一种适用于船舶混合动力系统的模式切换方法及装置与流程

本发明属于船舶动力系统自动化控制，特别涉及一种适用于船舶混合动力系统的模式切换方法及装置。

背景技术：

1、船舶混合动力系统具有多种运行模式，包括pth模式、pto模式、柴油机模式等模式，在不同航行工况下，可以切换到合适的模式。目前的模式切换装置及方法，主要聚焦各模式之间的切换策略设计，容易造成船舶混合动力系统长期处于某种运行模式(如pth模式)，一类设备长期运行，而其他设备长期停用，影响设备使用寿命，降低混合动力系统总体运行安全性。

2、作为船舶混合动力系统的核心之一，模式切换装置具备与主机遥控系统、能量管理系统等系统保持通讯的功能，可以便捷获取各设备运行信息，有利于从全系统、全工况层面形成混合动力系统设备均衡运行建议。

3、因此，如何提供一种适用于船舶混合动力系统的模式切换方法及装置，具备至少包括运行模式识别、模式切换联锁条件辅助决策、一键式模式切换的常规模式切换，实现不同运行模式下混合动力系统设备累积运行量均衡，已经成为一个亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种适用于船舶混合动力系统的模式切换方法及装置，具备至少包括运行模式识别、模式切换联锁条件辅助决策、一键式模式切换的常规模式切换，能够实现不同运行模式下混合动力系统设备累积运行量均衡。

2、本发明的一个实施例中，提供一种适用于船舶混合动力系统的模式切换方法，包括：

3、s101、识别当前运行模式，读取动力设备的至少包括启停状态、负荷状态数据，计算从设备启动到结束时刻的运行时间和平均负荷率，完成运行量计算；

4、s102、基于设备运行量计算结果，建立以选定时间段下各设备最小累积运行量差值为目标，以电力系统功率平衡、动力系统推进功率平衡、单个推进系统功率平衡为约束条件的混合动力系统设备运行量均衡优化模型；

5、s103、基于至少包括神经网络算法、遗传算法的智能算法求解模型，求解包含选定时间段下的各设备最小累积运行量差值、各设备运行模式及各设备运行负荷率的寻优结果；

6、s104、基于所述寻优结果，从至少包括运行模式、负荷率及设备编号维度分别自动生成辅助决策策略；

7、s105、对含运行模式维度策略或负荷率维度策略的切换建议，生成切换建议指令，根据模式切换装置所处的操作模式，由人工或装置判定是否采纳建议；对于含设备编号维度策略的切换建议，在实际模式切换时自动生成指令。

8、进一步地，识别当前运行模式，读取动力设备的至少包括启停状态、负荷状态数据，计算从设备启动到结束时刻的运行时间和平均负荷率，完成运行量计算，包括：

9、模式切换装置识别当前混合动力系统的运行模式m，至少包括柴油机模式、pto模式、pth模式中的一种或多种；

10、通过模式切换装置与主机遥控系统、能量管理系统的系统接口，读取至少包括柴油机、轴带电机、动力电池、发电机组的动力设备编号、启停状态、负荷状态；

11、基于负荷状态信号，计算平均负荷率

12、

13、其中，n是循环采样次数，lj是每次采样的负荷率，是向下取整函数，取整刻度取10、20、25。

14、进一步地，所述方法，包括：

15、基于启停状态信号，计算本次运行模式中设备启动到当前时刻的运行时间

16、timl＝f(ti_now-ti_start)

17、其中，i是设备编号，timl是编号i设备当前运行模式m、平均负荷率l下的运行时长，ti_now是设备启动运行时间，ti_start是设备停机时间，f是时差计算函数；

18、按照不同运行模式、不同负荷率范围对不同编号设备的运行时间分别进行累加，计算结果即为累积运行量

19、liml＝∑timl

20、其中，liml是编号i设备在平均负荷率l下的累积运行量。

21、进一步地，所述方法，包括：

22、基于至少包括神经网络算法、遗传算法的智能算法求解模型，求解结果包含选定时间段下的各设备最小累积运行量差值、各设备运行模式、各设备运行负荷率。

23、进一步地，所述方法，包括：

24、建立以选定时间段下各设备累积运行量差值最小为目标，以电力系统功率平衡、动力系统推进功率平衡、单个推进系统功率平衡为约束条件的混合动力系统设备运行量均衡优化模型；

