一种基于负载启动发电机的船舶功率管理方法与系统与流程

1.本发明涉及船舶电力系统领域，特别是涉及一种基于负载启动发电机的船舶功率管理方法与系统。


背景技术：

2.船舶作为重要的水上交通工具，在其正常运行和功能需求方面对可靠的能源供应具有关键性作用。然而，传统的船舶功率管理系统存在一些局限和挑战，需要寻求新型解决方案来提高效率、降低环境影响，并满足可持续发展的要求。传统的船舶功率管理系统通常依赖于燃料发电机作为主要的能源来源。然而，这种系统存在能源利用效率低下的问题。燃料发电机在能量转换过程中存在能量损耗和热损失，导致能源利用率下降。大量燃料的能量被消耗在产生热量而非转化为电能上，造成了能源的浪费。
3.因此船舶电力系统的功率管理对于船舶的正常运行至关重要。在船舶运行过程中，负载需求会随着船舶工况的变化而发生变化，例如航行工况、停泊工况、起重作业工况等。船舶电力系统需要根据不同的负载需求合理地控制发电机的启停和功率输出，以保持电力系统的平衡和稳定运行。
4.功率管理系统由船舶电站自动化系统发展而来。早期的功率管理系统仅对船舶电站主发电机的功率进行调节和控制，通常采用基于固定功率输出的方法，无法实时根据负载需求进行调整，导致功率分配不够灵活和高效。其次，传统系统对于负载的变化响应速度较慢，不能及时适应不同工况下的负载需求，影响了船舶的运行效率和能源利用率。随着船舶电站技术的发展，功率管理系统的功能越来越全面，它不仅能对船舶电能的产生、分配、消耗进行综合的控制，而且能对船舶电站的监测、保护进行智能化管理。
5.随着船舶向大型化、现代化发展，对船舶电站的管理提出了更高的要求，特别是电力推进的广泛应用及大型高性能设备的使用，具有一般电站监控功能的船舶电力系统已不能适应这一发展的需要，因此提出一种基于负载启动发电机的船舶功率管理方法具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于负载启动发电机的船舶功率管理方法与系统，合理控制发电机的启停和功率调节以保持电力系统的平衡和效率，具有良好的扩展性和可升级性。
7.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于负载启动发电机的船舶功率管理方法，包括步骤：
8.将船舶负载值和负载消耗功率为输入数据，变化后的负载值为输出数据，训练神经网络回归预测模型，得到不同航行状态下的负载需求变化模型；
9.采集船舶电力系统中各个负载的参数，获取实际负载测量数据；
10.对实际负载测量数据进行预处理和特征提取，通过该航行状态下的负载需求变化
模型得到负载预测数据；
11.根据实际负载测量数据和负载预测数据确定偏差和偏差变化率，通过模糊控制确定最优功率分配方案；
12.通过重载询问和检测进行功率监测，将用于启动的负载设定功率与负载额定功率相比较，若出现重载现象报警，并重新确定最优功率分配方案，仅当用于启动的负载设定功率小于负载额定功率，发动机才能启动。
13.通过人机界面实时监测负载功率和发电机数据，确保船舶航行过程顺利。
14.进一步地，所述航行状态包括浮行、滑行和腾空航行。
15.进一步地，所述负载的参数包括电流和电压，电流和电压分别通过电流传感器和电压测量仪获取，所述电流传感器和电压测量仪安装在船舶电力系统主电路、分支电路或负载端口，电流传感器和电压测量仪连接数据采集模块，将电流和电压转化为4～20ma、0～10v。
16.进一步地，所述预处理包括填充缺失值、删除过拟合和欠拟合数据、数据标准化。
17.进一步地，所述特征提取根据数据的特点，采用过滤法提取具有代表性负载和功率数据，包括平均功率、功率波动性和时间相关性。
18.进一步地，所述通过模糊控制确定最优功率分配方案具体包括：
19.模糊化，采用玛达尼推理方法将偏差和偏差变化率进行变换，基于变换值，把负载的连续变化量划分成若干等级，每个等级作为一个模糊变量，采用函数法确定输入隶属函数的分布；对控制量进行模糊划分，将输出功率划分为五个模糊集；
