淺談船舶接用岸電技術(shù)的系統(tǒng)設計與應用

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)的總體分層設計。論述了岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計與工程實現(xiàn)。并結(jié)合具體的工程項目，展示了運行監(jiān)視、運行控制、歷史數(shù)據(jù)、報表功能、歷史事件等功能模塊的設計與實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：岸電總體設計；岸電系統(tǒng)集成；岸電信息監(jiān)控系統(tǒng)；岸電工程應用

1 概述

        靠港船舶接用岸電技術(shù)是伴隨著國家推行“綠色港口”的背景下產(chǎn)生的，主要指船舶泊靠碼頭時利用陸地電源代替船上柴油機對靠港船舶進行供電，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的各種負面影響，各國當前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(tǒng)的港口。目前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(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式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)，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(shù)字化船用岸電系統(tǒng)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(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 行船 舶岸電系統(tǒng)的建設和實驗 ；根據(jù)《上海綠色港口三年行動計劃（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備配置率達100% 。

目前國內(nèi)外針對岸電的配送研究較多，但是針對岸電供電系統(tǒng)的監(jiān)控設計研究并不多。岸電供電系統(tǒng)的自動監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)船舶與港口的自監(jiān)控，以及自動計費等功能，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。本文借簽國內(nèi)外岸電研究成果和實踐經(jīng)驗，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，詳細論述了船舶岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)的設計開發(fā)過程，論文對船舶接用岸電的方案設計研究和項目應用，具有很好的參考價值。

2  系統(tǒng)總體設計

本文是以60Hz 移動式岸電電源為研究對象，對視頻和監(jiān)控系統(tǒng)提出了以下功能設計要求：

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

  （2）對60Hz電源系統(tǒng)進行電氣系統(tǒng)運行監(jiān)控，包括對60Hz裝置、變電供60Hz電源裝置的10KV高壓柜斷路器、60Hz電源裝置低壓總開關(guān)和碼頭60Hz電箱供電開關(guān)、60Hz低壓聯(lián)絡開關(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 行監(jiān) 控 和 報表打 印等功能。

（3）監(jiān)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(jiān)控、視頻系統(tǒng)整合利用，通過光纜與變頻電源裝置現(xiàn)場網(wǎng)絡柜連接，裝置及周邊其它各信號接入網(wǎng)絡柜。

（4）增加5套信號采集裝置（RTU ），采集有關(guān)變頻器的所有開關(guān)量信號，并上傳后臺監(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、設備層  ，如圖１所示。其中，港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對整個港區(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)務流程對岸電設備所采集到的數(shù)據(jù)進行整合，實現(xiàn)遠程的信息管理、運行監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)存儲、視頻監(jiān)控與歷史數(shù)據(jù)的查詢、報表生成、打印和 web發(fā)布功能，并提供給相應數(shù)據(jù)到各個業(yè)務部門。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工業(yè)數(shù)據(jù)總線連接，各設備相互配合共同完成岸電信息管理與監(jiān)控的任務。設備層有岸電電源的主要設備，實現(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設備層

  設備層主要由高壓進線柜、變壓器柜、變頻器柜、低壓斷路器柜、岸電接線箱和數(shù)據(jù)采集控制設備組成 。數(shù)據(jù)采集控制設備主要包括智能儀表、PLC控制器、數(shù)字I/O設備、攝像頭、溫濕度傳感器、互感器等 ，實現(xiàn)對電壓、電流、溫度、濕度、開關(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用中，主要的設備安裝在一個集裝箱內(nèi)（外部尺寸為17.5x3.5x3米），實物圖和內(nèi)部主要的設備如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 岸電系統(tǒng)配置原理圖

圖3岸電設備整體外觀

圖4高壓進線柜和變頻器柜

圖 5 變壓器柜

2.2 通訊與就地監(jiān)控層

通訊與就地監(jiān)控層通過現(xiàn)場工業(yè)通訊總線（有工業(yè)以太網(wǎng)、 RS485 、 RS232 、CAN）把數(shù)據(jù)采集、控制設備連接到通訊管理機，通過通訊管理機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)庫或數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，在上層業(yè)務應用系統(tǒng)提出需求后，分發(fā)傳送到指定的應用系統(tǒng)服務器。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就可以通過標準的以太網(wǎng)接口與ＩＥＣ１０４通訊協(xié)議，實現(xiàn)與設備層的信息交互。就地的信息管理和監(jiān)控系統(tǒng)可以在當?shù)貙崿F(xiàn)對運行設備的信息采集和運行監(jiān)控，方便檢修人員對設備狀態(tài)的了解，同時當與遠程的信息管理和監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)通訊故障時，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)務應用，各業(yè)務應用的內(nèi)容以模塊化的方式進行獨立開發(fā)，并共同使用共享的數(shù)據(jù)接口，從而簡化系統(tǒng)開發(fā)工作量，提高系統(tǒng)開發(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、信息管理工作站、監(jiān)控工作站、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫服務器和打印、 Ｗｅｂ服務器６個功能單元，各功能單元的作用為：

