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摘 要：随着储能装置、非线性负载等电力电子设备在综合电力系统的应用，综合电力系统在系统安全与保护、能量统一调度与管理、系统实时性的要求也随之急剧提高，工业实时以太网既能满足大容量传输需求，又具有传统现场通信的实时性优势。因此，在实时以太网通讯技术下，对新一代能量管理系统的网络架构及通信设计进行研究，使其能够满足系统的实时性、数据同步、全系统数据分析与计算等需求。
关键词：综合电力系统;能量管理系统;实时工业以太网
0.引言
船舶能量管理系统实现对全电力推进船电能的统一监控、调度和管理，是整个综合电力系统（IPS）的控制与管理核心。能量管理系统在电力系统信息网络管理基础上，实现对整个电力系统的供电子系统、配电子系统、负载子系统等模块进行管理，并从电力系统全局角度，考虑实现系统安全管理与综合优化运行管理，其核心功能为对全船电能的综合管理与优化运行。能量管理系统的有效性、实时性和可靠性，直接关系到综合电力系统的经济、安全与稳定运行。船舶能量管理系统的主要功能模块。
目前，国外的综合电力船舶能量管理系统相关技術发展较为成熟，如西门子公司的PMA300 和ABB 公司的System 800xA产品，已大量应用于各类船舶，特别是针对大功率负载的特种船舶，如工程船、破冰船、科考船等。但目前这些产品一般基于现有的工业现场通信与综合电力系统等技术。
随着大容量、非线性负载尤其是储能装置等新设备新技术在综合电力系统的逐步应用，负载功率需求更大，IPS系统容量进一步增加，网络结构更为复杂，系统运行方式更加多样，约束条件更多。大容量综合电力系统将在以下方面对新型能量管理系统提出更高的要求：
1）数据采集与控制的实时性;
2）能量统一调度与管理优化功能;
3）综合电力系统的安全与保护。
因此，有必要针对上述需求，对目前已有的船舶能量管理系统应用现状进行分析总结，探究工业实时以太网等新型通信技术在船舶电力监控领域的可能性，从而提出一种新型能量管理系统的网络架构和通信技术设计方案，研制出技术指标先进、性能安全可靠的稳定产品，装备到我国现代化船舶上。
1.已交付的能量管理系统现状
目前现有的能量管理系统，大多采用了底层高可靠性的现场总线通讯网络与上层大容量监测数据交互的以太网通讯网络，整体通讯架构采用管理多层级、多形式通讯方式混叠的网络体系架构。
以某典型双电站系统的能量管理系统为例，该船具有前后2个电站，每个电站各设有2台柴油发电机组，前后设有2套电力推进装置。其中，供电子系统内部组成供电CAN网络，推进子系统内部组成推进CAN网络，两个子系统通过以太网通讯连接至上层以太网络，船舶能量管理系统另外设有功率匹配单元硬件模块（GPA），保证供电子系统与推进子系统之间的实时快速控制需求（目前可达到的指标为100ms）。
在该能量管理系统中，区域控制器作为能量管理系统的控制核心，通过以太网通讯与上层综合管理系统进行大容量数据交互服务。底层通讯由区域控制器、4套机组控制器、对应机旁监控箱及推进负载控制器共同组建了底层CAN控制网络，对能量管理系统内部的重要监测与控制数据进行信息交互，通信速率为250kbps。根据项目实际监测需要，对该网络架构下能量管理系统供电子系统的通信能力进行分析：
该型能量管理系统供电子系统的数据量大约为2754个测点信息。经实船测试，在该通讯数据容量下，底层CAN通讯网络的数据刷新周期保证在500ms以内（CAN通信速率为250kbps条件下），总线利用率最高时约为30%，CAN总线传输延时最大为1.55us，最长通讯距离约为155m。上层以太网通信网络，数据更新周期保证在2s以内，采用基于NTP原理的对时同步机制下，数据的同步精度为ms级别。
2.新型能量管理系统的需求
随着大容量推进负载的应用，电力系统容量、控制器节点数量、通讯传输距离随之增加。此外，随着储能装置、非线性负载等大容量电力电子设备在在综合电力系统的逐渐应用，IPS系统在电能统一调度与管理、安全管理上的要求也随之急剧提高，电力安全保护、协调控制等要求将实时性由百毫秒级提高至ms甚至μs级别要求。现有已交付的能量管理系统无论在如网络速率、网络占有率、控制节点数量、通讯距离等网络指标，还是能量统一调度与管理、系统安全与保护等功能要求上，均已无法满足新型能量管理系统对数据的实时性和同步精度等要求。
