1、引言
    高質量的供配電是船舶安全航運的根本保證，也是航行、通信自動化的基礎.20世紀80年代，西方一些技術發達國家先后提出了現場總線的概念，并在20世紀90年代中期，將以現場總線為基礎的全數字控制系統拓展到船舶工業，在應用現場總線實現船舶自動控制方面取得了一系列的成功，使船舶自動控制技術提高到一個新水平。
    我國在這方面的研究起步較晚，目前還僅限于監控、報警方面，有關采用現場總線技術組成的船舶供配電管理系統，還未見有成功應用到實際船舶供配電系統中的報道，供配電管理系統是根據檢測到的現場信號或輪機員發出的控制命令產生開關量輸出信號，通過接口單元驅動開關設備的操作機構來實現供配電回路的接通或分斷，系統能對主回路實施多功能的電氣邏輯互鎖、負荷能量管理；對用電設備實施多功能的負荷分配、能量管理，提供實時信息管理．系統使用統一的通信協議，具有良好的開放性，可與上層網絡（輪機自動化系統或全船自動化管理系統）連通，交換各種信息。
    開關柜配電柜是船舶供配電管理系統中的主要設備，傳統的開關柜主要由斷路器、互感器、二次控制保護電路、計量儀表、隔離開關等組成，隨著電力系統自動化水平的不斷提高，要求開關柜與船舶電站配電自動化的發展相適應和配套.20世紀90年代，出現了智能開關柜，這是一個不斷發展與變化的概念，與計算機技術、數據處理技術、控制理論、傳感器技術、通信技術、網絡技術和電力電子技術等的發展密切相關，是集控制、測量、保護及通信等多功能于一體的高技術產品，目前，國內大多數廠家是做電器本身的智能化，對開關柜本體綜合智能化的工作做得較少，本文針對船舶供配電的特點，設計了應用在集美大學自動化研究所研制開發的船舶供配電管理系統中的智能開關柜，以提高船舶供配電系統的智能化管理水平。
2、船舶供配電管理系統硬件
    系統硬件由一臺上位機、一個智能開關柜和五路模擬負載組成。
2.1上位機
    上位機為高性能計算機，用于管理整個船舶供配電系統中用電設備的配電和綜合數據．
    通信網絡主要包含主機RS232接口、儀器儀表RS485接口、RS485/RS232轉換卡及網卡．上位機通過主機接口控制整個通信網絡，通過通信網絡，各現場的配電和控制設備與上位機連接。
2.2  智能開關柜
    它是本系統的核心，包含前端機、各種智能儀表、供配電設備，前端機選用I業控制計算機，用來實現對配電和控制設備以及各種元器件的監測、保護和控制．系統中所有的數據采集和負載控制都由智能儀表完成，并通過RS485與前端機進行通信。
2.3系統負載
    本系統用五個負載模擬船上用電設備，其中兩臺電動機用于三相(～380V)電路；一臺電動機、一臺電風扇和一組電燈用于單相(～220V)電路。
3、智能開關柜設計
    本系統采用目前先進的框架結構、抽屜式開關柜設計思想，將硬件電路組裝在一個開關柜中，集中管理，同時也便于系統硬件的維護、更換，這種結構還將系統進、出線、系統遙測、遙控和遙調等功能都集中在一個柜中。
    開關柜主體采用活動框架組裝而成，框架的組成部件為帶有25mm間隔模數孔的C形型材，這種材料的優點是無需專用工具即能組裝成各種型式的柜體.C形構件采用了柔性加工工藝，框架結構連接用自攻螺絲，保證框架的精度、強度及良好的接地，此外，采用防磁結構防止輻射干擾，抽屜采用單柜操作機構，減小了機構間配合誤差，使機構操作靈活，同時在抽屜面板上加鎖，保證操作安全性。
    開關柜的基本原理是用智能儀表對電量和非電量參數進行采集，通過RS485將數據傳給系統前端機進行處理后，將指令傳給智能儀表使繼電器發生相應的動作，達到智能控制的目的．
3.1  開關柜整體布置
    開關柜主體分為功能單元隔室和電纜隔室，尺寸為：60cmX 80cm×220cm(長×寬×高)，見圖2．
    功能單元隔室共分為6層，其中三相(～380v)供配電控制線路層、單相(～220v)供配電控制線路層和監測儀表儀器層采用抽屜式；變壓器層、系統前端機控制層和保護儀器儀表和控制設備(PLC)層采用門開關式。
