船舶PMS控制策略仿真測試平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郝衛(wèi)明，王永興，王 力

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船舶PMS控制策略仿真測試平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郝衛(wèi)明，王永興，王 力

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所， 武漢 430064）

為了更好的驗(yàn)證船舶功率管理系統(tǒng)的控制策略，避免危險(xiǎn)工況下的測試風(fēng)險(xiǎn)，本文基于Matlab仿真軟件與Visual studio 2010開發(fā)工具，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)較為通用的船舶能量管理系統(tǒng)仿真測試平臺，從船舶能量管理系統(tǒng)的功能出發(fā)，具有針對性的建立船舶柴油發(fā)電機(jī)組、負(fù)載等模型用于仿真測試。該軟件可在正常和非正常狀態(tài)下測試PMS系統(tǒng)的控制策略，便于PMS控制策略設(shè)計(jì)，縮短PMS開發(fā)周期。

功率管理系統(tǒng) 仿真平臺 故障仿真

0 引言

電力電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制技術(shù)的高速發(fā)展促進(jìn)了船舶電力推進(jìn)技術(shù)的快速進(jìn)步，電力推進(jìn)技術(shù)目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用到科考船、海洋工程船舶、游船、散貨船、漁船等船舶，在經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動性和可靠性等方面比傳統(tǒng)推進(jìn)船舶有明顯的優(yōu)勢。受到諸多因素的限制，船舶電站的裝機(jī)容量有限，但負(fù)載設(shè)備的種類多、功率相對較大（與電站容量相比），與陸地電網(wǎng)相比，船舶電網(wǎng)具有相對獨(dú)立、容量小、負(fù)載、工況變化頻繁等特點(diǎn)，大功率負(fù)載啟動過程中會破壞電站穩(wěn)定性，降低船舶的電網(wǎng)質(zhì)量，影響船舶電網(wǎng)的頻率、電壓、諧波等指標(biāo)，若控制策略不得當(dāng)，會導(dǎo)致船舶電網(wǎng)失電，引發(fā)事故。

船舶功率管理系統(tǒng)（PMS，Power Management System）是船舶電站自動化控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了船舶能量及負(fù)載的統(tǒng)一管理、調(diào)度和控制。功率管理系統(tǒng)旨在提高船舶電站的可靠性和安全性，降低船舶電網(wǎng)失電的可能性，其功能大致可分為：發(fā)電裝置管理功能、配電系統(tǒng)管理功能、負(fù)載管理及系統(tǒng)輔助監(jiān)控報(bào)警功能。

1 仿真測試平臺系統(tǒng)分析

基于上述功率管理系統(tǒng)的功能，目前，功率管理系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)集中控制策略的優(yōu)化研究[1]，包括：防失電控制策略優(yōu)化、發(fā)電機(jī)組控制策略優(yōu)化、負(fù)載限制控制策略優(yōu)化和全局工況控制的策略優(yōu)化問題等[2]。

在控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)驗(yàn)證工作，由于船舶電站的配置是依據(jù)船舶的類型、功能、負(fù)載、航速、航區(qū)、規(guī)范等定制生產(chǎn)，船舶電站PMS的控制策略也是因船而異。

在控制策略優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，多采用基于Mabtlab/simulink建立船舶電力系統(tǒng)仿真模型[3]（包括柴油發(fā)電機(jī)組、配電系統(tǒng)、負(fù)載等）來完成控制策略或算法的優(yōu)化或驗(yàn)證。針對單個(gè)設(shè)備的控制策略或算法的優(yōu)化研究，是尋求單目標(biāo)（單設(shè)備）優(yōu)化的最優(yōu)解，而船舶功率管理系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化問題是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化（系統(tǒng)級）問題。通過建立通用性強(qiáng)的船舶電力系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)中的各設(shè)備仿真模型進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度管理，在船舶電站功率管理系統(tǒng)中的控制策略驗(yàn)證過程中，打破局部最優(yōu)解的限制，尋找系統(tǒng)的多目標(biāo)最優(yōu)解，一方面，加快了功率管理系統(tǒng)的開發(fā)流程，另一方面，仿真測試平臺可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在破壞性試驗(yàn)下的功率管理系統(tǒng)的響應(yīng)及狀態(tài)，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2 仿真測試平臺的設(shè)計(jì)