3.能量管理系统对比分析
对已交付能量管理系统与新型能量管理系统的网络性能、统一调度与管理能力需求、安全与保护管理需求进行分析与对比，如表1所示。
因此，有必要对基于实时以太网通讯技术的新一代能量管理系统的网络架构及其实现方式进行研究和探究，以满足系统的数据实时性、数据同步、全系统数据分析、统一调度与管理等需求。
4.新型能量管理的网络架构设计方案
4.1 实时以太网通信技术
普通工业以太网采用CSMA/CD方式作为链路层的决策策略，而实时以太网采用了专用调度方式替换了原有冲突检测决策方式，且在强实时应用情况下可以跳过TCP/IP协议层直接对链路层进行操作，这样避免了由于协议层和冲突检测机制造成的不确定性，从而可以明确的估算出报文的发送时间，从而保证报文发送的实时性，既满足了工业以太网的大容量传输需求，又具有了传统现场通信才具有的实时性优势。
4.2 基于实时以太网的新型能量管理网络架构
新型能量管理系统将传统的底层现场通讯网络、上层以太网通讯网络均改为实时以太网通信，供电区域控制器、配电区域控制器、负载区域控制器作为能量管理实时以太网网络的子网，其中电站区域控制器、配电区域控制器和负载区域控制器在作为能量管理网络子站的同时，又为各供电子系统、配电子系统、推进负载子系统等子网段的主站，初步网络架构方案：
5.总结
随着储能装置、非线性负载等电力电子设备在综合电力系统的应用，IPS系统在电能统一调度与管理、安全管理上的要求也随之急剧提高，基于实时以太网通讯技术的新一代能量管理系统的网络架构及其实现方式，能够满足系统的实时性、数据同步、全系统数据分析与计算等需求，既满足了工业以太网的大容量传输需求，又具有了传统现场通信技术才具有的实时性优势，可作为新型船舶能量管理系统的应用技术发展方向。
参考文献
[1]《电力系统继电保护原理》天津大学.电力工业出版社，1980年
[2]《船舶电力推进系统》汤天浩、韩朝珍.机械工业出版社，2015年
[3]《舰船综合电力系统-译文集（一）》.中国船舶重工集团公司第七O四研究所
关键词：综合电力系统;能量管理系统;实时工业以太网
0.引言
船舶能量管理系统实现对全电力推进船电能的统一监控、调度和管理，是整个综合电力系统（IPS）的控制与管理核心。能量管理系统在电力系统信息网络管理基础上，实现对整个电力系统的供电子系统、配电子系统、负载子系统等模块进行管理，并从电力系统全局角度，考虑实现系统安全管理与综合优化运行管理，其核心功能为对全船电能的综合管理与优化运行。能量管理系统的有效性、实时性和可靠性，直接关系到综合电力系统的经济、安全与稳定运行。船舶能量管理系统的主要功能模块。
目前，国外的综合电力船舶能量管理系统相关技術发展较为成熟，如西门子公司的PMA300 和ABB 公司的System 800xA产品，已大量应用于各类船舶，特别是针对大功率负载的特种船舶，如工程船、破冰船、科考船等。但目前这些产品一般基于现有的工业现场通信与综合电力系统等技术。
随着大容量、非线性负载尤其是储能装置等新设备新技术在综合电力系统的逐步应用，负载功率需求更大，IPS系统容量进一步增加，网络结构更为复杂，系统运行方式更加多样，约束条件更多。大容量综合电力系统将在以下方面对新型能量管理系统提出更高的要求：
1）数据采集与控制的实时性;
2）能量统一调度与管理优化功能;
3）综合电力系统的安全与保护。
因此，有必要针对上述需求，对目前已有的船舶能量管理系统应用现状进行分析总结，探究工业实时以太网等新型通信技术在船舶电力监控领域的可能性，从而提出一种新型能量管理系统的网络架构和通信技术设计方案，研制出技术指标先进、性能安全可靠的稳定产品，装备到我国现代化船舶上。
1.已交付的能量管理系统现状
目前现有的能量管理系统，大多采用了底层高可靠性的现场总线通讯网络与上层大容量监测数据交互的以太网通讯网络，整体通讯架构采用管理多层级、多形式通讯方式混叠的网络体系架构。