（1）通訊前置機：接收與就地監(jiān)控層中通訊管理機的數(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：可以實現(xiàn)對所監(jiān)控設備的通道、虛擬信息點、遙測點、遙信點、遙控點、事件點的維護和管理，查看設備在線情況。

（3）監(jiān)控工作站：可以配置畫面為電力系統(tǒng)模擬運行圖，直觀顯示系統(tǒng)各設備的運行狀態(tài)，采用不同的顏色表示線路和各開關(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(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)絡通訊狀態(tài)等）。當設備發(fā)生遙信變位時，系統(tǒng)會有畫面報警顯示和音響報警提示?？梢钥刂?span lang="EN-US" style="margin:0px;padding:0px;list-style-type:none;box-sizing:border-box;">60Hz變頻電源裝置的啟動、停止、復位等操作。

（4）視頻監(jiān)控：通過安裝在遠程的攝像頭，可以實時監(jiān)視設備的運行情況，保存視頻記錄信息。

（5）數(shù)據(jù)庫服務器：可以查詢岸電系統(tǒng)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始的操作，直到斷電以后整個操作及運行過程中各種接入設備的運行狀態(tài)信息。

（6）打印、Web服務器：信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)具有網(wǎng)絡發(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Web方式，查詢岸電電源運行情況。

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 軟件設計

靠港船舶接用岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設計，使軟件的整體結(jié)構(gòu)更加清晰，功能明確，方便系統(tǒng)開發(fā)人員的分工協(xié)作，系統(tǒng)的測試和維護也比較簡單，信息管理及監(jiān)控系統(tǒng)采用可擴展的軟件框架，以實現(xiàn)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(shù)據(jù)的高效互通，并為將來的系統(tǒng)升級、功能擴展以及與其他系統(tǒng)的互聯(lián)共享提供無縫連接。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 軟件開發(fā)

4.1運行監(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)的運行情況，直觀顯示岸電系統(tǒng)各設備的運行狀態(tài) 。

圖 7 系統(tǒng)模擬運行圖

4.2運行控制

通過岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)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、停止、復位變頻器，通過運行指示燈顯示設備的當前工作情況，并實時讀取機柜內(nèi)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，開啟通風散熱設備，以保證設備的正常運行。

圖8變頻器運行控制

4.3歷史數(shù)據(jù)、報表功能

系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)通過設定的時間間隔保存在歷史數(shù)據(jù)庫，如圖9所示，通過歷史數(shù)據(jù)、報表功能模塊，可以查詢符合設定條件的運行數(shù)據(jù)，以圖形、表格形式顯示查詢結(jié)果，并能導出、打印圖形和報表。

圖9 歷史數(shù)據(jù)查詢

4.4 歷史事件查詢

系統(tǒng)運行中的重要操作和告警信息，除了以告警窗口和語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，運行維護人員可以通過歷史事件查詢軟件，如圖10所示，查詢一段時間內(nèi)發(fā)生的重要歷史事件。

圖 10歷史事件查詢

4.5設備管理

運行在系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集設備和自動化設備，可以通過設備管理這個功能模塊，顯示設備的在線狀態(tài)、運行值、實時收發(fā)的報文，如圖１１所示，還可以配置采集設備的通道類型、通道參數(shù)，信息量的點號或寄存器地址等。

圖11監(jiān)測設備配置管理

5 安科瑞船舶岸電收費系統(tǒng)選型

安科瑞Acrelcloud-9000船舶岸電收費系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的計量儀表ADW300，監(jiān)測充電設備站點和各個充電箱的運行和充電過程，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；用戶通過微信或支付寶小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制儀表對應的操控機構(gòu)，對充電樁完成充電過程。

充電設備通過加裝物聯(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，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電運營的所有功能，包括財務管理、變壓器監(jiān)控和運營分析等功能。

5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)