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船舶供配电管理系统智能开关柜研制
发布时间：2013-07-01 08:07 来源：未知
1、引言
高质量的供配电是船舶安全航运的根本保证，也是航行、通信自动化的基础.20世纪80年代，西方一些技术发达国家先后提出了现场总线的概念，并在20世纪90年代中期，将以现场总线为基础的全数字控制系统拓展到船舶工业，在应用现场总线实现船舶自动控制方面取得了一系列的成功，使船舶自动控制技术提高到一个新水平。
我国在这方面的研究起步较晚，目前还仅限于监控、报警方面，有关采用现场总线技术组成的船舶供配电管理系统，还未见有成功应用到实际船舶供配电系统中的报道，供配电管理系统是根据检测到的现场信号或轮机员发出的控制命令产生开关量输出信号，通过接口单元驱动开关设备的操作机构来实现供配电回路的接通或分断，系统能对主回路实施多功能的电气逻辑互锁、负荷能量管理；对用电设备实施多功能的负荷分配、能量管理，提供实时信息管理．系统使用统一的通信协议，具有良好的开放性，可与上层网络（轮机自动化系统或全船自动化管理系统）连通，交换各种信息。
开关柜配电柜是船舶供配电管理系统中的主要设备，传统的开关柜主要由断路器、互感器、二次控制保护电路、计量仪表、隔离开关等组成，随着电力系统自动化水平的不断提高，要求开关柜与船舶电站配电自动化的发展相适应和配套.20世纪90年代，出现了智能开关柜，这是一个不断发展与变化的概念，与计算机技术、数据处理技术、控制理论、传感器技术、通信技术、网络技术和电力电子技术等的发展密切相关，是集控制、测量、�；ぜ巴ㄐ诺榷喙δ苡谝惶宓母呒际醪�，目前，国内大多数厂家是做电器本身的智能化，对开关柜本体综合智能化的工作做得较少，本文针对船舶供配电的特点，设计了应用在集美大学自动化研究所研制开发的船舶供配电管理系统中的智能开关柜，以提高船舶供配电系统的智能化管理水平。
2、船舶供配电管理系统硬件
系统硬件由一台上位机、一个智能开关柜和五路模拟负载组成。
2.1上位机
上位机为高性能计算机，用于管理整个船舶供配电系统中用电设备的配电和综合数据．
通信网络主要包含主机RS232接口、仪器仪表RS485接口、RS485/RS232转换卡及网卡．上位机通过主机接口控制整个通信网络，通过通信网络，各现场的配电和控制设备与上位机连接。
2.2 智能开关柜
它是本系统的核心，包含前端机、各种智能仪表、供配电设备，前端机选用I业控制计算机，用来实现对配电和控制设备以及各种元器件的监测、�；ず涂刂疲低持兴械氖莶杉透涸乜刂贫加芍悄芤潜硗瓿�，并通过RS485与前端机进行通信。
2.3系统负载
本系统用五个负载模拟船上用电设备，其中两台电动机用于三相(～380V)电路；一台电动机、一台电风扇和一组电灯用于单相(～220V)电路。
3、智能开关柜设计
本系统采用目前先进的框架结构、抽屉式开关柜设计思想，将硬件电路组装在一个开关柜中，集中管理，同时也便于系统硬件的维护、更换，这种结构还将系统进、出线、系统遥测、�？睾鸵５鞯裙δ芏技性谝桓龉裰�。
开关柜主体采用活动框架组装而成，框架的组成部件为带有25mm间隔模数孔的C形型材，这种材料的优点是无需专用工具即能组装成各种型式的柜体.C形构件采用了柔性加工工艺，框架结构连接用自攻螺丝，保证框架的精度、强度及良好的接地，此外，采用防磁结构防止辐射干扰，抽屉采用单柜操作机构，减小了机构间配合误差，使机构操作灵活，同时在抽屉面板上加锁，保证操作安全性。
开关柜的基本原理是用智能仪表对电量和非电量参数进行采集，通过RS485将数据传给系统前端机进行处理后，将指令传给智能仪表使继电器发生相应的动作，达到智能控制的目的．
3.1 开关柜整体布置
开关柜主体分为功能单元隔室和电缆隔室，尺寸为：60cmX 80cm×220cm(长×宽×高)，见图2．
