一种基于物联网的综合式船舶电能管理系统的制作方法

本技术涉及船舶能源集中管理技术的领域，尤其是涉及一种基于物联网的综合式船舶电能管理系统。

背景技术：

1、目前，大多数的船舶采用柴油机作为船舶的驱动主机，柴油机直接驱动螺旋桨，为船舶提供推进力；柴油发电机组燃油发电，为船舶航行提供所需电力。

2、随着船舶行业对可再生能源和低碳发展的关注度不断提高，轴带发电机、低温余热发电系统、风力发电机等作为清洁可再生能源装置被广泛应用于船舶领域，柴油机不再是船上电力供应、船只航行驱动的唯一能量来源。然而，由于技术施行的局限性，上述能源在应用中面临着能源管理系统优化不足、系统稳定性不足、系统安全性不足等问题，在船舶能耗方面非常突出。

3、上述问题具体体现在，当船舶配备上述清洁能源装置后船舶的能源向系统变得更加复杂，需要综合考虑各种能源的发电量、各种负载的需求量之间的平衡；清洁能源装置故障不仅影响发电效率，还可能伴随导致电网中其他装置的失效，带来安全问题；风能、太阳能等能源产生受天气和环境的因素影响较大，具有间歇性与不稳定性，在能源的调配方面增加了难度。

4、所以，在安装新型清洁能源装置的条件下，需要相适配的建立一个船舶电能管理系统，对上述船舶电网的电力分配、能耗管理、设备使用集中统一化监控与管理，按照船舶上设备的具体能耗合理分配电力。

技术实现思路

1、为了降低船舶的额外能耗，使船舶总体电能效率维持在最优范围内，本技术提供一种基于物联网的综合式船舶电能管理系统。

2、本技术提供的一种基于物联网的综合式船舶电能管理系统采用如下的技术方案：

3、一种基于物联网的综合式船舶电能管理系统，包括：前端发电模块、电力算法模块、控制管理模块、前端监控模块、人机交互模块；

4、所述前端发电模块包括风力发电单元、低温余热单元、轴带发电单元及多组蓄电池，所述风力发电单元包括风力发电组件，将风能转换为电能，所述低温余热单元连接柴油机，将柴油机做功产生的热能转换为电能，所述轴带发电单元包括轴带发电机，将柴油机输出的机械能转换为电能；所述前端发电模块接入电网，将电力输送至电网中；

5、所述电力算法模块设置在电网与所述前端发电模块之间，用于监测所述风流发电单元、所述低温余热单元、所述轴带发电单元的电力输出量，对所述前端发电模块的储存电能采集分析，并将监测数据、分析结果上传至所述控制管理模块中；

6、所述前端监控模块用于监测所述风力发电单元、所述低温余热单元、所述轴带发电单元的电力产生量，将监测数据实时发送至所述控制管理模块中；

7、所述控制管理模块连接所述前端发电模块、所述电力算法模块、所述前端监控模块，接收所述电力算法模块与所述前端监控模块的监测数据，并根据监测数据实时拟合电力曲线、分析电能转换率；所述控制管理模块根据拟合、分析结果调整所述前端发电模块流入电网的电量；

8、所述人机交互模块连接所述控制管理模块，显示所述控制管理模块的控制指令、计算结果、拟合曲线，船舶管理人员通过所述人机交互模块手动键入控制指令。

9、通过采用上述技术方案，清洁能源装置为利用海上风浪的高速气流的风力发电装置、利用船舶上柴油机驱动船舶主轴的机械能的轴带发电机、利用柴油机做功热量而发电的高速永磁同步发电机，将船舶上原本应浪费的机械能、热能收集起来转换为电能，供船舶使用；

