淺談船舶接用岸電技術(shù)的系統設計與應用

摘 　 要：船舶采用岸電技術(shù)，可以有效減少環(huán)境污染，減少噪聲，提高經(jīng)濟效益。從系統集成的角度出發(fā)，分析了岸電系統的總體分層設計。論述了岸電信息管理與監控系統的軟件設計與工程實(shí)現。并結合具體的工程項目，展示了運行監視、運行控制、歷史數據、報表功能、歷史事件等功能模塊的設計與實(shí)現。
關(guān)鍵詞：岸電總體設計；岸電系統集成；岸電信息監控系統；岸電工程應用
 
1 概述
靠港船舶接用岸電技術(shù)是伴隨著(zhù)國家推行“綠色港口”的背景下產(chǎn)生的，主要指船舶泊靠碼頭時(shí)利用陸地電源代替船上柴油機對靠港船舶進(jìn)行供電，將船舶用電改為岸上供電，不僅降低港口區污染廢氣的排放量，解決港口的噪聲污染，還可以降低用電成本、提供供電效率，是節能減排的有效手段。
岸電系統能給靠港船舶提供可靠供電，保證船舶正常工作，大大減少船舶靠港時(shí)的各種負面影響，各國當都在大力推廣船舶岸電技術(shù)，美國的洛杉磯港口是使用岸電系統的港口。目國外的岸電項目都是港口陸上電網(wǎng)向靠港船舶同頻率直接供電，主要的碼頭類(lèi)型有集裝箱碼頭，如舊金山港、鹿特丹港，郵輪碼頭有溫哥華港、西雅圖港，另外還有渡船碼頭、油碼頭、天然氣碼頭 。國內港口岸電技術(shù)研究處于起步階段，但是發(fā)展迅速。 2010年7月，上海港外高橋二期集裝箱碼頭安裝使用了首套移動(dòng)式岸基船用變頻變壓供電系統，主要針對集裝箱船舶；2010年10月，連云港港口將首套高壓變頻數字化船用岸電系統應用于“中韓之星”郵輪 ；2011年，蛇口港集裝箱碼頭先后安裝了低壓岸電系統與高壓岸電系統；目福建港、寧波港、天津港等一 些港口 正 在 進(jìn) 行船 舶岸電系統的建設和實(shí)驗 ；根據《上海綠色港口三年行動(dòng)計劃（2015-2017 年）》，到2017年底，新建規模以上集裝箱碼頭及油輪碼頭均具備岸電配置條件，黃浦江旅游船碼頭岸基供電設備配置率達 。
目國內外針對岸電的配送研究較多，但是針對岸電供電系統的監控設計研究并不多。岸電供電系統的自動(dòng)監控系統可實(shí)現船舶與港口的自監控，以及自動(dòng)計費等功能，一套穩定可靠的岸電監控系統將為靠港船舶接用岸電的普及做出巨大貢獻。本文借簽國內外岸電研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗，從岸電信息管理與監控的角度，分析了岸電系統的四層框架結構及各層之間的相互關(guān)系，詳細論述了船舶岸電信息管理與監控系統的設計開(kāi)發(fā)過(guò)程，論文對船舶接用岸電的方案設計研究和項目應用，具有很好的參考價(jià)值。
 
