淺談船舶接用岸電技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張娟

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

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(jì)效益。從系統(tǒng)集成的角度出發(fā)，分析了岸電系統(tǒng)的總體分層設(shè)計(jì)。論述了岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)。并結(jié)合具體的工程項(xiàng)目，展示了運(yùn)行監(jiān)視、運(yùn)行控制、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表功能、歷史事件等功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：岸電總體設(shè)計(jì)；岸電系統(tǒng)集成；岸電信息監(jiān)控系統(tǒng)；岸電工程應(yīng)用

1 概述

        靠港船舶接用岸電技術(shù)是伴隨著國(guó)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(jī)對(duì)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(qū)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(jié)能減排的有效手段。

岸電系統(tǒng)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(fù)面影響，各國(guó)當(dāng)前都在大力推廣船舶岸電技術(shù)，美國(guó)的洛杉磯港口是使用岸電系統(tǒng)的港口。目前國(guó)外的岸電項(xiàng)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(guó)內(nèi)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全球首套移動(dòng)式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)，主要針對(duì)集裝箱船舶；2010年10月，連云港港口將首套高壓變頻數(shù)字化船用岸電系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)與高壓岸電系統(tǒng)；目前福建港、寧波港、天津港等一 些港口 正 在 進(jìn) 行船 舶岸電系統(tǒng)的建設(shè)和實(shí)驗(yàn) ；根據(jù)《上海綠色港口三年行動(dòng)計(jì)劃（2015-2017 年）》，到2017年底，新建規(guī)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(shè)備配置率達(dá)100% 。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)岸電的配送研究較多，但是針對(duì)岸電供電系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)研究并不多。岸電供電系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)船舶與港口的自監(jiān)控，以及自動(dòng)計(jì)費(fèi)等功能，一套穩(wěn)定可靠的岸電監(jiān)控系統(tǒng)將為靠港船舶接用岸電的普及做出巨大貢獻(xiàn)。本文借簽國(guó)內(nèi)外岸電研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從岸電信息管理與監(jiān)控的角度，分析了岸電系統(tǒng)的四層框架結(jié)構(gòu)及各層之間的相互關(guān)系，詳細(xì)論述了船舶岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，論文對(duì)船舶接用岸電的方案設(shè)計(jì)研究和項(xiàng)目應(yīng)用，具有很好的參考價(jià)值。

2  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文是以60Hz 移動(dòng)式岸電電源為研究對(duì)象，對(duì)視頻和監(jiān)控系統(tǒng)提出了以下功能設(shè)計(jì)要求：

        （1）對(duì)電源裝置內(nèi)關(guān)鍵部位如變壓器、變頻器、低壓柜等進(jìn)行視頻監(jiān)視，每套裝置監(jiān)控視頻點(diǎn)為5 點(diǎn)。

  （2）對(duì)60Hz電源系統(tǒng)進(jìn)行電氣系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控，包括對(duì)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(cè)的電氣參數(shù)及狀態(tài)、60Hz電源裝置環(huán)境溫度等 進(jìn) 行監(jiān) 控 和 報(bào)表打 印等功能。

（3）監(jiān)控計(jì)算機(jī)及視頻主機(jī)、顯示器均安裝在35KV總降壓站主控室，與原有裝置監(jiān)控、視頻系統(tǒng)整合利用，通過(guò)光纜與變頻電源裝置現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)柜連接，裝置及周邊其它各信號(hào)接入網(wǎng)絡(luò)柜。

（4）增加5套信號(hào)采集裝置（RTU ），采集有關(guān)變頻器的所有開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并上傳后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

根據(jù)上述功能要求，信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)可以分為四層：上層系統(tǒng)（港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)）、管理與監(jiān)控層、通訊與就地監(jiān)控層、設(shè)備層  ，如圖１所示。其中，港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)港區(qū)用電信息的監(jiān)視和控制。管理與監(jiān)控層是根據(jù)港口電力監(jiān)控的業(yè)務(wù)流程對(duì)岸電設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的信息管理、運(yùn)行監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、視頻監(jiān)控與歷史數(shù)據(jù)的查詢、報(bào)表生成、打印和 web發(fā)布功能，并提供給相應(yīng)數(shù)據(jù)到各個(gè)業(yè)務(wù)部門。通訊與就地監(jiān)控層主要是完成岸電系統(tǒng)各電氣設(shè)備的信息集成和運(yùn)行控制管理，各電氣設(shè)備與通訊管理機(jī)之間通過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)總線連接，各設(shè)備相互配合共同完成岸電信息管理與監(jiān)控的任務(wù)。設(shè)備層有岸電電源的主要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)總體框架

