綜合電力智能化能量管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架研究

黃友橋，王黎明

（1.海軍駐701所軍事代表室，武漢 430064；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

0 引言

近幾年來(lái)，隨著國(guó)防建設(shè)及我海軍發(fā)展的需要，以綜合電力系統(tǒng)為標(biāo)志的新一代大型海上動(dòng)力平臺(tái)正逐步納入我海軍裝備建設(shè)規(guī)劃中。綜合電力系統(tǒng)[1]將艦船發(fā)電、供電、推進(jìn)和艦載設(shè)備用電集成在一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電、配電與電力推進(jìn)用電及其他設(shè)備用電統(tǒng)一調(diào)度和集中控制。因此，采用綜合電力系統(tǒng)的大中型艦船對(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)控和管理提出了更高更復(fù)雜的要求，即必須對(duì)全電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的最優(yōu)控制策略及措施，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行與高質(zhì)量供電。智能化能量管理系統(tǒng)[2]就是建立多級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)艦船電站、配電系統(tǒng)、負(fù)載特別是電力推進(jìn)系統(tǒng)等大功率負(fù)載進(jìn)行綜合計(jì)算分析，對(duì)電力系統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行狀況、安全情況、電能質(zhì)量情況的監(jiān)測(cè)、保護(hù)和管理，可實(shí)現(xiàn)能量的智能化調(diào)配，以保證能量供應(yīng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，提高艦船的生命力、續(xù)航力和戰(zhàn)斗力。

1 智能化能量管理系統(tǒng)的功能及配置需求

1.1 智能化能量管理系統(tǒng)的功能

智能化能量管理系統(tǒng)作為艦船電力自動(dòng)化的技術(shù)核心，涵蓋了供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、武備系統(tǒng)在內(nèi)的艦上各種用電負(fù)載，通過(guò)對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)之間的關(guān)系，確保艦船的生命力、機(jī)動(dòng)性和戰(zhàn)斗力。其能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電自動(dòng)化、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)警、輸配電監(jiān)控保護(hù)及用電設(shè)備監(jiān)控管理；能夠根據(jù)艦船的運(yùn)行工況有效并且迅速地調(diào)度電能，可對(duì)全艦的電能和各種負(fù)載的用電情況進(jìn)行有效的管理；能夠向推進(jìn)負(fù)載、日用負(fù)載和武備系統(tǒng)等提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的電能。由于采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)，其呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：

1)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基本上分為上下兩層。下層為監(jiān)控網(wǎng)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸介質(zhì)為雙絞線；上層為信息傳輸網(wǎng)，采用高速工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)采用光纖或雙絞線，這樣使得系統(tǒng)的可靠性及快速性均得到了保證。

2)系統(tǒng)功能模塊化

系統(tǒng)模塊化包含二個(gè)含義：一是系統(tǒng)由符合標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化的產(chǎn)品組合而成；二是艦船機(jī)艙的動(dòng)力設(shè)備也有模塊化的設(shè)備組合而成，并已包含其自身的監(jiān)控設(shè)備。

3)系統(tǒng)管理功能智能化

系統(tǒng)以各功能模塊為基礎(chǔ)，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息處理決策及傳感器執(zhí)行技術(shù)為一體，具有實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化、最優(yōu)化等智能化特點(diǎn)。

1.2 智能化能量管理系統(tǒng)的模塊化組成

智能化能量管理系統(tǒng)是一個(gè)集控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)和管理與一體的綜合性系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)能量管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方案，艦船能量管理系統(tǒng)可由以下六大模塊組成，如圖1所示。

2 能量管理系統(tǒng)硬件體系構(gòu)架設(shè)計(jì)

能量管理系統(tǒng)硬件主要包括數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件。一般分為底層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和頂層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架兩層。

2.1 底層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)

底層網(wǎng)絡(luò)由集中監(jiān)控單元、智能網(wǎng)橋、智能節(jié)點(diǎn)、智能網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)及其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成，如圖2所示。采用CAN總線的多主從的工作方式，從網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信心，而不分主從。見(jiàn)圖2所示。

CAN現(xiàn)場(chǎng)總線作為基本的通信網(wǎng)絡(luò)，不僅有數(shù)據(jù)采集的上行數(shù)據(jù)，同時(shí)有控制指令的下行數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高。所謂實(shí)時(shí)性就是要保證系統(tǒng)的行為滿足一定的時(shí)限要求，對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)主要是解決由于數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的延時(shí)問(wèn)題，需要采用合適的調(diào)度算法解決“何時(shí)”執(zhí)行和“何地”執(zhí)行，以滿足消息傳輸?shù)臅r(shí)間約束。