    抽屜內裝有各種智能儀表、供配電設備，面板上裝有操作手柄和機械聯鎖裝置，確保只有當主回路和輔助回路全部處于斷開狀態才能移動抽屜，機械聯鎖裝置使抽屜具有移動、試驗、分斷、連接和分離5個位置，并由相應符號標示．抽屜采用后出線，在抽屜的后板上裝有主線插頭和控制線插針，要求抽屜有足夠的精度，保證插針每次都能插到位．
    電纜隔室是系統的布線室，本系統采用后出線設計，系統的進線、各層之間的連線及負載出線都在電纜隔室中．
3.2開關柜功能單元
3.2.1變壓器層
    本層是系統的進線層，放置了變壓器，為此，在柜底部安裝了兩根平行的L型框架，用于固定變壓器，為了使變壓器不對系統控制部分產生干擾，在本層內部還必須安裝一個正方形鐵絲網，罩住變壓器，變壓器原邊是～380V三相四線制，副邊為兩路三角形輸出，一路是～380V，一路為～220V.柜前板裝有把手，關上門時能扣緊，變壓器工作時會發熱，所以在此層的前板和側板中偏上部打一排通氣孔，利于散熱．本層設計為固定式，所以系統的進線和出線可以直接做硬連接．
3.2.2  三相(～380V)供配電控制線路層
    本層主要功能是對三相主電路進行監測和遙控，抽屜尺寸為60 cmX60 cm×24cm（長×寬×高）．抽屜的中間用一塊隔板將抽屜分為里外兩格，主電路安裝在里格，控制電路安裝在外格，這樣安裝有利于避免主電路對控制電路的干擾，提高系統的穩定性．同時主電路安裝在里面能縮短主電路長度，也隔開了人與主電路，可提高系統的安全性，柜內布線規則為主線左進右出，控制線到前柜走左邊，
    本層的元器件主要有空氣斷路器、塑殼斷路器、交流接觸器、交流互感器、儀表供電變壓器、按鈕、主回路全電量采集器等，其中空氣斷路器保護整個電路；塑殼斷路器安裝在外格，抽屜面板上的操作手柄能控制其通斷，使抽屜拉出時能確保電路已經斷電，全電量采集器用于對主回路的三相電壓、電流值及功率等進行采集、運算，并通過RS485將數據傳輸到系統前端機，同時具有繼電器和遙信功能，系統前端機可以通過RS485對其進行控制，因船舶電網的動力和照明兩個子網均為三相三線制，系統無中性線，所以系統的零線和地線都與船體相連，通過大海與大地相通。
3.2.3  單相(～220V)供配電控制線路層
    本層功能是對單相負載進行監測和遙控，主要元器件有空氣斷路器、塑殼斷路器、交流接觸器、交流互感器、儀表供電變壓器、按鈕、單相電壓、電流采集儀表、開關量采集器等．單相電壓、電流采集儀表具有對交、直流電壓、電流、電阻等物理量的精確測量及上上限、上限、下限及正、負偏差報警功能，采用RS485接口與前端機通訊，開關量采集器作為開關量輸入輸出接口，采用RS485接口與計算機通訊．本層是三相進線，但應用到三路單相負載，分別是兩兩一路，這樣接法主要是為了平衡三相電源供電．主回路的智能儀表安裝在本層。
3.2.4監測儀表儀器層
    本層主要用于放置負載回路智能儀器儀表，用于對～380V、～220V回路負載的監測、控制和開關量采集，主要元器件為負載回路全電量采集器、單相電壓、電流采集儀表、開關量采集器等。
3.2.5  系統前端機控制層
    本層用于放置系統的前端機即工控機，為了使用方便，將該層分為上下兩層，上層用于放置工控機，底部需鋪鐵板，便于工控機的安放，下層空間高度100mm，安裝一塊可以自由進出的托板，放置工控機的鍵盤和鼠標．本層面板上安裝玻璃板，不打開柜門就可以看到工控機的屏幕，本層需另裝一個RS485/RS232轉換卡，本層不需要后板，電源線、控制線和通信線可以直接跟前端機相連。
3.2.6保護儀器儀表和控制設備(PLC)層
    本層儀器采用人工智能工業調節器／溫控器，一個儀表加入不同的輔助電路，便可以實現過熱溫度保護、過載保護和壓力保護三種功能.PLC用于取代傳統繼電器控制，實現順序控制和運動控制等．本層是固定式設計，不需后板，電源進線、控制線和通信線可以直接接出。
3.3  開關柜保護功能
    本設計中，采用開關按鈕實現缺相模擬，有開通和關斷兩種狀態，采用一種三線四路旋鈕進行限壓模擬，選擇不同的電阻值改變采集電壓，實現欠壓、過壓等故障模擬，它們都安裝在相應抽屜的面板上，過載模擬通過人工智能工業調節器／溫控器實現實際供配電系統中，針對電網和負載的各種保護，如：缺相、欠壓、過壓、過載、欠載、空載、堵轉、漏電、相電流不平衡、溫升、轉速、繼電、接觸器狀態、功率因數等，是通過前端機、各種智能儀表、PLC等實現的。
