一种基于GPA的能量管理系统的制作方法

本发明涉及动力定位船舶母联闭合型电力系统技术领域，具体涉及一种基于gpa的动力定位船舶母联闭合型电力系统能量管理系统。

背景技术：

动力定位(dp)船舶母联闭合型电力系统由中压供电系统、电力推进系统、能量管理系统和监测报警系统等组成。其中，能量管理系统主要完成供电分系统中发电机控制和能量管理等功能。dp作业工况电网负荷大，负载实时性高，gpa(generatorpoweradaptor，功率适配单元)作为能量管理系统的核心部件，充当中压供电系统与电力推进系统的桥梁作用：gpa功率适配单元实时监测电网负载情况，最大程度地满足推进负载需求，同时避免由于瞬时负载波动造成的电网冲击、过载甚至电网失电等恶劣情况，保证整个系统安全稳定地运行。基于上述，研发一种基于gpa的动力定位船舶母联闭合型电力系统能量管理系统实为必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于gpa的能量管理系统，通过gpa功率适配单元实时监测电网负载情况，最大程度地满足推进负载需求，同时避免由于瞬时负载波动造成的电网冲击、过载甚至电网失电等恶劣情况。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于gpa的动力定位船舶母联闭合型电力系统能量管理系统，设有gpa功率适配单元，其输入模拟量信号和开关量信号，其输出为电网在网机组最大负荷率，并将当前电网在网机组最大负荷率输出给主推系统，限制主推系统的功率；所述gpa功率适配单元包含：电源板、cpu板、逻辑控制板和gpa电量测量变送板；cpu板作为程序运行的物理平台；逻辑控制板与cpu板连接，高速采集开关量信号以及进行逻辑计算，并将开关量信号送往cpu板；所述cpu板通过与所述gpa电量测量变送板连接，用于实现各发电机组的模拟量信号的采集；所述cpu板基于采集的开关量和模拟量信号，通过执行程序进行可用功率计算，将输出的可用功率输出给主推系统。

优选地，所述gpa电量测量变送板包含a/d转换芯片和d/a转换芯片，各发电机组的模拟量信号输入至所述gpa电量测量变送板，经所述a/d转换芯片，转换成数字信号，将其送去cpu板；所述cpu板通过执行程序进行可用功率计算，并将输出的可用功率的数字信号传至d/a转换芯片，再转换成对应的模拟量信号，输出给主推系统。

优选地，所述gpa电量测量变送板进一步包含：

第一直流电流隔离器，输入发电机组模拟量信号，并输出隔离转换后对应的电流信号；

直流电流/电压转换电路，将所述第一直流电流隔离器输出的电流信号转换成电压信号并传输至所述a/d转换芯片的输入端；

直流电压/电流转换电路，其输入由所述d/a转换芯片输出对应的电压信号，并转换成对应的电流信号；

第二直流电流隔离器，其输入所述直流电压/电流转换电路输出的电流信号，并输出隔离转换后可用功率的电流信号。

优选地，所述开关量信号包含各发电机组主开关状态、跨接开关状态信号；所述模拟量信号包含各发电机组电流、功率信号。

优选地，通过多个功率变送器将对应发电机功率以4ma～20ma信号或者通过多个电流变送器将对应的发电机功率、电流以4ma～20ma信号输入第一直流电流隔离器，并以4ma～20ma信号形式输出并传至直流电流/电压转换电路，转换后的直流电压送至a/d转换芯片输入端，将直流电压信号变成对应的数字信号，送去cpu板，实现cpu板的模拟量采集；

所述逻辑控制板采集的开关量被送往cpu板，实现cpu板的开关量采集；

cpu通过执行程序进行可用功率的计算，将输出的可用功率的数字信号传至d/a转换芯片，输出直流电压，并经直流电压/电流转换电路，直流电压变换为直流电流，并以4ma～20ma信号传输至第二直流电流隔离器，最终将电网可用功率以4ma～20ma形式输出给主推系统。

