基于以太網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)動態(tài)電能質(zhì)量監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

胡紅錢，施偉鋒，蘭瑩，卓金寶

上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306

0 引 言

船舶電力系統(tǒng)是船舶的生命線，它的穩(wěn)定運(yùn)行是電力推進(jìn)、甲板機(jī)械、控制與通信等設(shè)備正常工作的保障［1］。由于船舶運(yùn)行工況復(fù)雜、環(huán)境惡劣，發(fā)生故障的可能性極大，因此及時掌握船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，加強(qiáng)對船舶電力系統(tǒng)動態(tài)電能質(zhì)量的監(jiān)測與故障診斷具有重要意義。

近年來，在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)公司（如百度、阿里巴巴、騰訊）的努力下，大數(shù)據(jù)分析成為潛在客戶與消費(fèi)需求挖掘、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能、故障診斷等的重要手段［2］。在船舶上，從船舶電站、船舶電網(wǎng)到船舶電力推進(jìn)，以及各種用電負(fù)荷和控制系統(tǒng)，每時每刻都會產(chǎn)生海量的狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此借助大數(shù)據(jù)分析可及時了解船舶電力系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量，預(yù)判船舶可能發(fā)生的異常變化或運(yùn)行故障。

傳統(tǒng)船舶基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)互連已不能適應(yīng)現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)動態(tài)電能質(zhì)量監(jiān)測與故障診斷的大數(shù)據(jù)信息交換的要求［3］。比如，將大型和超大型船舶的不同區(qū)域電能參數(shù)實(shí)時聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測時，傳統(tǒng)的CAN，Profibus等現(xiàn)場總線傳輸速率低、傳輸距離短、數(shù)據(jù)傳輸成本高的弊端會凸顯［4］；在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，分散獨(dú)立的異構(gòu)總線網(wǎng)絡(luò)難以滿足由多區(qū)域電網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)構(gòu)建的共享數(shù)據(jù)庫，并基此實(shí)現(xiàn)自動控制及故障診斷對數(shù)據(jù)綜合分析的需要［5］；在進(jìn)行實(shí)時、動態(tài)、多樣的電網(wǎng)動態(tài)參數(shù)的實(shí)時電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)中，依靠高速工業(yè)以太網(wǎng)及計算機(jī)對電能質(zhì)量實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行過去、現(xiàn)在、未來的多元綜合分析成為必然［6-8］。

本文將利用以太網(wǎng)長距離、高速率、穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室船舶電力自動化系統(tǒng)的傳統(tǒng)局域互連網(wǎng)，將船舶電力自動化系統(tǒng)中固有的測量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的在線測量數(shù)據(jù)聯(lián)合共享，建立全電力船舶綜合電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)分析，完成船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的LabVIEW實(shí)現(xiàn)。

1 監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)

本電能質(zhì)量監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)是以上海海事大學(xué)與施耐德聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室模擬的船舶電力自動化系統(tǒng)為對象。由3臺380 V/90 kW康明斯6BTA5.9-G2型柴油機(jī)和3臺馬拉松MP-104-4型發(fā)電機(jī)組成的柴油發(fā)電機(jī)組DG1～DG3組成船舶電站；整個電站控制系統(tǒng)由1個施耐德MODICON M430 PLC、3個丹佛并行與保護(hù)單元控制單元（PPU）及有關(guān)電氣控制儀器和儀表構(gòu)成；電網(wǎng)與負(fù)載通過配電屏管理；主負(fù)載包括由施耐德變頻器ATV303、推進(jìn)電機(jī)和模擬螺旋槳構(gòu)成的左右各一套推進(jìn)系統(tǒng)。系統(tǒng)中，PPU和變頻器、斷路器、測量儀表等關(guān)鍵設(shè)備通過Modbus現(xiàn)場總線互連，接入M430 PLC（圖1）。

船舶電力系統(tǒng)擁有豐富的電能參數(shù)信息，包括發(fā)電機(jī)組的啟/停、機(jī)組并車與解列、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、配電與保護(hù)、拖動電機(jī)變頻、螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)等，需要從“發(fā)電機(jī)—輸配電—推進(jìn)電機(jī)—螺旋槳”的完整系統(tǒng)設(shè)備在正常運(yùn)行和異常運(yùn)行時的電壓、電流、頻率、功率、諧波、不平衡度、波動、閃變等電力系統(tǒng)相關(guān)的大量數(shù)據(jù)。這些船舶電力系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)由現(xiàn)場總線（如圖1中Modbus總線）互連傳輸，有較好的封閉性，構(gòu)成了內(nèi)部通信［9］。