2.1設(shè)備層

  設(shè)備層主要由高壓進(jìn)線柜、變壓器柜、變頻器柜、低壓斷路器柜、岸電接線箱和數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備組成 。數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備主要包括智能儀表、PLC控制器、數(shù)字I/O設(shè)備、攝像頭、溫濕度傳感器、互感器等 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、溫度、濕度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、斷路器的監(jiān)視和控制。系統(tǒng)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低壓接線箱等部分組成。其系統(tǒng)配置原理如圖２所示，船舶接用岸電工程應(yīng)用中，主要的設(shè)備安裝在一個(gè)集裝箱內(nèi)（外部尺寸為17.5x3.5x3米），實(shí)物圖和內(nèi)部主要的設(shè)備如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 岸電系統(tǒng)配置原理圖

圖3岸電設(shè)備整體外觀

圖4高壓進(jìn)線柜和變頻器柜

圖 5 變壓器柜

2.2 通訊與就地監(jiān)控層

通訊與就地監(jiān)控層通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)通訊總線（有工業(yè)以太網(wǎng)、 RS485 、 RS232 、CAN）把數(shù)據(jù)采集、控制設(shè)備連接到通訊管理機(jī)，通過(guò)通訊管理機(jī)把不同通訊接口和不同通訊協(xié)議（如 CDT規(guī)約、Modbus規(guī)約、CAN2.0B規(guī)約）的設(shè)備信息采集、處理并轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)化為IEC104規(guī)約格式，并可以根據(jù)需要，被配置成不同的傳輸協(xié)議發(fā)送到有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，在上層業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提出需求后，分發(fā)傳送到指定的應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器。轉(zhuǎn)換成一種接口和通訊協(xié)議后，就地監(jiān)控系統(tǒng)和上層的通訊前置機(jī)就可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口與ＩＥＣ１０４通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備層的信息交互。就地的信息管理和監(jiān)控系統(tǒng)可以在當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的信息采集和運(yùn)行監(jiān)控，方便檢修人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)的了解，同時(shí)當(dāng)與遠(yuǎn)程的信息管理和監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)通訊故障時(shí)，可以就地保存記錄歷史數(shù)據(jù)和事件，保證系統(tǒng)的不間斷數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

2.3管理與監(jiān)控層

靠港船舶接用岸電信息管理與監(jiān)控的目的是完成各種業(yè)務(wù)應(yīng)用，各業(yè)務(wù)應(yīng)用的內(nèi)容以模塊化的方式進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)發(fā)，并共同使用共享的數(shù)據(jù)接口，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作量，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率和可靠度，并增加系統(tǒng)管理的便捷性。該層包括通訊前置機(jī)、信息管理工作站、監(jiān)控工作站、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)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）通訊前置機(jī)：接收與就地監(jiān)控層中通訊管理機(jī)的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)信息給管理工作站

監(jiān)控工作站和上層的港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）信息管理工作站：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)控設(shè)備的通道、虛擬信息點(diǎn)、遙測(cè)點(diǎn)、遙信點(diǎn)、遙控點(diǎn)、事件點(diǎn)的維護(hù)和管理，查看設(shè)備在線情況。

（3）監(jiān)控工作站：可以配置畫面為電力系統(tǒng)模擬運(yùn)行圖，直觀顯示系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，采用不同的顏色表示線路和各開(kāi)關(guān)的運(yùn)行、停運(yùn)狀態(tài)，顯示其工作位置及分閘、合閘狀態(tài)，重要參數(shù)（如頻率、電流、電壓、功率、變壓器及60Hz電源裝置內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度、濕度及網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)等）。當(dāng)設(shè)備發(fā)生遙信變位時(shí)，系統(tǒng)會(huì)有畫面報(bào)警顯示和音響報(bào)警提示。可以控制60Hz變頻電源裝置的啟動(dòng)、停止、復(fù)位等操作。