2.1體系結(jié)構(gòu)

在船舶功率管理系統(tǒng)仿真測試平臺的設(shè)計(jì)中需要綜合分析船舶功率管理系統(tǒng)的系統(tǒng)約束條件，依據(jù)仿真測試平臺的系統(tǒng)要求，確定如下圖1的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

圖1 仿真測試平臺結(jié)構(gòu)

仿真測試平臺底層采用matlab/simulink為仿真驅(qū)動，在該層建立模塊化、特性參數(shù)可配置的設(shè)備仿真模型，如包括柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)[4]、機(jī)組調(diào)速器、負(fù)載模型等，在仿真引擎中，仿真測試平臺提供仿真模型特征參數(shù)設(shè)置接口。

數(shù)據(jù)交互接口是連接仿真引擎和上層仿真調(diào)度管理模塊的橋梁，在上層管理軟件中調(diào)用仿真引擎提供的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)上層調(diào)度、管理指令的下達(dá)，并為上層軟件提供了共享實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)的接口。

基于Visual C++的可視化軟件開發(fā)工具和程序語言的兼容性[5]，完成仿真測試平臺軟件的編寫與調(diào)試，其功能模塊包含了模型調(diào)度、系統(tǒng)生成、與仿真引擎的數(shù)據(jù)共享、仿真控制、參數(shù)設(shè)置、故障注入以及人機(jī)交互等功能。仿真測試平臺為測試對象提供了以太網(wǎng)和RS485/422接口，一般情況下，由可編程邏輯控制器構(gòu)成的功率管理系統(tǒng)均具備上述兩類接口。

2.2仿真測試平臺的運(yùn)行模式

仿真測試軟件可通過下述兩種模式對功率管理系統(tǒng)進(jìn)行測試，如流程圖2所示。

其實(shí)，中國“一字師”的故事很多。比如《唐詩紀(jì)事》記載的故事，鄭谷改齊己詩《早梅》，把“前村深雪里，昨夜數(shù)枝開”改為“前村深雪里，昨夜一枝開”；人民教育家陶行知聽從小孩的建議，把“大孩自動教小孩”改為“小孩自動教小孩”；詩人公劉聽從編輯的意見，將一詩中“中國在笑！中國在跳舞！中國在狂歡”的“跳”刪掉。金庸先生的“棒子鎮(zhèn)”是小說地名，改為事實(shí)上的地名“榛子鎮(zhèn)”，雖然改不改都可，但改為“榛子鎮(zhèn)”可證小說更為嚴(yán)謹(jǐn)，作家更為嚴(yán)謹(jǐn)。

圖2 仿真系統(tǒng)工作流程圖

正常運(yùn)行測試，可以進(jìn)行功率管理系統(tǒng)控制策略的測試，如負(fù)荷自動增減機(jī)控制策略測試，推進(jìn)裝置功率限制策略測試，失電恢復(fù)控制策略測試[6]，重載詢問控制策略測試等，可在此工作模式下測試并驗(yàn)證控制邏輯和控制策略的合理與優(yōu)劣。

在設(shè)備出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)，引起系統(tǒng)的變化是具有連鎖效應(yīng)的。因此，將船舶電力系統(tǒng)中的故障參數(shù)進(jìn)行提取，形成故障參數(shù)集合，在仿真模型正常運(yùn)行期間，采用故障注入技術(shù)，向模型注入故障參數(shù)集，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)突發(fā)故障的仿真，故障具有真實(shí)性、可信度高的特點(diǎn)。可在此模式下測試功率管理系統(tǒng)在船舶電力系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)的響應(yīng)狀態(tài)，如主發(fā)電機(jī)組故障跳閘等。

2.3模型建立

典型的電力推進(jìn)船舶配備的設(shè)備主要包含有主柴油發(fā)電機(jī)組，主配電板、應(yīng)急/停泊柴油發(fā)電機(jī)組，應(yīng)急配電板，變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳及其它電力設(shè)備。

