电力推进船舶能量管理系统功率限制控制器的制作方法

本发明涉及一种电力控制技术，特别涉及一种电力推进船舶能量管理系统功率限制控制器。

背景技术：

电力推进船舶能够实现全船能源的统一调配、管理与利用，解决传统船舶动力系统与电力系统独立运行的现状，从而最大程度发挥电能综合调配的优势。其中，能量管理系统是电力推进船舶的控制核心，而功率限制功能又是能量管理系统的关键与核心，既应实现对电力系统下的推进器等大功率负载设备的实时监测与控制，在电网发生严重故障时，快速地进行功率限制保护，保证全船电网的连续、安全和稳定运行；同时，又应避免由于电网瞬时波动，对推进负载进行不必要的限制，尽可能地保证推进负载的连续性和机动性能。

相比于国外而言，国内尤其是中压直流领域的全电力船舶推进系统研制起步较晚，全电力船舶能量管理系统及功率限制相关成熟技术仍然由世界范围内英、美等少数几个国家和大型跨国公司掌握且不公开，缺乏成功的案例可以借鉴。而国内舰船领域，目前分别仅有2-3型舰船采用了全电力推进系统，并实现了能量管理系统及下属的功率限制功能。但是，能量管理系统的功率限制实现方案仍在探索之中，一般采用独立于能量管理系统其它设备组成的功率匹配控制器予以单独实现，对其规定应达到的功率限制响应指标也缺乏权威的标准或规范约束要求。

查阅的专利文献和期刊出版物：

在万方数据库、中国学位论文文摘数据库、数字化期刊、会议论文、科技成果、专利技术、政策法规等数据库中检索，字段如“能量管理系统”、“功率限制”、“电力推进船”、“船舶电力监控”等。

目前存在主要问题：

1)现有全电力推进船舶能量管理系统下属的功率限制功能，一般采用额外增加“功率限制控制器”硬件模块的方式予以实现，该硬件模块设备与能量管理系统其它设备组成隔离，仅在硬件层进行冗余设计，其功率限制功能可靠程度依赖于硬件本身，且运行数据无法收集与显示；

2)功率限制控制器未区分电网严重故障或者电网瞬时负载波动，从而针对两种不同情况，以不同时间响应指标分别实施功率限制；

3)功率限制控制器的性能指标缺乏标准或规范要求，传统功率限制控制器无法满足部分电力推进船舶在电网严重故障下的功率限制快速响应要求。

技术实现要素：

本发明是针对功率限制控制器目前存在的问题，提出了一种电力推进船舶能量管理系统功率限制控制器，采用“网络型+独立硬件”的冗余设计方式，并通过功率限制软件流程优化，区分电网正常超负荷限值和电网发生严重故障两种不同情况，以不同时间响应指标分别实施功率限制，一方面既提高了电网严重故障下的快速响应指标性能，以满足部分电力推进船舶的高可靠、快速时间响应性能要求；另一方面，可以避免电网瞬时波动对推进负载进行不必要的限制，保证推进负载的连续性和机动性能。

本发明的技术方案为：一种电力推进船舶能量管理系统功率限制控制器，包括1个主控模块、1个备用主控模块和对应发电机组数量的采集模块；采集模块采集发电机组三相电压和两相电流，采集模块通过内部的电流隔离器输出发电机组的功率值和电流值对应的4～20ma信号，采集模块输出信号送至功率限制控制器主控模块；主控模块实时采集电力系统中的各个断路器开断状态信号；主控模块输出当前可用功率值对应的4～20ma信号和功率限制开关量信号到外部推进系统；备用主控模块和主控模块为主-备冗余结构。

所述功率限制控制器的主控模块通过can网络与外部能量管理系统的主控制器通讯。

所述功率限制控制器检测并判断到主控模块与其任意采集模块之间存在4～20ma信号断线故障时，主控模块转而通过can网络通讯的方式，从能量管理系统主控制器，获取当前电网中各发电机组功率、电流和电网结构状态信息，完成电力系统的功率限制功能。

所述主控模块以定时周期1ms实时采集机组断路器分闸信号、机组一类故障、机组断路器综合故障、隔离开关和跨接断路器开关量的有效信号或变位信号来区分工作在正常功率限制模式和异常功率限制两种模式，