以某典型双电站系统的能量管理系统为例，该船具有前后2个电站，每个电站各设有2台柴油发电机组，前后设有2套电力推进装置。其中，供电子系统内部组成供电CAN网络，推进子系统内部组成推进CAN网络，两个子系统通过以太网通讯连接至上层以太网络，船舶能量管理系统另外设有功率匹配单元硬件模块（GPA），保证供电子系统与推进子系统之间的实时快速控制需求（目前可达到的指标为100ms）。
在该能量管理系统中，区域控制器作为能量管理系统的控制核心，通过以太网通讯与上层综合管理系统进行大容量数据交互服务。底层通讯由区域控制器、4套机组控制器、对应机旁监控箱及推进负载控制器共同组建了底层CAN控制网络，对能量管理系统内部的重要监测与控制数据进行信息交互，通信速率为250kbps。根据项目实际监测需要，对该网络架构下能量管理系统供电子系统的通信能力进行分析：
该型能量管理系统供电子系统的数据量大约为2754个测点信息。经实船测试，在该通讯数据容量下，底层CAN通讯网络的数据刷新周期保证在500ms以内（CAN通信速率为250kbps条件下），总线利用率最高时约为30%，CAN总线传输延时最大为1.55us，最长通讯距离约为155m。上层以太网通信网络，数据更新周期保证在2s以内，采用基于NTP原理的对时同步机制下，数据的同步精度为ms级别。
2.新型能量管理系统的需求
随着大容量推进负载的应用，电力系统容量、控制器节点数量、通讯传输距离随之增加。此外，随着储能装置、非线性负载等大容量电力电子设备在在综合电力系统的逐渐应用，IPS系统在电能统一调度与管理、安全管理上的要求也随之急剧提高，电力安全保护、协调控制等要求将实时性由百毫秒级提高至ms甚至μs级别要求。现有已交付的能量管理系统无论在如网络速率、网络占有率、控制节点数量、通讯距离等网络指标，还是能量统一调度与管理、系统安全与保护等功能要求上，均已无法满足新型能量管理系统对数据的实时性和同步精度等要求。
3.能量管理系统对比分析
对已交付能量管理系统与新型能量管理系统的网络性能、统一调度与管理能力需求、安全与保护管理需求进行分析与对比，如表1所示。
因此，有必要对基于实时以太网通讯技术的新一代能量管理系统的网络架构及其实现方式进行研究和探究，以满足系统的数据实时性、数据同步、全系统数据分析、统一调度与管理等需求。
4.新型能量管理的网络架构设计方案
4.1 实时以太网通信技术
普通工业以太网采用CSMA/CD方式作为链路层的决策策略，而实时以太网采用了专用调度方式替换了原有冲突检测决策方式，且在强实时应用情况下可以跳过TCP/IP协议层直接对链路层进行操作，这样避免了由于协议层和冲突检测机制造成的不确定性，从而可以明确的估算出报文的发送时间，从而保证报文发送的实时性，既满足了工业以太网的大容量传输需求，又具有了传统现场通信才具有的实时性优势。
4.2 基于实时以太网的新型能量管理网络架构
新型能量管理系统将传统的底层现场通讯网络、上层以太网通讯网络均改为实时以太网通信，供电区域控制器、配电区域控制器、负载区域控制器作为能量管理实时以太网网络的子网，其中电站区域控制器、配电区域控制器和负载区域控制器在作为能量管理网络子站的同时，又为各供电子系统、配电子系统、推进负载子系统等子网段的主站，初步网络架构方案：
5.总结
随着储能装置、非线性负载等电力电子设备在综合电力系统的应用，IPS系统在电能统一调度与管理、安全管理上的要求也随之急剧提高，基于实时以太网通讯技术的新一代能量管理系统的网络架构及其实现方式，能够满足系统的实时性、数据同步、全系统数据分析与计算等需求，既满足了工业以太网的大容量传输需求，又具有了传统现场通信技术才具有的实时性优势，可作为新型船舶能量管理系统的应用技术发展方向。
参考文献
[1]《电力系统继电保护原理》天津大学.电力工业出版社，1980年
[2]《船舶电力推进系统》汤天浩、韩朝珍.机械工业出版社，2015年
[3]《舰船综合电力系统-译文集（一）》.中国船舶重工集团公司第七O四研究所