1、引言
    高質(zhì)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(shù)發(fā)達國家先后提出了現(xiàn)場總線的概念，并在20世紀90年代中期，將以現(xiàn)場總線為基礎的全數(shù)字控制系統(tǒng)拓展到船舶工業(yè)，在應用現(xiàn)場總線實現(xiàn)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(shù)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(jiān)控、報警方面，有關(guān)采用現(xiàn)場總線技術(shù)組成的船舶供配電管理系統(tǒng)，還未見有成功應用到實際船舶供配電系統(tǒng)中的報道，供配電管理系統(tǒng)是根據(jù)檢測到的現(xiàn)場信號或輪機員發(fā)出的控制命令產(chǎn)生開關(guān)量輸出信號，通過接口單元驅(qū)動開關(guān)設備的操作機構(gòu)來實現(xiàn)供配電回路的接通或分斷，系統(tǒng)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(tǒng)使用統(tǒng)一的通信協(xié)議，具有良好的開放性，可與上層網(wǎng)絡（輪機自動化系統(tǒng)或全船自動化管理系統(tǒng)）連通，交換各種信息。
    開關(guān)柜配電柜是船舶供配電管理系統(tǒng)中的主要設備，傳統(tǒng)的開關(guān)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(guān)等組成，隨著電力系統(tǒng)自動化水平的不斷提高，要求開關(guān)柜與船舶電站配電自動化的發(fā)展相適應和配套.20世紀90年代，出現(xiàn)了智能開關(guān)柜，這是一個不斷發(fā)展與變化的概念，與計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、控制理論、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和電力電子技術(shù)等的發(fā)展密切相關(guān)，是集控制、測量、保護及通信等多功能于一體的高技術(shù)產(chǎn)品，目前，國內(nèi)大多數(shù)廠家是做電器本身的智能化，對開關(guān)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(fā)的船舶供配電管理系統(tǒng)中的智能開關(guān)柜，以提高船舶供配電系統(tǒng)的智能化管理水平。
2、船舶供配電管理系統(tǒng)硬件
    系統(tǒng)硬件由一臺上位機、一個智能開關(guān)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(tǒng)中用電設備的配電和綜合數(shù)據(jù)．
    通信網(wǎng)絡主要包含主機RS232接口、儀器儀表RS485接口、RS485/RS232轉(zhuǎn)換卡及網(wǎng)卡．上位機通過主機接口控制整個通信網(wǎng)絡，通過通信網(wǎng)絡，各現(xiàn)場的配電和控制設備與上位機連接。
2.2  智能開關(guān)柜
    它是本系統(tǒng)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(yè)控制計算機，用來實現(xiàn)對配電和控制設備以及各種元器件的監(jiān)測、保護和控制．系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)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(tǒng)負載
    本系統(tǒng)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(guān)柜設計
    本系統(tǒng)采用目前先進的框架結(jié)構(gòu)、抽屜式開關(guān)柜設計思想，將硬件電路組裝在一個開關(guān)柜中，集中管理，同時也便于系統(tǒng)硬件的維護、更換，這種結(jié)構(gòu)還將系統(tǒng)進、出線、系統(tǒng)遙測、遙控和遙調(diào)等功能都集中在一個柜中。
    開關(guān)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(shù)孔的C形型材，這種材料的優(yōu)點是無需專用工具即能組裝成各種型式的柜體.C形構(gòu)件采用了柔性加工工藝，框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)防止輻射干擾，抽屜采用單柜操作機構(gòu)，減小了機構(gòu)間配合誤差，使機構(gòu)操作靈活，同時在抽屜面板上加鎖，保證操作安全性。
    開關(guān)柜的基本原理是用智能儀表對電量和非電量參數(shù)進行采集，通過RS485將數(shù)據(jù)傳給系統(tǒng)前端機進行處理后，將指令傳給智能儀表使繼電器發(fā)生相應的動作，達到智能控制的目的．
3.1  開關(guān)柜整體布置
    開關(guān)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(jiān)測儀表儀器層采用抽屜式；變壓器層、系統(tǒng)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(guān)式。
    抽屜內(nèi)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(lián)鎖裝置，確保只有當主回路和輔助回路全部處于斷開狀態(tài)才能移動抽屜，機械聯(lián)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(tǒng)的布線室，本系統(tǒng)采用后出線設計，系統(tǒng)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(guān)柜功能單元
3.2.1變壓器層
    本層是系統(tǒng)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(tǒng)控制部分產(chǎn)生干擾，在本層內(nèi)部還必須安裝一個正方形鐵絲網(wǎng)，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(guān)上門時能扣緊，變壓器工作時會發(fā)熱，所以在此層的前板和側(cè)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(tǒng)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(jiān)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(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)的安全性，柜內(nèi)布線規(guī)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(jīng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)前端機，同時具有繼電器和遙信功能，系統(tǒng)前端機可以通過RS485對其進行控制，因船舶電網(wǎng)的動力和照明兩個子網(wǎng)均為三相三線制，系統(tǒng)無中性線，所以系統(tǒng)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(jiān)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(guān)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(guān)量采集器作為開關(guān)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(jiān)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(jiān)測、控制和開關(guān)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(guān)量采集器等。
