靠港船舶岸電信息管理與監控系統設計

劉舒，白紀軍，萬莎，王皓靖

（1．國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2．上海瑞莉自動化成套設備有限公司，上海 200070；3.科大智能科技股份有限公司，上海 201203）

1 引言

靠港船舶岸電技術是伴隨著國家推行“綠色港口”的背景產生的，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，不僅降低港口區污染廢氣的排放量，解決港口的噪聲污染問題，還可以降低用電成本、提高供電效率，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的各種負面影響，各國當前都在大力推廣船舶岸電技術，美國的洛杉磯港口是全球第一個使用岸電系統的港口。目前國外的岸電項目都是港口陸上電網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[1,2]。國內港口岸電技術研究處于起步階段，但是發展迅速。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，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[3]；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；目前正在福建港、寧波港、天津港等一些港口進行船舶岸電系統的建設和實驗[4,5]；根據《上海綠色港口三年行動計劃（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100%。

目前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監控系統可實現船舶與港口的自動對接，對岸電電壓、電流、功率因數等參數的實時監控以及自動計費等功能。本文借鑒國內外岸電研究成果和實踐經驗，從岸電信息管理與監控的角度，分析了岸電系統的 4層框架結構及各層之間的相互關系，詳細論述了船舶岸電信息管理與監控系統的設計開發過程，對船舶接用岸電的方案設計研究和應用具有很好的參考價值。

2 系統總體架構

本文以60 Hz移動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。

· 對電源裝置內關鍵部位如變壓器、變頻器、低壓柜等進行視頻監視，每套裝置監控視頻點為5。

· 對60 Hz電源系統的電氣系統運行進行監控，包括對60 Hz電源裝置、變電站供60 Hz電源裝置的 10 kV高壓柜斷路器、60 Hz電源裝置低壓總開關和碼頭60 Hz電箱供電開關、60 Hz低壓聯絡開關高、低壓側的電氣參數及狀態、60 Hz電源裝置環境溫度等進行監控和報表打印等功能。

· 監控計算機及視頻主機、顯示器均安裝在35 kV總降壓站主控室，與原有裝置監控、視頻系統整合利用，主控室電源由變頻電源裝置現場提供，輔助配套設施的信號統一并入網絡柜。

· 增加 5套信號采集裝置（remote terminal unit，RTU），采集有關變頻器的所有開關量信號，并上傳到后臺監控系統。

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4層[3]：上層系統（港區電力監控系統）、管理與監控層、通信與就地監控層、設備層[6]，如圖1所示。其中，港區電力監控系統實現對整個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務流程對岸電設備所采集到的數據進行整合，實現遠程的信息管理、運行監視、控制、數據存儲、視頻監控、歷史數據的查詢、報表生成、打印和Web發布功能，并提供相應數據到各個業務部門。通信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，各電氣設備與通信管理機之間通過工業數據總線連接，各設備相互配合共同完成岸電信息管理與監控的任務。設備層有岸電電源的主要設備，實現電網10 kV/50 Hz到船上用電460 V/60 Hz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線柜、變壓器柜、變頻器柜、低壓斷路器柜、岸電接線箱和數據采集控制設備組成[7]。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[8]，實現對電壓、電流、溫度、濕度、開關狀態、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、460 V/60 Hz低壓接線箱等部分組成，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集裝箱內（外部尺寸為17.5 m×3.5 m×3 m）。

圖2 岸電系統配置原理

2.2 通信與就地監控層

通信與就地監控層通過現場工業通信總線（有工業以太網、RS485、RS232、CAN）把數據采集、控制設備連接到通信管理機，通過通信管理機完成不同通信接口和不同通信協議（如CDT規約、modbus規約、CAN2.0B規約）的設備信息的采集、處理及轉發，轉化為IEC104規約格式，并可以根據需要，配置成不同的傳輸協議發送到有關數據庫或數據中轉站，在上層業務應用系統提出需求后，分發傳送到指定的應用系統服務器。轉換成一種接口和通信協議后，就地監控系統和上層的通信前置機就可以通過標準的以太網接口與IEC104通信協議，實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的了解，同時當與遠程的信息管理和監控系統出現通信故障時，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最終目的是完成各種業務應用，各業務應用的內容以模塊化的方式進行獨立開發，并共同使用共享的數據接口，從而簡化系統開發工作量，提高系統開發效率和可靠度，并增加系統管理的便捷性。該層包括通信前置機、信息管理工作站、監控工作站、視頻監控、數據庫服務器和打印、Web服務器6個功能單元，各功能單元的作用如下。

（1）通信前置機

接收與就地監控層中通信管理機的數據，并轉發信息給管理工作站、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

可以實現對所監控設備的通道、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）監控工作站

可以配置畫面為電力系統模擬運行圖，直觀顯示系統各設備的運行狀態，采用不同的顏色表示線路和各開關的運行、停運狀態，顯示其工作位置及分閘、合閘狀態，重要參數（如頻率、電流、電壓、功率、變壓器及60 Hz電源裝置內部溫度、環境溫度、濕度及網絡通信狀態等）。當設備發生遙信變位時，系統會有畫面報警顯示和音響報警提示。可以控制60 Hz變頻電源裝置的啟動、停止、復位等操作。