2  系統總體設計
本文是以60Hz 移動(dòng)式岸電電源為研究對象，對視頻和監控系統提出了以下功能設計要求：
（1）對電源裝置內關(guān)鍵部位如變壓器、變頻器、低壓柜等進(jìn)行視頻監視，每套裝置監控視頻點(diǎn)為5 點(diǎn)。
（2）對60Hz電源系統進(jìn)行電氣系統運行監控，包括對60Hz裝置、變電供60Hz電源裝置的10KV高壓柜斷路器、60Hz電源裝置低壓總開(kāi)關(guān)和碼頭60Hz電箱供電開(kāi)關(guān)、60Hz低壓聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)高、低壓側的電氣參數及狀態(tài)、60Hz電源裝置環(huán)境溫度等 進(jìn) 行監 控 和 報表打 印等功能。
（3）監控計算機及視頻主機、顯示器均安裝在35KV總降壓站主控室，與原有裝置監控、視頻系統整合利用，通過(guò)光纜與變頻電源裝置現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )柜連接，裝置及周邊其它各信號接入網(wǎng)絡(luò )柜。
（4）增加5套信號采集裝置（RTU ），采集有關(guān)變頻器的所有開(kāi)關(guān)量信號，并上傳后臺監控系統。
根據上述功能要求，信息管理與監控系統總體架構可以分為四層：上層系統（港區電力監控系統）、管理與監控層、通訊與就地監控層、設備層  ，如圖１所示。其中，港區電力監控系統實(shí)現對整個(gè)港區用電信息的監視和控制。管理與監控層是根據港口電力監控的業(yè)務(wù)流程對岸電設備所采集到的數據進(jìn)行整合，實(shí)現遠程的信息管理、運行監視、控制、數據存儲、視頻監控與歷史數據的查詢(xún)、報表生成、打印和 web發(fā)布功能，并提供給相應數據到各個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)。通訊與就地監控層主要是完成岸電系統各電氣設備的信息集成和運行控制管理，各電氣設備與通訊管理機之間通過(guò)工業(yè)數據總線(xiàn)連接，各設備相互配合共同完成岸電信息管理與監控的任務(wù)。設備層有岸電電源的主要設備，實(shí)現電網(wǎng)10KV/50Hz到船上用電460V/60Hz的變換。
 
圖 1岸電信息管理與監控系統總體框架
2.1設備層
設備層主要由高壓進(jìn)線(xiàn)柜、變壓器柜、變頻器柜、低壓斷路器柜、岸電接線(xiàn)箱和數據采集控制設備組成 。數據采集控制設備主要包括智能儀表、PLC控制器、數字I/O設備、攝像頭、溫濕度傳感器、互感器等 ，實(shí)現對電壓、電流、溫度、濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、斷路器的監視和控制。系統的主回路由12 脈波干式隔離整流變壓器、ACS800變頻器、干式濾波三繞組升降壓變壓器、460V/50Hz低壓接線(xiàn)箱等部分組成。其系統配置原理如圖２所示，船舶接用岸電工程應用中，主要的設備安裝在一個(gè)集裝箱內（外部尺寸為17.5x3.5x3米），實(shí)物圖和內部主要的設備如圖3、圖4、圖5所示。
 
圖2　 岸電系統配置原理圖
 
圖3岸電設備整體外觀(guān)
 
