摘 要

船舶配电设备是全电力推进船舶动力系统的重要组成部分。客舱的工作环境非常复杂。本文的研究主题是为了发现故障，解决故障，确保船舶供电的连续性，可靠性和提高供电质量而设立的。近年来，随着计算机计算技术的提高，通信能力的提高以及网络，大数据等技术的发展，自动化监控系统的结构和性能发生了巨大的变化。本文设计了一个基于LabVIEW的系统，应用先进的计算机技术，电气设备控制技术，网络技术和通信技术，对所有电力推进船舶的电气参数进行监测。促进全电力推进船电参数监测系统的安全，经济和可持续发展。

关键词：船舶电气参数监测 船舶配电设备 全电推船舶电力系统 LabVIEW

Abstract

Ship power distribution equipment is an important part of the power-driven ship power system. The working environment in the cabin is very complicated. The research topic of this paper is to find the fault, solve the fault, ensure the continuity of the ship's power supply, reliability and improve the quality of power supply. In recent years, with the improvement of computer computing technology, the improvement of communication capabilities, and the development of networks and big data technologies, the structure and performance of automated monitoring systems have undergone tremendous changes. This paper designs a system based on LabVIEW, applying advanced computer technology, electrical equipment control technology, network technology and communication technology to monitor the electrical parameters of all electric propulsion ships. Promote the safety, economy and sustainable development of the electric power monitoring system for electric propulsion ships.

Keywords：Ship electrical parameters monitoring, ship distribution equipment, all electric propulsion ship power system， LabVIEW.

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1选此课题的意义 1

1.2本课题的研究现状以及发展趋势 2

1.3 本课题研究的主要内容 2

第二章 全电推船舶电气参数监测系统的分析 4

2.1 船舶电站系统的组成和运行特点 4

2.1.1 船舶电站系统的组成 4

2.1.2 船舶电站系统的运行特点 5

2.2 电气参数的检测与处理 7

2.2.1 电压与电流的变换 7

2.2.2 频率的变换 7

2.2.3 功率的变换 7

2.3 电气参数监测系统的总体构成 8

2.3.1 硬件的构成 8

2.3.2 软件的构成 10

第三章 基于LabVIEW的全电推进船舶电气参数监测系统的设计 12

3.1 基于LabVIEW的信号提取分析 12

3.1.1 时域参数提取 12

3.1.2 小波分析 13

3.1.3 在LabVIEW中实现小波变换 14

3.2 LabVIEW的模块化设计 15

3.2.1 数据采集 15

3.2.2 数据处理 16

3.2.3 客户端发送 16

3.2.4 服务器接收 17

3.2.5 数据显示 17

3.2.6 报警值设定 18

3.3 系统设计 18

3.3.1 技术原理 18

3.3.2 设计依据 19

3.3.3 硬件设计 20

3.3.4 软件设计 20

3.3.5 编程设计 21

第4章 监测系统模拟实验 22

第5章 总结和展望 31

第一章 绪论

1.1选此课题的意义

目前，船舶电力系统日趋复杂，存在运行过程实时测量，在线监测分析，故障预测与查找等常见问题。它既可以提前发出故障预警，还可以在发生故障后迅速定位故障，提供故障信息和解决方案。船舶电站参数的监测和维护主要依靠船上的万用表所以现在缺乏专业检测和分析仪器。本文的研究成果体系旨在提高船舶检修，船舶工程师和船舶电工电子人员的技术水平。它还可以填补国内外便携式电站分析系统的空白。

LabVIEW（实验室虚拟仪器工程工作台）是一种图形化编程语言开发环境，已被业界，学术界和研究实验室广泛接受。考虑到这是一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了符合GPIB，VXI，RS-232和RS-485协议的硬件和数据采集卡的所有功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。使用它可以轻松建立自己的虚拟仪器，其图形界面使得编程和使用过程变得生动有趣。LabVIEW具有友好的界面。因此选择LabVIEW这款编程语言软件去进行对全电力推进船舶电站参数的监测^[6]。