正常功率限制模式为功率限制控制器主控模块未检测到上述开关量的有效信号或变位信号，正常功率限制模式下以定时周期100ms进行各组推进负载可用功率值的处理及输出机组功率结果存储至软件buff缓存区；

异常功率限制模式为功率限制控制器主控模块检测到上述开关量的变位信号，则跳过100ms的定时采集等待时间，直接采用软件buff缓存区的上一周期机组功率值，然后判断当前电网运行结构，快速计算各组推进负载的可用功率值，进入功率限制判断，输出“功率限制”开关量和/或“功率限制”模拟量到外部推进系统。

本发明的有益效果在于：本发明电力推进船舶能量管理系统功率限制控制器，采用“网络型+独立硬件”的冗余设计方式，大大提高了功率限制控制器的可靠程度，并满足运行过程中的数据记录与显示要求；通过功率限制流程优化，区分电网严重故障或者电网瞬时负载波动，从而针对两种不同情况，以不同时间响应指标分别实施功率限制；当电网发送严重故障时，将功率限制控制器的快速响应指标性能提高至10ms，克服了常规交流模拟量采集所需的20ms周期限制，从而满足部分综合电力系统船的快速时间响应性能要求，使船舶电网更安全、连续、稳定运行。

附图说明

图1为本发明电力推进船舶能量管理系统功率限制控制器的主要设计原理框图；

图2为本发明实施例的电力推进船舶电力系统的单线图；

图3为本发明功率限制控制器中采集模块信号连接图；

图4为本发明功率限制控制器中主控模块信号连接图；

图5为本发明实施例的主要功率限制流程图。

具体实施方式

本发明的冗余、快速功率限制控制器主要是实时采集各发电机组断路器状态、跨接断路器状态、隔离开关以及电力系统主要负荷的电气参数信息，判断当前电力系统运行结构和机组在网运行状态，从而周期性地进行计算与该推进器相关电力区域的可用功率，并以4～20ma信号形式输出至外部推进系统。外部推进系统根据接收的功率限制控制器输出的可用功率信号，判断当前电网状态能否满足推进负载功率需求，若满足则正常满足推进负载功率需求，否则将限制推进负载功率的进一步增加，保证电网不会出现过负荷甚至跳闸失电的情况。

如图1、2所示功率限制控制器的主要设计原理框图和对应系统的单线图，功率限制控制器包括1块主控模块1和3套采集模块2，外部能量管理系统的主控制器6通过can网络与功率限制控制器的主控模块1通讯，功率限制控制器的采集模块2通过外部主配电板3对外部发电机组4运行状态信号进行采集，采集模块2对采集的信号进行处理后，输出标准4-20ma电流信号送回主控模块1中，主控模块1对运行状态信号分析判断后输出控制信号到外部推进系统5。图中dg1～dg3为柴油发电机组，qf1～qf3为发电机组断路器，qf4为隔离断路器(隔离两台发电机组)，qf5～qf6为380v跨接断路器(连接前后电站)，qf7～qf9为负载断路器，tm1～tm2为主推进电机。

采集模块采集开关量输入信号，在开关量输入为开关闭合状态，采集模块采集电压/电流信号，然后进行处理，转化为相应的4-20ma功率/电流信号。若开关量输入为开关打开状态，即为此信号为无效状态，将输出4ma功率/电流信号。

如图3所示功率限制控制器中采集模块信号连接图，采集模块内部设有信号调理板与标准化、模块化的电量采集板。根据电力系统实际运行环境，配置相应的直流/交流、中压/低压参数，选择相应的信号调理板，将发电机组电参数转换为电量采集模块能够处理的0～2.5ma标准电流信号，从而能够满足不同电制电力推进系统的功率限制应用场景需求。

本实施例为低压、交流电力系统，功率限制控制器中采集模块实时采集从主配电板传送过来的发电机组三相电压、两相电流、机组断路器状态等模拟量与开关量电气参数，通过发电机组功率计算方法，获得该采集模块相应发电机组的功率信号、电流信号，并均以4～20ma信号形式通过电流隔离器输出至功率限制控制器主控模块。

如图4所示功率限制控制器中主控模块信号连接图，主控模块将实时采集跨接断路器、隔离断路器和机组断路器等开关量信号，检测识别电力系统的当前网络结构，并结合各采集模块发送至主控模块的每台机组功率信号与电流信号，通过功率限制控制流程算法，计算推进系统的功率限制结果，并以4～20ma信号形式通过电流隔离器输出至外部推进系统。

