基于物联网技术的电力推进船舶电能质量监视系统设计

卓金宝，施伟锋，兰莹，邓冉然

上海海事大学物流工程学院，上海201306

0 引 言

船舶电力系统的电能质量即运行工况下描述电能特性的一组参数。为了追求更好的稳定性、更优的控制性能和更高的能源利用率，电力推进系统正逐渐应用于舰船、大型邮轮、海洋作业平台以及特种船舶，而全球电动船舶的市场规模预计也将从2013年的26亿美元快速增长到2024年的73亿美元［1］。然而，随着船舶电力系统网络拓扑结构的日益复杂、高功率密度电力电子变换器数量的增加和负载类型的多样化，电力推进子系统在复杂工况下的电能质量难以得到保证，进而将对推进系统的稳定运行、故障诊断与预测、状态检修等工作带来风险。因此，设计适用于船舶电力推进系统的电能质量监视系统已成为全电船电力系统的研究热点［2-4］。

目前，电力推进船舶的电能质量监视系统大多采用本地监视的方式，而船上其他区域和岸基监管机构则无法快捷、实时地获取监视数据。随着无线通信技术的发展，船舶电能质量的无线监视成为了一种可行的解决方案。但是，大多数无线监视系统的监视终端均为上位机，并未充分发挥无线通信方式灵活、便捷的优点［5-7］。

基于此，考虑到目前物联网（Internet of Things，IoT）的技术特点，可以将物联网技术应用于船舶电能监视系统的结构层次设计、全船无线监视和广域网云端存储与可视化设计，从而使监视系统成为多层结构、局域加广域的监视平台，以保证监视工作的可靠性、实时性和便捷性，最终实现全船和广域网的电能质量数据共享。本文拟提出一种基于物联网技术的电力推进船舶电能质量监视系统的总体架构，介绍其感知层的实现方法、传输层的通信方式、应用层的功能用途和设计流程，并以船舶电力推进实验系统作为监视对象（物层），用以验证该电能质量监视系统的可行性与有效性。

1 总体架构设计

物联网技术可以实现物品的智能感知、不同形式信息的快速传输和深度应用开发。从功能层次来说，主要包含物层、感知层、通信层和应用层。感知层通过传感器和智能检测仪来采集物层的信息，然后由通信层传输至应用层，最后实现应用功能，例如信息的显示、存储、分析等功能。为便于系统设计和实验验证，本文搭建了由市电电源、三相接触调压器、M340 PLC、XBTGT7340触摸屏、ATV61变频器、凌智异步减速电机等装置组成的船舶电力推进实验系统［8］，作为监视系统的物层。在此基础上，设计了一种基于物联网技术的电力推进船舶电能质量监视系统，总体架构如图1所示，其中：粗实线为电力线路，带箭头的细实线为信号线路，箭头为信号传输方向，虚线为转速传感器与推进电机的非接触连接。

首先，感知层利用电流互感器、转速传感器、智能电能参数测量仪等设备对物层进行感知测量，采集的电能质量参数包括：发电侧和用电侧的电压静态偏差、电压动态偏差、频率静态偏差、电压波动、电压变动、电压变动频度、次谐波电压含有率、电压总谐波畸变率、电流总谐波畸变率、电压负序不平衡度、电压零序不平衡度等。值得注意的是，由于智能电能测量仪PM850和ION7650内嵌了高精度电压互感器，满足IEC60687 0.5级的计量精度，可以测量多达63次的谐波真实有效值，所以本方案中不需要另外配置电压互感器，只需要将测量仪并联到测量节点处即可。然后，基于TCP/IP Modbus通信和海事卫星通信，即可将这些电能参数数据和事故记录传输至应用层。最后，根据不同的应用场景和用户要求，由全船无线监视层和广域网云端监视层组成的应用层来实现参数数据的存储、分析和可视化等功能。