从大量数据中得出可靠的结论是船舶电站工程师面临的挑战。并且全电力推进船舶电力系统中有着大量的测量和控制设备，并且需要多个分布式自动检测节点。由于严格的性能要求，仪器更多地依赖于离散设计方法。本论文实现“基于LabVIEW的电力推进船电参数监测系统设计”，研制“全电力推进船电气参数监测系统”模块化结构，并行检测以及各种仪器，数据总线，数据处理和数据存储的集成，结构紧凑可靠它有助于数据搜索，分析，数据集成，报告生成和系统维护。以“更小的功率、尺寸、成本”提供“更大的功能、带宽、动态范围”这对电力推进船舶动力系统检测技术的发展具有重要意义^[3]。

1.2本课题的研究现状以及发展趋势

随着计算机和通讯技术日益复杂，在驾驶，机舱管理和货物装载方面已经实现了全面的计算机控制。展望未来，船舶自动化控制技术将继续发展到整船综合自动化水平。电气参数的稳定控制是船舶全面自动化的基础。未来将会有越来越多的不同类型的船舶电站自动化控制系统，它们将使用计算机智能管理船舶电站参数。它需要可靠的运行，可以提前检测故障，确定预防性维护和修理，以确保安全和经济的运行。

中国也在这方面进行研究。“船舶电站成套设备研制”在该项目中，中国船舶重工集团有限公司第704研究所的研究人员近两年来首次自主开发了造船电站成套设备。该项目采用大量模块化和标准化设计，成功解决了船舶电站参数监测系统开发中的许多关键技术问题。但与世界先进造船国相比，我国在这方面存在一定差距。目前，国内建造的多艘船舶电气参数监测装置和系统主要是从国外采购（按照船东要求）。因此我国急需加强这方面的技术研究。

1.3 本课题研究的主要内容

研究内容

1.资料收集，了解全电推进船舶电气参数的类型和种类、LabVIEW软件系统的功能及其应用；

2.基于LabVIEW软件设计一套适用于全电推进船舶的电气参数监测系统；

3.在实船上测试监测系统的可靠性与稳定性

为了适应现代船舶的需要，提高船舶电站参数的监测能力。现代船舶继续向计算机化，信息化和智能化方向发展。船舶发电站是船舶的“心脏”。此外，为了能够及时诊断电站故障，还需要有一定的实际工作经验，这是船舶工程师对电子电工管理的难点。最大的困难在于船舶电站的监测和故障诊断和诊断。仅仅依靠船舶电站自带的万用表和仪表是不够的。我们需要一个通用型，多核处理器，高速数据总线处理能力和数据吞吐量监控系统去帮助我们完成。因此，本论文着重研究“基于LabVIEW的电力推进船电参数监测系统设计”根据电气参数的变化确定故障和原因分析方便，快捷，准确，确保船舶安全高效运行，满足船舶现代化需求。

第二章 全电推船舶电气参数监测系统的分析

2.1 船舶电站系统的组成和运行特点

2.1.1 船舶电站系统的组成

图2.1.1 船舶电站控制系统的构成

船舶用电设备可分为以下几种：电力设备，甲板机械，机房辅助设备，机修设备，制冷通风，弱电设备，照明设备等要根据这些种类的用电设备去了解关于此船舶电站大概的运行负荷，且在不同工况下船舶电站的运行负荷，运行工况又包括：导航条件（全速导航状态），进港和出港条件（港内的操纵状态），停车条件（在码头停车或在锚地停泊的状态），装载和卸载状态（装载和卸载船上发射台上的货物的状态）以及紧急情况（紧急事故，为了确保应急发电机在救生，通信和照明方面的有效运行，船上电网的电力损失）

同时，船舶电站管理系统还必须根据负载的变化来管理发电机组的参与和运行。如图2.1.2即是船舶电站对发电机组的参与情况进行控制与调节。在不同的船舶运行条件下，有不同的负载要求，发电机组根据运行条件的变化进行调整。这中间就要求了对船舶电气参数进行监测并反馈处理。