优选地，所述gpa功率适配单元与用于负责采集发电机组主开关状态、发电机组的状态信号和各电量信号的发电机组控制器连接，并将所述gpa功率适配单元的工作正常网络信号传送至所述机组控制器。

优选地，所述cpu板的外部配合有一专用定时电路，用于监测cpu板是否正常工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的动力定位船舶母联闭合型电力系统采用gpa功率适配单元，整套gpa硬件均选用高精度芯片，精度高，响应性好；gpa功率适配单元内置了一套精密的算法，可在极短的时间内获取每台机组及每段汇流排之间的对应关系，从而获取在网机组最大负荷率和最大机组负荷率等关键信息，为电网供电连续性及能量平衡提供基础。

附图说明

图1为本发明的电量测量变送板原理框图；

图2为本发明的gpa功率适配单元的软件主程序流程图；

图2a为本发明的gpa运算处理子程序流程图；

图3为本发明的直流电流/电压转换(i/v)电路图；

图4为本发明的gpa信息获取路径示意图；

图5为本发明的a/d转换电路图；

图6为本发明的a/d转换结果表；

图7为本发明的直流电压/电流转换(v/i)电路图；

图8为本发明的d/a转换电路图；

图9为本发明的d/a转换结果表。

具体实施方式

使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的动力定位船舶母联闭合型电力系统推进负载智能控制方法主要是推进端根据实时接收的本段电网最大机组负荷率对推进负载输出实时控制。若在网机组负荷率已达到一定的限值，推进端则主动限制推进速度，保证电网安全；若电网在网机组最大负荷率降低且此时推进设备有增加推进功率的需求(即当正常的负荷降低，以正常的功率输出)，推进端应能自动获取推进功率，保证推进速度。

当运行发电机出现严重故障造成故障机组跳闸、停机或电网出现严重故障后，其他运行机组可能过载，为了避免由于机组过载造成的停机，需要短时间内使主推功率降低，gpa功率适配单元可以实现该时间段内(短时间内)发送信号给主推变频器，主推变频器限制主推的功率，使主推功率降低，保证当前电站实际功率不超过96％(可设)额定功率。

具体地，当机组出现故障，提供速算的机组合闸反馈和跨接合闸反馈将会出现变化，gpa功率适配单元将会迅速进行系统重构，找出与当前推进设备相关的机组组合，并通过循环比较法选出机组负荷率最大的机组功率。gpa功率适配单元将最大机组负荷率提供给主推，配合主推进设备进行负载负载突降。

本发明的基于gpa的动力定位船舶母联闭合型电力系统能量管理系统，包含gpa功率适配单元，gpa功率适配单元配备了开关量输入单元，可以实时监测发电机组主开关状态、跨接开关状态，若开关量输入变化，即意味着电站结构发生了变化，后续程序将按照当前电网结构进行速算；同时，还配备了模拟量输入单元，本发明通过综合开关量及模拟量采集情况，用于后续精密算法换算出在网机组的负载功率，从而用于主推进器主动控制推进负载。gpa功率适配单元对外输入为各发电机组主开关状态、跨接开关状态信号、电流(4ma～20ma)、功率(4ma～20ma)信号等；gpa功率适配单元对外输出为电网在网机组最大负荷率4ma～20ma信号。

gpa功率适配单元通过计算电站当前的实际功率及根据各发电机组主开关状态、跨接开关状态，可得到当前电网在网机组最大负荷率。根据当前电网在网机组最大负荷率限制主推进装置的功率，并将当前电网在网机组最大负荷率以4ma～20ma信号形式输出给主推系统。

如图1-图3结合所示，本实施的gpa功率适配单元包含：一块cpu板(例如型号rc2101-4)、一块gpa电量测量变送板(例如型号pm2119-1)、一块逻辑控制板(例如型号pm2216-1)和一块电源板(例如型号rc2103-2)。cpu板是程序运行的物理平台，模拟量运算算法在其内执行。逻辑控制板用于集成fpga，高速采集开关量并进行逻辑计算。