20.确定模糊规则，采用综合法，综合负载输入数据和负载功率限制，并根据划分后的偏差、偏差变化率和输出功率推测出模糊关系，模糊关系通过格式ifa then b、ifathen b else c和ifaand b then c的模糊规则表示；
21.解模糊，通过输入隶属函数和模糊规则确定输出隶属函数，通过最大隶属度法，选择模糊输出中输出隶属度函数值最大的输出值，作为精确的负载功率输出。
22.进一步地，所述采用玛达尼推理方法将偏差和偏差变化率进行变换具体包括：
23.采用玛达尼推理方法将偏差和偏差变化率的变化范围设定为[-6，+6]，构成从-6到+6的离散元素集合；偏差和偏差变化率的转化公式均为：
[0024][0025]
其中，a、b为偏差或偏差变化率的最大、最小值，x为偏差或偏差变化率实际值，y为变换值。
[0026]
进一步地，所述模糊规则的条件包括：负载功率小于对应发电机的额定功率、负载输入数据小于发电机负载和备用负载之和。
[0027]
一种基于负载启动发电机的船舶功率管理系统，包括航行状态下负载模型子系统、负载监测和测量子系统、负载预测子系统、功率调度和控制子系统、重载询问和检测报警子系统、人机界面和分析子系统，其中：
[0028]
所述航行状态下负载模型子系统用于训练神经网络回归预测模型，得到不同航行状态下的负载需求变化模型；
[0029]
所述负载监测和测量子系统用于监测和测量船舶电力系统中各个负载的参数，实
时采集负载的运行状态和能耗情况；
[0030]
所述负载预测子系统用于对实际负载测量数据进行预处理和特征提取，通过该航行状态下的负载需求变化模型得到负载预测数据；
[0031]
所述功率调度和控制子系统用于根据实际负载测量数据和负载预测数据确定偏差和偏差变化率，通过模糊控制确定最优功率分配方案；
[0032]
所述重载询问和检测报警子系统用于通过重载询问和检测进行功率监测，将用于启动的负载设定功率与负载额定功率相比较，若出现重载现象报警，并重新确定最优功率分配方案；
[0033]
所述人机界面和分析子系统用于记录、存储和显示数据，以及人机交互。
[0034]
进一步地，所述记录、存储和显示的数据包括pms总览、发动机状态、负载数据和功率调度数据。
[0035]
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
[0036]
本发明系统包括航行状态下负载模型子系统、负载监测和测量子系统、负载预测子系统、功率调度和控制子系统、重载询问和检测报警子系统、人机界面和分析子系统。该系统中的核心方法包括基于负载预测和优化调度的功率协调分配算法，采用一种基于模糊控制的智能控制策略将船舶发电机功率协调优化分配至船上用电设备本发明采用模块化的设计方式，合理控制发电机的启停和功率调节以保持电力系统的平衡和效率，具有良好的扩展性和可升级性。
[0037]
1)航行状态下负载模型子系统对于不同航行状态下负载需求变化模型提前训练，可以减少负载预测所需时间，提高功率优化分配的效率；
[0038]
2)本发明模糊控制将电力系统的能量状态保持在合理水平，确保其能够满足系统要求；
[0039]
3)本发明重载询问功能保障发电机安全启动和功率分配合理高效；
[0040]
4)本发明合理控制发电机的启停和功率调节以保持电力系统的平衡和效率，具有良好的扩展性和可升级性；
[0041]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0042]
图1为功率管理系统框架图。
[0043]
图2为模糊控制算法结构图。
[0044]
图3为重载询问函数流程图。
具体实施方式
[0045]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0046]
结合图1，一种基于负载启动发电机的船舶功率管理系统(pms)及方法，包括：航行状态下负载模型子系统、负载监测和测量子系统、负载预测子系统、功率调度和控制子系统、重载询问和检测报警子系统、人机界面和分析子系统，旨在通过监测和分析负载需求的
