CN214041604U - 船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置，用于对船舶电力推进交直流供电系统进行在线监测与评估，包括浪涌电流、电流不平衡度、脉冲负载、跃变负载、谐波分析、电压偏差、电压跌落、瞬态电压偏差、尖峰电压、纹波电压、电压变动的相对值、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，具备人机交互、历史数据查询、波形分析记录、数据通讯，并能够自适应修正电能品质指标评估权重，实时地给出电能品质综合评估结果，对电力推进交直流供电系统电能品质特征参数的最小监测持续时间为0.8us、采样精度可达到2.498mV，在50ms以内完成69个电气测量通道从采样到数据分析的过程。

Description

船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置

技术领域

本实用新型涉及一种船舶电能品质在线监测与评估装置，特别涉及一种电力推进船舶交直流供电系统电能品质在线监测与评估装置。

背景技术

综合电力推进船舶具有优良的控制性能、节能减排、布置灵活和经济性好的特点。绿色低碳是当今船舶的主流趋势，随着综合电力推进系统在工程船、科考船、海洋平台及混合动力船舶上的大量应用，以及多能源的渗入，大量的电力电子装置，如多脉冲整流器、四象限变频器、风/光/氢/储变换器等弱电功率器件给船舶供电系统的电能品质和电磁兼容带来了极大的挑战，存在一些如下所诉的新的问题。

随着电力电子装置的上船，除了电压和频率的稳态偏差外，大容量推进装置的使用带来了更加突出的暂态扰动以及谐波污染问题，对供电系统的设计带来更大的挑战。

船舶电磁干扰来自于各种船舶电气设备，相对于传统船舶，电力推进船舶由于电气设备容量和电压等级的不断上升，电磁兼容性问题进一步突出，对系统的电磁兼容性提出了更高的挑战。

以往工程船舶入级规范中对电能品质的暂态和稳态仅有少量的偏差要求和供电端谐波范围要求，对系统的电能品质实时特性未作强制要求，这对绿色低碳船舶的供电质量和可靠性极为不利。

如果能解决系统的电能品质的在线监测及实时评估问题，不仅能确保系统供电端的电能品质和受电端的供电可靠性问题，而且能为能量管理系统的优化控制，以及系统的电磁兼容性提供一种良好的解决方案。

发明内容

本实用新型的目的是：对船舶供电系统的电能品质进行在线监测及实时评估，以解决现有船舶供电系统由于电力电子器件引起的电能品质及电磁兼容问题。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置，用于对船舶的电力推进交直流供电系统电能品质进行在线监测与评估，实现与能量管理系统、综合控制系统等的实时交互，对电力推进交直流供电系统电能品质特征参数的最小监测持续时间为0.8us、采样精度可达到2.498mV，在50ms以内完成69个电气测量通道从采样到数据分析的过程，其特征在于，包括：

电压转换调理模块，用于对电力推进交直流供电系统中供电端的三相电压信号进行二次转换和信号处理；

电流转换调理模块，用于对电力推进交直流供电系统中的发电机组输出三相电流信号、负载支路的三相电流信号进行二次转换和信号处理；

PXI控制器，集成电能品质在线测量分析与评估软件，用于对经外围互感器转换调理的电气量信号的计算、电能品质分析、综合评估、事故判断、报警、记录。

PXI系统，集成PXI控制器和同步采集卡，利用数据同步采集卡通过屏蔽电缆获取电压转换调理模块及电流转换调理模块采集的电压信号以及电流信号，通过PXI控制器进行电能品质在线测量分析与评估，经集成机箱上传至上位机，并通讯到能量管理系统和综合控制系统。

优选地，所述电力推进交直流供电系统包括数台主柴油发电机组、配电板、推进负载、线性负载、进线电网，可实现开环、闭环不同的网络结构，可模拟6脉冲、12脉冲、虚拟24脉冲、AFE推进以及新能源/干式负载不同负荷在网工况下系统的暂态和稳态特性。

优选地，有至少5块所述电压转换调理模块，用于至少采集40路电压信号，每块所述电压转换调理模块包括用于检测电压信号的电压互感器外围电路以及用于将电压互感器外围电路检测到的电压信号通过所述屏蔽电缆传输至所述数据同步采集卡的继电器驱动电路，电压互感器外围电路所采用的电压互感器的精度不低于0.1％。

优选地，所述电流转换调理模块，用于至少采集56路电流信号，包括5块小电流采样调理模块和2块大电流采集模块，每块小电流采样调理模块或每块大电流采集模块包括用于检测电流信号的电流互感器外围电路以及用于将电流互感器外围电路检测到的通过所述屏蔽电缆传输至所述数据同步采集卡的电流信号数字输入触点驱动电路，电流互感器外围电路所采用的电流互感器的精度不低于0.1％。