示例地，通过1#功率变送器将1#发电机功率dc4ma～20ma信号输入直流电流隔离器，以dc4ma～20ma信号形式输出并传至i/v转换电路(直流电流/电压转换电路)，则直流电流经过采样变为直流电压再经运放送至a/d转换芯片输入端，通过a/d转换芯片将模拟信号变成数字信号，送去cpu板；同理，本实施例还同时输入2#发电机功率、3#发电机功率～xx#发电机功率直至12#发电机功率(共计12路)，具体过程同1#发电机功率，在此不做赘述。本发明不仅限于输入1#～x#发电机功率(dc4ma～20ma)，还可以是通过1#～x#电流变送器将1#～x#发电机电流(dc4ma～20ma)输入至gpa功率适配单元，具体原理同上。因为gpa功率适配单元的功能主要是防止机组过载导致全船在网机崩溃的情况发生，主要考察了发电机组的功率和电流，其他如电压、频率等情况暂时不做考虑。

电量测量变送板将数字信号送去cpu板，实现cpu板的模拟量采集；同时，由逻辑控制板高速采集的开关量(例如发电机组合闸状态、跨接开关合闸状态等)也送往cpu，即实现cpu板的开关量采集，cpu通过执行程序进行可用功率计算，即利用gpa运算处理子程序根据各发电机组的功率信号、电流信号及发电机组主开关状态、跨接开关状态等，计算供电系统的剩余功率，然后将输出的可用功率传至d/a转换芯片，然后输出dc0v-5v，并经v/i转换电路(直流电压/电流转换电路)，将直流电压变换为直流电流，以dc4ma～20ma信号输至直流电流隔离器，最终将电网可用功率以4ma～20ma形式输出。

本发明中，发电机组不仅向gpa功率适配单元输入发电机功率和发电机电流，还输入有发电机组主开关状态、跨接开关状态等至机组控制器(该机组控制器负责采集机组的状态信号和各电量信号)，这些信息均用来进行电站结构的推算和最终结果的速算，机组控制器和gpa功率适配单元之间保留通信信号，可以将gpa功率适配单元正常工作的网络信号传至其他机组控制器，甚至是整个网络通信系统，可以实时反映其工作状态，必须保证其正常运行。

如图4所示为直流电流/电压转换电路图。dc4-20ma电流经电阻采样变为dc电压，经运算放大器(lm224)送到a/d转换芯片输入端。运算放大器用于差分平衡输入、抑制干扰；同时，加入低通滤波用于去毛刺，以及加入二极管用于限幅保护。

如图5所示为a/d转换电路图。该a/d转换芯片选择现有技术中的型号ad7xx芯片，其特点包含：单电源+5v供电，12位8路并行输入，500khz采样频率；内置2.5v基准电压，满量程5v，精度1.22mv；输入端接二极管用于限幅保护。12位a/d转换结果读取方法为：cpu先读低8位，同时高4位锁存，然后开锁存，cpu读高4位。本实施例中，实测a/d转换值十分稳定，如图6的表格所示，例如，在5v时a/d转换误差加大，实际外部输入信号转换范围为0.8～4.8v，即在非线性区外，所以a/d转换能满足要求。

如图7所示为直流电压/电流转换电路图。运算放大器(lm224)输出为启动电流，驱动三极管(s9013)输出足够大的负载电流，图中r1为转换电阻，输入电压/转换电阻等于输出电流。

如图8所示为d/a转换电路图，该d/a转换芯片现有技术中的型号mxx(例如5xx)芯片，其特点为：12位串行输入，4路dc0～5v模拟量输出；单电源+5v供电，外置基准电压2.5v；12位需转换数据写入方法为：每次给时钟控制端sclk一个上升沿，同时用cs选通max525，就有1位数据写入max525的寄存器，12位数据写入完毕后，芯片自动启动d/a转换。本实施例中，实测d/a转换值十分稳定，如图9的表格所示。