船舶電力系統(tǒng)仿真模型能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)船舶電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，電力系統(tǒng)模型中的仿真模型參數(shù)按照國家標(biāo)準(zhǔn)以及中國船級社的規(guī)范整定，滿足船舶電網(wǎng)靜態(tài)與動態(tài)特性，電力系統(tǒng)模型采用模塊化的設(shè)計(jì)，見仿真系統(tǒng)圖3，有利于模型調(diào)度、管理。

圖3 系統(tǒng)仿真模型

2.4仿真測試軟件實(shí)現(xiàn)

基于Visual studio 2010開發(fā)仿真測試軟件，具備模型的調(diào)度、管理、內(nèi)存管理、故障注入、人機(jī)交互等功能。人機(jī)交互功能實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，仿真測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，故障集合設(shè)置及測試結(jié)果顯示等功能。

3 仿真測試實(shí)例

以某電力推進(jìn)系統(tǒng)船舶電站配置為例，對系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，該船配備了4臺800 kW柴油發(fā)電機(jī)組，調(diào)速器使用Woodward UG25+，自動電壓調(diào)節(jié)器為巴斯勒DECS-100。該船配備的負(fù)載中具有在作業(yè)工況下啟停較為頻繁，對船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成了較大的沖擊，特別是對機(jī)組的調(diào)速、調(diào)壓性能具有較大的影響[8]。

在仿真過程中，參數(shù)采用該船實(shí)船數(shù)據(jù)，負(fù)載選用三相電阻負(fù)載，共分為二級負(fù)載，一級負(fù)載為固有負(fù)載，占發(fā)電機(jī)組容量的10%，二級負(fù)載為變動負(fù)載，容量為機(jī)組容量的30%。對二級負(fù)載的突加30%情況做出仿真驗(yàn)證，觀察發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、機(jī)組轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出功率、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流以及A相輸出電流的標(biāo)幺值，如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文以Matlab為仿真驅(qū)動，利用Visual studio2010設(shè)計(jì)開發(fā)了船舶能量管理系統(tǒng)控制策略仿真測試軟件，為能量管理系統(tǒng)的控制策略研究提供了一個(gè)模塊化、通用化、可視化的研究平臺。另一方面，可在該平臺實(shí)現(xiàn)部分破壞性試驗(yàn)的測試工作，彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)無法完成的工作。該仿真平臺還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，特別是在仿真軟件中各線程的管理計(jì)算機(jī)資源的合理分配、人機(jī)界面等方面都需要改進(jìn)。

圖 4 突加30%負(fù)載仿真結(jié)果

[1] 孫寶龍. 船舶電站功率管理系統(tǒng)理論研究與設(shè)計(jì) [D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2014.

[2] 柯常國, 王勁, 楊俊飛. 電力推進(jìn)船舶功率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J]. 船電技術(shù), 2013.9, .33(.9): 17-21.

[3] 蘇金明. Matlab高級編程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[4] 武福愿, 高海波, 趙文科. 船用同步發(fā)電機(jī)可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真[J]. 船海工程, 2008, 37(5): 82-85.

[5] 尹成, 顏成鋼. Visual C++2010開發(fā)權(quán)威指南[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

[6] Damir Radan, Integrated control of marine lectricl power system[D], Department of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology, 2008.

[7] 梁樹甜, 沈楓, 王孟連等. 基于VC++的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)故障仿真軟件設(shè)計(jì)[J]. 船電技術(shù), 2011, 31(8): 18-22.

[8] 潘志強(qiáng). 電力推進(jìn)船舶能量管理系統(tǒng)控制策略研究[D]. 武漢, 武漢理工大學(xué), 2014.

Design and Realization of Simulation and Test Platform for Ship’s PMS Control Strategy

Hao Weiming, Wang Yongxing, Wang Li

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

In order to get a better PMS control strategy and avoid risk of the test under dangerous condition, a general simulation and test platform for PMS control strategy is designed by using the combination of Matlab simulation and visual studio 2010 developing tools, for diesel generator sets, load and other equipments. This software can be used to test the control strategy of PMS both under normal and fault condition, and shorten the development cycle of PMS.

power management system; simulation platform; fault simulation

TP391.9 TM761

A

1003-4862（2016）04-0073-04

2015-12-23

郝衛(wèi)明（1988-），男。研究方向：船舶電力推進(jìn)。