变化来合理控制发电机的启停和功率调节以保持电力系统的平衡和效率。
[0047]
所述航行状态下负载模型子系统，用于训练在不同环境下，船舶以不同的航行状态航行时负载需求变化模型，为后续负载预测提供良好的决策依据；所述航行状态下负载模型子系统中航行状态包括浮行、滑行、腾空航行等。所述航行状态下负载模型子系统对于不同航行状态下负载需求变化模型需要提前训练，以减少功率调度所需时间。
[0048]
所述负载监测和测量子系统，用于监测和测量船舶电力系统中各个负载的电流、电压、频率等参数，实时获取负载的运行状态和能耗情况；所述负载监测和测量子系统中模拟量输入的配置为电流或电压的采集，接口处转化为4～20ma、0～10v，通过拨码开关或软件编程完成量程的灵活设置，实现数据采集。
[0049]
所述负载预测子系统，用于分析负载数据和当前航行状态，选择当前的负载需求变化模型，预测未来一段时间内的负载需求，为功率管理系统提供参考和决策依据；所述负载预测子系统，得到未来一段时间内的负载需求。
[0050]
所示功率调度和控制子系统，用于根据负载需求和负载预测结果，制定功率调度策略，控制发电机的功率输出，以满足船舶电力系统的需求，实现负载均衡和优化功率分配；所述功率调度和控制子系统采用模糊控制算法，将系统的能量状态保持在合理水平。
[0051]
所述重载询问和检测报警子系统，用于将用于启动的负载设定功率与负载额定功率相比较。若出现重载现象，及时报警并重新对负载功率进行划分，提高人员检查和处理故障的及时性和针对性；所述重载询问和检测报警子系统采用重载询问函数，以保障系统安全。
[0052]
所述人机界面和分析子系统，用于记录和存储功率管理系统中的关键数据，以便实现后续的数据分析和性能评估，为系统优化和改进提供依据。所述人机界面和分析子系统记录数据包括pms总览、发动机状态、负载数据、功率调度数据等。
[0053]
结合图2、3，一种基于负载启动发电机的船舶功率管理系统及方法，包括以下步骤：
[0054]
步骤1、航行状态下负载模型子系统设计与实现，以历史记录里各种航行状态下，船舶负载值和负载消耗功率为输入数据，一段时间变化后得到的负载值为输出数据，训练神经网络回归预测模型，得到可以反映各种航行状态下，负载值变化的负载需求变化模型。同时，验证其准确性；
[0055]
步骤2、负载监测和测量子系统设计与实现，安装电流传感器和电压测量仪，输出信号连接到数据采集模块，连接数据接口与其他模块进行通信。该步骤具体为：
[0056]
步骤2-1、安装电流传感器和电压测量仪，将电流传感器和电压测量仪安装在船舶电力系统的关键节点，如主电路、分支电路或负载端口；
[0057]
步骤2-2、连接到数据采集模块，将传感器和测量仪的输出信号连接到数据采集模块，接口处转化为4～20ma、0～10v，通过拨码开关或软件编程完成量程的灵活设置；
[0058]
步骤2-3、数据接口与其他模块通信，通过合适的数据接口，与其他子系统进行数据通信；
[0059]
步骤3、负载预测子系统设计与实现，对步骤2得到的负载数据进行预处理，采用过滤法进行负载特征提取。判断航行状态，输入到步骤1中对应的负载需求变化模型，生成负载预测结果。该步骤具体为：
[0060]
步骤3-1、数据预处理，对负载数据进行预处理，包括填充缺失值、删除过拟合和欠拟合数据、数据标准化等，以确保数据质量和一致性；
[0061]
步骤3-2、负载特征提取，根据负载数据的特点，采用过滤法提取具有代表性负载和功率数据，包括平均功率、功率波动性、时间相关性等；
[0062]
步骤3-3、预测结果生成，判断航行状态，输入到步骤1中对应的负载需求变化模型，生成预测结果，预测结果包括负载需求、负载类型等；
[0063]
步骤4、功率调度和控制子系统设计与实现，根据步骤3预测结果和实际测量数据，选取常见的模糊化接口、模糊推理机和解模糊接口作为模糊控制器结构，使用以模糊控制为基础的功率协调分配算法确定最优功率分配方案，结合图2。该步骤具体为：
[0064]
