靠港船舶智能陸基供電系統

李 欣，李衛東

靠港船舶智能陸基供電系統

李 欣1，李衛東2

（1. 錦州航星艦船研究所有限公司，遼寧錦州 121000；2. 錦州航星集團有限公司，遼寧錦州 121000）

為了實現綠色港口，保護環境，減少港口CO2等污染物排放，降低大氣和噪聲污染，基于可編程控制器和工控機，運用profibus-dp現場總線技術，設計開發了智能陸基供電系統。系統中在PLC中實現邏輯控制，在工控機中完成監控和管理，進而實現船舶靠港后使用陸基供電系統供電及日常供電管理。應用結果表明該系統實現了靠港船舶日常供電的新方向，其全自動智能監控和管理功能省時、省力、安全可靠，特別適合未來港口船舶?？康陌l展需求。

陸基供電系統 PLC profibus-dp現場總線

0 引言

中國是世界上較大的航運國家，隨著我國水運事業的蓬勃發展，綠色港口發展的需求日益增強，建設“資源節約型、環境友好型”的綠色生態港口得到國家和港口企業高度重視，船舶?？扛酆笸Ｓ么习l電機，改用陸基岸電供電這一節能減排的重大舉措目前正在我國港口碼頭行業逐步展開，因此陸基供電系統應運而生。其簡約的控制邏輯及友好的可視化界面，使陸基供電系統的控制和管理更加便捷，高效。

1 系統方案設計

智能陸基供電系統是基于控制主站與控制子站分層管控的DCS控制模式，子站負責現場的數據采集與控制，而主站采用IPC與PLC[1]相結合的工作方式，負責管理并歸檔全部現場子站的數據并實現遠程集中控制。在主站IPC的監控界面既可以查看現場各種實時數據還可以查看歷史記錄，同時還可以查看系統報警跳閘的實時和歷史記錄，并實現配電斷路器和風機等集中有效控制。

其次，智能陸基供電系統在供電方式上也與眾不同，設計中采用UPS電源集中供電方式，由UPS不間斷電源經過電源模塊變換后向整套系統提供控制電源，包括DC24 V、DC110 V、DC220 V、AC220 V，主要用于控制主站、控制子站、變送器、電路保護監測單元，變壓器風機控制單元，變壓器溫度采集單元、主開關、應急照明電路等，從而實現整個系統中所有控制電源的集中管理、統一分配，確保控制電路穩定可靠工作。特別是當電源突然斷電時，UPS不間斷電源仍然能正常供電一段時間，使系統中監控管理設備做好數據存儲，保證數據的完整性。同時也使電路中關鍵部件恢復到安全狀態，保證了可靠操作及人身安全。系統中控制電路的直流控制電源都取自UPS不間斷電源，未在電路中設計專門的直流控制供電電源，從而使電路的設計簡單可靠，更節省很多空間和成本。從集中監控管理的角度來講，這種設計也確保了系統中數據的實時有效和統一完整。

2 系統硬件設計

智能陸基供電系統采用了集散式控制系統的管理模式。其控制電路原理框圖如圖1所示，主要由以下幾部分構成：IPC智能監控系統、數據處理控制主站[2]，電源逆變子站[2]、配電子站[2]、變壓器子站[2]以及打印機、光纖接口模塊等。IPC和控制主站是整個系統的控制中心，通過工業現場總線[2]在IPC上實現遠程集中管理與操控，這是智能陸基供電系統[3]設計上一大亮點。由于港口陸基供電系統[3]的設計和研制開發工作尚處于初期階段，對其要滿足的標準和實現的功能都在不斷完善過程中，目前港口已經安裝的陸基供電系統都側重于本地監測和操控功能，注重人工板前供電及安全可靠連船。對于大屏幕的遠程集中管理與監控未做過多的研發，特別是與變電站的配電中心及船側的PMS管理系統的數據交換和監控功能都不夠完善，仍需在這方面進行深入研究和探索，因此設計中智能陸基供電系統使用光纖接口模塊，應用現代計算機技術實現與變電站配電中心，與船側的PMS管理系統的信息交換，采用profibus-dp現場總線[2]技術完成主站與各個子站的數據交換。在IPC上通過大屏幕的監控界面實現供電過程中各個配電部門實時監測，安全可靠地對輸入輸出配電進行集中分配和統一管理。實現港口供電[3]的數據統計分析、數據報表、歸檔、供電費率的統計、結算等等。

