浅谈船舶港口岸电综合监控系统的设计

时间：2020-09-09

摘要：针对现有岸电系统均为简单的“电网一岸电电源一船舶”连接形式，缺乏统一的监控管理软件平台，分析船舶岸电系统对监控系统的需求，提出船舶岸电监控系统的设计思想及各功能实现，介绍监控系统的软硬件。该综合监控系统将船舶岸电系统的运行管理、设备监控、环境监测、视频安防和计量计费等功能统一起来，具有可靠性高、抗干扰能力强、实时性好及维护简单等特点。

关键词：港口;船舶岸电;综合监控系统 ;视频安防;计量计费

0 引言

船舶靠港期间，主要利用船上的副机来满足船舶自用电需求。副机发电的主要燃料一般为重油或渣油，在发电的过程中会产生大量的氮氧化合物、硫氧化合物、挥发性**化合物和颗粒污染物，对港口的空气造成很大的污染。同时,副机发电也会产生较大的噪声，严重影响附近居民及船员的生活和工作。船用岸电技术是指船舶靠港期间停止使用副机而改用岸上电源供电。因此，使用船舶岸电技术,将基本上消除船舶靠港时污染物的排放，有利于港口的绿色建设和节能减排，同时对于船方来说，也可降低燃油消耗成本，经济效益显着。

目前，我国的岸电系统大多为简单的“电网-岸电电源-船舶”连接形式，缺乏相应的监控管理软件平台，岸电运行、设备监控、计量计费及安全防护等缺乏统一的管理，岸电处于粗放式运行状态，这就给船舶岸电的运行管理带来了很多不便，大大增加了船舶岸电的运行和维护难度。因此，有必要将各部分功能相互整合在同一个监控平台系统中，使船舶岸电工作人员对用电环节实施统一操作、集中监控和统一调度,从而实现船舶岸电的信息化管理。

1船舶岸电综合监控系统需求分析

根据船舶岸电系统运行的经验及业主和船方的要求，按照《码头船舶岸电设施建设技术规范》 (JTS155—2012)和IEC/ISO/IEEE 80005-1中对监控系统的要求，船舶岸电综合监控系统应具备以下功能:能够显示船舶岸电系统的运行数据,如高压开关柜、变压器及变频电源的电压、电流、功率因数、频率、有功功率及无功功率等;能够显示船舶岸电系统的运行状态，如系统的开关状态、接电箱的电缆连接状态和综合保护装置状态等;能够及时显示岸电系统运行过程中发生的故障信息; 具备岸电系统管理功能，便于随时查看船舶岸电系统的运行状况的历史记录;具备视频安防功能, 对岸电系统完成无盲区覆盖,可以提高安保水平, 降低工作强度;具备计量计费功能,便于供电方和船方快速结算电费以及实时了解船舶靠港期间的用电量等情况。

2船舶岸电综合监控系统总体架构

船舶岸电监控系统基于系统骨干网，通过接口装置，在SCADA系统软件平台上实现多专业、多系统的数据采集、信息集成和信息共享，为船舶岸电科学、有效地运营组织和管理提供先进的技术手段。船舶岸电监控系统主要由监控中心、光纤环网、岸基监控子网、船基监控子网、视频安防系统及计量计费系统组成，系统整体拓扑架构见图1。

图1船舶岸电综合监控系统整体拓扑架构

2.1监控中心

监控中心是整个监控系统的核心，通过通信系统与各现场系统进行信息交互,完成运行监测、命令下达、数据分析、状态显示和统计分析等功能。通信前置机负责接收各船岸设备及用户的实时数据，进行相应的规约转换和预处理，通过网络传输给监控中心，同时对各设备发送相应的控制命令。操作员工作站完成对岸电设备的实时监控和操作功能，显示各种图形和数据,并进行人机交互，为操作员提供所有功能的入口：显示各种画面、表格、告警信息和管理信息，提供遥控、遥调等操作界面。视频服务器对视频图像信息进行解码和处理，通过显示屏将所有监控的图像显示出来。

2.2光纤环网

光纤环网是监控系统的骨干通信网，物理介质采用环型冗余结构光纤传输(工业以太网 100 Mh∕s∕l 000 Mh∕s),通信协议为TCP/IP协议, 具有速度快、实时性好、可靠性高和抗干扰能力强的优点，可配置为单环网或双环网形式。监控中心和各现场系统通过光纤交换机(工业以太网交换机)接入到光纤环网。

2.3岸基监控子网

岸基部分设备主要包括码头主进线开关设备、变压器、岸电电源、岸基电源输出开关设备和插电箱等，这些设备的测控终端将采集到的数据和信息通过双绞线传送到现场总线,再通过通信单元的数据预处理和规约转换传送到光纤环网。现场总线采用LonWorks技术,可选用双绞线、电力线和光纤等多种物理介质。网络拓扑结构灵活多变.其采用的LonWorks协议遵循ISO/OSI参考模型，实现了0SI所定义的全部7层协议，可根据不同的应用环境而灵活配置。岸基监控子网拓扑结构见图2。

图2 岸基监控子网拓扑结构

2.4船基监控子网

船基部分设备包括电缆收放机构、同步屏装置和主配电屏等。由于这部分设备主要在船上，只有当船舶靠港准备接入岸电系统时，才将这部分设备通过双绞线直接连接到通信单元上。由于每条船上所用的现场总线可能会有所不同，需要通过通信单元进行相应的规约转换，才能将数据信息传输到监控中心，以实现对船上设备的监控。拓扑结构见图3。

