諶冬冬，施偉鋒，耿 濤

?

基于StruxureWare的船舶電網監(jiān)測系統

諶冬冬，施偉鋒，耿 濤

(上海海事大學物流工程學院，上海 201306)

為了維護船舶電力系統的穩(wěn)定性，監(jiān)測船舶電網重要的相關參數，分析船舶電力系統的電能質量，基于施耐德StruxureWare電能管理系統搭建了一套船舶電網電能質量監(jiān)測與分析的系統。系統設計了電能質量監(jiān)測界面，諧波分析界面以及遠程監(jiān)視界面，故障報警界面。在船舶電站實驗室環(huán)境下模擬了不同工況下的船舶電網，分析了不同工況下船舶電網中諧波的含量，實時的監(jiān)測船舶電網中電能質量的相關參數，以及提供了故障錄波以及故障報警。為解決故障提供分析基礎，提高了船舶電網電能質量管理能力。

StruxureWare 船舶電網 電能質量 諧波分析

0 引言

近年來，國內外對電力電子技術和交流電機調速技術研究顯著成果，電力推進技術成為當今船舶制造業(yè)的熱點。在大量使用電力推進裝置的艦船中，電力系統的穩(wěn)定性將直接決定了船舶動力系統，生活用電系統等各方面的安全；如果不能迅速調整并重回穩(wěn)定狀態(tài)，對船舶所有工作甚至是人員和設備安全都將造成重大影響。由于大功率負載波動及大量電力電子器件的使用，對船舶電網造成很大影響，降低船舶電力系統的穩(wěn)定性。所以對船舶電網電能質量的監(jiān)測非常重要。

因此，設計一套能夠有效的對船舶電網監(jiān)測和電能質量分析系統顯得尤為重要。船舶電力系統的特點為：船舶電網發(fā)電系統是柴油發(fā)電機組，電網中存在不同類型的用電負載，系統動態(tài)變化的范圍較大[1]。

本文以施耐德StruxureWare電能管理系統為框架，設計了用于船舶電網電能質量監(jiān)測實驗裝置軟件?；诖半娬静煌墓r環(huán)境，使用電力參數檢測儀ION7650與PM850分別檢測電網側與負載側電力參數，實現了對不同工況下的船舶電網側與用戶端的電能參數監(jiān)測，更好的監(jiān)測船舶電網電力系統的穩(wěn)定性。

1 船舶電網

1.1 船舶電網的特點

與陸地電網供電端電網容量無限大相比，船舶電網是一個獨立小容量電網，電源容量相對較少，負載容量相對較大。大功率負載啟動時，會對船舶電網造成很大沖擊。

1）非線性負載較多。電力電子設備使用，導致船舶主配電板電流和電壓諧波含量增大。交流電力驅動通常使用同步電機，其變頻器有交-交變頻器和交-直-交變頻器，由此產生的諧波電流和諧波電壓會通過船舶電網影響其他用電設備，特別是對通信、導航系統的影響更為嚴重[2]。非線性負載的相關動作(啟動、加載、停止)，會產生電流暫態(tài)和電壓的擾動，對敏感設備的運行造成影響。

2）船舶工況環(huán)境惡劣。工作環(huán)境會嚴重影響電氣設備的運行性能和工作壽命。過高環(huán)境溫度會使電機出力不足，加速絕緣老化；濕度較大會使電氣設備絕緣受潮、發(fā)脹及變形；而鹽霧的存在、霉菌的生長等都會降低電氣設備的絕緣性能，妨礙其安全、可靠的工作[3]。

3）采用混合電制。船舶電網同時存在交流和直流用電設備，然而不同設備有相對獨立的電壓等級，導致整流逆變器、變壓等非線性負載裝置增多。同時，船舶電網中存在不同的工作電壓、頻率的直流、交流的子系統。用電系統混合電制特點，必然導致非線性負載(功率補償器、串并聯電容器)增多，導致船舶電網諧波問題增加。

4）與陸上輸電距離數千千米相比，船舶電網輸電距離較短，輸送的容量也較小。船舶發(fā)電機端的電壓、電網電壓和負荷電壓一般為同一電壓等級，且電壓低。由于船舶電氣設備較集中，輸電線路較短。