优选地，所述数据同步采集卡的采样率为1.25MS/s、采样精度为2.498mV；所述控制器采用PXI8135处理器，能够兼容可视化G语言编程软件；所述集成机箱具有上位机通讯和数据传输功能。

本实用新型提供的一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置具有电能品质在线分析、实时评估、数据通讯和人机交互功能，可实现对供电支路、不同负载支路的暂态和稳态电能品质特征参数的实时分析和评估，可实现与能量管理系统、综合控制系统等的实时交互，实现对设备的优化控制，并将数据传输到上位机上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置能够对供电支路和不同负载支路的暂态和稳态电能品质特征参数进行实时分析和评估，可以保证系统供电的可靠性和稳定性，通过上位机通讯，可以实现与能量管理系统、综合控制系统的实时交互，实现对设备的优化控制，可以有效解决系统因电能品质、电磁干扰等引起的功率振荡、谐波污染、共模差模等问题，实现船舶供电系统能量的综合利用。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置的系统框图；

图2为综合评估模块所采用的综合评估模型；

图3为本发明电能品质实时分析模型；

图4为电能品质在线分析硬件设计的具体实施图；

图5A为一路电压采样电路的原理图；

图5B为一路继电器驱动电路的原理图；

图6A为一路电流采样电路的原理图；

图6B为一路外部信号触发电路的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型提供了一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置，用于对船舶电力推进交直流供电系统的电能品质进行在线监测与评估，包括电网的浪涌电流、电流不平衡度、脉冲负载、跃变负载、谐波分析、电压偏差、电压跌落、瞬态电压偏差、尖峰电压、纹波电压、电压变动的相对值、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、频率周期性变化等，具备人机交互、历史数据查询、波形分析记录、数据通讯等功能，并能够自适应修正电能品质指标评估权重，实时地给出电能品质综合评估结果，对电力推进交直流供电系统电能品质特征参数的最小监测持续时间为0.8us、采样精度可达到2.498mV，在50ms以内完成69个电气测量通道从采样到数据分析的过程。

如图1所示，本实用新型提供的一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置由柴油发电机组、配电板、AFE推进负载、虚拟24脉推进负载、新能源负载、线性负载、电能品质在线测量一次互感器、电压互感器调理模块、电流互感器调理模块、同步采集卡、控制器、电能品质在线测量分析和评估软件、人机界面、通讯线等组成。其中，新能源负载为预留接口，本实用新型提供的在线监测与评估装置在线测量装置通过电能品质在线测量一次互感器、二次电压/电流调理电路、采集卡同步装置以及人机交互的软件界面和控制器实现对电能品质特征参数(包括6台发电机组出口三相电压信号、3个电站母排三相电压信号、以及AFE变频器反馈至进线电网三相电压信号，如图1中方框所标注；电流信号采集39路，对应6台发电机组输出三相电流信号、6脉冲变频器支路及其AFE反馈支路三相电流信号、12脉主推进变频支路及其反馈至进线电网支路三相电流信号以及一路线性负载支路电流信号，如图1中圆圈标注)的采集、信号处理、软件分析和反馈、硬件同步输出，实现与能量管理系统和综合控制系统的数据传输。

电能品质在线测量分析和评估软件的具体实施(应当注意的是，本实用新型的发明点并不涉及电能品质在线测量分析和评估软件的实现，而是提供了一种可以运行该软件的硬件平台，本领域技术人员在获知了本实用新型公开的硬件平台后，也可以在本实用新型的硬件平台上运行已有的软件来实现类似功能)：本系统中软件采用模块化设计，包括登陆模块、功能分析模块、事件产生处理模块、综合评估模块。其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、电压不平衡度分析、电压波动闪变分析和电压暂态分析等。各模块同时进行分析。①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、无功和功率因数。根据IEC标准要求进行每隔10s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。②谐波分析是电能品质分析的重要指标，10个周波的实时缓存波形通过电压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计算输出的电压频谱信息可以得到2-100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。③电压不平衡度分析(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10个周波的电压电流缓存信息通过电压FFT计算和电流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相序幅值计算出三相电压电流不平衡度。④电压波动闪变分析，根据10个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10min，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10min则继续判断。长时波动计算是短时波动的继续累加，如果持续波动超过2小时，则长时波动指示报警。⑤电压暂态分析是将一些瞬时变化的情况检查出来，利用10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。⑥事件产生处理模块包括以下内容：当波形分析结果超出电能品质指标，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，判断是否持续超时10秒，如果超时则保存实时波形，如果没有则继续判断。⑦综合评估模块用于进行电能品质综合评估，根据综合评估系统的监测数据和生成的报表，对列举的实验和测评结果进行综合分析，建立基于熵权的模糊综合评估模型，根据单项指标的差异性系数，求得电能品质各指标的目标权重，求得电能品质各指标的目标权重，综合评估模块所采用的综合评估模型如图2所示。