圖1 智能陸基供電系統控制電路原理框圖

2.1 控制主站

由于在智能監控系統中要實現大量的數據統計和分析工作，因此相對于控制主站的運算速度和處理能力要求較高，設計中采用西門子公司的S7-300[1]系列PLC模塊實現，該系列模塊的CPU處理能力較強[1]，通過對其軟件編程實現陸基供電系統的遠程監控、綜合故障報警等功能。且CPU模塊本身具有以太網及profibus-dp現場總線[1]通訊功能，能夠可靠的實現與IPC及智能子站的數據交換和監控工作，為系統設計中工廠級和現場級的數據交換及數據處理提供有利的保證。

2.2 智能子站

從模塊化角度來劃分，其智能子站包括電源逆變子站、配電子站和變壓器子站。

電源逆變子站：該子站由整流單元和逆變單元組成，并通過整流和逆變單元中智能模塊HCU實現對兩個單元中整流和逆變功率器件的控制，完成不同頻率和電壓的輸出功能。對于整流和逆變單元的參數設置及信息采集由控制主站通過profibus-dp現場總線[2]與整流和逆變單元中智能模塊HCU通訊來實現。其硬件框圖如圖2所示，配電子站：配電子站主要實現進線電源和逆變輸出電源的控制，由進線單元、預充單元、輸出配電單元組成。該子站通過profibus-dp現場總線[2]與控制主站進行交換數據，實現進線、預充及輸出配電單元的控制，同時實時監測各個進出單元的運行狀態，及時做出報警和跳閘處理。

變壓器子站：該子站主要完成進線變壓器和出線變壓器的溫度監測及保護，與控制主站之間的通訊由profibus-dp現場總線[2]總線實現。

圖2 電源逆變子站硬件原理框圖

3 系統軟件設計

智能陸基供電系統的軟件設計可分為智能監控軟件設計和控制主站S7-300[1]中的程序設計兩部分。智能監控軟件設計部分主要是在IPC上完成遠程實時監控的各種畫面設計及數據歸檔處理、報表打印等功能?？刂浦髡維7-300[1]中的程序設計主要是在西門子S7-300[1]的硬件配置環境中實現逆變子站、配電子站、變壓器子站的遠程控制，同時完成控制系統的報警、保護跳閘等功能。

3.1 智能監控軟件（IPC軟件監控界面）

IPC上軟件監控界面是基于力控ForceControl編寫的監控軟件，其交互界面友好，操作簡單方便。主界面詳盡的顯示了現場設備的狀態及其相關電量參數，通過觸摸界面操作人員可直接進行集中控制，實現大屏幕的遠程集中管理與監測。

現階段大多數的陸基供電系統的報表功能不完善，統計分析的數據不全面，對數據歸檔也未做詳細處理。目前，在智能監控軟件界面中對其上述功能進行了完善，并得到了完美體現。尤其是數據報表和統計功能在智能監控軟件設計中做了進一步開發。進入數據報表界面后，通過點選上方的操作按鈕，可以對10 kV的進線電路的電壓、電流、有功功率、無功功率及功率因數等電量參數進行實時在線監測，也可以通過輸入查詢日期查詢歷史記錄，如果需要提交進線電路電量參數的報表文件，可以通過導出報表功能，導出EXCEL表格形式的文件。除了對進線電路電量參數的實時監測、歷史記錄查詢及報表導出外，在數據報表界面，還可以點選上方其他的操作按鈕，分別對變頻電源、輸出計量單元、饋線輸出單元的電量參數，對移向變壓器、隔離變壓器的溫度參數進行與10 kV的進線電路相同的操作。另外，每次充電完成后，用戶能夠直接在報表界面統計本次陸基供電數據，查看供電量和供電費用，并及時填寫數據小票，打印計費憑證等，這些實用的報表統計功能使智能陸基供電系統的應用和操作更加方便實用。