2.2 頂層以太網(wǎng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

采用 OPNET Technology公司的仿真軟件OPNET對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)上層以太網(wǎng)進(jìn)行仿真，可分析監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；能對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能分析，總結(jié)數(shù)據(jù)產(chǎn)生、傳輸?shù)幕具^(guò)程和統(tǒng)計(jì)特性；基于 OPNET軟件可對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流完成建模；可對(duì)網(wǎng)絡(luò)的鏈路負(fù)載、傳輸時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；分析影響網(wǎng)絡(luò)的鏈路負(fù)載、傳輸時(shí)延的原因，提出優(yōu)化措施。

3 能量管理系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

能量管理系統(tǒng)包含供配電管理、負(fù)載管理、系統(tǒng)分析、安全管理、電力與艦載模擬訓(xùn)練，信息網(wǎng)絡(luò)管理六大功能模塊，所涉及的是一個(gè)由不同硬件、不同操作系統(tǒng)、不同支撐環(huán)境和不同廠家的產(chǎn)品組成的異構(gòu)系統(tǒng)，要使其協(xié)調(diào)工作，必須從軟件體系與軟件接口技術(shù)方面對(duì)其進(jìn)行研究。因此，從頂層對(duì)軟件體系進(jìn)行規(guī)劃，進(jìn)一步提高系統(tǒng)信息開(kāi)放性。能量管理系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循分層組件式、模塊式設(shè)計(jì)原則。根據(jù)軟件功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，確定軟件標(biāo)準(zhǔn)化組件及模塊，時(shí)限模塊內(nèi)部高內(nèi)聚，模塊間的松耦合，提高可靠性、維護(hù)性和重用性。

3.1 軟件層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用層次組件化結(jié)構(gòu)，分為三層：基礎(chǔ)平臺(tái)層、軟總線層和應(yīng)用層?；A(chǔ)平臺(tái)層是整個(gè)軟件系統(tǒng)的支撐，包括操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等，其主要功能包括：通過(guò)外部環(huán)境接口，利用數(shù)據(jù)采集和處理組件從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，按公用信息模型（CIM）格式存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，或向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送指令；與軟總線層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。軟總線層是CIS(組件接口規(guī)范)接口的實(shí)現(xiàn)層，從基礎(chǔ)平臺(tái)層讀取數(shù)據(jù)，按一定的組件粒度，實(shí)現(xiàn)能量關(guān)系應(yīng)用組件和公共應(yīng)用組件，供應(yīng)用層調(diào)用。應(yīng)用層指各功能模塊根據(jù)需求，調(diào)用軟總線層組件，實(shí)現(xiàn)能量管理平臺(tái)的具體功能，見(jiàn)圖3所示。

3.2 軟件功能流程設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)功能復(fù)雜，模塊間相互聯(lián)系緊密，因此，軟件整體流程應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要分為以下部分：1）軟件初始化。能對(duì)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫(kù)連接等進(jìn)行檢測(cè)、測(cè)試，若出現(xiàn)錯(cuò)誤可報(bào)警，選擇退出。2）權(quán)限管理。初始化完成后，顯示系統(tǒng)Logo，并進(jìn)入登錄權(quán)限認(rèn)證菜單，根據(jù)全新不同，進(jìn)入相應(yīng)功能模塊的主界面進(jìn)行操作。3）數(shù)據(jù)采集與處理。利用狀態(tài)估計(jì)和潮流分系統(tǒng)計(jì)算組件，對(duì)緩存空間的量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除不良數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入分配好的運(yùn)算數(shù)據(jù)緩存空間。4）主程序界面。提供各功能模塊的入口，調(diào)用各組件接口進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)算后生成相應(yīng)的人機(jī)圖形界面。5）功能模塊應(yīng)用組件。利用模塊間和模塊內(nèi)的信息交互完成相應(yīng)的應(yīng)用功能。6）功能模塊人機(jī)圖形顯示界面。結(jié)合圖形界面組態(tài)，顯示相應(yīng)的調(diào)用結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以綜合電力系統(tǒng)為動(dòng)力平臺(tái)，提出了智能化能量管理系統(tǒng)的功能及配置需求，開(kāi)展了智能化能量管理系統(tǒng)的模塊化組成方案、硬件網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架和軟件體系構(gòu)架方案設(shè)計(jì)初步研究，從理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合電力系統(tǒng)的有效控制、監(jiān)測(cè)和管理，對(duì)開(kāi)展工程應(yīng)用具有參考意義。

[1]馬偉明. 艦船動(dòng)力發(fā)展的方向－綜合電力系統(tǒng). 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14（6）：1-5.

[2]夏立，王黎明，徐襲. 艦船能量管理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)探討. 國(guó)防科技前沿論壇論文集，國(guó)防工業(yè)出版社,2009.