该监视系统的特点如下：

1）采用多层应用架构设计，提高了全船电能质量监视的冗余性。如果无线数据传输出现故障而导致无线手持端不能正常工作，广域网云端监视层仍然可以监视全船电能质量，反之亦然。

2）多域数据共享，解决了传统监视方式的空间区域限制问题。全船无线监视层的数据面向船上任意区域的监视人员，而广域网云端监视层则面向船舶监管部门、设备厂商状态检修部门和船东等岸基移动用户。

3）通过在可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、全船无线监视层和广域网云端监视层中编写底层通信程序，解决现有工业设备（例如，M340 PLC）与自主开发设备（例如，手持端设备）之间的通信兼容问题。在后续开发中，可以通过更换设备和优化通信程序，对监视系统进行扩展升级，例如通信带宽、测量节点数量和手持端设备数量等。

2 感知层设计

图1 监视系统的总体架构Fig.1 The overall architecture of the monitoring system

感知层主要测量船舶综合电力系统中发电侧和用电侧的电能质量参数，其设计要求为：1）准确、有效地测量多种类型的电能参数；2）测量装置满足船级社等监管部门的船用标准要求，可靠性高；3）具备初级的数据智能处理能力，例如越限报警、事件记录、谐波分析等功能；4）具备数据存储和通信功能。此外，经济性也是需要考虑的设计要素。

基于上述要求，本文设计了如图2所示的感知层。电源侧和推进电机侧同时接入三相电流互感器，然后分别接入智能电力参数测量仪PM850和ION7650及转速传感器，最后将电流互感器二次侧的电流信号输送至测量仪。由电动机转速传感器测量电机转速，并通过模拟通道传输至PLC。

3 传输层设计

传输层的主要功能是将感知层所测量的参数数据和事件记录传输至不同的应用层。本文采用Modbus TCP/IP现场总线和物联网技术，设计了如图3所示的传输层通信架构。将测量仪PM850和ION7650作为施耐德EGX300网关的节点，由网关将测量节点的RS-485 Modbus传输方式转换为TCP/IP Modbus传输方式。在传输层中，网关、PLC、无线路由器和本地服务器由交换机进行连接。

全船无线监视层经由无线路由器连接至感知层，其无线路由节点布局如图4所示。通过全船区域内的多个信号中继器、手持端和上位机，可以在全船任意区域实时获取电能质量信息。由于大型船舶一般采用钢铁材料建造，一旦舱门关闭，各个舱室就变成了无线信号的天然屏蔽罩。为了解决这个问题，可以通过以太网线连接各个舱室，从而实现舱室之间的互联，然后采用中继器对网络信号进行中继放大，最后通过无线路由器实现舱室内无线手持端的全船联网。在该监视层中，手持端的通信模块选用了高性能的UART-Wifi无线接收模块和ATK-ESP8266串口转换模块，可以实现Wifi与STM32 MCU串口之间的转换；而上位机在Matlab 2017中开发了GUI界面系统，通过编程实现了Wifi数据的通信。

图3 传输层通信架构示意图Fig.3 Diagram of transport layer communication architecture

图4 船舶无线局域网配置示意图Fig.4 Diagram of whole ship WLAN architecture

广域网云端监视层可以通过海事卫星通信系统、船舶“动中通”卫星地面站通信系统、百度云服务器来连接感知层，而移动终端（例如手机、平板、PC机）则可以在授权的情况下访问云端监视系统，以实时获取电能质量信息。其中，本地服务器和云服务器中安装了物联网开发设计软件WebAccess。在本地服务器和百度云服务器上打开互联网信息服务（Internet Information Server，IIS）功能，即可安装组态软件WebAccess。然后，在本地服务器上新建工程，设置PLC局域网IP地址为“10.64.15.101”，以及通信端口502，即可通过Modbus TCP/IP读取M340 PLC中电能质量寄存器的数据，最后可以通过公网将数据发送至百度云服务器，其中公网IP地址设置为106.12.25.222。

