卓金寶，施偉鋒，蘭瑩，鄧冉然

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)的電能質(zhì)量即運(yùn)行工況下描述電能特性的一組參數(shù)。為了追求更好的穩(wěn)定性、更優(yōu)的控制性能和更高的能源利用率，電力推進(jìn)系統(tǒng)正逐漸應(yīng)用于艦船、大型郵輪、海洋作業(yè)平臺以及特種船舶，而全球電動船舶的市場規(guī)模預(yù)計也將從2013年的26億美元快速增長到2024年的73億美元［1］。然而，隨著船舶電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜、高功率密度電力電子變換器數(shù)量的增加和負(fù)載類型的多樣化，電力推進(jìn)子系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的電能質(zhì)量難以得到保證，進(jìn)而將對推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、故障診斷與預(yù)測、狀態(tài)檢修等工作帶來風(fēng)險。因此，設(shè)計適用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)已成為全電船電力系統(tǒng)的研究熱點［2-4］。

目前，電力推進(jìn)船舶的電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)大多采用本地監(jiān)視的方式，而船上其他區(qū)域和岸基監(jiān)管機(jī)構(gòu)則無法快捷、實時地獲取監(jiān)視數(shù)據(jù)。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，船舶電能質(zhì)量的無線監(jiān)視成為了一種可行的解決方案。但是，大多數(shù)無線監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)視終端均為上位機(jī)，并未充分發(fā)揮無線通信方式靈活、便捷的優(yōu)點［5-7］。

基于此，考慮到目前物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）的技術(shù)特點，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于船舶電能監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次設(shè)計、全船無線監(jiān)視和廣域網(wǎng)云端存儲與可視化設(shè)計，從而使監(jiān)視系統(tǒng)成為多層結(jié)構(gòu)、局域加廣域的監(jiān)視平臺，以保證監(jiān)視工作的可靠性、實時性和便捷性，最終實現(xiàn)全船和廣域網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享。本文擬提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)的總體架構(gòu)，介紹其感知層的實現(xiàn)方法、傳輸層的通信方式、應(yīng)用層的功能用途和設(shè)計流程，并以船舶電力推進(jìn)實驗系統(tǒng)作為監(jiān)視對象（物層），用以驗證該電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)的可行性與有效性。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)物品的智能感知、不同形式信息的快速傳輸和深度應(yīng)用開發(fā)。從功能層次來說，主要包含物層、感知層、通信層和應(yīng)用層。感知層通過傳感器和智能檢測儀來采集物層的信息，然后由通信層傳輸至應(yīng)用層，最后實現(xiàn)應(yīng)用功能，例如信息的顯示、存儲、分析等功能。為便于系統(tǒng)設(shè)計和實驗驗證，本文搭建了由市電電源、三相接觸調(diào)壓器、M340 PLC、XBTGT7340觸摸屏、ATV61變頻器、凌智異步減速電機(jī)等裝置組成的船舶電力推進(jìn)實驗系統(tǒng)［8］，作為監(jiān)視系統(tǒng)的物層。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)，總體架構(gòu)如圖1所示，其中：粗實線為電力線路，帶箭頭的細(xì)實線為信號線路，箭頭為信號傳輸方向，虛線為轉(zhuǎn)速傳感器與推進(jìn)電機(jī)的非接觸連接。

首先，感知層利用電流互感器、轉(zhuǎn)速傳感器、智能電能參數(shù)測量儀等設(shè)備對物層進(jìn)行感知測量，采集的電能質(zhì)量參數(shù)包括：發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的電壓靜態(tài)偏差、電壓動態(tài)偏差、頻率靜態(tài)偏差、電壓波動、電壓變動、電壓變動頻度、次諧波電壓含有率、電壓總諧波畸變率、電流總諧波畸變率、電壓負(fù)序不平衡度、電壓零序不平衡度等。值得注意的是，由于智能電能測量儀PM850和ION7650內(nèi)嵌了高精度電壓互感器，滿足IEC60687 0.5級的計量精度，可以測量多達(dá)63次的諧波真實有效值，所以本方案中不需要另外配置電壓互感器，只需要將測量儀并聯(lián)到測量節(jié)點處即可。然后，基于TCP/IP Modbus通信和海事衛(wèi)星通信，即可將這些電能參數(shù)數(shù)據(jù)和事故記錄傳輸至應(yīng)用層。最后，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和用戶要求，由全船無線監(jiān)視層和廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層組成的應(yīng)用層來實現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲、分析和可視化等功能。

