港口碼頭供配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)＊

蔡驚濤 劉建寶 錢 美

（1.海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院 天津 300450)（2.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033)

1 引言

我國港口碼頭經(jīng)過多年建設(shè)，均已具備較完善的供配電保障系統(tǒng)［1］，能夠?yàn)轳v泊船舶提供全面的電力服務(wù)。并逐步將信息化管理技術(shù)和裝置引入到供配電管理控制中［2］，如在港口碼頭裝配的箱式變壓器中，用電智能管理系統(tǒng)得到了較為普遍的使用和推廣，實(shí)現(xiàn)了船舶用電和岸基用電的計(jì)算機(jī)自動(dòng)定量管理控制—離線插卡管理控制方式，但部分港口碼頭還無法實(shí)現(xiàn)在線用電信息管理功能。

隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，我國港口碼頭的供配電系統(tǒng)也必須推廣信息技術(shù)的應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)，在線管理港口碼頭供配電系統(tǒng)已經(jīng)被港口碼頭管理部門提到議事日程上來［3，5］。將信息技術(shù)的推廣應(yīng)用作為建設(shè)現(xiàn)代化港口碼頭的重要內(nèi)容，只有提高供配電能力和信息化水平，才能適應(yīng)各類船舶的停靠需求、提高工作效率、加快對(duì)各種緊急狀態(tài)的應(yīng)急反應(yīng)速度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

港口碼頭供配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在滿足駐泊船舶電力需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。監(jiān)控系統(tǒng)要發(fā)揮其應(yīng)有的功能，必須依賴于相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)的選取對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行及功能的發(fā)揮至關(guān)重要。在港口碼頭供配電監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的選取上綜合箱式變壓器和岸電電力連接器的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布圖

其中，五角星符號(hào)表示箱式變壓器內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集設(shè)備點(diǎn)，十字形符號(hào)表示監(jiān)控系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)采集設(shè)備位置。監(jiān)控系統(tǒng)需要完成對(duì)電力連接器的輸出電量值進(jìn)行監(jiān)測，也就是要對(duì)流經(jīng)電力連接器的開關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。連接器內(nèi)安裝有智能電度計(jì)量表，可以由該裝置發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息給監(jiān)控系統(tǒng)。

對(duì)于箱式變壓器內(nèi)部特征數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)需要獲取變壓器高低壓側(cè)開關(guān)的三相電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)。由于箱式變壓器的相關(guān)數(shù)據(jù)均傳輸至該箱式變壓器中配電綜合監(jiān)測儀，所以對(duì)應(yīng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集就可利用該配電綜合監(jiān)測儀提供的RS485信息接口通過轉(zhuǎn)接設(shè)備獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，減少了傳感器和線路的安裝布設(shè)，不需要對(duì)變壓器內(nèi)部設(shè)備作大的改動(dòng)，保證設(shè)備完整性和可靠性。

2.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

要提高監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性，需充分考慮港口碼頭所處地理位置的特殊性，如海浪、鹽分、高溫、雷擊區(qū)等外部自然環(huán)境特性，同時(shí)考慮供配電系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾特性影響以及安裝維護(hù)和未來發(fā)展的需要。在充分考慮上述因素影響的前提下，結(jié)合設(shè)計(jì)原則，該監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)連接圖如圖2所示，圖中擴(kuò)展視頻監(jiān)控和無線監(jiān)控不作詳細(xì)討論。

圖2 港口碼頭監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

目前，主干光纖網(wǎng)絡(luò)可以分為環(huán)型和星型連接兩種結(jié)構(gòu)。如果供配電監(jiān)控系統(tǒng)采用主干光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具備可靠性高，冗余網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)多，可擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)；但缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較多，成本較高，復(fù)雜度增大。主干光纖網(wǎng)絡(luò)若采用星型網(wǎng)絡(luò)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備少，經(jīng)濟(jì)性好，設(shè)備連接相對(duì)直觀簡單，便于維護(hù)。此外考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝位置，由于箱式變壓器內(nèi)部條件以及環(huán)境限制，所以供配電監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為合適。

現(xiàn)場設(shè)備均為RS232/485接口，且部分設(shè)備只提供繼電器信號(hào)輸出模式，因此設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。高低壓側(cè)各種開關(guān)/斷路器狀態(tài)信號(hào)，以及絕緣監(jiān)測報(bào)警信號(hào)接入綜控儀的開入IO口，各電力連接器的饋線電流由電流采集模塊采集后通過擴(kuò)展485接口送入綜控儀。綜控儀和電度計(jì)量表具有獨(dú)立RS232/485通信接口通過串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換進(jìn)入以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。為保證通信線路的可靠，免受現(xiàn)場雷擊、各種干擾、通信距離等條件的限制，可以使用光纖實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 監(jiān)控軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

