靠港船舶岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)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(qū)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(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，美國的洛杉磯港口是全球第一個使用岸電系統(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(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[3]；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)；目前正在福建港、寧波港、天津港等一些港口進行船舶岸電系統(tǒng)的建設和實驗[4,5]；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)船舶與港口的自動對接，對岸電電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)的實時監(jiān)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(jiān)控的角度，分析了岸電系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)的設計開發(fā)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)視，每套裝置監(jiān)控視頻點為5。

· 對60 Hz電源系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)運行進行監(jiān)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(lián)絡開關高、低壓側的電氣參數(shù)及狀態(tài)、60 Hz電源裝置環(huán)境溫度等進行監(jiān)控和報表打印等功能。

· 監(jiān)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(jiān)控、視頻系統(tǒng)整合利用，主控室電源由變頻電源裝置現(xiàn)場提供，輔助配套設施的信號統(tǒng)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(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)總體架構可以分為4層[3]：上層系統(tǒng)（港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)）、管理與監(jiān)控層、通信與就地監(jiān)控層、設備層[6]，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、歷史數(shù)據(jù)的查詢、報表生成、打印和Web發(fā)布功能，并提供相應數(shù)據(jù)到各個業(yè)務部門。通信與就地監(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，各電氣設備與通信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(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[7]。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[8]，實現(xiàn)對電壓、電流、溫度、濕度、開關狀態(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、460 V/60 Hz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（外部尺寸為17.5 m×3.5 m×3 m）。

圖2 岸電系統(tǒng)配置原理

2.2 通信與就地監(jiān)控層

通信與就地監(jiān)控層通過現(xiàn)場工業(yè)通信總線（有工業(yè)以太網、RS485、RS232、CAN）把數(shù)據(jù)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(xié)議（如CDT規(guī)約、modbus規(guī)約、CAN2.0B規(guī)約）的設備信息的采集、處理及轉發(fā)，轉化為IEC104規(guī)約格式，并可以根據(jù)需要，配置成不同的傳輸協(xié)議發(fā)送到有關數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)中轉站，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。轉換成一種接口和通信協(xié)議后，就地監(jiān)控系統(tǒng)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(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)通信故障時，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)控的最終目的是完成各種業(yè)務應用，各業(yè)務應用的內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。該層包括通信前置機、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，各功能單元的作用如下。

（1）通信前置機

接收與就地監(jiān)控層中通信管理機的數(shù)據(jù)，并轉發(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60 Hz電源裝置內部溫度、環(huán)境溫度、濕度及網絡通信狀態(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。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(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)具有網絡發(fā)布功能，除直接轉發(fā)數(shù)據(jù)到港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)，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(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)最高管理層統(tǒng)一指揮調度。

3 功能模塊

靠港船舶岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設計，使軟件的整體結構更加清晰、功能更加明確，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。圖3列出了系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

3.1 對外接口

信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)的對外接口遵循國際標準或行業(yè)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(xié)議，可以與主流的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（supervisory control and data acquisition，SCADA）軟件系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互的無縫對接，這有利于與其他系統(tǒng)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(jiān)控、事項報警、數(shù)據(jù)報表等人機交互功能，實現(xiàn)與就地監(jiān)控的同等效果，遠程用戶可以對現(xiàn)場的設備進行實時監(jiān)控[9]。

3.2 應用功能

應用功能包括實時監(jiān)測、運行控制和視頻監(jiān)控。實時監(jiān)測是通過電力系統(tǒng)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(tài)等，并可監(jiān)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(xié)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(jiān)控可以通過軟件客戶端或瀏覽器遠程查看安裝在現(xiàn)場的監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)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(jù)現(xiàn)場設備情況，快速繪制用戶與系統(tǒng)之間的交互圖，并將整個監(jiān)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(fā)出聲響、發(fā)送短信或郵件方式通知用戶[10]。調節(jié)和控制是指監(jiān)控系統(tǒng)可以發(fā)出調節(jié)現(xiàn)場終端設備的參數(shù)和控制現(xiàn)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(tǒng)發(fā)送對時命令，包括監(jiān)控系統(tǒng)的各個節(jié)點機器、RTU等。設備管理是以圖形或文字方式顯示全系統(tǒng)的運行情況，包括測控設備實時監(jiān)視、通信系統(tǒng)運行情況、系統(tǒng)各節(jié)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(tǒng)的安全運行。數(shù)據(jù)采集是采集監(jiān)測設備的模擬量如電壓、電流、溫度、濕度等，數(shù)字量如開關的開與關、指示燈的亮與滅等，數(shù)據(jù)處理的主要數(shù)據(jù)類型有模擬量、脈沖計數(shù)和計算量，計算量也稱為派生量，是由幾個已知的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫訪問服務、分布式控制服務、數(shù)據(jù)傳輸服務、數(shù)據(jù)報表等。數(shù)據(jù)庫訪問服務提供系統(tǒng)平臺與數(shù)據(jù)庫之間的接口服務，實現(xiàn)系統(tǒng)對運行數(shù)據(jù)的存儲、修改、查詢以及對數(shù)據(jù)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(jù)用戶要求讀實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，并組合成通信數(shù)據(jù)集，按規(guī)定的通信協(xié)議與指定的遠方計算機進行通信。數(shù)據(jù)報表是提取存儲在數(shù)據(jù)庫中的各種基本數(shù)據(jù)和統(tǒng)計信息，以統(tǒng)一規(guī)范格式顯示測控點在某一時間段的數(shù)據(jù)記錄以及報警等事項，可以對數(shù)據(jù)進行比較、統(tǒng)計等計算，并對分析結果進行轉存和打印。數(shù)據(jù)傳輸服務提供與監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔、差錯控制、數(shù)據(jù)格式、中斷重連的機制等。網絡支撐平臺為系統(tǒng)內各節(jié)點終端和設備提供信息交換的平臺[9]。

3.5 系統(tǒng)平臺

靠港船舶岸電信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)是多平臺的監(jiān)控軟件，可以運行在主流的Windows和Linux操作系統(tǒng)平臺上，部分功能模塊可以運行在嵌入式系統(tǒng)平臺上，并可根據(jù)現(xiàn)場和用戶需求，提供靈活的系統(tǒng)配置方案。

4 岸電系統(tǒng)運行情況

4.1 運行監(jiān)視

圖4 系統(tǒng)模擬運行

信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視畫面如圖4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)[10]。

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(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。

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，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(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(fā)生的重要歷史事件。

4.5 設備管理

運行在系統(tǒng)內的數(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，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。

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(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，提出了信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)的4層架構設計，并針對實際岸電應用開發(fā)了信息管理與監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以為岸電運行維護人員提供可視化的運行、管理與監(jiān)控，為船舶提供方便、環(huán)保、平穩(wěn)、高效的電力供應監(jiān)控管理措施，有利于提升港口的自動化程度以及運行監(jiān)管效率。目前船舶岸電信息管理系統(tǒng)中的運行控制功能的遠程操作相對常規(guī)和簡單化，隨著未來環(huán)境的多變性，系統(tǒng)運行過程中會存在很大的未知因素，后續(xù)將通過大數(shù)據(jù)分析的強大手段，進行系統(tǒng)的不斷完善和優(yōu)化，以滿足系統(tǒng)安全運行要求。

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