圖4高壓進(jìn)線(xiàn)柜和變頻器柜
 
圖 5 變壓器柜
2.2 通訊與就地監控層
通訊與就地監控層通過(guò)現場(chǎng)工業(yè)通訊總線(xiàn)（有工業(yè)以太網(wǎng)、 RS485 、 RS232 、CAN）把數據采集、控制設備連接到通訊管理機，通過(guò)通訊管理機把不同通訊接口和不同通訊協(xié)議（如 CDT規約、Modbus規約、CAN2.0B規約）的設備信息采集、處理并轉發(fā)，轉化為IEC104規約格式，并可以根據需要，被配置成不同的傳輸協(xié)議發(fā)送到有關(guān)數據庫或數據中轉站，在上層業(yè)務(wù)應用系統提出需求后，分發(fā)傳送到的應用系統服務(wù)器。轉換成一種接口和通訊協(xié)議后，就地監控系統和上層的通訊置機就可以通過(guò)標準的以太網(wǎng)接口與ＩＥＣ１０４通訊協(xié)議，實(shí)現與設備層的信息交互。就地的信息管理和監控系統可以在當地實(shí)現對運行設備的信息采集和運行監控，方便檢修人員對設備狀態(tài)的了解，同時(shí)當與遠程的信息管理和監控系統出現通訊故障時(shí)，可以就地保存記錄歷史數據和事件，保證系統的不間斷數據采集和監控。
2.3管理與監控層
靠港船舶接用岸電信息管理與監控的目的是完成各種業(yè)務(wù)應用，各業(yè)務(wù)應用的內容以模塊化的方式進(jìn)行獨立開(kāi)發(fā)，并共同使用共享的數據接口，從而簡(jiǎn)化系統開(kāi)發(fā)工作量，提高系統開(kāi)發(fā)效率和可靠度，并增加系統管理的便捷性。該層包括通訊置機、信息管理工作站、監控工作站、視頻監控、數據庫服務(wù)器和打印、 Ｗｅｂ服務(wù)器６個(gè)功能單元，各功能單元的作用為：
（1）通訊置機：接收與就地監控層中通訊管理機的數據，并轉發(fā)信息給管理工作站監控工作站和上層的港區電力監控系統。
（2）信息管理工作站：可以實(shí)現對所監控設備的通道、虛擬信息點(diǎn)、遙測點(diǎn)、遙信點(diǎn)、遙控點(diǎn)、事件點(diǎn)的維護和管理，查看設備在線(xiàn)情況。
（3）監控工作站：可以配置畫(huà)面為電力系統模擬運行圖，直觀(guān)顯示系統各設備的運行狀態(tài)，采用不同的顏色表示線(xiàn)路和各開(kāi)關(guān)的運行、停運狀態(tài)，顯示其工作位置及分閘、合閘狀態(tài)，重要參數（如頻率、電流、電壓、功率、變壓器及60Hz電源裝置內部溫度、環(huán)境溫度、濕度及網(wǎng)絡(luò )通訊狀態(tài)等）。當設備發(fā)生遙信變位時(shí)，系統會(huì )有畫(huà)面報警顯示和音響報警提示?？梢钥刂?0Hz變頻電源裝置的啟動(dòng)、停止、復位等操作。
（4）視頻監控：通過(guò)安裝在遠程的攝像頭，可以實(shí)時(shí)監視設備的運行情況，保存視頻記錄信息。
（5）數據庫服務(wù)器：可以查詢(xún)岸電系統中所有接入設備的運行狀態(tài)信息、遙信變位事件，包括從岸電接入一開(kāi)始的操作，直到斷電以后整個(gè)操作及運行過(guò)程中各種接入設備的運行狀態(tài)信息。
（6）打印、Web服務(wù)器：信息管理與監控系統具有網(wǎng)絡(luò )發(fā)布功能，除直接轉發(fā)數據到港區電力監控系統，港口內網(wǎng)可以通過(guò)Web方式，查詢(xún)岸電電源運行情況。
2.4 港區電力監控系統
港區電力監控系統是港口監控管理的中央監控系統，接收岸電管理監控系統以及各業(yè)務(wù)系統的信息，由港區管理層統一指揮調度。
 
3 軟件設計
靠港船舶接用岸電信息管理與監控系統采用模塊化設計，使軟件的整體結構加清晰，功能明確，方便系統開(kāi)發(fā)人員的分工協(xié)作，系統的測試和維護也比較簡(jiǎn)單，信息管理及監控系統采用可擴展的軟件框架，以實(shí)現良好的跨平臺性、互操作性和可擴展性，保證模塊之間信息數據的高效互通，并為將來(lái)的系統升級、功能擴展以及與其他系統的互聯(lián)共享提供無(wú)縫連接。如圖6所示，圖中列出了系統的部分功能模塊及各模塊的間層次關(guān)系。
 