系统电能品质实时性的具体实施：本系统中通过两级电压/电流转换调理，一次互感器精度控制在0.2级，二次电压/电流调理模块的精度为0.1级以上，通过采样率1.25MS/s的同步采集卡实现69路电气量的数据同步采集，通过软件实现对设备的电压采集通道和电流采集通道进行设置，滤波处理和限幅处理，为了分析波形的准确性与实时性，需要对电压电流信号的每10个周波进行数据缓存、分析计算和定标处理，通过容错机制防止数据丢包。通过编制的数据实时分析软件，如图3所示，实时计算从采样到数据输出的时间，结果如下：1)分析时间36-44ms；2)6个通道200个周波的存储容量为2.5M。

电能品质在线分析硬件设计的具体实施：如图4所示，采用高性能高速同步采集卡PXI6358，模拟量采集总通道数为80路，留有一定的通道裕量，采集信号范围为-10V～10V，可将互感器采集电压转成弱电信号采集，最高采样率1.25M(25kHz)，采样精度可达2.498mV，满足大部分尖峰脉冲信号采集分析。信号调理模块由电压采集单元和电流采集单元组成，电压采集单元由5个电压采样调理模块组成，每个模块采集8路信号，可以同时转换至少30路信号。图5A为一路电压采样电路的原理图，图5B为一路继电器驱动电路的原理图，图6A为一路电流采样电路的原理图，图6B为一路外部信号触发电路的原理图。电流采集单元由5个小电流采样调理模块和2个大电流采样调理模块组成，每个模块采集8路信号，可以满足采集39路电流信号需求。控制器采用2.3GHz基频、3.3GHz(单核Turbo Boost模式)四核处理器和双通道1,600MHz DDR3内存，能够极大地缩减测试时间。机箱配有高带宽背板，可满足各种高性能测试和测量应用的需求，通过最多4个插槽支持可兼容标准PXI混合总线的模块，同时集成了最新PXI内置定时与同步特性。

与能量管理系统和综合控制系统数据交互的具体实施：本系统电能品质测量分析软件所得数据通过控制器串口总线通讯实现与上位机，综合控制系统以及能量管理系统的数据传输，能够将系统电能品质特性作为能量管理和综合控制系统的输入条件，实现系统能量管理的优化控制和综合利用以及实时监视。

Claims (5)

1.一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置，用于对船舶的电力推进交直流供电系统电能品质进行在线监测与评估，实现与能量管理系统、综合控制系统的实时交互，对电力推进交直流供电系统电能品质特征参数的最小监测持续时间为0.8us、采样精度可达到2.498mV，可在50ms以内完成69个电气测量通道从采样到数据分析的过程，其特征在于，包括：

电压转换调理模块，用于对电力推进交直流供电系统中供电端的三相电压信号进行二次转换和信号处理；

电流转换调理模块，用于对电力推进交直流供电系统中的发电机组输出三相电流信号、负载支路的三相电流信号进行二次转换和信号处理；

PXI系统，集成PXI控制器和数据同步采集卡，利用数据同步采集卡通过屏蔽电缆获取电压转换调理模块及电流转换调理模块采集的电压信号以及电流信号，通过PXI控制器进行电能品质在线测量分析与评估，经集成机箱上传至上位机，并通讯到能量管理系统和综合控制系统。

2.如权利要求1所述的一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置，其特征在于，所述电力推进交直流供电系统包括数台主柴油发电机组、配电板、推进负载、线性负载、进线电网，实现开环、闭环不同的网络结构，模拟6脉冲、12脉冲、虚拟24脉冲、AFE推进以及新能源/干式负载不同负荷在网工况下系统的暂态和稳态特性。

3.如权利要求1所述的一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置，其特征在于，有至少5块所述电压转换调理模块，用于至少采集40路电压信号，每块所述电压转换调理模块包括用于检测电压信号的电压互感器外围电路以及用于将电压互感器外围电路检测到的电压信号通过所述屏蔽电缆传输至所述数据同步采集卡的继电器驱动电路，电压互感器外围电路所采用的电压互感器的精度不低于0.1％。

4.如权利要求1所述的一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置，其特征在于，所述电流转换调理模块，用于至少采集56路电流信号，包括5块小电流采样调理模块和2块大电流采集模块，每块小电流采样调理模块或每块大电流采集模块包括用于检测电流信号的电流互感器外围电路以及用于将电流互感器外围电路检测到的通过所述屏蔽电缆传输至所述数据同步采集卡的电流信号数字输入触点驱动电路，电流互感器外围电路所采用的电流互感器的精度不低于0.1％。

5.如权利要求1所述的一种船舶供电系统电能品质在线监测与评估装置，其特征在于，所述数据同步采集卡的采样率为1.25MS/s、采样精度为2.498mV；所述控制器采用PXI8135处理器；所述集成机箱具有上位机通讯和数据传输功能。

Images