該監(jiān)視系統(tǒng)的特點如下：

1）采用多層應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計，提高了全船電能質(zhì)量監(jiān)視的冗余性。如果無線數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)故障而導(dǎo)致無線手持端不能正常工作，廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層仍然可以監(jiān)視全船電能質(zhì)量，反之亦然。

2）多域數(shù)據(jù)共享，解決了傳統(tǒng)監(jiān)視方式的空間區(qū)域限制問題。全船無線監(jiān)視層的數(shù)據(jù)面向船上任意區(qū)域的監(jiān)視人員，而廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層則面向船舶監(jiān)管部門、設(shè)備廠商狀態(tài)檢修部門和船東等岸基移動用戶。

3）通過在可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、全船無線監(jiān)視層和廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層中編寫底層通信程序，解決現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備（例如，M340 PLC）與自主開發(fā)設(shè)備（例如，手持端設(shè)備）之間的通信兼容問題。在后續(xù)開發(fā)中，可以通過更換設(shè)備和優(yōu)化通信程序，對監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展升級，例如通信帶寬、測量節(jié)點數(shù)量和手持端設(shè)備數(shù)量等。

2 感知層設(shè)計

圖1 監(jiān)視系統(tǒng)的總體架構(gòu)Fig.1 The overall architecture of the monitoring system

感知層主要測量船舶綜合電力系統(tǒng)中發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的電能質(zhì)量參數(shù)，其設(shè)計要求為：1）準(zhǔn)確、有效地測量多種類型的電能參數(shù)；2）測量裝置滿足船級社等監(jiān)管部門的船用標(biāo)準(zhǔn)要求，可靠性高；3）具備初級的數(shù)據(jù)智能處理能力，例如越限報警、事件記錄、諧波分析等功能；4）具備數(shù)據(jù)存儲和通信功能。此外，經(jīng)濟(jì)性也是需要考慮的設(shè)計要素。

基于上述要求，本文設(shè)計了如圖2所示的感知層。電源側(cè)和推進(jìn)電機(jī)側(cè)同時接入三相電流互感器，然后分別接入智能電力參數(shù)測量儀PM850和ION7650及轉(zhuǎn)速傳感器，最后將電流互感器二次側(cè)的電流信號輸送至測量儀。由電動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過模擬通道傳輸至PLC。

3 傳輸層設(shè)計

傳輸層的主要功能是將感知層所測量的參數(shù)數(shù)據(jù)和事件記錄傳輸至不同的應(yīng)用層。本文采用Modbus TCP/IP現(xiàn)場總線和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了如圖3所示的傳輸層通信架構(gòu)。將測量儀PM850和ION7650作為施耐德EGX300網(wǎng)關(guān)的節(jié)點，由網(wǎng)關(guān)將測量節(jié)點的RS-485 Modbus傳輸方式轉(zhuǎn)換為TCP/IP Modbus傳輸方式。在傳輸層中，網(wǎng)關(guān)、PLC、無線路由器和本地服務(wù)器由交換機(jī)進(jìn)行連接。

全船無線監(jiān)視層經(jīng)由無線路由器連接至感知層，其無線路由節(jié)點布局如圖4所示。通過全船區(qū)域內(nèi)的多個信號中繼器、手持端和上位機(jī)，可以在全船任意區(qū)域?qū)崟r獲取電能質(zhì)量信息。由于大型船舶一般采用鋼鐵材料建造，一旦艙門關(guān)閉，各個艙室就變成了無線信號的天然屏蔽罩。為了解決這個問題，可以通過以太網(wǎng)線連接各個艙室，從而實現(xiàn)艙室之間的互聯(lián)，然后采用中繼器對網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行中繼放大，最后通過無線路由器實現(xiàn)艙室內(nèi)無線手持端的全船聯(lián)網(wǎng)。在該監(jiān)視層中，手持端的通信模塊選用了高性能的UART-Wifi無線接收模塊和ATK-ESP8266串口轉(zhuǎn)換模塊，可以實現(xiàn)Wifi與STM32 MCU串口之間的轉(zhuǎn)換；而上位機(jī)在Matlab 2017中開發(fā)了GUI界面系統(tǒng)，通過編程實現(xiàn)了Wifi數(shù)據(jù)的通信。

