基于SPDA的船舶智能电网系统构建

方案，其中铅酸XDC组平均电压为24V。全船机电控制中心电源拓扑结构图如图2所示。

交流输入选择模块按照一定策略自动选择两路交流输入电源中某一路交流作为交流电源模块和XDC管理模块的输入电源，交流电源模块将交流电转换为直流28V电压，XDC管理模块完成XDC的充放电及其管理，使得XDC端电压低于26.5V。XDC输出直流XX电与交流电源模块输出的直流28V电分别经二极管向直流母线供电。加固计算机、加固液晶显示器、PLC、功能面板以及直流电源模块等组件分别从直流母线取电。直流电源模块将直流24V电压转换为直流±15V电压，为电压传感器和电流传感器提供供电服务。

正常情况下，交流输入选择模块优先选择第一路交流电;若第一路交流电失电，则自动选择第二路交流电，并由交流电源模块向直流母线供电;若当前正在使用第二路交流电，第一路交流电恢复供电，则自动选择第一路交流电，并由交流电源模块向直流母线供电;若第一路和第二路交流电均失电，则由XDC向直流母线供电。

2.2 加固计算机

为满足全船机电控制中心对数据采集、传输、处理的要求，加固计算机选用6U结构CPCI总线计算机，配置6U结构电压电流输入模块2块、CAN总线模块2块、以太网模块2块、CPU模块1块以及电源模块2块。需要说明的是，通过鉴定的电压电流输入模块尚不能满足16路模拟量实时同步采集的能力。通过与标准化硬件研制厂家多次沟通协调，可在现有模块技术基础上开展改进研制，技术风险可控。

加固计算机采用水冷散热，内部不设置风扇，内部电子元器件产生的热量通过水冷板内循环水带走，一方面降低了加固计算机向舱内散出的热量，另一方面也降低了设备运行噪音，满足总体综合节能和减振降噪设计要求。水冷加固计算机效果，如图3所示。

2.3 可编程逻辑控制器设计

电力系统主要断路器的状态反馈信号均为无源触点，该类信息作为电力系统拓扑结构控制的输入。为保障电力系统正常运行，该类信号由可靠性高、稳定性优、逻辑运算能力强的PLC完成采集工作。同时，为了便于系统故障分析，全船机电控制中心主要控制开关、按钮的状态也由PLC进行采集。功能面板断路器状态显示信息由PLC通过数字量接口驱动。PLC将采集的所有数字量信息通过RS485总线上传给加固计算机。PLC选用西门子SIMATIC S7-200系列PLC。

2.4 越限报警设计

机电控制中心加固计算机通过CAN总线接口、以太网接口与外部设备进行数据交换，如直流网络绝缘、交流网络绝缘、XDC状态等信息，加固计算机对该类信息进行处理、显示，并对各类越限参数生成报警指令，经RS485总线将发送给PLC，由PLC驱动功能面板上的蜂鸣器和报警指示灯，完成告警提示。加固计算机也可对各类通讯故障发出告警提示。在功能面板上设置了消音和查灯按钮用于蜂鸣器消音和指示灯试灯。

2.5 风冷控制设计

加固计算机采用水冷散热方式，正常情况下全船机电控制中心采用总体提供的冷却水进行冷却。水冷故障时，全船机电控制中心内部设置的压力传感器输出控制信号启动强制风冷风机，将柜内热量排出，保证柜内电气组件能够正常工作。

2.6 水冷管路设计

柜体散热设计采用水冷方式。全船机电控制中心结构采用全封闭式，背后留有进水口和出水口。柜内的主要发热元器件是加固计算机，加固计算机采用水冷机箱，外部冷却水通过全船机电控制中心的冷却水进水口进入柜内，再通过管路流到加固计算机水冷机箱的进水口，冷却水在水冷机箱中将机箱内部的热量带到水冷机箱的出水口，然后通过管路流到监控柜的冷却水出水口，通过出水口流出全船机电控制中心。全船机电控制中心的进出水口的接口在柜体背后，离地高度与柜内加固计算机的安装位置高度一致，以此尽量减少柜内水冷管路的长度，提高散热效果。如图4所示。

2.7 软关机设计

两路交流输入电源均失电时，系统转由XDC组供电，固态继电器自动发出2路失电信号。其中，一路失电信号送给PLC，另一路失电信号送给加固计算机。加固机的I/O板收到失电信号后，自动启动关机模式。PLC收到失电信号后，延迟5min发出控制信号，断开XDC供电。