（4）視頻監(jiān)控：通過(guò)安裝在遠(yuǎn)程的攝像頭，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況，保存視頻記錄信息。

（5）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：可以查詢岸電系統(tǒng)中所有接入設(shè)備的運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中各種接入設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。

（6）打印、Web服務(wù)器：信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，除直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)，港口內(nèi)網(wǎng)可以通過(guò)Web方式，查詢岸電電源運(yùn)行情況。

2.4 港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)

港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)是港口監(jiān)控管理的中央監(jiān)控系統(tǒng)，接收岸電管理監(jiān)控系統(tǒng)以及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息，由港區(qū)管理層統(tǒng)一指揮調(diào)度。

3 軟件設(shè)計(jì)

靠港船舶接用岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，使軟件的整體結(jié)構(gòu)更加清晰，功能明確，方便系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的分工協(xié)作，系統(tǒng)的測(cè)試和維護(hù)也比較簡(jiǎn)單，信息管理及監(jiān)控系統(tǒng)采用可擴(kuò)展的軟件框架，以實(shí)現(xiàn)良好的跨平臺(tái)性、互操作性和可擴(kuò)展性，保證模塊之間信息數(shù)據(jù)的高效互通，并為將來(lái)的系統(tǒng)升級(jí)、功能擴(kuò)展以及與其他系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)功能模塊圖

4 軟件開(kāi)發(fā)

4.1運(yùn)行監(jiān)視

信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視畫面如圖7 所示，監(jiān)視畫面顯示了兩套岸電系統(tǒng)的運(yùn)行情況，直觀顯示岸電系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài) 。

圖 7 系統(tǒng)模擬運(yùn)行圖

4.2運(yùn)行控制

通過(guò)岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)軟件，可以遠(yuǎn)程控制變頻器的工作運(yùn)行狀態(tài)，如圖 8 所示，可以啟動(dòng)、停止、復(fù)位變頻器，通過(guò)運(yùn)行指示燈顯示設(shè)備的當(dāng)前工作情況，并實(shí)時(shí)讀取機(jī)柜內(nèi)和環(huán)境溫度、濕度，了解設(shè)備的工作環(huán)境，在必要的情況下，開(kāi)啟通風(fēng)散熱設(shè)備，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖8變頻器運(yùn)行控制

4.3歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表功能

系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)定的時(shí)間間隔保存在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖9所示，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表功能模塊，可以查詢符合設(shè)定條件的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以圖形、表格形式顯示查詢結(jié)果，并能導(dǎo)出、打印圖形和報(bào)表。

圖9 歷史數(shù)據(jù)查詢

4.4 歷史事件查詢

系統(tǒng)運(yùn)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(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)行維護(hù)人員可以通過(guò)歷史事件查詢軟件，如圖10所示，查詢一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的重要?dú)v史事件。

圖 10歷史事件查詢

4.5設(shè)備管理

運(yùn)行在系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備，可以通過(guò)設(shè)備管理這個(gè)功能模塊，顯示設(shè)備的在線狀態(tài)、運(yùn)行值、實(shí)時(shí)收發(fā)的報(bào)文，如圖１１所示，還可以配置采集設(shè)備的通道類型、通道參數(shù)，信息量的點(diǎn)號(hào)或寄存器地址等。

圖11監(jiān)測(cè)設(shè)備配置管理

5 安科瑞船舶岸電收費(fèi)系統(tǒng)選型

安科瑞Acrelcloud-9000船舶岸電收費(fèi)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的計(jì)量?jī)x表ADW300，監(jiān)測(cè)充電設(shè)備站點(diǎn)和各個(gè)充電箱的運(yùn)行和充電過(guò)程，同時(shí)對(duì)各類故障如充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、充電輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過(guò)微信或支付寶小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請(qǐng)求，控制儀表對(duì)應(yīng)的操控機(jī)構(gòu)，對(duì)充電樁完成充電過(guò)程。

充電設(shè)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(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電運(yùn)營(yíng)的所有功能，包括財(cái)務(wù)管理、變壓器監(jiān)控和運(yùn)營(yíng)分析等功能。

5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)