圖3 傳輸層通信架構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of transport layer communication architecture

圖4 船舶無線局域網(wǎng)配置示意圖Fig.4 Diagram of whole ship WLAN architecture

廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層可以通過海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、船舶“動中通”衛(wèi)星地面站通信系統(tǒng)、百度云服務(wù)器來連接感知層，而移動終端（例如手機(jī)、平板、PC機(jī)）則可以在授權(quán)的情況下訪問云端監(jiān)視系統(tǒng)，以實時獲取電能質(zhì)量信息。其中，本地服務(wù)器和云服務(wù)器中安裝了物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)設(shè)計軟件WebAccess。在本地服務(wù)器和百度云服務(wù)器上打開互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)（Internet Information Server，IIS）功能，即可安裝組態(tài)軟件WebAccess。然后，在本地服務(wù)器上新建工程，設(shè)置PLC局域網(wǎng)IP地址為“10.64.15.101”，以及通信端口502，即可通過Modbus TCP/IP讀取M340 PLC中電能質(zhì)量寄存器的數(shù)據(jù)，最后可以通過公網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至百度云服務(wù)器，其中公網(wǎng)IP地址設(shè)置為106.12.25.222。

雖然無線網(wǎng)絡(luò)可能被近距離破解并威脅信息安全，但考慮到信息化技術(shù)的快速發(fā)展將顯著提升軍用艦艇的工作效率和綜合作戰(zhàn)能力，美國、加拿大等國家一直在積極嘗試無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實船應(yīng)用。目前，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上艦主要面臨2個問題：一是在復(fù)雜電磁環(huán)境下與通信系統(tǒng)的兼容性問題；二是網(wǎng)絡(luò)安全問題。其中第1個問題涉及到通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與空間布局等內(nèi)容，需要在艦船上配置高性能的通信轉(zhuǎn)換模塊和無線路由裝置。本文計劃將艦船劃分為不同的無線局域網(wǎng)覆蓋區(qū)域，然后在各區(qū)域的不同層和不同艙室安裝無線路由器和中繼器，最后將各區(qū)域的無線網(wǎng)接入全船通信系統(tǒng)。當(dāng)單個路由設(shè)備布置于電力變頻器1 m范圍內(nèi)，且附近5 m范圍內(nèi)存在其他2臺無線收發(fā)裝置時，本文設(shè)計的手持端可以在距離其20～30 m范圍內(nèi)正常收發(fā)無線信號。第2個問題涉及到無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點準(zhǔn)入、安全密鑰的可靠性、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問權(quán)限等問題，本文暫未開展這方面的研究工作。

4 應(yīng)用層設(shè)計

考慮到艦船操作人員和岸基監(jiān)管機(jī)構(gòu)的不同需求，本文開發(fā)設(shè)計了2個應(yīng)用層：全船無線監(jiān)視層和廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層。其中全船無線監(jiān)視層面向艦船操作人員，具有全船電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享、關(guān)鍵參數(shù)越限報警、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)圖形化顯示等功能；而廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層則面向岸基監(jiān)管機(jī)構(gòu)，具有廣域網(wǎng)云端數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)云存儲、數(shù)據(jù)圖形化顯示、移動終端便捷訪問等功能。

總體來說，整個應(yīng)用層的特點是：

1）使用便捷。用戶通過無線手持端、船用上位機(jī)及移動終端即可遠(yuǎn)程獲取電能數(shù)據(jù)，無需在推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)艙進(jìn)行實地觀測。

2）功能齊全。各個終端的功能可以滿足船基和岸基的實際應(yīng)用需求。

3）系統(tǒng)可擴(kuò)展性高。在網(wǎng)絡(luò)資源充裕的條件下，可以通過預(yù)留擴(kuò)展模塊接口（例如，統(tǒng)計學(xué)描述模塊、故障預(yù)測模塊和視情維修計劃模塊等）接入大量的應(yīng)用終端。