10、传输到电网中的电量需适配电网中的负载，因此，对应上述风力发电装置、轴带发电机、高速永磁同步发电机设置前段监控模块实时监测发电量，比如，可以通过测量风力发电装置的风叶转速、柴油机的主输出轴转速、柴油机的热量数值大小根据能量转换率得出，这要求前端监控模块与控制管理模块需保持实时的信号传输，将监测信息实时发送至控制管理模块中，由控制管理模块做数据计算与分析；除前端监测模块的监测数据外，电力算法模块的监测数据也是控制管理模块的数据分析来源之一，电力算法模块设置在前端发电模块之间，监测前端发电模块流入电网的电量，即投入使用的电量，并根据电量的使用情况与发电情况可以计算电量的真正转化率，包括电能的利用率、风电转换率、热电转换率等、机械电转换率，将转化率拟合为曲线，供船舶管理人员直接观察；正常情况下，转换率都应趋向平稳，且保持在50%以上。

11、可选的，所述前端监控模块包括发电监控单元、电网监控单元、动力监控单元；

12、所述发电监控单元连接所述前端发电模块，监测所述前端发电模块的发电量，将监测结果发送至所述控制管理模块中；

13、所述动力监控单元监测船内柴油机的燃油量与动能效率，将监测结果发送至所述控制管理模块中；

14、所述电网监控单元监测船内电网的负载，将监测结果发送至所述控制管理模块中；

15、所述控制管理模块连接柴油机，计算、分析所述电网监控单元的监测数据，控制柴油机运行，控制电网的电力输入。

16、通过采用上述技术方案，前端监控模块除监控前端发电模块的发电量外，还能监测电网中的负载，在前端监控模块与控制管理模块的实时信号传输下，控制管理模块依据实时变化的负载，实时调节流入电网的电量，使流入电网的电量始终适配船舶的负载；

17、船舶电网电量适配船舶负载的情况为船舶电能效率最大、额外能耗最低的情况，通过对各类清洁能源发电装置与电网的监控，将船舶的整体电能效率维持在最优范围内；

18、此外，动力监控单元实时跟踪燃油消耗情况，控制管理模块根据燃油消耗情况，以零碳消耗为原则，尽可能减小燃油的消耗，比如，船舶甲板上安装风力推进系统，在航区内风向允许的情况下，通过风力推进系统推动船舶前进，比如，在负载较小时，且航速要求较慢的情况下可停止柴油机的运行，船舶电量完全改为前端发电模块发电。

19、可选的，所述前端发电模块包括多组蓄电池，多组所述蓄电池设置于所述风力发电单元与电网之间、所述低温余热单元与电网之间、所述轴带发电单元与电网之间，储存电量或向电网提供电量。

20、通过采用上述技术方案，风力发电单元、低温余热单元、轴带发电单元转换的电能流入电网之前必经蓄电池，控制管理模块可控制电池的充、放电状态；当负载较大时，即电力需求增加，蓄电池放电、风力发电单元、低温余热单元、轴带发电单元产生的电量直接供给电网，当负载较小时，电力需求减弱，蓄电池的转为充电状态，上述单元产生的电量流入蓄电池中，当负载较大时，蓄电池再次转换状态；

21、蓄电池状态转变除依据负载变化外，还可依据发电量改变，比如，当前风力较急，风力发电装置中风叶转速较快，在一定时间段内风力发电量较大，大于电网中供电量，控制管理模块可通过改变蓄电池的状态将多余的电量储存起来，还可将低温余热单元、轴带发电单元的电能全储存。

22、综上，控制管理模块可根据当前系统中电力的供需关系即时决定电量的储存与释放，实现电能的监控调节。

23、可选的，还包括；

24、热能储存单元，所述热能储存单元连接所述低温余热单元、所述控制管理模块、柴油机，接收所述控制管理模块的指令，储存柴油机的热能，并向所述低温余热单元释放热能。

25、通过采用上述技术方案，热能储存单元是用于低温余热单元的供热源，柴油机是驱动船舶航行的驱动设备，柴油机燃油输出，将热能转换为机械能，柴油机的转换率仅有50%左右，这使得柴油机做功过程中大部分热量散失掉，热能储存单元吸收柴油机做功的热能，并供给低温余热单元，低温余热单元将热能转换为电能；