25、其中，优化目标为：

26、min max|li,ml,t+1-li,ml,t|

27、电力系统功率平衡约束条件为：

28、peg,i-1+peg,i+…+peg,i+1＝pel,j-1+pel,j+…+pel,j+1

29、动力系统推进功率平衡约束条件为：

30、ptg,i-1+ptg,i+…+ptg,i+1＝ptl,j-1+ptl,j+…+ptl,j+1

31、单个推进系统功率平衡约束条件为：

32、pel,i+ptl,i＝ptl,j

33、式中，peg为发电单元输出功率，pel为用电单元输入功率，ptg为推进输出功率，ptl为推进负荷功率。

34、进一步地，所述方法，包括：

35、确定运行模式维度策略：如果当前运行模式持续时间达到第一设定阈值，则选取符合航行动力需求的其他运行模式；

36、确定负荷率维度策略：如果当前设备长时间高负荷运行，则通过计算分析负荷转移的可能性，降低设备的负荷率；

37、确定设备编号维度策略：如果某编号设备累积运行量大于第二设定阈值，则在切换到下个模式时停止运行该编号设备，对同类其他编号设备按照累积运行量从小到大进行排序，启用累积运行量最小的同类其他编号设备。

38、进一步地，所述方法，包括：

39、计算当前所有编号设备在现有运行模式m下的运行时长timl的最大值，如果timl大于设定阈值tr，则生成符合航行动力需求的其他运行模式切换建议指令；

40、如果当前设备平均负荷率l大于设定阈值lr，即l≥lr，且运行时间timl≥tr，则生成建议降低该设备的负荷率至lr以下的指令；

41、如果设备累积运行量liml大于所述第二设定阈值，则在切换到下个模式时停止运行该编号设备，对同类其他编号设备按照累积运行量从小到大进行排序，启用累积运行量最小的同类其他编号设备。

42、本发明的又一个实施例中，一种适用于船舶混合动力系统的模式切换装置，所述模式切换装置基于以上任一项所述的一种适用于船舶混合动力系统的模式切换方法，包括：plc、触摸屏、通讯模块、工控机和软件模块；

43、所述plc，作为可编程逻辑控制器，用于模式切换的具体控制实现，至少包括船舶混合动力运行模式识别、生成下发切换指令；

44、所述触摸屏，用于模式切换人机交互，至少包括模式切换状态的可视化、切换建议指令显示与确认；

45、所述通讯模块，用于plc、触摸屏、工控机相互通讯，包括但不限于以太网、can、rs485；

46、所述工控机，用于提供设备运行均衡功能模块的软件运行环境，通过通讯模块读取plc中各混合动力系统设备运行状态信息，通过通讯模块将切换建议指令传输到触摸屏；

47、所述软件系统，包括：基础模式切换功能模块、设备运行均衡功能模块和设备运行信息数据库。

48、进一步地，所述设备运行均衡功能模块，包括：设备运行计时及负荷计算子模块、累积运行量计算子模块及运行量均衡分配子模块；

49、所述设备运行计时及负荷计算子模块，用于实现混合动力系统各设备的启停状态数据采集、运行时间计时、设备负荷率计算；

50、所述累积运行量计算子模块，用于实现混合动力系统各设备的累积运行量计算；

51、所述运行量均衡分配子模块，用于实现多维度运行量分析、均衡优化建模及智能算法寻优、切换建议指令生成。

52、进一步地，所述设备运行信息数据库，用于实现整个模式切换过程中至少包括状态指令、计时、计算、切换建议等信息的记录功能；

53、所述基础模式切换功能模块，包括：人工操作模式和智能操作模式；其中，人工操作模式下由船员判定是否采纳模式切换建议后对外输出模式切换指令，智能操作模式下将默认采纳模式切换建议并作为对外输出模式切换指令。

54、本发明所带来的有益效果如下：

55、从上述方案可以看出，本发明实施例提供一种适用于船舶混合动力系统的模式切换方法及装置，通过识别当前运行模式，计算从设备启动到结束时刻的运行时间和平均负荷率，基于设备运行量计算结果，建立混合动力系统设备运行量均衡优化模型；求解包含选定时间段下的各设备最小累积运行量差值、各设备运行模式及各设备运行负荷率的寻优结果，分别自动生成辅助决策策略，对含运行模式维度策略或负荷率维度策略的切换建议，生成切换建议指令，根据模式切换装置所处的操作模式，由人工或装置判定是否采纳建议；对于含设备编号维度策略的切换建议，在实际模式切换时自动生成指令。本发明技术方案，具备至少包括运行模式识别、模式切换联锁条件辅助决策、一键式模式切换的常规模式切换，能够实现不同运行模式下混合动力系统设备累积运行量均衡。