1.2 船舶電網中諧波的危害

電力系統在理想的狀態(tài)下，是供電系統向用戶提供一個頻率和幅值恒定的正弦電壓。也就是說，保證在正常工作條件下向用戶提供的電能的連續(xù)性和電壓的合格性（包括對稱、頻率、幅值和波形）的一系列參數。在實際工況下，不同負載會導致三相電壓的幅值、頻率、相位角等發(fā)生相應變化。大量電力電子器件的使用，引起諧波電流和電壓會導致電壓波形畸變。諧波電流和電壓的出現惡化了電網電能質量。

圖1 船舶電網中諧波的危害

1）電力電容器發(fā)生故障。由于感性負載的使用，會導致功率因素下降，常常使用電力電容器來補償無功功率。諧波對電容器呈現低阻抗，使電容器成為諧波的吸收點；諧波電流與基波電流疊加超過電容器額定電流，引起電容器過載；電容器熔絲熔斷，影響其正常工作[4]。

2）電機損耗增大。船舶電力拖動設備的動作大部分是由電機實現。船舶電網中的諧波對于電機來說主要是引起了諧波損耗，產生機械振動。

3）線路損耗增加。船舶電網輸電距離較短，輸送的容量也較小，短路電流很大，高次諧波電流在電網中流動產生有功功率損耗，構成線路損耗的一部分[5]。

4）引起電力傳感器測量誤差。大部分電力參數測量儀是在理想狀態(tài)(純正弦波)下檢驗的。當諧波引起電網波形畸變時，電力參數測量儀會出現不同程度的測量誤差，導致測量結果不準確。

2 船舶電網監(jiān)測系統構成

船舶電網監(jiān)測系統主要由現場監(jiān)測層，通信管理層和系統管理層3部分組成，船舶電網監(jiān)測系統如圖2所示。

圖2 船舶電網監(jiān)測系統構成

1）現場監(jiān)測層。通過電力參數測量儀ION7650和PM850，各種電力檢測傳感器采集電網側與負載側的電力參數。ION7650可以非常精確的計費數據，包括電壓、電流、功率和電度的有效測量值，還具有高級電能質量測量和電能質量標準驗證功能[7]。

2）通信管理層?，F場層采用Modbus的通信協議及RS-485串行通信的方式實現控制端與帶有通訊功能的相關設備的通訊連接和數據交換，將電力參數測量儀采集的數據傳輸給PLC。為了確保數據的實時性和準確性，采用基于TCP/IP的工業(yè)以太網協議與遠程設備通信。通過EX300轉換現場設備的通信協議，使用交換機建立局域網。

3）系統管理層。通過施耐德StruxureWare電能管理系統，將電力參數檢測儀，以及各種電力傳感器采集到的電力參數實時的顯示。實現對船舶各個用電系統的實時監(jiān)測，及時的發(fā)現一些潛在電能質量問題(諧波含量、電壓閃變、波動和暫降、不平衡度、頻率偏差、功率因素)。設置波形自動捕捉，記錄故障時相應的電力參數波形，以便根據波形對故障進行分析，提供故障的解決方案。

由于大量非線性、沖擊性負載的使用，容易引起船舶電網電壓波形發(fā)生畸變，導致一系列電能質量問題，影響船舶電力系統的穩(wěn)定性。船舶電網存在許多電能質量問題，急切需要加大對電能質量的研究。StruxureWare電能管理系統具有靈活的交互性和擴展性，作為完整的設備監(jiān)測平臺極大的提升了能源管理水平，有效的優(yōu)化了電力系統的運行效率，改善底層設備的使用效率。借助于實時監(jiān)測、報警和電能質量分析，可以避免設備的損壞與宕機的風險。StruxureWare電能管理系統能夠自動采集數據，實時的了解從發(fā)電端、變電站，到負載側的電能質量信息，并通過多種方式進行信息的共享。使設備優(yōu)化運行，降低維護成本。實時電能質量信息監(jiān)測和報表生成，對電能質量進行有效的評定并避免問題產生事件立即通知，影響運行設備并損壞設備前發(fā)現和解決問題，有效的診斷工具減少停電恢復時間，并且根據相應的船舶電能質量相關參數標準來檢測電能質量。StruxureWare電能管理系統功能如圖3所示。

1）數據采集和歷史數據管理。系統能實時或定時采集開關量、模擬量數據，對重要歷史數據進行處理并存入數據庫。系統生成各種運行統計報表和圖形(曲線、棒圖、餅圖等)，顯示、打印歷史數據、各種運行統計報表。