步骤4-1、模糊化，将预测负载与实际负载的偏差e和偏差变化率ec输入到规则编辑器中，使用玛达尼推理方法将偏差的变化范围设定为[-6，+6]，从而构成了一个从-6到+6的离散元素集合，转化公式为：
[0065]
其中，a,b为实际输入负载偏差和偏差变化率的最大、最小值，x为具体的偏差和偏差变化率数据，y为转化后范围在[-6，+6]的变化量。通过这种变换之后，把负载的连续变化量根据需要分成若干等级，每个等级作为一个模糊变量，采用函数法确定输入隶属函数的分布。同时，对控制量进行模糊划分，将输出功率划分为五个模糊集(nb、ns、zo、ps、pb)；
[0066]
步骤4-2、确定模糊规则，即模糊推理机的核心内容，根据划分的预测负载与实际负载的偏差e、偏差变化率ec和输出功率推测出模糊关系。制定格式为格式ifathen b、ifathen b else c和ifaand b then c的模糊规则。建立模糊规则可以采用综合法，综合负载输入数据和负载功率限制，条件包括负载功率需小于对应发电机的额定功率，负载输入数据小于发电机负载和备用负载之和等；
[0067]
步骤4-3、解模糊，通过输入隶属函数和建立的模糊规则，计算输出负载功率的隶属函数(即输出隶属函数)，通过最大隶属度法，选择所有模糊规则计算结果中隶属度最大的值，作为精确的负载功率输出；
[0068]
步骤5、重载询问和检测报警子系统设计与实现，结合图3，将用于启动的负载设定功率与负载额定功率相比较。若出现重载现象，及时报警，重新对负载功率进行划分。只有当用于启动的负载设定功率小于负载额定功率，发动机才能启动；
[0069]
步骤6、人机界面和分析子系统设计与实现，安装数据存储设备，进行数据处理分析，完成人机界面(hmi)设计。该步骤具体为：
[0070]
步骤6-1、安装数据存储设备，使用适当的数据存储设备(如硬盘、固态存储器)记录船舶电力系统的运行数据，包括历史负载数据、预测结果、控制策略等；
[0071]
步骤6-2、数据处理分析，利用步骤1中得到的负载需求变化模型对新得到的负载数据进行分析，与历史数据进行对比，进行故障检测、性能评估和优化改进等；
[0072]
步骤6-3、人机界面实现，采用基于组态软件webacess进行人机界面设计。查看pms总览、发动机状态、负载数据、功率调度等数据。使用可视化工具以图表、图形等形式展示数据，以方便操作员进行系统监控和管理。
[0073]
本发明系统采用一种基于模糊控制的智能控制策略将船舶发电机功率协调优化分配至船上用电设备本发明采用模块化的设计方式，合理控制发电机的启停和功率调节以
保持电力系统的平衡和效率，具有良好的扩展性和可升级性。
[0074]
以上对本发明所提出的一种基于负载的船舶发电机组功率管理系统控制策略设计进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种基于负载启动发电机的船舶功率管理方法，其特征在于，包括步骤：训练神经网络回归预测模型，得到不同航行状态下的负载需求变化模型；采集船舶电力系统中各个负载的参数，获取实际负载测量数据；对实际负载测量数据进行预处理和特征提取，通过该航行状态下的负载需求变化模型得到负载预测数据；根据实际负载测量数据和负载预测数据确定偏差和偏差变化率，通过模糊控制确定最优功率分配方案；通过重载询问和检测进行功率监测，将用于启动的负载设定功率与负载额定功率相比较，若出现重载现象报警，并重新确定最优功率分配方案，仅当用于启动的负载设定功率小于负载额定功率，发动机才能启动。2.根据权利要求1所述的基于负载启动发电机的船舶功率管理方法，其特征在于，所述航行状态包括浮行、滑行和腾空航行。3.根据权利要求1所述的基于负载启动发电机的船舶功率管理方法，其特征在于，所述负载的参数包括电流和电压，电流和电压分别通过电流传感器和电压测量仪获取，所述电流传感器和电压测量仪安装在船舶电力系统主电路、分支电路或负载端口，电流传感器和电压测量仪连接数据采集模块，将电流和电压转化为4～20ma、0～10v。