一号直流主汇流排电连接；
每组所述UPS包括UPSⅠ和UPSⅡ，UPSⅠ通过相应的断路器与所述一号直流主汇流排电连接，UPSⅡ通过相应的断路器与所述二号直流主汇流排电连接；
直流负载既与所述UPSⅠ电连接，也与所述UPSⅡ电连接。
进一步地，所述直流发电机组为变转速变电压运行的整流幅压发电机组，能够通过改变转速输出560V－710V范围的电压。
进一步地，所述锂电池充电装置中的充电开关与所述锂电池放电装置中的放电开关合闸联锁：两个开关不能够同时合闸。
进一步地，所述UPS中的供电模块故障与所述UPS中的蓄电池组放电联锁：当所述供电模块输出失电时，所述蓄电池组自动转入放电状态，用于为所述直流负载供电。
进一步地，每个UPS经电子开关和二极管后通过电缆接至所述直流负载设备，当其中一个UPS电源输出时，与该UPS对应的所述电子开关自动接通。
进一步地，所述电子开关的动作时间小于所述蓄电池组的保护开关的动作时间。
进一步地，所述直流主配电板还配置了两个配电健康管理控制器；
所述配电健康管理控制器监测的信息包括：所述直流负载开关和所述直流电子开关的状态及故障信号、所述一号直流主汇流排和所述二号直流主汇流排的电压及绝缘、所述蓄电池组电量参数、所述UPS的工作状态及故障；
无人船的能量管理系统能够根据所述配电健康管理控制器监测的数据，向所述配电健康管理控制器发出指令，由所述配电健康管理控制器直接下发指令控制所述隔离开关、所述直流负载开关、所述直流电子开关的分合闸，所述直流发电机组开关、所述直流电子开关的故障复位。
进一步地，所述配电健康管理控制器监测所述蓄电池组中单体电池电压，通过对称电压差值来预断所述蓄电池组的使用寿命。
进一步地，还包括船体定位系统；
所述船体定位系统的电源直接取自两个所述UPS中的蓄电池组。
有益效果：
(1)直流主配电板设置一号直流主汇流排与二号直流主汇流排；一号主汇流排连接若干直流发电机组；二号主汇流排连接若干直流发电机组；一号主汇流排与二号主汇流排采用隔离开关连接；锂电池组通过锂电池充电装置与二号直流主汇流排电连接，用于为锂电池组充电，通过锂电池放电装置与一号直流主汇流排电连接；每组UPS包括UPSⅠ和UPSⅡ，UPSⅠ通过相应的断路器与一号直流主汇流排电连接，UPSⅡ通过相应的断路器与二号直流主汇流排电连接；直流负载组既与UPSⅠ电连接，也与UPSⅡ电连接；如此，在某一直流主汇流排出现供电故障的情况下，可以切换到另一直流主汇流排，而且发电机组出现故障时，也能通过锂电池组替代，同时，当直流主汇流排失电时，UPS可通过自身的蓄电池组为直流负载供电，保证直流负载供电的稳定性，从而，从无人船的电源源头保证了直流供配电系统的稳定可靠。
(2)直流发电机组采用变转速变电压运行的整流幅压发电机，能够根据负载对电量的需求调整转速，从而在560V－710V范围内调整发电机的输出电压至直流主汇流排，燃油经济性好，能实现高续航，满足船舶远航程的需要。
(3)锂电池组中的充电开关与放电开关合闸联锁：两个开关不能够同时合闸；使得锂电池组充电与放电不能同时进行，保证了锂电池组的安全。
(4)UPS中，供电模块故障与蓄电池组放电联锁：当供电模块输出失电时，蓄电池组自动转入放电状态，保证了无人船直流供配电系统的稳定可靠。
(5)每个UPS经电子开关和二极管后通过电缆接至直流负载设备，当其中一个UPS电源输出时，与该UPS对应的电子开关自动接通，如此，当一个UPS故障时，直流负载直接由另外一个UPS供电，无切换时间，保证系统供电的不间断性。
(6)直流负载线路上的电子开关的动作时间小于蓄电池组的保护开关的动作时间，如此，在某一路直流负载出现故障时，其余负载电路以及直流汇流排均不发生故障动作，减少了故障动作范围，保证了每一路的直流负载设备的供电连续性和可靠性。