為了充分利用這些封閉的船舶電力系統(tǒng)的固有數(shù)據(jù)，本文由M430 PLC擴(kuò)展為Modbus/TCP交換機(jī)，改進(jìn)現(xiàn)場總線的缺點(diǎn)［9］，橋接內(nèi)外部通信，實(shí)現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)長距離、高速率、高穩(wěn)定的傳輸，然后再聯(lián)合現(xiàn)場檢測設(shè)備在線測量數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)存儲、查詢、監(jiān)測、分析、預(yù)測與診斷、優(yōu)化、管理的全電力系統(tǒng)動態(tài)電能質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，整個過程如圖2所示。

2 監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)上位機(jī)采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)，其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。分為數(shù)據(jù)接口層、數(shù)據(jù)庫層、數(shù)據(jù)處理層和用戶界面層。

數(shù)據(jù)接口層是協(xié)議解析層，包括解析Modbus/TCP采集的船舶電力系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)，以及讀取在線檢測設(shè)備測量的數(shù)據(jù)。電力系統(tǒng)具有固有數(shù)據(jù)吞吐量大、通信時間長和傳輸速率高的特點(diǎn)，因此，對系統(tǒng)通信的及時性和穩(wěn)定性提出了很高的要求，所以編程時采用接收、拆分?jǐn)?shù)據(jù)包、波形處理和存儲四線程并行運(yùn)行，以避免拆分和處理造成的時間延時影響接收波形的完整性和穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)庫層采用Access數(shù)據(jù)庫，設(shè)置采集參數(shù)數(shù)據(jù)庫與輸入知識數(shù)據(jù)庫。Access數(shù)據(jù)庫通過LabSQL工具包以Microsoft ADO技術(shù)以及SQL語言訪問數(shù)據(jù)庫。采集參數(shù)數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)接口層實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史存放數(shù)據(jù)；輸入知識數(shù)據(jù)庫包含了監(jiān)測系統(tǒng)中柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)、負(fù)載等常規(guī)的報警極限參數(shù)、示功圖特征判據(jù)、故障診斷專家數(shù)據(jù)、用戶設(shè)定參數(shù)，以及可能出現(xiàn)的故障映射關(guān)系。2個數(shù)據(jù)庫一起構(gòu)成大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)，運(yùn)行時根據(jù)需要，由專人在權(quán)限允許的條件下增加、修改和刪除知識。

數(shù)據(jù)處理層包括狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、數(shù)據(jù)查詢和用戶接口4個模塊，主要完成數(shù)據(jù)的高速處理、綜合分析、歷史數(shù)據(jù)檢索和知識輸入等。其中狀態(tài)檢測完成電力系統(tǒng)常規(guī)檢測數(shù)據(jù)的提取，并向狀態(tài)參數(shù)顯示、趨勢圖顯示提供數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)的綜合分析利用智能專家?guī)焖惴ǎㄉ窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)），完成系統(tǒng)故障的診斷。

用戶界面完成人機(jī)交互，為用戶提供友善、方便且直觀的界面。

2.2 Modbus TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)的LabVIEW實(shí)現(xiàn)

Modbus由施耐德MODICON于1979年提出，是目前應(yīng)用最廣的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。它是一個全數(shù)字、開放式的現(xiàn)場總線協(xié)議，有眾多的PLC和智能儀表廠家的設(shè)備采用該協(xié)議與主系統(tǒng)總線互通。Modbus/TCP協(xié)議是適合大流量、長距離、能在以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)支持Modbus的自動化設(shè)備以太網(wǎng)互聯(lián)。其上層為Modbus協(xié)議，下層為TCP協(xié)議。本文電力系統(tǒng)的主要設(shè)備由施耐德電氣贊助，遵循Modbus/TCP協(xié)議。根據(jù)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，在上位機(jī)LabVIEW中實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議解析并完成下位機(jī)數(shù)據(jù)讀取。圖4所示為Modbus/TCP數(shù)據(jù)傳輸程序。圖5所示為LabSQL工具包連接數(shù)據(jù)庫程序。

2.3 船舶電力系統(tǒng)檢測與故障診斷大數(shù)據(jù)分析LabVIEW實(shí)現(xiàn)

大數(shù)據(jù)分析就是對數(shù)目龐大的各種數(shù)據(jù)實(shí)施綜合分析的過程［10］，大數(shù)據(jù)分析可使分析結(jié)果解析更完整、更精確、更可信。由于船舶信息化、自動化、智能化和安全運(yùn)行的需要，船舶電力系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)外的數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)交互呈爆發(fā)式增長，構(gòu)成了一個超級大數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)數(shù)量大、類型復(fù)雜、價值密度低、非線性強(qiáng)的特征明顯，不便于故障特征提取和故障診斷。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性、知識分布存儲和泛化能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此非常適合在數(shù)據(jù)意義模糊、數(shù)據(jù)模型表示困難的大數(shù)據(jù)中進(jìn)行分析。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用比較廣泛的一種故障識別技術(shù)，其神經(jīng)元與網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示。圖中，p1,…,pR為輸入層節(jié)點(diǎn)xj及隱層輸出節(jié)點(diǎn)yi。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種誤差逆向傳播修正算法，其基本思想是通過對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值wij，Tli和閾值bi和bl的修正，使得誤差函數(shù)E沿梯度方向下降。BP網(wǎng)絡(luò)模型的計算公式為：