開發(fā)應(yīng)用層時，需要計算一些電能質(zhì)量指標(biāo)，例如電壓波動與閃變、總諧波畸變率、不平衡度等。針對電力推進(jìn)船舶的電力系統(tǒng)，本文選取的電能質(zhì)量指標(biāo)如表1所示。

4.1 全船無線監(jiān)視層設(shè)計

艦船指揮人員、機(jī)組管理維護(hù)人員、其他專業(yè)人員都可以在船上通過手持端和上位機(jī)實時獲取船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的電能質(zhì)量信息，例如電能參數(shù)數(shù)據(jù)、故障事件記錄和報警信息記錄，并為實施機(jī)組操作、運(yùn)行、管理、維修的艦員提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，為下達(dá)航行指令的艦船指揮人員提供推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)信息，為武器操作人員、后勤保障人員、甲板工作人員等其他需要在戰(zhàn)時實時獲取船舶狀態(tài)和緊急報警信息的專業(yè)人員提供支持。手持端、上位機(jī)的算法流程和界面功能如圖5所示。

表1 電能質(zhì)量指標(biāo)Table 1 Power quality index

圖5 全船無線監(jiān)視層的設(shè)計方案Fig.5 Design of wireless monitoring layer for whole ship

本文基于STM32 MCU開發(fā)手持端，通過ATK-ESP8266無線收發(fā)模塊與感知層進(jìn)行通信，采用TFT-LCD液晶屏顯示運(yùn)行結(jié)果，采用FATFS SD卡記錄存儲信息，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化、圖形可視化、故障報警和信息存儲等功能。通過設(shè)置不同的IP地址，多個手持端可以同時在線讀取電能數(shù)據(jù)。同時，本文基于Matlab 2017開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)，其GUI界面系統(tǒng)主要分為登錄界面、電網(wǎng)側(cè)界面和推進(jìn)側(cè)界面，具備數(shù)據(jù)顯示、圖形曲線繪制、運(yùn)行狀態(tài)評估、故障報警、故障事件記錄、數(shù)據(jù)記錄等功能。

4.2 廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層設(shè)計

岸基監(jiān)管機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠商、系統(tǒng)設(shè)計部門等岸基人員可以通過云端監(jiān)視層獲取推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而提供遠(yuǎn)程診斷和維修建議。云端監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖6所示。通過在本地服務(wù)器和百度云服務(wù)器的WebAccess軟件中新建工程，即可設(shè)置通信端口。如果在本地服務(wù)器和云服務(wù)器上同時啟用監(jiān)控，即可將感知層的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳到云端監(jiān)控系統(tǒng)。在岸基通過手機(jī)、平板或PC機(jī)等終端打開瀏覽器，登陸云服務(wù)器公網(wǎng)IP地址，即可查看在云端WebAccess Dashboard中開發(fā)的監(jiān)視系統(tǒng)界面。云端監(jiān)視系統(tǒng)可以集中顯示電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、繪制三相電壓和三相電流的相量圖、記錄歷史數(shù)據(jù)和故障事件并進(jìn)行故障報警，同時具備界面友好和操作簡單的優(yōu)點。

圖6 云端監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計流程圖Fig.6 Design flow chart of cloud monitoring system

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時，電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)的物層即船舶電力推進(jìn)實驗系統(tǒng)，主要包括：380 V/50 Hz交流市電電源；0～430 V范圍，3 kVA容量的TSGC2J-3型三相接觸調(diào)壓器；M340 PLC；XBTGT7340觸摸屏；施耐德Altivar61型1.5 kW/2 hp變頻器；凌智4極0.75 kW，1∶10三相異步減速電機(jī)。