4.根据权利要求1所述的基于负载启动发电机的船舶功率管理方法，其特征在于，所述预处理包括填充缺失值、删除过拟合和欠拟合数据、数据标准化。5.根据权利要求1所述的基于负载启动发电机的船舶功率管理方法，其特征在于，所述特征提取根据数据的特点，采用过滤法提取具有代表性负载和功率数据，包括平均功率、功率波动性和时间相关性。6.根据权利要求1所述的基于负载启动发电机的船舶功率管理方法，其特征在于，所述通过模糊控制确定最优功率分配方案具体包括：模糊化，采用玛达尼推理方法将偏差和偏差变化率进行变换，基于变换值，把负载的连续变化量划分成若干等级，每个等级作为一个模糊变量，采用函数法确定输入隶属函数的分布；对控制量进行模糊划分，将输出功率划分为五个模糊集；确定模糊规则，采用综合法，综合负载输入数据和负载功率限制，并根据划分后的偏差、偏差变化率和输出功率推测出模糊关系，模糊关系通过格式ifa then b、ifathen b else c和ifaand b then c的模糊规则表示；解模糊，通过输入隶属函数和模糊规则确定输出隶属函数，通过最大隶属度法，选择模糊输出中输出隶属度函数值最大的输出值，作为精确的负载功率输出。7.根据权利要求6所述的基于负载启动发电机的船舶功率管理方法，其特征在于，所述采用玛达尼推理方法将偏差和偏差变化率进行变换具体包括：采用玛达尼推理方法将偏差和偏差变化率的变化范围设定为[-6，+6]，构成从-6到+6的离散元素集合；偏差和偏差变化率的转化公式均为：其中，a、b为偏差或偏差变化率的最大、最小值，x为偏差或偏差变化率实际值，y为变换值。
8.根据权利要求6所述的基于负载启动发电机的船舶功率管理方法，其特征在于，所述模糊规则的条件包括：负载功率小于对应发电机的额定功率、负载输入数据小于发电机负载和备用负载之和。9.一种基于负载启动发电机的船舶功率管理系统，其特征在于，包括航行状态下负载模型子系统、负载监测和测量子系统、负载预测子系统、功率调度和控制子系统、重载询问和检测报警子系统、人机界面和分析子系统，其中：所述航行状态下负载模型子系统用于训练神经网络回归预测模型，得到不同航行状态下的负载需求变化模型；所述负载监测和测量子系统用于监测和测量船舶电力系统中各个负载的参数，实时采集负载的运行状态和能耗情况；所述负载预测子系统用于对实际负载测量数据进行预处理和特征提取，通过该航行状态下的负载需求变化模型得到负载预测数据；所述功率调度和控制子系统用于根据实际负载测量数据和负载预测数据确定偏差和偏差变化率，通过模糊控制确定最优功率分配方案；所述重载询问和检测报警子系统用于通过重载询问和检测进行功率监测，将用于启动的负载设定功率与负载额定功率相比较，若出现重载现象报警，并重新确定最优功率分配方案；所述人机界面和分析子系统用于记录、存储和显示数据，以及人机交互。10.根据权利要求9所述的基于负载启动发电机的船舶功率管理系统，其特征在于，所述记录、存储和显示的数据包括pms总览、发动机状态、负载数据和功率调度数据。

技术总结
本发明涉及一种基于负载启动发电机的船舶功率管理方法与系统，该方法包括基于负载预测和优化调度的功率协调分配算法，采用一种基于模糊控制的智能控制策略将船舶发电机功率协调优化分配至船上用电设备，模糊控制的功能为将系统的能量状态保持在合理水平；该系统包括航行状态下负载模型子系统、负载监测和测量子系统、负载预测子系统、功率调度和控制子系统、重载询问和检测报警子系统、人机界面和分析子系统。本发明旨在通过监测和分析负载需求的变化来合理控制发电机的启停和功率调节以保持电力系统的平衡和效率。保持电力系统的平衡和效率。保持电力系统的平衡和效率。


技术研发人员：邵彦山 陈睿 胡旭杰 朱人杰 徐华 张晓 金玲 李建兴 骆阳 杨旭 孟凡文
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一六研究所
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/11