功能单元隔室共分为6层，其中三相(～380v)供配电控制线路层、单相(～220v)供配电控制线路层和监测仪表仪器层采用抽屉式；变压器层、系统前端机控制层和�；ひ瞧饕潜砗涂刂粕璞�(PLC)层采用门开关式。
抽屉内装有各种智能仪表、供配电设备，面板上装有操作手柄和机械联锁装置，确保只有当主回路和辅助回路全部处于断开状态才能移动抽屉，机械联锁装置使抽屉具有移动、试验、分断、连接和分离5个位置，并由相应符号标示．抽屉采用后出线，在抽屉的后板上装有主线插头和控制线插针，要求抽屉有足够的精度，保证插针每次都能插到位．
电缆隔室是系统的布线室，本系统采用后出线设计，系统的进线、各层之间的连线及负载出线都在电缆隔室中．
3.2开关柜功能单元
3.2.1变压器层
本层是系统的进线层，放置了变压器，为此，在柜底部安装了两根平行的L型框架，用于固定变压器，为了使变压器不对系统控制部分产生干扰，在本层内部还必须安装一个正方形铁丝网，罩住变压器，变压器原边是～380V三相四线制，副边为两路三角形输出，一路是～380V，一路为～220V.柜前板装有把手，关上门时能扣紧，变压器工作时会发热，所以在此层的前板和侧板中偏上部打一排通气孔，利于散热．本层设计为固定式，所以系统的进线和出线可以直接做硬连接．
3.2.2 三相(～380V)供配电控制线路层
本层主要功能是对三相主电路进行监测和�？兀樘氤叽缥�60 cmX60 cm×24cm（长×宽×高）．抽屉的中间用一块隔板将抽屉分为里外两格，主电路安装在里格，控制电路安装在外格，这样安装有利于避免主电路对控制电路的干扰，提高系统的稳定性．同时主电路安装在里面能缩短主电路长度，也隔开了人与主电路，可提高系统的安全性，柜内布线规则为主线左进右出，控制线到前柜走左边，
本层的元器件主要有空气断路器、塑壳断路器、交流接触器、交流互感器、仪表供电变压器、按钮、主回路全电量采集器等，其中空气断路器�；ふ龅缏罚凰芸嵌下菲靼沧霸谕飧�，抽屉面板上的操作手柄能控制其通断，使抽屉拉出时能确保电路已经断电，全电量采集器用于对主回路的三相电压、电流值及功率等进行采集、运算，并通过RS485将数据传输到系统前端机，同时具有继电器和遥信功能，系统前端机可以通过RS485对其进行控制，因船舶电网的动力和照明两个子网均为三相三线制，系统无中性线，所以系统的零线和地线都与船体相连，通过大海与大地相通。
3.2.3 单相(～220V)供配电控制线路层
本层功能是对单相负载进行监测和�？兀饕骷锌掌下菲�、塑壳断路器、交流接触器、交流互感器、仪表供电变压器、按钮、单相电压、电流采集仪表、开关量采集器等．单相电压、电流采集仪表具有对交、直流电压、电流、电阻等物理量的精确测量及上上限、上限、下限及正、负偏差报警功能，采用RS485接口与前端机通讯，开关量采集器作为开关量输入输出接口，采用RS485接口与计算机通讯．本层是三相进线，但应用到三路单相负载，分别是两两一路，这样接法主要是为了平衡三相电源供电．主回路的智能仪表安装在本层。
3.2.4监测仪表仪器层
本层主要用于放置负载回路智能仪器仪表，用于对～380V、～220V回路负载的监测、控制和开关量采集，主要元器件为负载回路全电量采集器、单相电压、电流采集仪表、开关量采集器等。
3.2.5 系统前端机控制层
本层用于放置系统的前端机即工控机，为了使用方便，将该层分为上下两层，上层用于放置工控机，底部需铺铁板，便于工控机的安放，下层空间高度100mm，安装一块可以自由进出的托板，放置工控机的键盘和鼠标．本层面板上安装玻璃板，不打开柜门就可以看到工控机的屏幕，本层需另装一个RS485/RS232转换卡，本层不需要后板，电源线、控制线和通信线可以直接跟前端机相连。
3.2.6�；ひ瞧饕潜砗涂刂粕璞�(PLC)层
本层仪器采用人工智能工业调节器／温控器，一个仪表加入不同的辅助电路，便可以实现过热温度保护、过载�；ず脱沽Ρ；と止δ�.PLC用于取代传统继电器控制，实现顺序控制和运动控制等．本层是固定式设计，不需后板，电源进线、控制线和通信线可以直接接出。
3.3 开关柜�；すδ�
本设计中，采用开关按钮实现缺相模拟，有开通和关断两种状态，采用一种三线四路旋钮进行限压模拟，选择不同的电阻值改变采集电压，实现欠压、过压等故障模拟，它们都安装在相应抽屉的面板上，过载模拟通过人工智能工业调节器／温控器实现实际供配电系统中，针对电网和负载的各种�；�，如：缺相、欠压、过压、过载、欠载、空载、堵转、漏电、相电流不平衡、温升、转速、继电、接触器状态、功率因数等，是通过前端机、各种智能仪表、PLC等实现的。
3.4 系统硬件抗干扰
提高智能化电器产品抗干扰性能，对其实际应用十分重要．船上电气设备接地是一种重要的安全�；ず涂垢扇糯胧萁拥毓τ玫牟煌�，其类型主要有工作接地、�；そ拥豶安全接地）、防干扰接地和其它接地等，此外，当电气设备的主电路、控制线路绝缘损坏时，会发生接地现象，即故障接地。
本系统采取的几种接地方式：
(1)工作接地，为保证电力系统和设备正常工作而进行的接地，像各种智能采集仪表的接地．
(2)�；そ拥�，把故障状态下可能呈现危险的对地电压的外露导电部分同船体可靠地连接起来，如开关柜的金属外壳、电流、电压互感器二次侧端子接地、照明电网及器具接地、电动工具接地等。
(3)防干扰接地，主要是防止电磁干扰，如RS485通信电缆采取屏蔽电缆或敷设在金属管内，所有电气设备、金属外壳、电缆的金属屏蔽护套及敷设电缆的金属管道均应可靠接地。
(4)船用电子设备接地.a)信号接地：在电子设备的信号回路中，其低电位点要有一个统一的基准电位；b)功率接地：电子设备中的大电流电路、非灵敏电路、噪声电路等，如电机、电器、交直流电源等都需要接地。
本开关柜在电缆隔室安装一条铜导线，并与开关柜整体和船体相连，系统的接地线都可以接入，因船体跟海水相连，所以整个系统便以大地为参考点。
4、智能开关柜管理软件配置
4.1系统主要功能
(1)系统为全中文界面，操作方便，实用性好，抗干扰性能强；
(2)系统能满足船舶供配电的监控要求；
(3)系统可提供各种符合现场总线标准的测控模块，能对馈出回路和电动机回路进行完善的�；ず涂刂�，对不具备智能的底层元器件、系统也能利用遥测和遥信予以监控；
(4)系统可输出各种参量数据，并能对船舶供配电系统进行负荷分配和能量管理。
4.2 系统软件结构
软件系统采用的是客户／服务器( C/S)结构，服务器与客户之间使用TCP/IP协议进行数据交换，实现网络远程管理。
服务器与客户端软件都采用�？榛庾埃筛菖涞缦低车木咛逍枰≡癫煌墓δ苣？�。
4.3数据流程
软件设计中，先要对数据流程进行分析，根据数据流程分析把软件系统的功能模块化，并做出数据流图，系统顶层数据流图如图3所示，该图表明了用户、软件和用电设备三者之间的关系，并对软件要实现的功能做出直观的描述。
4.4 系统软件配置
(1)操作系统：数据库服务器端操作系统使用Windows 2000 Server，客户端操作系统使用Windows 98．
(2)数据库管理系统：使用Microsoft SQLServer2000作为后台数据库。
(3)界面开发工具选用Borland C++ Builder6.0.利用智能仪表传回的电压、电流、功率、功率因数、频率、电度等电参数进行分析后，对船舶供配电系统中的器件进行控制。
(4)底层开发选用C++语言，实现对智能化开关柜中的各种数据进行整理，并通过通讯协议将采集的数据输入到数据库中。
(5)图形开发软件选用PhotoShop 6.0，对船舶供配电系统中各种器件模型、电气原理图、运行图等进行绘制。
5、结束语
本文所介绍的智能开关柜的研制与开发内容主要是针对船舶供配电系统特点进行的，具体的设计方案是根据船舶实际运行过程而完成的，制造出的智能开关柜样机能模拟船舶实际供配电过程，智能开关柜融合了多种高新技术的机电产品，是供配电设备的发展方向，正被越来越多的用户应用．同时，智能开关柜的概念也在不断地发展，因此，必须时刻关注当前技术的发展前沿，进一步开发出既适合船舶应用又具有技术优势的新产品。
富通新能源可以根据用户的需求订做各种类型的高低压配电柜开关柜。