如图1-图3结合所示，本发明提供一种gpa功率变送方法，该方法包含以下过程：

通过功率变送器将发电机功率(4ma～20ma)或者通过电流变送器将发电机功率、电流(4ma～20ma)信号输入直流电流隔离器，以dc4ma～20ma信号形式输出并传至i/v转换电路，则直流电流变为直流电压送至a/d转换芯片输入端；

通过a/d转换芯片将模拟信号(直流电压)变成数字信号，送去cpu板；

电量测量变送板将数字信号送去cpu板，实现cpu板的模拟量采集；同时，由逻辑控制板高速采集的开关量(例如发电机主开关状态、跨接开关状态等)也送往cpu，即实现cpu板的开关量采集，则cpu执行定时处理程序，并根据发电机功率、发电机主开关状态、跨接开关状态，进行标志位处理程序，然后cpu通过功率抑制适配算法进行运算，得出最大机组负荷率(如图2中所示的推进功率抑制信号)将输出的最大机组负荷率由数字量信号经过d/a转换芯片转换成4～20ma模拟量信号输出给推进变频器，主推进器是根据最大机组负荷率自己进行功率限制，即推进端根据实时接收的本段电网最大机组负荷率对推进负载输出实时控制。

其中，cpu的外部还配有专用定时电路“看门狗”(watchdogtimer)，用于监测cpu是否正常工作；“喂狗”(kickingthedog)操作指程序内会定时输出一个信号至“看门狗”电路用于将计时器清零，即如果程序因某种情况跑飞进入死循环后将无法定时“喂狗”，然后“看门狗”电路计时结束将强制输出复位信号将cpu复位。

所述cpu通过功率抑制适配算法的原理如下：

(1)针对不同的电站系统，gpa功率适配单元内部建立了一个电力系统模型，模型中包含了隔离位置、岸电位置、机组位置、gpa接入位置(相应的机组位置)等关键信息。

(2)针对不同船型的电站，将电站形式填入到相应的配置表格中(配置表格中包含接口类型、接口内容等信息)，gpa功率适配单元通过对开关量的读取采集到了各发电机主开关状态和跨接开关状态；鉴于信号的真实性，电路板进行了相应的硬件滤波，保证所采集到的信号真实有效。

(3)配置内的每台机组主程序向左向右分别走一个循环，直至跨接开关断开位置，速算出与本发电机组在同一个单元的相关机组，并将当前推进设备相关的机组采集到的机组功率(已经滤波处理好的4～20ma模拟量信号)纳入同一组内。表内配置的gpa接入的位置决定了选取的相应的机组功率的组别，选取到相应相关的机组后再通过循环比较法(可通过程序实现的一种常规循环比较方法)选出机组负荷率最大的机组功率。最终通过d/a转换，将最大机组负荷率由数字量信号转换成4～20ma模拟量信号输出给推进设备。

本发明的gpa功率适配单元是实现动力定位船舶母联闭合型电力系统推进负载智能控制方法的软件和硬件载体。gpa功率适配单元在整个能量管理系统中负担了较为核心的负载限制任务，是能量管理系统对外的传达中介，若出现故障将导致整个电网无法正常工作，甚至出现严重事故。gpa功率适配单元除了保证单个自我恢复功能外，还需要由热备份gpa设备，随时准备替代故障设备。

如图4所示，所有机组状态和电网信息都必须同时接入两个gpa功率适配单元，两台设备接收状态同步一致，算法及控制策略相同，区分只是在安装部位和执行部分。两台设备必须安装在船舶不同的舱室，若极端情况出现失去一个舱室，另一台设备应能保持正常工作，从而维持整个能量管理系统的正常运行，保证电网供电的连续性和能量的平衡。正常情况下，推进设备同时接收两个gpa功率适配单元变送的电网在网机组最大负荷率信号，但是只根据主设备的变送情况判断执行。当主控制器出现故障时，在能量管理系统内能自励报警并失去正常工作标识，推进系统则根据备用gpa变送信号进行判断执行。通过接收端选择性接收的方式来保证系统控制不间断。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。