该功能设计中采用国营792厂的固态继电器和固态接触器，具有高可靠性、长寿命、无噪音、开关速度快、抗干扰能力强、耐冲击、耐振动、防湿、防潮、防腐蚀等优点，满足电磁兼容性和环境适应性。

3 水冷式电源

NB电源装置实现直流电能转变成交流电（三相390V，50Hz）。如图5所示，NB装置的主电路包括以下几个部分：直流共模滤波电路、启动充电和保护电路、差模滤波电路、三相NB及缓冲电路、交流滤波电路、输出三相变压器。另外，机柜内部还包含散热片、水冷管等元件。直流共模滤波电路和差模滤波电路为了抑制直流侧电流的共模信号和差模信号。启动充电和保护电路为防止启动时对直流侧电容的充电电流过大设计，另外，电路中的熔断器和防反接二极管对主电路进行保护;在充电时在主电路直流侧串联一个充电电阻，抑制充电电流，装置正常工作时通过控制SCR将其旁路。三相桥式NB电路将直流电NB为三相交流电，缓冲电路保护IGBT。交流滤波电路将三相桥式电路输出的PWM波中的高次谐波滤除，得到基波正弦电压。输出三相变压器可实现装置与负载的电气隔离。用于控制的检测电路包括直流电压和直流电流检测、变压器偏磁电流检测、输出电压瞬时值检测、输出电流瞬时值检测、输出电压频率检测等。

4 现场配电板

如图1所示，现场配电板主要由SPDA和I/O模块组成，向各现场负载提供DC 24V、AC 380V、AC 220V等多种电制电源。

SPDA由主控模块、电源模块、SSPC模块等组成。其中，主控模块包含通讯模块、DSP和存储模块，接收电网各支路状态参数信息（电压、电流、功率等）和运行状态信息，按照存储的程序进行供电控制和提供配电保护，同时具备故障报警功能。

SPDA代替传统的由机械开关、继电器、接触器和断路器组成的控制电路，用于控制负载通断，具备远程控制、过载保护、限流控制等功能，具有功率小、灵敏度高、多通道、可编程等优点。

5 智能配电箱

船舶智能电网配置的智能配电箱如下：

5.1 直流智能配电箱

直流XX智能配电箱主要技术指标如下：

（1）额定工作电压：DCXXXV～XXXV;断路器具有2种壳架电流（100A、200A），额定工作电流包括：6A/10A/16A/20A/25A/32A/40A/50A/63A/80A/100A/125A/160A/180A/200A;（2）数据上传刷新频率：不大于1s;（3）绝缘电阻：冷态绝缘电阻应不小于25MΩ，热态绝缘电阻应不小于10MΩ;（4）介电强度：主电路能承受交流50Hz试验电压2500V，历时1min后无闪络、击穿现象;（5）信息传输应采取隔离措施。

5.2 交流智能配电箱

交流智能配电箱主要技术指标如下：

（1）额定参数。交流配电箱额定工作电压分别为三相交流380V、三相交流230V以及单相交流220V，交流配电箱各支路额定电流（In）包括：6A/10A/16A/20A/25A/32A。

具备短路瞬动特性，短路电流整定值为10（1±20%）In，额定分断能力不小于8kA。

（2）数据采集。电压量程范围：0V～450V（RMS）、0V～250V（RMS）;电流量程范围：0A～In;电压测量精度：1.5级（180V～450V、90V～250V）;电流测量精度：1.5级（0.3×In～In）;总谐波失真（THDi，2次～11次）：3级;功率因素量程范围：-1～0～1;功率因素测量精度：±0.04。

5.3 直流24V智能配电箱

一级智能配电箱主要技术指标如下：

（1）电制：DC 24V;（2）功耗不大于30W;（3）额定电流：300A;（4）具有至少8条配电支路（至二级配电箱）;（5）额定工作电压：DC 24V±20%;（6）数据上传刷新频率不大于1s;（7）通信速率为250kbps。

二级智能配电箱主要技术指标如下：（1）额定电压：DC 24V±20%;（2）容量：最大220A，单条支路最大63A;（3）功耗不大于30W;（4）数据上传刷新频率不大于1s;（5）通信速率为250kbps。

6 结语

基于SPDA的智能电网系统实现了对船舶供配电的信息化监测与控制，经过单机试验和系统运行试验，结果表明各单元性能满足设计和实用要求。智能电网系统有效解决了传统控制电路存在的问题，提升了船舶电网的信息化、智能化、集成化水平，大大减少了配电设备的体积和重量，提高了可靠性、安全性、實时性，对于船舶自动化升级改造具有重要意义。