当功率限制控制器主控模块检测到跨接断路器、隔离断路器、机组断路器等开关的变位信号或综合故障信号时，意味着当前电网结构发生了改变或电网发生异常跳闸等故障，需立即重新计算当前推进系统的功率限制结果，并在尽可能短的时间响应周期内，将新的功率限制模拟量参数和功率限制开关量信号发送至外部系统。

本发明的功率限制控制器进行了“网络型+独立硬件”的冗余设计方式。

硬件方面，功率限制控制器主控模块设有2块主控板卡，采用主-备冗余设计。当备用主板在一定时间内(200ms)未检测到主控制板的有效运行信号时，自动切换到热备份的备用控制板，接管功率限制控制器的采集、处理与控制功能，实现在硬件层面的冗余设计。

软件方面，功率限制控制器主控模块设有与外部系统通讯用的双冗余can网络设计。当功率限制控制器主控模块检测到其主控模块与其任意采集模块之间存在4～20ma信号断线严重故障时，功率限制控制器主控模块将判定此时硬件系统存在故障，转而通过can网络通讯的方式，从能量管理系统主控制器，获取当前电网中各发电机组功率、电流、在网运行状态等参数信息，从而继续完成电力系统的功率限制功能，实现“网络型+独立硬件”的冗余设计方法。相比于原依靠独立设置“功率匹配单元”硬件方案相比，大大提高了本功率限制控制器的可靠性能。

功率限制软件流程方面，以3组发电机组，两组推进系统为例，如图5所示功率限制控制流程算法。本发明采用以下策略：以定时周期1ms实时采集机组断路器分闸信号、机组一类故障、机组断路器综合故障、隔离开关和跨接断路器等重要开关的有效信号或变位信号，以区分工作在正常功率限制模式和异常功率限制两种模式，既能够保证对推进负载避免不必要的功率限制，同时又保证在电网发生严重故障时，具备功率限制快速响应能力。

正常功率限制模式下，功率限制控制器主控模块未检测到上述重要开关量的有效信号或变位信号，则以定时周期100ms进行两组推进系统可用功率值的处理及输出机组功率结果存储至软件buff缓存区。

若检测到此次中断未满足100ms定时时长，则在该中断处理过程中，采集各台发电机组的当前功率信号和电网结构，并将此次采集的各机组功率存储至软件buff区，然后等待进入下一个定时中断周期。

若检测到此次中断满足100ms定时时长，则在该中断处理过程中，利用软件buff区内的机组功率数据集合，对机组功率值进行均值滤波处理，结合当前电网结构，通过公式计算两组推进负载的可用功率值结果，以4～20ma形式输出至外部系统，实现对外推进负载可用功率模拟量信号的更新输出。同时保存此次采集的机组功率结果存储至软件buff缓存区。

异常功率限制模式下，功率限制控制器主控模块检测到上述重要开关量的变位信号，则跳过100ms的定时采集等待时间，直接采用软件buff缓存区的上一周期机组功率值，然后进入下一步负载判断。检测两组主推进是否同时在网，也就是隔离开关是否闭合，如闭合，按下面公式(1)和(2)快速计算新电网运行结构下的可用功率值，如断开，则按公式(3)～(5)快速计算新电网运行结构下的可用功率值，进入下一步功率限制判断。

将得到的可用功率值与设定的功率限制值(12ma)比较，如超出则发送“功率限制”开关量到外部推进控制系统，如未超出发出新的4～20ma“功率限制”模拟量到外部推进控制系统，将此次采集的可用功率值存入软件buff缓存区，结束此次功率限制，等待进入下一次中断处理。

如有变位信号发生需要保证在10ms以内输出异常工况下新的功率限制模拟量值和功率限制开关量信号，从而提高本发明的功率限制时间响应性能指标。

其中，pavg1，pavg2分别为两套推进负载可从电网获取的可用功率值；pi为第i台发电机组当前输出功率；pe为发电机组额定功率；η为电站设定的最大功率限制比例；为与1#推进负载相连电站的功率总和；为2#推进负载相连电站的功率总和；i1,i2分别为主控模块接收到的两套推进负载可从电网获取可用功率值对应的4～20ma信号值，n1,n2,n分别为两套推进负载所对应电力区域的机组数量和总数量。