圖 6 信息管理與監控系統功能模塊圖
3.1對外接口
信息管理與監控系統的對外接口遵循標準或行業(yè)標準，滿(mǎn)足開(kāi)放性的要求，軟件采用開(kāi)放式的體系結構，具有良好的擴展能力，在實(shí)際工程應用中，采用標準的以太網(wǎng)通訊接口以及IEC104通訊協(xié)議，可以與主流的SCADA（監控與數據采集）軟件系統實(shí)現信息交互的無(wú)縫對接，這有利于與其他系統的連接與廣泛集成。
基于Web服務(wù)接口，使用用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器完成圖形監控、事項報警、數據報表等人機交互功能，實(shí)現與就地監控的同等效果，遠程用戶(hù)可以對現場(chǎng)的設備進(jìn)行實(shí)時(shí)監控 。
3.2應用功能
應用功能包括實(shí)時(shí)監測、運行控制和視頻監控。實(shí)時(shí)監測是通過(guò)電力系統模擬運行圖，顯示高壓柜、變頻電源、變壓器、低壓電器柜的電壓、電流、功率、頻率、電度量、溫度、濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等，并可監測上述設備的報警信息，如過(guò)流、過(guò)壓、速斷、欠壓、過(guò)（欠）頻率、過(guò)溫、跳閘、故障、煙霧報警等遙測信息。運行控制是通過(guò)設備通訊協(xié)議的遙控命令或是RTU、PLC等控制器，控制斷路器的分閘／合閘，變頻器的啟動(dòng)、停止、復位，排風(fēng)機的啟動(dòng)、停止。視頻監控可以通過(guò)軟件客戶(hù)端或瀏覽器遠程查看安裝在現場(chǎng)的監控攝像頭，了解設備的實(shí)際運行情況。
3.3公共服務(wù)
公共服務(wù)包括圖形平臺、事件服務(wù)、設備管理、安裝管理等。岸電信息管理與監控系統提供非富的圖形控件，包括接線(xiàn)圖、曲線(xiàn)圖、棒圖、趨勢圖、各種開(kāi)關(guān)、按鈕等，可以根據現場(chǎng)設備情況，快速繪制用戶(hù)與系統之間的交互圖，并將整個(gè)監控界面文件以文件格式保存。事件服務(wù)提供對測量值的范圍、限值、變化率、異常等報警，用于生成、保存、查詢(xún)報警事件，通過(guò)彈出報警窗、發(fā)出聲響、發(fā)送短信或郵件方式，通知用戶(hù) 。調節和控制是指監控系統可以發(fā)出調節現場(chǎng)終端設備的參數和控制現場(chǎng)設備的命令。時(shí)鐘同步是指由定位時(shí)鐘提供標準時(shí)間，同時(shí)向系統發(fā)送對時(shí)命令，包括監控系統的各個(gè)節點(diǎn)機器、RTU等。設備管理是以圖形或文字方式顯示全系統的運行情況，包括測控設備實(shí)時(shí)監視、通訊系統運行情況、系統各節點(diǎn)CPU與內存使用情況，在網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)自動(dòng)切換至備用網(wǎng)絡(luò )運行。安全管理是對每一個(gè)用戶(hù)都有操作權限的定義，對每一個(gè)重要操作形成操作日志記錄，有完備的安全管理制度，以保證系統的安全運行。數據采集是采集監測設備的模擬量如電壓、電流、溫度、濕度等，數字量如開(kāi)關(guān)的開(kāi)與關(guān)、指示燈的亮與滅等，數據處理的主要數據類(lèi)型有模擬量、脈沖計數和計算量，計算量也稱(chēng)為派生量，是由幾個(gè)已知的數據經(jīng)過(guò)運算后生成的一個(gè)新的值 。
3.4支撐服務(wù)
支撐服務(wù)包括數據庫訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)、分布式控制服務(wù)、數據傳輸服務(wù)、數據報表等。數據庫訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)提供系統平臺與數據庫之間的接口服務(wù)，實(shí)現系統對運行數據的存儲、修改、查詢(xún)以及對數據庫和表的備份、恢復、修改、刪除等操作。分布式控制服務(wù)是計算機之間的控制信息交換，既包括本地計算機之間的控制信息交換，也包括本地與遠程計算機之間的控制信息交換，該服務(wù)可根據用戶(hù)要求讀實(shí)時(shí)數據庫和歷史數據庫，并組合成通訊數據集，按規定的通信協(xié)議與的遠方計算機進(jìn)行通信。數據報表是提取存儲在數據庫中的各種基本數據和統計信息，以統一規范格式顯示測控點(diǎn)在某一時(shí)間段的數據記錄以及報警等事項，可以對數據進(jìn)行比較、統計等計算，并將分析結果轉存和打印。數據傳輸服務(wù)提供與監測設備的數據傳輸的時(shí)間間隔、差錯控制、數據格式、中斷重連的機制等。網(wǎng)絡(luò )支撐平臺為系統內各節點(diǎn)終端和設備提供信息交換的平臺 。
3.5 系統平臺
靠港船舶接用岸電信息管理與監控系統是多平臺的監控軟件，可以運行在主流的 Windows和Linux操作系統平臺上，部分功能模塊可以運行在嵌入式系統平臺，并可根據現場(chǎng)和用戶(hù)需求，提供靈活的系統配置方案。
 
4軟件開(kāi)發(fā)
4.1運行監視
信息管理與監控系統的監視畫(huà)面如圖7 所示，監視畫(huà)面顯示了兩套岸電系統的運行情況，直觀(guān)顯示岸電系統各設備的運行狀態(tài) 。
 