虽然无线网络可能被近距离破解并威胁信息安全，但考虑到信息化技术的快速发展将显著提升军用舰艇的工作效率和综合作战能力，美国、加拿大等国家一直在积极尝试无线网络技术的实船应用。目前，无线网络技术上舰主要面临2个问题：一是在复杂电磁环境下与通信系统的兼容性问题；二是网络安全问题。其中第1个问题涉及到通信协议转换、无线网络设计与空间布局等内容，需要在舰船上配置高性能的通信转换模块和无线路由装置。本文计划将舰船划分为不同的无线局域网覆盖区域，然后在各区域的不同层和不同舱室安装无线路由器和中继器，最后将各区域的无线网接入全船通信系统。当单个路由设备布置于电力变频器1 m范围内，且附近5 m范围内存在其他2台无线收发装置时，本文设计的手持端可以在距离其20～30 m范围内正常收发无线信号。第2个问题涉及到无线网络节点准入、安全密钥的可靠性、网络数据访问权限等问题，本文暂未开展这方面的研究工作。

4 应用层设计

考虑到舰船操作人员和岸基监管机构的不同需求，本文开发设计了2个应用层：全船无线监视层和广域网云端监视层。其中全船无线监视层面向舰船操作人员，具有全船电能质量数据共享、关键参数越限报警、数据存储、数据图形化显示等功能；而广域网云端监视层则面向岸基监管机构，具有广域网云端数据共享、数据云存储、数据图形化显示、移动终端便捷访问等功能。

总体来说，整个应用层的特点是：

1）使用便捷。用户通过无线手持端、船用上位机及移动终端即可远程获取电能数据，无需在推进系统机舱进行实地观测。

2）功能齐全。各个终端的功能可以满足船基和岸基的实际应用需求。

3）系统可扩展性高。在网络资源充裕的条件下，可以通过预留扩展模块接口（例如，统计学描述模块、故障预测模块和视情维修计划模块等）接入大量的应用终端。

开发应用层时，需要计算一些电能质量指标，例如电压波动与闪变、总谐波畸变率、不平衡度等。针对电力推进船舶的电力系统，本文选取的电能质量指标如表1所示。

4.1 全船无线监视层设计

舰船指挥人员、机组管理维护人员、其他专业人员都可以在船上通过手持端和上位机实时获取船舶电力推进系统的电能质量信息，例如电能参数数据、故障事件记录和报警信息记录，并为实施机组操作、运行、管理、维修的舰员提供实时监测数据，为下达航行指令的舰船指挥人员提供推进系统状态信息，为武器操作人员、后勤保障人员、甲板工作人员等其他需要在战时实时获取船舶状态和紧急报警信息的专业人员提供支持。手持端、上位机的算法流程和界面功能如图5所示。

表1 电能质量指标Table 1 Power quality index

图5 全船无线监视层的设计方案Fig.5 Design of wireless monitoring layer for whole ship

本文基于STM32 MCU开发手持端，通过ATK-ESP8266无线收发模块与感知层进行通信，采用TFT-LCD液晶屏显示运行结果，采用FATFS SD卡记录存储信息，实现了数据可视化、图形可视化、故障报警和信息存储等功能。通过设置不同的IP地址，多个手持端可以同时在线读取电能数据。同时，本文基于Matlab 2017开发了上位机监视系统，其GUI界面系统主要分为登录界面、电网侧界面和推进侧界面，具备数据显示、图形曲线绘制、运行状态评估、故障报警、故障事件记录、数据记录等功能。

4.2 广域网云端监视层设计

岸基监管机构、设备厂商、系统设计部门等岸基人员可以通过云端监视层获取推进系统的运行数据，从而提供远程诊断和维修建议。云端监视系统的设计流程如图6所示。通过在本地服务器和百度云服务器的WebAccess软件中新建工程，即可设置通信端口。如果在本地服务器和云服务器上同时启用监控，即可将感知层的电能质量数据上传到云端监控系统。在岸基通过手机、平板或PC机等终端打开浏览器，登陆云服务器公网IP地址，即可查看在云端WebAccess Dashboard中开发的监视系统界面。云端监视系统可以集中显示电能质量数据、绘制三相电压和三相电流的相量图、记录历史数据和故障事件并进行故障报警，同时具备界面友好和操作简单的优点。