2）事件報警和記錄。當發(fā)生報警信號(遙測越限、開關事故變位、保護動作等)時，系統能夠發(fā)出報警聲響并在遠程界面顯示報警的相關信息，經過相關的操作員確認才能復位。提供相關的報警原因、時間和電氣參數值等信息，便于快速排除故障和事故分析。

3）運行監(jiān)視。監(jiān)測主機實時顯示系統的主要接線圖和電氣設備的運行狀態(tài)以及設備的各種電氣參數，數據按畫面刷新時間自動更新，并能按整定的限值自動改變顏色以表示不同的運行狀態(tài)，如過負荷，對應的運行參數變色并發(fā)出報警信號。

4）電能質量監(jiān)視。實時監(jiān)視船舶電網電力參數，如系統諧波含量、頻率偏差、電壓變化、不平衡度等；設置手動或自動觸發(fā)波形捕捉功能，采集電能質量參數變化的波形，可以根據波形記錄進行電能質量分析和故障分析。

3 不同工況下電能質量分析

船舶電網是一個獨立的小容量電網，導致電能質量問題的因素很多。因此，對裝置不同工況下的電壓諧波的分布情況進行分析。

1）在電壓為380 V，頻率為45 Hz、50 Hz、55 Hz三種頻率變化下變頻器兩端AB間線電壓測量的結果，分析了2次至63次諧波的含量。

由圖4和圖5可知電網側諧波很小，幾乎可以忽略不計，但是奇次諧波的含量相對與偶次諧波的含量要大很大，其中3、5、7、11、13、17、25諧波含量比較顯著，頻率的改變對諧波分布沒有什么影響。相對于電網側，負載側的諧波含量比較多，不管是偶次諧波還是奇次諧波含量都比較多。低頻相對于高頻區(qū)諧波含量大，所以頻率的變化會導致諧波分布情況的變化。

2)在頻率恒定的情況下，以AB間線電壓為例。在電機空載時，分別取380 V和32 3V不同電壓下運行的負載側和電網側的電壓測量結果，分析了電壓波形2至63次諧波的含量的比較。

通過分析可知，電網的側諧波含量相對來說比較小，奇次諧波相對于偶次諧波的含量比較突出，其中以3、5、7、11、13次諧波含量尤為顯著，電壓下降對電網側的諧波而言沒有什么顯著影響。相對于電網側，負載側的諧波含量比較高，尤其是在低頻，中頻段，主要以奇次諧波為主。電壓變化時，在中頻段諧波變化比較顯著。所以電壓的變化會導致諧波分布情況的改變。

4 總結

隨著船舶大量使用電力推進裝置，引發(fā)大量電能質量的問題，威脅著船舶設備的運行安全?；赟truxureWare的船舶電網監(jiān)測系統能夠監(jiān)測整個船舶用電系統電能質量的相關參數，對相關故障及時預警以及錄波分析，并采取適當的措施來改善船舶電網電能質量，對船舶設備的正常工作，船舶的安全運行具有重要的意義。

[1] 劉曉勤, 施偉鋒, 胡紅錢. 基于Powerlogic的船舶電力監(jiān)視系統[J]. 船電技術,2011,(10):23-25.

[2] 秦瑞陽. 船舶電力系統中的諧波檢測方法綜述[J]. 科技創(chuàng)新與應用, 2016, (08):64-65 .

[3] 田燕. 船舶電網諧波電能提取研究[D].江蘇大學,2015.

[4] 李豪舉. 電力推進船舶電能質量分析[D]. 江蘇科技大學, 2010.

[5] 楊兵利,杜國慶. PowerLogic配電監(jiān)測系統的設計與應用[J]. 低壓電器, 2008, (14):51-54.

[6] 鄧志超. 船舶電力系統諧波檢測方法的研究[D]. 大連海事大學, 2008.

[7] 李賁. 施耐德PowerLogic配電監(jiān)測系統的應用[J]. 電氣應用, 2005, (12):74-76.

[8] 施耐德電氣公司. PowerLogic ION7550/7650電能質量監(jiān)測裝置用戶手冊[Z]. 北京:施耐德電氣(中國)投資有限公司, 2008.

Electric Network Monitoring System for Ship Based on StruxureWare

Chen Dongdong, ShiWeifeng, Geng Tao

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ, Shanghai 201306, China)

TM732

A

1003-4862（2017）07-0037-04

2017-03-15

諶冬冬（1992-），男。研究方向：船舶電力系統。