(7)配电健康管理控制器监测的信息包括：直流负载开关和直流电子开关的状态及故障信号、一号直流主汇流排和二号直流主汇流排的电压及绝缘、蓄电池电量参数、UPS电源的工作状态及故障；无人船的能量管理系统能够根据配电健康管理控制器监测的数据，向配电健康管理控制器发出指令，由配电健康管理控制器直接下发指令控制隔离开关、直流负载开关、直流电子开关的分合闸，直流发电机组开关、直流电子开关的故障复位。如此，能够实时监控无人船直流供配电系统状态，并实现远程操控，提高了无人船直流供配电系统的稳定可靠性。
(8)配电健康管理控制器监测蓄电池组中单体电池电压，通过对称电压差值来预断蓄电池组的使用寿命，如此，能够实时监测UPS电源的寿命，提高了无人船直流供配电系统的稳定可靠性。
(9)船体定位系统的电源直接取自两个UPS中的蓄电池组，由于从电源源头直接取电，而不经过其它控制线路与开关，保证了船体定位系统的可靠性。而且，从两个UPS取电使船体定位系统供电更加可靠。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种无人船的直流供配电系统的单线图；
图2为图1中UPS电源的组成示意图；
图3为图1中直流24V负载供电原理框图；
图4为本发明实施例提供的DC24V蓄电池组保护开关与DC24V汇流排侧电子开关连接结构示意图；
图5为图4中DC24V蓄电池组保护开关与DC24V汇流排侧电子开关协调性示意图；
图6为本发明实施例提供的蓄电池组管理系统的原理示意图；
图7为本发明实施例提供的配电健康管理系统的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图并举实施例，对本发明详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种无人船的直流供配电系统，包括直流主配电板、直流发电机组、锂电池组；该直流供配电系统用于为无人船上的直流负载供电，其中：
直流主配电板设置一号直流主汇流排与二号直流主汇流排；一号直流主汇流排上连接两台直流发电机组；二号直流主汇流排上连接一台直流发电机组，并设置有岸电接口；一号直流主汇流排与二号直流主汇流排采用隔离开关电连接；锂电池组通过锂电池充电装置与二号直流主汇流排电连接，用于为锂电池组充电，通过锂电池放电装置与一号直流主汇流排电连接；另外，上述的直流发电机组采用变转速变电压运行的整流幅压发电机，能够根据负载对电量的需求调整转速，从而在560V－710V范围内调整发电机的输出电压至直流主汇流排，燃油经济性好，能实现高续航，满足船舶远航程的需要。可以理解的是，一号直流主汇流排和二号直流主汇流排连接的直流发电机组数量可以灵活调整，例如，当设置两台直流发电机组时，一台可以与一号直流主汇流排电连接，另一台与二号直流主汇流排电连接。
在本实施例中，直流主配电板还包括两组直流UPS、若干电子开关以及24V直流负载组(包括计程仪显示器、测深仪主机、AIS主机、驾驶台等)；UPS用于将直流560V－710V电压转换为直流24V电压；且UPS设置有蓄电池组，可在传输电力的同时，通过充电模块对自身的蓄电池组进行充电。当直流主汇流排失电时，UPS可通过自身的蓄电池组为24V直流负载组供电，保证对24V直流负载组供电的稳定性。具体地，每组UPS包括两个UPS，令两个UPS分别为UPSⅠ和UPSⅡ，本例中，设置了两组24V直流负载组，并对应设置了两组UPS，第一组UPS包括UPSⅠA和UPSⅡA，第二组UPS包括UPSⅠB和UPSⅡB。UPSⅠ(包括UPSⅠA和UPSⅠB)通过相应的断路器与一号直流主汇流排电连接，UPSⅡ(包括UPSⅡA和UPSⅡB)通过相应的断路器与二号直流主汇流排电连接；24V直流负载组中的每个24V直流负载既通过一个电子开关与UPSⅠ电连接，也通过另一个电子开关与UPSⅡ电连接(即每个24V直流负载采用两路电子开关做保护，这两路电子开关在UPS电源切换时能够自动切换)，UPSⅠ和UPSⅡ的输出端均连接有二极管，UPSⅠ和UPSⅡ中输出电压高的为24V直流负载组供电(具体是由UPS中的供电模块供电)；采用该种设置方式使得当UPSⅠ或UPSⅡ发生故障时，24V直流负载组将直接由另外1个未发生故障的UPS供电，无切换时间，保证系统供电的不间断性和可靠性。