港口碼頭供配電監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)該簡潔明了，針對(duì)直接用戶的特點(diǎn)與需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。具備如下功能：

1)可記錄船舶基本信息、供電開始時(shí)間、連接電力連接器的情況，停止供電后可以記錄供電結(jié)束時(shí)間并統(tǒng)計(jì)船舶?？科陂g消耗電量；

2)可以顯示主接線圖，實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，可以顯示越限報(bào)警，值班記錄等內(nèi)容；

3)按照時(shí)間順序?qū)Ω黜?xiàng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；

4)具備打印和數(shù)據(jù)上報(bào)的功能；

5)進(jìn)行管理員權(quán)限的設(shè)定和管理。

針對(duì)以上功能要求，目前常用于監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件主要采用基于Windows環(huán)境的采用組態(tài)方式生成的系統(tǒng)工控軟件—即組態(tài)軟件。該軟件于上世紀(jì)80年代初出現(xiàn)，在1995年以后，組態(tài)軟件在國內(nèi)的應(yīng)用逐漸得到了普及。國內(nèi)各個(gè)行業(yè)也在生產(chǎn)調(diào)度SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和控制上得以應(yīng)用。

2.4 現(xiàn)場測控設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)

要實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件和通信設(shè)備的無縫連接，組態(tài)軟件應(yīng)能識(shí)別現(xiàn)場智能設(shè)備。通過應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和現(xiàn)場智能測控設(shè)備驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了組態(tài)環(huán)境下的監(jiān)控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場測控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)的共享和信息通信。

2.5 可靠性設(shè)計(jì)

由于港口碼頭供配電監(jiān)控系統(tǒng)位于較為惡劣的自然環(huán)境中，所以要保證監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要進(jìn)行必要的保護(hù)設(shè)計(jì)。主要的措施和方法如下：

2.5.1 防雷接地保護(hù)設(shè)計(jì)

港口碼頭所處位置位于雷擊多發(fā)區(qū)域，要保證監(jiān)控系統(tǒng)正常可靠的運(yùn)行，須在該系統(tǒng)中做好防雷接地保護(hù)設(shè)計(jì)。

對(duì)于碼頭供配電系統(tǒng)，其主要的設(shè)備變壓器的安裝都有相應(yīng)的接地地網(wǎng)的要求和規(guī)范，如當(dāng)電力變壓器設(shè)置在機(jī)房內(nèi)時(shí)，其地網(wǎng)可合用機(jī)房及避雷器地網(wǎng)組成的聯(lián)合地網(wǎng)；當(dāng)電力變壓器設(shè)置在機(jī)房外，且距機(jī)房地網(wǎng)邊緣30m以內(nèi)時(shí)，變壓器地網(wǎng)與機(jī)房地網(wǎng)或避雷器之間，應(yīng)每隔3～5m相互焊接連通一次，以相互組成一個(gè)周邊封閉的地網(wǎng)。地網(wǎng)可以使用鍍鋅扁鋼（或銅排)、鍍鋅圓鋼（或螺紋鋼筋)等材料按照一定的工藝要求焊接，并按照一定的規(guī)范要求埋植與距地面標(biāo)準(zhǔn)距離的土壤中構(gòu)成地網(wǎng)。具體的工藝標(biāo)準(zhǔn)和要求可以參照相應(yīng)的防雷設(shè)計(jì)規(guī)范。供配電監(jiān)控系統(tǒng)的防雷接地設(shè)計(jì)也可以按均壓、等電位的原理，將工作地、保護(hù)地和防雷地組成一個(gè)聯(lián)合接地網(wǎng)。監(jiān)控室內(nèi)各類接地線應(yīng)從接地匯集線或接地網(wǎng)上分別引入。如圖4為監(jiān)控室地網(wǎng)與避雷器、變壓器組成的聯(lián)合地網(wǎng)示意圖。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合地網(wǎng)示意圖

對(duì)于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)而言主要做好兩個(gè)方面的防雷接地保護(hù)設(shè)計(jì)，一個(gè)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的電源系統(tǒng)的防雷接地保護(hù)；另一個(gè)就是監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)的防雷接地保護(hù)。對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的電源防雷接地保護(hù)主要考慮兩個(gè)問題，一是碼頭本身建設(shè)時(shí)敷設(shè)地網(wǎng)的可靠性，充分利用碼頭外部敷設(shè)地網(wǎng)予以保護(hù)，如果外部地網(wǎng)不完善，則需予以改善增加防雷避雷設(shè)施；另一個(gè)是對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)本身的電源設(shè)備選型時(shí)要充分考慮防雷的要求，在電源設(shè)備的使用上添加必要的防雷裝置予以保護(hù)。對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)信息傳遞網(wǎng)絡(luò)的防雷保護(hù)可以考慮在傳輸線路中使用相應(yīng)的防雷器，如在RS485信號(hào)傳輸中使用RS485防雷器連接保護(hù)，在以太網(wǎng)傳輸端口使用以太網(wǎng)防雷器予以連接進(jìn)行保護(hù)，提高信息網(wǎng)絡(luò)的可靠性。最簡單的單相并聯(lián)式防雷器電路圖如圖5所示。