不同應(yīng)用層的監(jiān)視界面如圖7～圖9所示。由圖7可知，全船無線監(jiān)視層的手持端能夠清晰地顯示電能參數(shù)數(shù)據(jù)。圖7（b）的電壓/電流相量圖顯示了三相電壓/電流的幅值和相位，可為監(jiān)視人員分析推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平衡性提供依據(jù)。圖7（c）的相電壓諧波柱狀圖顯示了基波和2～63次諧波的成分含量，其中2次諧波的成分含量最大，總諧波畸變率為71.87%，偶次諧波畸變率為32.25%，奇次諧波畸變率為64.23%。由此可見，在未添加濾波裝置時，推進(jìn)實驗系統(tǒng)的波形水平與畸變電能指標(biāo)均較低。同時，諧波畸變率數(shù)據(jù)也可為改善變頻器和推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能提供數(shù)據(jù)參考。圖7（d）的三相電壓曲線圖顯示了實時刷新的電壓幅值。

圖7 手持端的顯示界面Fig.7 Display interfaces of hand-held terminal

圖8所示為全船無線監(jiān)視層的上位機(jī)顯示界面。由圖8可知，上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的負(fù)載側(cè)界面由電壓電流參數(shù)模塊、電能質(zhì)量模塊、功率參數(shù)模塊、運(yùn)行與報警指示模塊、相電壓均值折線圖、線電壓均值折線圖、相電流均值折線圖、運(yùn)行狀態(tài)評估模塊、事件信息記錄模塊、三相電壓相量圖、三相電流相量圖、A相電壓各次諧波成分柱狀圖、A相電壓各次諧波相角折線圖等模塊組成。上位機(jī)顯示界面不僅能顯示電能參數(shù)數(shù)據(jù)、繪制數(shù)據(jù)曲線，還能進(jìn)一步處理分析數(shù)據(jù)。例如，運(yùn)行狀態(tài)與報警指示模塊可以分析顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、A相斷路、B相斷路、C相斷路、過電壓、欠電壓等數(shù)據(jù)信息。實驗結(jié)果表明：界面模塊可以正常運(yùn)行，能滿足電力推進(jìn)系統(tǒng)電能質(zhì)量的一般監(jiān)視需求。

圖9所示為廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層的系統(tǒng)界面。通過平板電腦的瀏覽器訪問云端服務(wù)器，即可登錄廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層系統(tǒng)。由圖9可以看出，云端監(jiān)視系統(tǒng)可以實現(xiàn)預(yù)設(shè)的監(jiān)視功能，界面簡潔友好。同時，云端監(jiān)視系統(tǒng)也可以將電能參數(shù)數(shù)據(jù)和故障報警信息存儲在云端數(shù)據(jù)庫中，從而為用戶的大數(shù)據(jù)分析提供支持。

圖9 廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層的系統(tǒng)界面Fig.9 System interfaces of the wide area network cloud monitoring layer

6 結(jié) 語

本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了電力推進(jìn)船舶的電能質(zhì)量監(jiān)視系統(tǒng)，基于STM32 MCU開發(fā)了手持端無線監(jiān)視應(yīng)用程序，基于Matlab2017開發(fā)了上位機(jī)GUI無線監(jiān)視系統(tǒng)，基于WebAccess軟件和百度云開發(fā)了云端監(jiān)視系統(tǒng)。首先，感知層通過智能電力參數(shù)測量儀和高精度傳感器測量感知電力推進(jìn)系統(tǒng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)；然后，全船無線監(jiān)視層和廣域網(wǎng)云端監(jiān)視層分別經(jīng)全船傳輸層和廣域網(wǎng)傳輸層進(jìn)行通信，并通過多個手持端、上位機(jī)和岸基移動終端等軟、硬件實現(xiàn)電能質(zhì)量信息的任意地點無線獲取、分析和顯示；最后，以船舶電力推進(jìn)實驗系統(tǒng)作為物層，驗證了監(jiān)視系統(tǒng)的可行性和實用性。

此外，本文所設(shè)計的監(jiān)視系統(tǒng)選用了標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)化裝置和技術(shù)，具有較高的可移植性。后期需在數(shù)據(jù)通信、故障報警、數(shù)據(jù)云存儲等方面開展進(jìn)一步的測試，以明確船舶無線路由器的性能要求和網(wǎng)絡(luò)布局，從而提高監(jiān)視系統(tǒng)在復(fù)雜工況條件下的故障容錯性。