图2.1.2 船舶电站分配功率图解

2.1.2 船舶电站系统的运行特点

船舶电站控制系统中要求船舶运行中要保证以下这些功能：发电机组自动自动启停，发电机组自动准同步并车车功能，自动调整并联发电机组的频率和有功功率，过载查询功能，以及泵切换功能。

发电机组自动启动并自动停止：每当船舶的主电网突然断电时，当网络发电机过载或发生故障时，必须更换或增加发电机。船舶电站系统可以自动启动备用发电机，以满足电网负荷要求，确保电网连续可靠的供电。当发电机组发生严重故障时，发电站系统将发出立即停机命令。

发电机准同步和车辆功能：现代船舶发电站使用带电源的发电机组不仅可以确保最佳的电力供应，还可以防止由于发电机组故障而导致的间歇性供电。为了有效保证船舶电网供电的可靠性和连续性。为了确保发电机组可以准同步，并且车辆必须满足以下四个条件。

①待并发电机组相序同电网相序一致^[12]。

②待并发电机组电压同运行机组电压大小相等，即

③待并发电机组电压初相位同电网电压的初相位相同，即

④待并发电机组电压频率同电网频率大小相等，即

准同步并车的基本原理：

自动并车装置是由频率调节、电压调整、并车条件检测以及超前时间或超前相位角采集电路等组成。具体自动准同步并车原理如下图：

图2.1.3 自动准同步并车原理图

并联发电机组的频率和有功功率可自动调整：当电网负荷突然变化时，会破坏原动机输出功率与发电机组负荷功率之间的平衡，导致机组转速变化，电网频率发生变化。船舶电站电能质量的重要指标是电网频率，因此频率必须保持稳定，频率波动应尽量限制在一个较小的范围内。船舶电站控制系统根据采集到的速度和负载信号来调整频率和有功功率的原理是收集总线上的频率信号和每个单元的有功功率信号。根据有功功率分配的频率偏差和偏差，电站控制系统自动发出调节信号来控制相关执行器。自动调整原动机的节流大小，确保电网频率保持在额定值，并根据其容量比例分配并网发电机的有功功率。

重载询问功能：由于船舶电站容量较小，大功率设备的启停对电网参数影响较大。因此，电网的剩余电量可能不足以满足将要启动的大功率负载。甚至造成全船失电。所以要设计重载问询环节。

泵切换功能：控制系统中的泵切换功能是指与发电机运行相关的泵发生故障的时间。船舶电站控制系统可以自动启动备用泵来代替故障，避免全船失电等严重事故。

2.2 电气参数的检测与处理

2.2.1 电压与电流的变换

船舶电力参数监测系统接收来自船舶机器的各种模拟和数字信息，并根据预先编程的程序进行操作。操作结果通过输出端口输出。模拟信息包括电压，频率，发电机电流，船舶发电机和电网的功率，以及车辆所需的差频电压。但只有发电机和电网电压和发电机电流，频率，功率，差频电压等必须通过将测得的电压和电流转换为相应的转换电路来获得。电压信息来自电压互感器，电流来自电流互感器。电压互感器二次侧的额定电压为100V，电流互感器二次侧的额定电流为5A。由于弱电系统的微机对100V和5A的交流信号过大，因此信号处理系统需要对其进行处理和转换。

电压转换电路通过降压变压器将电压互感器的次级侧上的电压降低至100V至10V或更小的电压。然后对AC电压进行整流和滤波以获得与发电机或电网的电压成比例的DC电压。

电流转换电路将电流互感器的次级侧上的电流转换为通过电流转换器的电流或更低的电流，并将电流转换为电压信号。经过整流滤波后，得到直流电压信号。

2.2.2 频率的变换

船舶电站管理系统中，。自动并车中的调频环节、电网频率的调整及发电机频率的调节均需要频率信号，而频率信号是无法直接从电网或者发电机运行数据中取出来的，所以我们要去专门设计相关的频率转换电路去分析出想要的频率信号。频率变换器分为频差变换器和频率变换器。所谓频差变换器是将发电机或电网的频率差变换成与之相应大小和极性的线性直流电压信号：