3.4 系統硬件抗干擾
    提高智能化電器產品抗干擾性能，對其實際應用十分重要．船上電氣設備接地是一種重要的安全保護和抗干擾措施，根據接地功用的不同，其類型主要有工作接地、保護接地r安全接地）、防干擾接地和其它接地等，此外，當電氣設備的主電路、控制線路絕緣損壞時，會發生接地現象，即故障接地。
    本系統采取的幾種接地方式：
    (1)工作接地，為保證電力系統和設備正常工作而進行的接地，像各種智能采集儀表的接地．
    (2)保護接地，把故障狀態下可能呈現危險的對地電壓的外露導電部分同船體可靠地連接起來，如開關柜的金屬外殼、電流、電壓互感器二次側端子接地、照明電網及器具接地、電動工具接地等。
    (3)防干擾接地，主要是防止電磁干擾，如RS485通信電纜采取屏蔽電纜或敷設在金屬管內，所有電氣設備、金屬外殼、電纜的金屬屏蔽護套及敷設電纜的金屬管道均應可靠接地。
    (4)船用電子設備接地.a)信號接地：在電子設備的信號回路中，其低電位點要有一個統一的基準電位；b)功率接地：電子設備中的大電流電路、非靈敏電路、噪聲電路等，如電機、電器、交直流電源等都需要接地。
    本開關柜在電纜隔室安裝一條銅導線，并與開關柜整體和船體相連，系統的接地線都可以接入，因船體跟海水相連，所以整個系統便以大地為參考點。
4、智能開關柜管理軟件配置
4.1系統主要功能
    (1)系統為全中文界面，操作方便，實用性好，抗干擾性能強；
    (2)系統能滿足船舶供配電的監控要求；
    (3)系統可提供各種符合現場總線標準的測控模塊，能對饋出回路和電動機回路進行完善的保護和控制，對不具備智能的底層元器件、系統也能利用遙測和遙信予以監控；
    (4)系統可輸出各種參量數據，并能對船舶供配電系統進行負荷分配和能量管理。
4.2  系統軟件結構
    軟件系統采用的是客戶／服務器( C/S)結構，服務器與客戶之間使用TCP/IP協議進行數據交換，實現網絡遠程管理。
    服務器與客戶端軟件都采用模塊化封裝，可根據配電系統的具體需要選擇不同的功能模塊。
4.3數據流程
    軟件設計中，先要對數據流程進行分析，根據數據流程分析把軟件系統的功能模塊化，并做出數據流圖，系統頂層數據流圖如圖3所示，該圖表明了用戶、軟件和用電設備三者之間的關系，并對軟件要實現的功能做出直觀的描述。
4.4  系統軟件配置
    (1)操作系統：數據庫服務器端操作系統使用Windows 2000 Server，客戶端操作系統使用Windows 98．
    (2)數據庫管理系統：使用Microsoft SQLServer2000作為后臺數據庫。
    (3)界面開發工具選用Borland C++ Builder6.0.利用智能儀表傳回的電壓、電流、功率、功率因數、頻率、電度等電參數進行分析后，對船舶供配電系統中的器件進行控制。
    (4)底層開發選用C++語言，實現對智能化開關柜中的各種數據進行整理，并通過通訊協議將采集的數據輸入到數據庫中。
    (5)圖形開發軟件選用PhotoShop 6.0，對船舶供配電系統中各種器件模型、電氣原理圖、運行圖等進行繪制。
5、結束語
    本文所介紹的智能開關柜的研制與開發內容主要是針對船舶供配電系統特點進行的，具體的設計方案是根據船舶實際運行過程而完成的，制造出的智能開關柜樣機能模擬船舶實際供配電過程，智能開關柜融合了多種高新技術的機電產品，是供配電設備的發展方向，正被越來越多的用戶應用．同時，智能開關柜的概念也在不斷地發展，因此，必須時刻關注當前技術的發展前沿，進一步開發出既適合船舶應用又具有技術優勢的新產品。
    富通新能源可以根據用戶的需求訂做各種類型的高低壓配電柜開關柜。

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