而且，上述的电子开关不仅可以与上位机通信，监测自身状况，而且对24V直流负载的关断速度快于传统的机械式断路器，能够快速切断故障，保证其他负载不受影响，进一步保证电力系统的可靠性。
更具体地说，上述的直流主配电板包括了直流发电机控制屏、隔离开关屏、直流UPS屏，其中，直流发电机控制屏主要装有直流发电机开关、锂电池充放电装置充放电开关、直流负载开关、数据采集模块、通信模块、电量变送器、熔断器、辅助电路等，其中，直流发电机开关采用带通信功能的抽屉式空气断路器，具有机械/电动操作机构，脱扣器具有过载长延时，短路短延时、瞬时脱扣、逆电流、欠压和过压保护功能；隔离开关屏主要装有隔离断路器、数据采集模块、通信模块、电量变送器、配电管理控制器、蓄电池组、熔断器、辅助电路等，其中，隔离开关采用通信功能的抽屉式空气断路器，具有机械/电动操作机构；UPS屏内主要装有供电模块、充电模块、蓄电池组、直流断路器、直流接触器、二极管模块、直流24V电子开关、散热器、数据采集模块、通信模块、熔断器、辅助电路等。
另外，该无人船的直流供配电系统还包括船体定位系统(SOS求救)，其信号的电源直接取自UPS中蓄电池组两端，并且采用两个UPS中的蓄电池组供电，保证船体定位的可靠供电。
实施例2：
在实施例1的基础上，直流供配电系统具备联锁功能，包括两段直流主汇流排(一号直流主汇流排和二号直流主汇流排)的绝缘监测仪联锁、锂电池充放电装置的充电开关与放电开关合闸联锁和UPS供电模块故障与蓄电池组放电联锁。其中两段直流主汇流排的绝缘监测仪联锁指的是连接一号直流主汇流排和二号直流主汇流排的隔离开关断开时，两段直流主汇流排的绝缘监测均有效，隔离开关闭合时，自动屏蔽其中一侧直流主汇流排的绝缘监测功能；锂电池充放电装置的充电开关与放电开关合闸联锁指的是只有其中一个开关能够合闸；UPS电源供电模块故障与蓄电池组放电联锁指的是当供电模块输出失电时，蓄电池组自动转入供电状态。
实施例3：
如图2所示，每个UPS包括相互并联的三个供电模块和一个充电模块，每个供电模块由40A开关电源组成，输入电压范围为DC450～800V，经降压后供给直流负载。每个充电模块由10A开关电源组成，输入电压范围为DC450～800V，经降压后对蓄电池组充电，充电方式为限流恒压。蓄电池组采用阀控密封式胶体蓄电池，工作温度范围为－25℃～55℃，额定容量为DC24V/100Ah。
如图3所示，一组DC24V UPS经电子开关和二极管后通过电缆接至24V直流负载设备。当其中一个DC24V UPS电源输出时，与该UPS对应的电子开关自动接通，确保整个通信网络有电。
本实施例对每一路的直流负载的供电连续性和可靠性要求很高，要求在单个直流负载设备发生短路故障时，能在5ms以内切断故障回路，保证其他直流负载设备的稳定运行。具体地，在直流负载短路时设计的快速电子开关通过电力电子器件迅速关断，从短路时刻到完全切断电流时间小于等于2ms。
参照图4和图5，图5示出了DC24V蓄电池组保护开关与DC24V汇流排侧电子开关协调性，可以看出直流负载线路上的电子开关的动作时间小于蓄电池的保护开关的动作时间，如此，在单个直流负载设备发生短路故障时，能在5ms以内切断故障回路，保证其他设备的稳定运行，减少了故障动作范围，保证了每一路的直流负载设备的供电连续性和可靠性。