：变换系数（V/Hz），正负值均可。

2.2.3 功率的变换

有功功率变换器用于测量发电机的有功功率并将其值变换成与之成正比的直流电平信号，即：

:有功功率变换器输出电压

:有功功率变换器变换系数(V/kw)

:发电机实际输出有功功率

功率变换器基本上都是采用相敏整流原理构成的，也有运用其它原理构成的。

2.3 电气参数监测系统的总体构成

2.3.1 硬件的构成

“基于LabVIEW的电力推进船电气参数监测系统”监控系统包括上位PC，数据采集终端，数据采集卡和开关模块以及电压和电流采集器单元。例行数据显示在参数界面，方便员工观察。可以连接外部打印设备输出报告和信息来分析电站的工作状态。

硬件采用了核心数据采集平台，软件和数据处理平台，并集成了高速同步数据采集终端和信号处理软件。集成电路电压和集电极通道，便携式计算机架构，带触点和非接触式传感器的信号输入，配置和以太网易于与其他仪器互连，软件功能模块可根据专家系统的要求进行扩展。

图2.3.1 硬件设备分析图

“基于LabVIEW的电力推进船电气参数监测系统”监控系统使用工作站和便携式笔记本电脑作为主机，NI USB-6229和ENET-9206作为采集终端。数据处理模块确保了系统的高可靠性，高精度和高安全性。测试对象包括船舶发电机组，Y /负载，单相负载和电力网络。直接输入测试信号参考电压不超过±10 VDC。电流传感器将信号转换为-10 VDC至10 VDC。

图2.3.2 硬件设备流程图

“基于LabVIEW的电力推进船电气参数监测系统”监控系统可以在信号采集和处理后直接给出决策信息，并且可以方便，快速，准确地确定故障的性质和原因。节省维护时间，降低维护人员的专业要求，并促进故障分析。同时，具有知识更新功能的专家系统数据库将越来越丰富。目前的问题不是收集更多的数据，而是要快速了解收集到的数据。硬件提高了数据采集速度，打破了速度和分辨率的障碍，并引发了海量数据浪潮。在硬件应用中，硬件不再是一个限制因素，如何有效地管理收集到的数据才我们今后工作的重心，才是未来最大的挑战。

“基于LabVIEW的电力推进船电气参数监测系统”监控系统选用了基于NI公司的硬件平台和基于LabVIEW的软件平台，开放性强，扩展性强，易于修改。具有多核处理器和高速数据总线传输功能;测量多样性，使用多种不同类型的I / O模块，能够处理多种信号类型，并具有较宽的测量范围;利用不同检测平台的优势，构建基于多仪表总线的混合系统;混合架构还增加了检测系统的灵活性，并可与各种总线仪器进行通信。

“基于LabVIEW的电力推进船电气参数监测系统”监控系统运行Windows操作系统，共享控制器，嵌入式模块化I / O，具有共享电源和时钟同步功能的机箱;可连接到各种仪器总线，包括USB，以太网，允许添加基于各种总线的仪器，提高检测系统的灵活性;使用寿命长，元件可以长期工作并且可以用成熟的部件更换升级;采用模块化和可扩展的结构，很容易在不改变机箱尺寸的情况下为系统增加新的测量功能，从而降低成本。

2.3.2 软件的构成

虚拟仪器顾名思义就是一个“虚拟”操作面板，而不是实际上有许多按钮和显示界面和指示器的实际仪器。虚拟仪器实际上使用计算机监视器来模拟传统仪器的控制和显示面板。定制人机交互界面，并通过编程实现数据处理和控制效果。虚拟仪器不仅可以制作控制面板，可以通过鼠标和键盘控制，还可以与不同的接口总线相结合。它构成了一个强大的测量测试系统，这是它的一个重要特征。

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