（4）視頻監控

通過安裝在遠程的攝像頭，可以實時監視設備的運行情況，保存視頻記錄信息。

（5）數據庫服務器

可以查詢岸電系統中所有接入設備的運行狀態信息、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信息。

（6）打印、Web服務器

信息管理與監控系統具有網絡發布功能，除直接轉發數據到港區電力監控系統，港口內網可以通過Web方式，查詢岸電電源運行情況。

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務系統的信息，由港區最高管理層統一指揮調度。

3 功能模塊

靠港船舶岸電信息管理與監控系統采用模塊化設計，使軟件的整體結構更加清晰、功能更加明確，方便系統開發人員的分工協作，系統的測試和維護也比較簡單，信息管理及監控系統采用可擴展的軟件框架，以實現良好的跨平臺性、互操作性和可擴展性，保證模塊之間信息數據的高效互通，并為將來的系統升級、功能擴展以及與其他系統的互聯共享提供無縫連接。圖3列出了系統的部分功能模塊及各模塊的間層次關系。

圖3 信息管理與監控系統功能模塊

3.1 對外接口

信息管理與監控系統的對外接口遵循國際標準或行業標準，滿足開放性的要求，軟件采用開放式的體系結構，具有良好的擴展能力，在實際工程應用中，采用標準的以太網通信接口以及IEC104通信協議，可以與主流的監控與數據采集（supervisory control and data acquisition，SCADA）軟件系統實現信息交互的無縫對接，這有利于與其他系統的連接與廣泛集成。

基于Web服務接口，使用用戶可以通過瀏覽器完成圖形監控、事項報警、數據報表等人機交互功能，實現與就地監控的同等效果，遠程用戶可以對現場的設備進行實時監控[9]。

3.2 應用功能

應用功能包括實時監測、運行控制和視頻監控。實時監測是通過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、開關狀態等，并可監測上述設備的報警信息，如過流、過壓、速斷、欠壓、過（欠）頻率、過溫、跳閘、故障、煙霧報警等遙測信息。運行控制是通過設備通信協議的遙控命令或RTU、PLC等控制器，控制斷路器的分閘/合閘，變頻器的啟動、停止、復位，排風機的啟動、停止。視頻監控可以通過軟件客戶端或瀏覽器遠程查看安裝在現場的監控攝像頭，了解設備的實際運行情況。

3.3 公共服務

公共服務包括圖形平臺、事件服務、設備管理、安裝管理等。岸電信息管理與監控系統提供豐富的圖形控件，包括接線圖、曲線圖、棒圖、趨勢圖、各種開關、按鈕等，可以根據現場設備情況，快速繪制用戶與系統之間的交互圖，并將整個監控界面文件以文件格式保存。事件服務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、查詢報警事件，通過彈出報警窗、發出聲響、發送短信或郵件方式通知用戶[10]。調節和控制是指監控系統可以發出調節現場終端設備的參數和控制現場設備的命令。時鐘同步是指由全球定位時鐘提供標準時間，同時向系統發送對時命令，包括監控系統的各個節點機器、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，包括測控設備實時監視、通信系統運行情況、系統各節點CPU與內存使用情況，在網絡故障時自動切換至備用網絡運行。安全管理是對每一個用戶都有操作權限的定義，對每一個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，數字量如開關的開與關、指示燈的亮與滅等，數據處理的主要數據類型有模擬量、脈沖計數和計算量，計算量也稱為派生量，是由幾個已知的數據經過運算后生成的一個新的值[9]。

3.4 支撐服務

支撐服務包括數據庫訪問服務、分布式控制服務、數據傳輸服務、數據報表等。數據庫訪問服務提供系統平臺與數據庫之間的接口服務，實現系統對運行數據的存儲、修改、查詢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，該服務可根據用戶要求讀實時數據庫和歷史數據庫，并組合成通信數據集，按規定的通信協議與指定的遠方計算機進行通信。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在某一時間段的數據記錄以及報警等事項，可以對數據進行比較、統計等計算，并對分析結果進行轉存和打印。數據傳輸服務提供與監測設備的數據傳輸的時間間隔、差錯控制、數據格式、中斷重連的機制等。網絡支撐平臺為系統內各節點終端和設備提供信息交換的平臺[9]。

3.5 系統平臺

靠港船舶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上，并可根據現場和用戶需求，提供靈活的系統配置方案。

4 岸電系統運行情況

4.1 運行監視

圖4 系統模擬運行

信息管理與監控系統的監視畫面如圖4所示，監視畫面顯示了兩套岸電系統的運行情況，直觀顯示岸電系統各設備的運行狀態[10]。

4.2 運行控制

通過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，如圖5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，并實時讀取機柜內和環境溫度、濕度，了解設備的工作環境，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。

4.3 歷史數據、報表功能

系統運行數據通過設定的時間間隔保存在歷史數據庫，通過歷史數據、報表功能模塊，可以查詢符合設定條件的運行數據，以圖形、表格形式顯示查詢結果，并能導出、打印圖形和報表。

圖5 變頻器運行控制

4.4 歷史事件查詢

系統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據庫中，運行維護人員可以通過歷史事件查詢軟件，查詢一段時間內發生的重要歷史事件。

4.5 設備管理

運行在系統內的數據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、運行值、實時收發的報文，還可以配置采集設備的通道類型、通道參數，信息量的點號或寄存器地址等。

5 結束語

本文基于船舶靠港時岸電供給的特點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4層架構設計，并針對實際岸電應用開發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可視化的運行、管理與監控，為船舶提供方便、環保、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化程度以及運行監管效率。目前船舶岸電信息管理系統中的運行控制功能的遠程操作相對常規和簡單化，隨著未來環境的多變性，系統運行過程中會存在很大的未知因素，后續將通過大數據分析的強大手段，進行系統的不斷完善和優化，以滿足系統安全運行要求。

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