上述电子开关选用双MOSFET管串联作为主回路开关器件，主要实现对直流负载的短路与过载保护外，同时具有检测直流负载用电情况的功能，并通过485接口与上位机通信。为了实现对直流负载的快速关断，通过高速运放放大与比较模块、逻辑模块、MOS管驱动模块等硬件电路来实现，整个保护过程不超过2us。过载保护功能通过电量监测附件来实现，可分为过载长延时保护、短路短延时保护功能和过载预报警功能。开关的过载长延时保护特性通过电量监测附件来实现，为12t反时限特性，过载长延时的整定电流和动作时间均可通过上位机进行设置或修改。开关的短路短延时保护特性通过电量监测附件来实现，为定时限特性，动作电流误差为±15％，其动作时间可通过上位机进行设置或修改。开关的过载预报警功能通过电量监测附件来实现，为反时限特性，当负载电流超过设定的预报警动作电流整定值时，开关向上位机发出过载预报警信号。检测直流负载用电情况的功能主要用于检测直流负载的电流与电压，并计算出直流配电系统的功率，并通过这些电参数判断是否需要对直流配电系统进行过载保护。
而且，上述电子开关具备四遥功能，即遥信功能：上位机可通过通信了解电子开关的合分状态、过载预报警和显示故障动作的类型；遥测功能：上位机可通过通信监测直流负载工作电流、工作电压和功率；遥控功能：上位机可通过通信控制电子开关的闭合或断开；遥调功能：上位机可通过通信调整电子开关的过载长延时、短路短延时、过电压和欠电压等保护特性参数及过载预报警的电流整定参数。
实施例4：
如图6所示，蓄电池组设置有电池组管理系统，电池组管理系统安装于蓄电池组内部，包含一个高压控制板(BMU)、各高压组件(继电器、MSD、霍尔传感器等)以及四个电压、温度检测板(LMU)，上述电池组管理系统中各器件的连接关系为现有技术，具体可参照图6，此处不再赘述。该电池组管理系统可以实时监测各串电池电压、采样点温度、充放电电流，估算SOC，通过CAN与充放电控制设备进行通信(接收命令、上传参数)。在发生异常状况时(过压、欠压、过温、过流、通信异常、绝缘异常)，高压控制板(BMU)具有一级报警和二级强制保护机制，可关断充电或放电继电器，保护蓄电池组。
对于蓄电池组过充和过放保护功能，控制系统采用继电器并联体二极管方式，将过充和过放分开控制，提高系统安全性、可靠性。放电继电器配有预充电回路，防止继电器因压差过大而损坏。电流测量电路包括霍尔传感器及信号调理电路，用于采集充放电电流。电压、温度检测板(LMU)主控芯片与外围采集控制芯片进行隔离通信，高压控制板(BMU)与电压、温度检测板(LMU)的电源、通信均采用隔离模块，可以将电路中的干扰降到最低。另外，电压、温度检测板(LMU)采样集成电路具有被动均衡功能，当充电末期电池电压不一致时，高压电池可通过回路放电至电压一致。
实施例5：
如图7所示，该直流供配电系统还设置了配电健康管理系统，具体地，直流主配电路板设置两个配电健康管理处理器，每个处理器带八个RS485通信接口和两个双路冗余CAN接口，使每个UPS具备健康管理功能，配电健康管理处理器对UPS的监控管理包括：监测供电模块的运行状态和故障状态，通过对每个开关电源运行状态的采集，实时监测供电模块在线容量，并定位故障电源模块，故障时断开DC24VUPS开关合闸后重新合闸一次，若故障仍然存在，确认故障；监测充电模块故障和蓄电池充电电流，当充电模块故障时，发出充电模块故障报警；监测单体电池电压，通过对称电压差值来预断蓄电池组的使用寿命；监测蓄电池的电压，当蓄电池组的电压低于21.6V时，发出蓄电池电压低报警。当蓄电池组的电压高于28.8V时，发出蓄电池电压高报警；监测蓄电池的电压和放电电流，当供电模块供电时，蓄电池出现放电现象，发出蓄电池异常放电报警；监测蓄电池开关的状态，若蓄电池开关出现异常分闸现象，故障时发分合闸指令三次，若三次蓄电池开关未合闸，确认故障，发出报警；监测直流汇流排电压，若直流汇流排电压高于28.8V时，根据供电情况切断模块供电电源并发出直流汇流排电压高报警，若直流汇流排电压低于20.6V时发出直流汇流排电压低报警；单套DC24VUPS有报警或故障时，向上层发DC24VUPS报警信号；两套DC24VUPS有报警或故障时，向上层发DC24VUPS故障信号。