誤差：

式中：xj為輸入層節(jié)點(diǎn)；yi為隱層輸出節(jié)點(diǎn)；ol為輸出層節(jié)點(diǎn)；tl為輸出期望；f為神經(jīng)元輸出函數(shù)；neti，netl為函數(shù)f的輸入。

再通過誤差反傳梯度算法，可以得到各層的誤差與修正公式。

輸出層：

式中：η為學(xué)習(xí)效率；k為數(shù)量。

隱層：

由于存儲數(shù)據(jù)過于巨大，不便于直接用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障識別，因此有必要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。由于左右舷推進(jìn)系統(tǒng)處在同一水域場中、多臺船舶電站機(jī)組處在同一機(jī)房里、傳輸電網(wǎng)間處在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，而同環(huán)境下同類設(shè)備（系統(tǒng)）的對應(yīng)參量表現(xiàn)出極強(qiáng)的相關(guān)性，因此當(dāng)同環(huán)境下的同種性質(zhì)的一個設(shè)備（系統(tǒng)）發(fā)生故障時，可方便地利用其與正常設(shè)備（系統(tǒng)）對應(yīng)參量的相關(guān)性進(jìn)行故障判斷（如果同種設(shè)備同一時間全部參量發(fā)生故障則較難判斷，需采用更好的方法，但是這樣的概率很小，本文忽略該類型故障識別），其互相關(guān)公式為

式中：x,y為同性質(zhì)數(shù)據(jù)源互相關(guān)變量；xˉ,yˉ為x,y的平均值；互相關(guān)系數(shù)|r|≤1。

同一故障設(shè)備（系統(tǒng)）在相鄰時間段內(nèi)通常表現(xiàn)為時間相關(guān)性，因此可利用自相關(guān)性，補(bǔ)充互相關(guān)診斷的不足。比如對于左右舷某個螺旋槳因水域場突變引起的突變，如果只是進(jìn)行螺旋槳的互相關(guān)則可能誤判，因此還需要分別判斷螺旋槳和水域場的自相關(guān)以排除環(huán)境影響，并對其自相關(guān)和自相關(guān)差值進(jìn)行判別：

式中：xi,xk為相鄰時間段的內(nèi)的同種數(shù)據(jù)源；α為自相關(guān)差值，差值越小相關(guān)性越強(qiáng)。表1是左螺旋槳異物纏繞（右螺旋槳正常）的推進(jìn)電機(jī)A相電壓互相關(guān)；表2是水域突變時螺旋槳相關(guān)和水域自相關(guān)及其差值表。表中，Data1～Data6表示6組采集數(shù)據(jù)，采樣時間3 min。

表1 左螺旋槳異物纏繞（右螺旋槳正常）互相關(guān)Table 1 The cross-correlation number of the left propeller winded by foreign body（right propeller is normal）

表2 螺旋槳正常相關(guān)（水域突變）Table 2 Thecorrelation numberofpropeller（A mutation occurred in the water field）

通過對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)、自相關(guān)以及自相關(guān)差值，然后將符合要求的數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做故障診斷，從而簡化數(shù)據(jù)處理，加快診斷速度，提高實(shí)時性，實(shí)時監(jiān)測、早期預(yù)測船舶電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

BP網(wǎng)絡(luò)由Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱提供，在LabVIEW下調(diào)用Matlab script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。圖7為運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行船舶電力系統(tǒng)主機(jī)大數(shù)據(jù)分析的LabVIEW實(shí)現(xiàn)。

2.4 監(jiān)測與診斷系統(tǒng)界面的LabVIEW實(shí)現(xiàn)

結(jié)合上位機(jī)計算機(jī)的優(yōu)異性能和LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)計一款多任務(wù)的虛擬儀表，實(shí)現(xiàn)對船舶電力系統(tǒng)的動態(tài)電能質(zhì)量監(jiān)測與故障診斷，方便用戶進(jìn)行必要參數(shù)的顯示、相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、有關(guān)參數(shù)與專家數(shù)據(jù)的輸入等。圖8為船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)LabVIEW界面。

3 監(jiān)測與診斷平臺

本文采用的是上海海事大學(xué)與施耐德聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)（圖9）。系統(tǒng)采用研華科技工控機(jī)，LabVIEW為2014版本。通過以太網(wǎng)讀入船舶電力系統(tǒng)固有數(shù)據(jù)和在線直接測量設(shè)備NI數(shù)據(jù)采集卡采集的船舶電力系統(tǒng)補(bǔ)充數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

通過建立基于Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)的船舶電力監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，打破了系統(tǒng)同一地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的傳統(tǒng)模式的限制，將以太網(wǎng)共享大數(shù)據(jù)與相關(guān)性理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法相結(jié)合，完成了故障診斷。

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