3.2.5  系統(tǒng)前端機控制層
    本層用于放置系統(tǒng)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(zhuǎn)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(yè)調(diào)節(jié)器／溫控器，一個儀表加入不同的輔助電路，便可以實現(xiàn)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(tǒng)繼電器控制，實現(xiàn)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(guān)柜保護功能
    本設計中，采用開關(guān)按鈕實現(xiàn)缺相模擬，有開通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，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(xiàn)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(yè)調(diào)節(jié)器／溫控器實現(xiàn)實際供配電系統(tǒng)中，針對電網(wǎng)和負載的各種保護，如：缺相、欠壓、過壓、過載、欠載、空載、堵轉(zhuǎn)、漏電、相電流不平衡、溫升、轉(zhuǎn)速、繼電、接觸器狀態(tài)、功率因數(shù)等，是通過前端機、各種智能儀表、PLC等實現(xiàn)的。
3.4 系統(tǒng)硬件抗干擾
    提高智能化電器產(chǎn)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(jù)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(fā)生接地現(xiàn)象，即故障接地。
    本系統(tǒng)采取的幾種接地方式：
    (1)工作接地，為保證電力系統(tǒng)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(tài)下可能呈現(xiàn)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(guān)柜的金屬外殼、電流、電壓互感器二次側(cè)端子接地、照明電網(wǎng)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(nèi)，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(tǒng)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(guān)柜在電纜隔室安裝一條銅導線，并與開關(guān)柜整體和船體相連，系統(tǒng)的接地線都可以接入，因船體跟海水相連，所以整個系統(tǒng)便以大地為參考點。
4、智能開關(guān)柜管理軟件配置
4.1系統(tǒng)主要功能
    (1)系統(tǒng)為全中文界面，操作方便，實用性好，抗干擾性能強；
    (2)系統(tǒng)能滿足船舶供配電的監(jiān)控要求；
    (3)系統(tǒng)可提供各種符合現(xiàn)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(tǒng)也能利用遙測和遙信予以監(jiān)控；
    (4)系統(tǒng)可輸出各種參量數(shù)據(jù)，并能對船舶供配電系統(tǒng)進行負荷分配和能量管理。
4.2  系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
    軟件系統(tǒng)采用的是客戶／服務器( C/S)結(jié)構(gòu)，服務器與客戶之間使用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)網(wǎng)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(jù)配電系統(tǒng)的具體需要選擇不同的功能模塊。
4.3數(shù)據(jù)流程
    軟件設計中，先要對數(shù)據(jù)流程進行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)流程分析把軟件系統(tǒng)的功能模塊化，并做出數(shù)據(jù)流圖，系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)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(guān)系，并對軟件要實現(xiàn)的功能做出直觀的描述。
4.4  系統(tǒng)軟件配置
    (1)操作系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫服務器端操作系統(tǒng)使用Windows 2000 Server，客戶端操作系統(tǒng)使用Windows 98．
    (2)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：使用Microsoft SQLServer2000作為后臺數(shù)據(jù)庫。
    (3)界面開發(fā)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(shù)、頻率、電度等電參數(shù)進行分析后，對船舶供配電系統(tǒng)中的器件進行控制。
    (4)底層開發(fā)選用C++語言，實現(xiàn)對智能化開關(guān)柜中的各種數(shù)據(jù)進行整理，并通過通訊協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)庫中。
    (5)圖形開發(fā)軟件選用PhotoShop 6.0，對船舶供配電系統(tǒng)中各種器件模型、電氣原理圖、運行圖等進行繪制。
5、結(jié)束語
    本文所介紹的智能開關(guān)柜的研制與開發(fā)內(nèi)容主要是針對船舶供配電系統(tǒng)特點進行的，具體的設計方案是根據(jù)船舶實際運行過程而完成的，制造出的智能開關(guān)柜樣機能模擬船舶實際供配電過程，智能開關(guān)柜融合了多種高新技術(shù)的機電產(chǎn)品，是供配電設備的發(fā)展方向，正被越來越多的用戶應用．同時，智能開關(guān)柜的概念也在不斷地發(fā)展，因此，必須時刻關(guān)注當前技術(shù)的發(fā)展前沿，進一步開發(fā)出既適合船舶應用又具有技術(shù)優(yōu)勢的新產(chǎn)品。
    富通新能源可以根據(jù)用戶的需求訂做各種類型的高低壓配電柜開關(guān)柜。