该无人船直流配电系统中的配电健康管理系统实现了配电监控和健康管理功能，直流主配电板将采集的各状态信号上传至上层配电健康管理控制器，由上层配电健康管理控制器发出指令来控制本层系统的模块，通过模块实现控制输出。具体来说，无人船的能量管理系统能够根据配电健康管理控制器监测的数据，向配电健康管理控制器发出指令，由配电健康管理控制器直接下发指令控制隔离开关、直流负载开关、直流电子开关的分合闸，直流发电机组开关、直流电子开关的故障复位。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人船的直流供配电系统，其特征在于，包括直流主配电板、直流发电机组、锂电池组、一组以上UPS和若干断路器；所述直流供配电系统用于为无人船上的直流负载供电；
所述直流主配电板包括采用隔离开关连接的一号直流主汇流排与二号直流主汇流排；所述一号主汇流排连接若干所述直流发电机组；所述二号主汇流排连接若干所述直流发电机组，并设置有岸电接口；
所述锂电池组通过锂电池充电装置与所述二号直流主汇流排电连接，用于为所述锂电池组充电，通过锂电池放电装置与所述一号直流主汇流排电连接；
每组所述UPS包括UPSⅠ和UPSⅡ，UPSⅠ通过相应的断路器与所述一号直流主汇流排电连接，UPSⅡ通过相应的断路器与所述二号直流主汇流排电连接；
直流负载既与所述UPSⅠ电连接，也与所述UPSⅡ电连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人船的直流供配电系统，其特征在于，所述直流发电机组为变转速变电压运行的整流幅压发电机组，能够通过改变转速输出560V－710V范围的电压。
3.根据权利要求1所述的一种无人船的直流供配电系统，其特征在于，所述锂电池充电装置中的充电开关与所述锂电池放电装置中的放电开关合闸联锁：两个开关不能够同时合闸。
4.根据权利要求1所述的一种无人船的直流供配电系统，其特征在于，所述UPS中的供电模块故障与所述UPS中的蓄电池组放电联锁：当所述供电模块输出失电时，所述蓄电池组自动转入放电状态，用于为所述直流负载供电。
5.根据权利要求1所述的一种无人船的直流供配电系统，其特征在于，每个UPS经电子开关和二极管后通过电缆接至所述直流负载设备，当其中一个UPS电源输出时，与该UPS对应的所述电子开关自动接通。
6.根据权利要求5所述的一种无人船的直流供配电系统，其特征在于，所述电子开关的动作时间小于所述蓄电池组的保护开关的动作时间。
7.根据权利要求1－6任一项所述的一种无人船的直流供配电系统，其特征在于，所述直流主配电板还配置了两个配电健康管理控制器；
所述配电健康管理控制器监测的信息包括：所述直流负载开关和所述直流电子开关的状态及故障信号、所述一号直流主汇流排和所述二号直流主汇流排的电压及绝缘、所述蓄电池组电量参数、所述UPS的工作状态及故障；
无人船的能量管理系统能够根据所述配电健康管理控制器监测的数据，向所述配电健康管理控制器发出指令，由所述配电健康管理控制器直接下发指令控制所述隔离开关、所述直流负载开关、所述直流电子开关的分合闸，所述直流发电机组开关、所述直流电子开关的故障复位。
8.根据权利要求7所述的一种无人船的直流供配电系统，其特征在于，所述配电健康管理控制器监测所述蓄电池组中单体电池电压，通过对称电压差值来预断所述蓄电池组的使用寿命。
9.根据权利要求1－6任意一项所述的一种无人船的直流供配电系统，其特征在于，还包括船体定位系统；
所述船体定位系统的电源直接取自两个所述UPS中的蓄电池组。
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