圖 7 系統模擬運行圖
4.2運行控制
通過(guò)岸電信息管理與監控系統軟件，可以遠程控制變頻器的工作運行狀態(tài)，如圖 8 所示，可以啟動(dòng)、停止、復位變頻器，通過(guò)運行指示燈顯示設備的當工作情況，并實(shí)時(shí)讀取機柜內和環(huán)境溫度、濕度，了解設備的工作環(huán)境，在必要的情況下，開(kāi)啟通風(fēng)散熱設備，以保證設備的正常運行。
 
圖8變頻器運行控制
4.3歷史數據、報表功能
系統運行數據通過(guò)設定的時(shí)間間隔保存在歷史數據庫，如圖9所示，通過(guò)歷史數據、報表功能模塊，可以查詢(xún)符合設定條件的運行數據，以圖形、表格形式顯示查詢(xún)結果，并能導出、打印圖形和報表。
 
圖9　 歷史數據查詢(xún)
4.4 歷史事件查詢(xún)
系統運行中的重要操作和告警信息，除了以告警窗口和語(yǔ)音提示的方式顯示外，還可以保存重要的事件記錄到歷史數據庫，運行維護人員可以通過(guò)歷史事件查詢(xún)軟件，如圖10所示，查詢(xún)一段時(shí)間內發(fā)生的重要歷史事件。
 
圖 10歷史事件查詢(xún)
4.5設備管理
運行在系統內的數據采集設備和自動(dòng)化設備，可以通過(guò)設備管理這個(gè)功能模塊，顯示設備的在線(xiàn)狀態(tài)、運行值、實(shí)時(shí)收發(fā)的報文，如圖１１所示，還可以配置采集設備的通道類(lèi)型、通道參數，信息量的點(diǎn)號或寄存器地址等。
 
圖11監測設備配置管理
5 安科瑞船舶岸電收費系統選型
安科瑞Acrelcloud-9000船舶岸電收費系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的計量?jì)x表ADW300，監測充電設備站點(diǎn)和各個(gè)充電箱的運行和充電過(guò)程，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警；用戶(hù)通過(guò)支付寶小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統發(fā)起充電請求，控制儀表對應的操控機構，對充電樁完成充電過(guò)程。
充電設備通過(guò)加裝物聯(lián)網(wǎng)儀表，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數據交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費和充電運營(yíng)的所有功能，包括財務(wù)管理、變壓器監控和運營(yíng)分析等功能。
5.1系統結構
 
5.2平臺主要功能
1) 資源管理
充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶(hù)檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測
2) 用戶(hù)管理
用戶(hù)注冊，用戶(hù)登錄，用戶(hù)帳戶(hù)管理，消息管理
3) 實(shí)時(shí)監控
對平臺連接的所有充電站和充電箱狀態(tài)進(jìn)行監視，發(fā)生異常情況時(shí)可通過(guò)APP、短信及時(shí)向運營(yíng)人員發(fā)出報警信號，及時(shí)消除火災隱患。
4) 交易管理
平臺為運營(yíng)方提供充電價(jià)格策略管理，訂單管理，賬戶(hù)交易記錄，營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表。
5) 充電服務(wù)
可通過(guò)軟件搜索附近充電設施，查看充電樁設施，并導航至可用充電樁?？赏ㄟ^(guò)在線(xiàn)自助支付實(shí)現充電，充電結算等
6) 小程序
支持支付寶掃碼充電，充電賬單支付。運營(yíng)商和物業(yè)管理人員均可通過(guò)小程序管理，監測充電設施狀態(tài)和充電交易情況。
7) 運營(yíng)分析
對訂單進(jìn)行數據化分析，直觀(guān)展示數據   
5.3 硬件配置
5.3.1.現場(chǎng)硬件配置

 
注：儀表型號數量按實(shí)際的單相、三相和電流規格來(lái)選擇。
5.3.2計量?jì)x表ADW300產(chǎn)品介紹
5.3.2.1型號說(shuō)明
 
5.3.2.2技術(shù)參數
 
 
 
6結語(yǔ)
本文基于船舶靠港時(shí)岸電供給的特點(diǎn)分析了岸電供電監控系統的功能需求，提出了信息管理與監控系統的四層架構設計，并針對實(shí)際岸電應用開(kāi)發(fā)了信息管理與監控系統。該系統可以為岸電運行維護人員提供了可視化的運行、管理與監控，為船舶提供方便、環(huán)保、平穩、高效的電力供應監控管理措施，有利于提升港口的自動(dòng)化程度以及運行監管效率。
 
參考文獻
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