26、热能储存单元受控制管理模块的控制、动力监控单元的监控，动力监控单元监测到柴油机热量充分吸收之后，热能储存单元直连低温余热单元，使低温余热单元吸收热能，转换电能。

27、可选的，还包括；

28、环境监测模块，所述环境监测模块监测船舶航区内温度、风速等天气信息，将监测信息发送至所述控制管理模块中，所述控制管理模块根据监测信息分析、预测环境情况，通过所述人机交互模块显示。

29、通过采用上述技术方案，环境监测模块主要用于实时监控航区内的天气情况、环境信息，并预测未来一定时间内的天气情况，能够实现三个效果；其一，能够帮助船舶上的生活人员提前预知天气情况，如即将升温、降温等；其二，能够帮助船舶上的工作人员对即将到来的极端天气做出应对，提高航行安全性；其三，能够帮助船舶上管理人员提前分析依靠天气发电的风力发电装置，预测未来一定时间段内，风力发电量的升降情况，提前做好应对。

30、可选的，包括所述控制管理模块包括数据处理单元、逻辑控制单元；

31、所述数据处理单元接受所述电力算法模块、所述前端监控模块、所述环境监测模块的采集信息，根据模块进行信息分类、分析、计算，将结果发送至所述逻辑控制单元中。

32、所述逻辑控制单元根据所述数据处理单元的监测结果生成指令。

33、通过采用上述技术方案，将控制管理模块细分为数据处理单元与逻辑控制单元两个单元，数据处理单元用于处理数据，逻辑控制单元用于生成指令，一个单元用于处理前端监控模块、电力算法模块的监测数据，将每一种能源的利用情况、负载用电情况分析后，拟合电能效率曲线，根据“削峰填谷”的原则，在数据处理单元得出电能效率利用率低的分析结果后，逻辑控制单元开启蓄电池的蓄电功能，将未用掉的电量储存起来，提高电能利用率，当电能利用效率过高，电网电能缺乏时，逻辑控制单元开启蓄电池的放电功能，对电网放电。

34、可选的，还包括；

35、无线模块，所述无线模块包括gps定位模组、专网通讯模组、卫星通讯模组，所述gps定位模组、所述专网通讯模组、所述卫星通讯模组用于船舶的卫星定位，船舶与陆地管理公司的数据传输、信号收发、指令传送等，用于船舶内部人员的内、外网登录。

36、可选的，包括网络信息平台，所述网络信息平台依托所述人机交互模块的服务器建立；

37、所述无线模块还包括4/5g模组、wifi模组；船舶内部人员通过所述4/5g模组、所述wifi模组连接网络，登录船舶内网，进行身份验证后可通过移动端登录所述网络信息平台，使用移动端登录，通过所述人机交互模块向所述逻辑控制单元下达指令。

38、通过采用上述技术方案，无线模块提供了多种网络服务通道，包括利用北斗定位系统进行gps卫星定位服务，包括专网通讯，建立与陆地船舶管理公司之间的指令收发、安全性通信等等；

39、其一，船舶公司能通过网络通讯通道与船舶管理公司进行数据传送，包括船内人员的日常记录、船内控制指令、航线以及航线优化结果、船内各电机的运作情况等，支持陆地船舶公司对船舶的远程监控，在发生紧急情况时，船舶能够迅速通过专网通讯发送求救信号，取得及时救援；

40、其二，无线模块能够提供船员的上网通道，通过连接船舶内部局域网便于船内人员之间的通讯，更能丰富船员的日常生活；

41、其三，利用无线模块与船舶内部的服务器建立网络信息平台，船员可以通过网络信息平台录入自己的安全信息、健康数据，实现船舶管理的多样化、便捷化、有序化；其次，网络信息平台提供通过网络远程实现指令下达的功能，在管理人员通过身份验证后，远程操控船内各系统，当船舶偶遇突发的处理紧急时，船舶管理人员能够有效下达安全性指令。