圖5 單相并聯(lián)式防雷器簡單電路圖

該防雷電路結(jié)構(gòu)簡單，采用復(fù)合對(duì)稱電路，具備共模、差模全保護(hù)。對(duì)于防雷等級(jí)的范圍，需根據(jù)相應(yīng)的壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的不同類型決定。其它一些較為復(fù)雜的防雷電路也基本上從該簡單電路演化而來。本系統(tǒng)選擇的歐寶公司的OBO V25系列電源防雷器，其最大的持續(xù)工作電壓可以達(dá)到505V，標(biāo)稱放電電流可以達(dá)到40KA，最大放電浪涌電流可以達(dá)到100KA；對(duì)于OBO RJ11系列和RJ45系列的弱信號(hào)防雷器，其中RS485接口最大電壓7.5V，最大容通電流為7.5KA，100M以太網(wǎng)防雷器的最大電壓為6.5V，最大容通電流為7.5KA。根據(jù)這些參數(shù)所選防雷器件可以滿足項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)需求。

2.5.2 抗潮濕鹽分高溫設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)布置于碼頭上，直接受外部環(huán)境因素的影響比較直接，尤其是高溫、潮濕和鹽分等因素的影響比較多，對(duì)于這樣環(huán)境下工作的監(jiān)控設(shè)備，在選型時(shí)要相應(yīng)地注意該方面的指標(biāo)要求，設(shè)備應(yīng)具備一定的防護(hù)等級(jí)。對(duì)于那些不能達(dá)到碼頭環(huán)境防護(hù)要求的設(shè)備需要在設(shè)備上做進(jìn)一步的處理，以達(dá)到相應(yīng)的要求。如對(duì)所有安裝于碼頭的電子設(shè)備中的電路板，在保證設(shè)備原有可靠性的前提下噴涂專用的三防漆進(jìn)行“三防”處理，用于防潮、防鹽、防霉。在實(shí)際設(shè)備的安裝使用中，應(yīng)盡量根據(jù)安裝施工要求和條件，增加必要的防護(hù)措施，比如線路布設(shè)時(shí)的套管安裝，安裝位置的優(yōu)化選擇，部分設(shè)備的輔助降溫設(shè)備的選擇和安裝使用等。

2.5.3 抗電磁干擾設(shè)計(jì)

電磁干擾是弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工中的重要部分，尤其是在供配電系統(tǒng)當(dāng)中。對(duì)于港口碼頭的供配電監(jiān)控系統(tǒng)，其主要還是一個(gè)弱信號(hào)系統(tǒng)，易受強(qiáng)電磁環(huán)境的影響，一旦影響較大就會(huì)使監(jiān)控系統(tǒng)工作的不正常，甚至?xí)l(fā)生誤動(dòng)作，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致事故。因此，在進(jìn)行抗電磁干擾設(shè)計(jì)時(shí)，要采用可靠的器件和設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如在主干網(wǎng)絡(luò)采用光纖通信，可以避免電磁干擾；在RS485和以太網(wǎng)端頭添加的防雷器一般具備濾波、防浪涌的功能；選擇網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器時(shí)選擇工業(yè)級(jí)帶隔離的設(shè)備，提高可靠性；在值班室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用屏蔽網(wǎng)線連接而成，要避免外部環(huán)境的影響，尤其注意網(wǎng)絡(luò)接插件的選擇使用，同時(shí)注意屏蔽層的接地問題防止干擾的影響。

3 結(jié)語

通過完成港口碼頭供配電監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，可有效監(jiān)控碼頭供配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、電氣設(shè)備的電氣參數(shù)，駐泊船舶的用電情況，保障港口碼頭供配電系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、可靠運(yùn)行，便于港務(wù)管理部門實(shí)時(shí)、直接地了解和掌握港口停泊船舶供配電的情況，并及時(shí)對(duì)發(fā)生的故障及特殊情況要求作出反應(yīng)，為推動(dòng)港口碼頭建設(shè)和管理的自動(dòng)化、信息化、智能化發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障和發(fā)展動(dòng)力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和顯著經(jīng)濟(jì)效益。

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