图6 云端监视系统设计流程图Fig.6 Design flow chart of cloud monitoring system

5 系统实现

进行系统调试时，电能质量监视系统的物层即船舶电力推进实验系统，主要包括：380 V/50 Hz交流市电电源；0～430 V范围，3 kVA容量的TSGC2J-3型三相接触调压器；M340 PLC；XBTGT7340触摸屏；施耐德Altivar61型1.5 kW/2 hp变频器；凌智4极0.75 kW，1∶10三相异步减速电机。

不同应用层的监视界面如图7～图9所示。由图7可知，全船无线监视层的手持端能够清晰地显示电能参数数据。图7（b）的电压/电流相量图显示了三相电压/电流的幅值和相位，可为监视人员分析推进系统的稳定性和平衡性提供依据。图7（c）的相电压谐波柱状图显示了基波和2～63次谐波的成分含量，其中2次谐波的成分含量最大，总谐波畸变率为71.87%，偶次谐波畸变率为32.25%，奇次谐波畸变率为64.23%。由此可见，在未添加滤波装置时，推进实验系统的波形水平与畸变电能指标均较低。同时，谐波畸变率数据也可为改善变频器和推进电机的运行性能提供数据参考。图7（d）的三相电压曲线图显示了实时刷新的电压幅值。

图7 手持端的显示界面Fig.7 Display interfaces of hand-held terminal

图8所示为全船无线监视层的上位机显示界面。由图8可知，上位机监视系统的负载侧界面由电压电流参数模块、电能质量模块、功率参数模块、运行与报警指示模块、相电压均值折线图、线电压均值折线图、相电流均值折线图、运行状态评估模块、事件信息记录模块、三相电压相量图、三相电流相量图、A相电压各次谐波成分柱状图、A相电压各次谐波相角折线图等模块组成。上位机显示界面不仅能显示电能参数数据、绘制数据曲线，还能进一步处理分析数据。例如，运行状态与报警指示模块可以分析显示系统的运行状态、A相断路、B相断路、C相断路、过电压、欠电压等数据信息。实验结果表明：界面模块可以正常运行，能满足电力推进系统电能质量的一般监视需求。

图9所示为广域网云端监视层的系统界面。通过平板电脑的浏览器访问云端服务器，即可登录广域网云端监视层系统。由图9可以看出，云端监视系统可以实现预设的监视功能，界面简洁友好。同时，云端监视系统也可以将电能参数数据和故障报警信息存储在云端数据库中，从而为用户的大数据分析提供支持。

图9 广域网云端监视层的系统界面Fig.9 System interfaces of the wide area network cloud monitoring layer

6 结 语

本文采用物联网技术开发了电力推进船舶的电能质量监视系统，基于STM32 MCU开发了手持端无线监视应用程序，基于Matlab2017开发了上位机GUI无线监视系统，基于WebAccess软件和百度云开发了云端监视系统。首先，感知层通过智能电力参数测量仪和高精度传感器测量感知电力推进系统的电能质量数据；然后，全船无线监视层和广域网云端监视层分别经全船传输层和广域网传输层进行通信，并通过多个手持端、上位机和岸基移动终端等软、硬件实现电能质量信息的任意地点无线获取、分析和显示；最后，以船舶电力推进实验系统作为物层，验证了监视系统的可行性和实用性。

此外，本文所设计的监视系统选用了标准工业化装置和技术，具有较高的可移植性。后期需在数据通信、故障报警、数据云存储等方面开展进一步的测试，以明确船舶无线路由器的性能要求和网络布局，从而提高监视系统在复杂工况条件下的故障容错性。