其次，在主監控界面中，可以直接控制配電屏中各個主開關的合分閘，變壓器和濾波器風機的啟動停止，特別是在界面的右下角，設計了變頻電源的操控功能，可以對變頻電源的輸出進行配置，操控電源的啟動停止等等。在監控系統的監控界面，對于配電子站中主開關、接地開關的狀態也做了動畫顯示，其效果形象直觀，一目了然。各母線段的電壓、電流也進行了實時顯示，方便操作人員及時了解現場工況。報警界面可以詳細地查看陸基供電系統發生的報警情況，并及時排除故障，保障系統可靠運行。進入配電屏界面可以更詳盡的查看其中的電量參數，包括各種功率參數，主開關的狀態及手車的位置等等。同樣在逆變電源界面可以更詳盡的查看逆變電源的電量參數，包括兩種輸出電制的設置和進線電源相序等。

因此，從港口對智能陸基供電系統的管理[3]來講，在智能監控軟件側完全可以實現全自動智能監控和管理，省時、省力、安全可靠，特別適合未來港口的智能化及自動化的發展需求。

圖3 陸基供電設備現場安裝使用照片

4 結束語

通過粗略計算，船舶靠岸后如果采用陸基供電系統供電，每用一度電可比燃燒柴油節省成本1元多，對于港口而言，目前我們的系統是2000 KVA陸基供電系統，即使考慮到設備損耗及負載功率因數等因素，保守計算，陸基供電系統每開機一小時，可為船東節省成本1500元。港方可以與船東協商分配收益，特別是后期陸基供電設備的持續運行將為港方帶來源源不斷的利益,目前在北方，國家電網針對陸基供電系統的補貼政策出臺后,利益將更加可觀。

另外，從港口整體減少污染物排放的折算經濟效益看，將大量減少CO2排放，同時約含99%的CO和超過50%的N2O的排放。也將減少船舶發電機組的振動和噪音，改善輪機員維修保養機艙設備的工作環境。對于使用陸基供電技術，大氣和噪聲污染可大幅度降低，燃油消耗也將降低，經濟效益會顯著提高，因此具有高可行性和高可操作性，應用前景廣闊。

[1] 廖常初. S7-300/400PLC應用技術[M]. 第4版. 北京: 機械工業出版社, 2016.

[2] 廖常初. 西門工業通訊網絡組態編程與故障診斷[M]. 北京: 機械工業出版社, 2009.

[3] 劉興宇. 港口船舶岸電技術與實踐[M]. 北京:中國電力出版社, 2018.

An Intelligent Onshore Power Supply System For Ships Berthing in a Harbor

Li Xin, Li Weidong

(1. Institute of Ship Research Jinzhou Hangxing, Jinzhou 121000, Liaoning, China; 2. Jinzhou Hangxin Group Co., Ltd, Jinzhou 121000, Liaoning, China)

In order to realize green port, protect environment, reduce pollutant emissions such as CO, reduce atmospheric and noise pollution, based on programmable controller and industrial computer, an intelligent land-based power supply system is designed and developed by using profibus-dp general technology on site. In the system, the logic control, and the monitoring and management are completed in PLC and the industrial computer so that the power supply and daily power supply management of the land-based power supply system are realized. The application results show that the system realizes the new direction of the daily power supply of the ship by port, with the automatic intelligent monitoring and management function characterising time &effort-saving and high reliability, especially suitable for ship docking at port in the future.

U653.95

A

1003-4862（2019）09-0036-04

2018-02-15

李欣（1975-），女，工程師。研究方向：船舶設備控制系統設計。E-mail: xblixin@163.com