图3 船基监控子网拓扑结构

2.5视频安防系统

船舶岸电的视频安防监控系统是24 h掌握船岸设备运行情况及指挥处理设备故障的主要手段。根据船舶岸电主要场所及要害部位现场情况监视的需要安装摄像机，通过视频编码服务器对模拟图像进行编码转成IP数据流，同时选择部分运行信号编码，通过光纤环网传输系统传到后台监控中心,在中心进行统一解码和管理，从而获得实时岸电设备状况和信息，并可根据实际情况实现对相应设备、事件的处理。

2.6计量计费系统

船舶岸电的计量计费系统一般安放在变频电源的输出侧，智能计量装置通过测量岸电电源的输出电压、电流与频率等参数得出用电数据，并将该用电数据通过RS485接口发送给计费装置进行计费，再将用电数据和计费数据通过通信单元接入到光纤环网，然后传输到监控中心进行处理。计量计费系统拓扑结构见图4。

图4 计量计费系统拓扑结构

3监控系统的主要功能

船舶岸电综合监控系统的主要功能有:可监测电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和开关合/分闸状态等电力参数;具有过载、短路、断相、漏电和绝缘监视等综合保护功能;具有计量计费功能，能够显示船舶实时用电量及电费、单次停泊用电量及电费和总用电量及电费等;岸电运行设备发生故障时,实时数据显示报警事件记录，具有不同的告警权限和告警方式，能自动记录继电保护、控制装置和断路器动作的时间和状态，实现图表、曲线、事故追忆的数据采样和保存;丰富的图形编辑及显示功能，在画面上可以根据设备的具体情况直接控制设备，对保护设备进行查询、调整和复归操作等;具有视频实时监控功能，能够24 h视频监控岸电设备的运行情况;具有报表制作、显示和打印功能，可统计和计算数据。

4监控系统的关键硬件

4.1测控终端

测控终端是监控系统中基本的设备，负责完成末端的数据采集与命令下达，并与通信单元进行交互。根据测控对象、处理能力和通信介质的不同，测控终端也分为不同的类型,以达到灵活部署、降低成本的目的。测控终端的核心器件是微处理器和智能收发器,根据应用环境的不同，微处理器可以采用ARM7, ARM9或PowerPC,智能收发器可以选择电力线或双绞线物理层。微处理器主要承担数据采集、预处理以及控制命令辨识等功能, 而智能收发器主要负责在现场总线上收发数据。测控终端的基本结构见图5。

图5 测控终端的基本结构

4.2通信单元

通信单元负责完成数据预处理和规约转换, 是信息上传下达的关键设备，各现场系统的现场总线协议和其他通信协议将通过规约转换和隧道技术在TCP/IP网络上完成传送。通信单元采用高性能嵌入式系统，支持LonTalk协议和IEC60870-5-101,IEC50870-5-103, IEC50870-5-104 和 CDT 等通信规约，具备多个Lon Works双绞线、以太网、 RS232和RS485接口，可以同时与多台不同通信介质的测控终端进行信息交互，并能正确接收、识别、处理和执行监控中心的遥控命令。

5监控系统软件

船舶岸电综合监控系统的软件构架由操作系统、支撑平台和应用功能3个层次组成，层次结构见图6。其中:操作系统选用Unix/Windows混合平台架构;支撑平台提供的通用服务功能包括实时数据处理、历史数据处理、通用报表、图形界面、系统管理、权限管理、告警及计算等;应用功能包括SCADA功能、计量计费功能、安保技防功能及岸电系统运行信息报表。支撑平台位于操作系统与应用功能之间,实现对应用功能的通用服务和支撑，为应用功能的一体式集成提供平台。支撑平台提供标准的服务访问或编程接口，支持用户应用软件的开发。

图6 监控系统软件架构

5 安科瑞船舶岸电收费系统选型

安科瑞Acrelcloud-9000船舶岸电收费系统通过物联网技术对接入系统的计量仪表ADW300，监测充电设备站点和各个充电箱的运行和充电过程，同时对各类故障如充电机过温保护、充电输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警;用户通过微信或支付宝小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制仪表对应的操控机构，对充电桩完成充电过程。

充电设备通过加装物联网仪表，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电运营的所有功能，包括财务管理、变压器监控和运营分析等功能。

5.1系统结构

5.2平台主要功能

1)资源管理

充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测

2)用户管理

用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理

3)实时监控

对平台连接的所有充电站和充电箱状态进行监视，发生异常情况时可通过APP、短信及时向运营人员发出报警信号，及时消除火灾隐患。

4)交易管理

平台为运营方提供充电价格策略管理，订单管理，账户交易记录，营收和财务相关报表。

5)充电服务

可通过软件搜索附近充电设施，查看充电桩设施，并导航至可用充电桩。可通过在线自助支付实现充电，充电结算等

6)微信小程序

支持微信或者支付宝扫码充电，充电账单支付。运营商和物业管理人员均可通过小程序管理，监测充电设施状态和充电交易情况。

7)运营分析

对订单进行数据化分析，直观展示数据

5.3 产品选型

注：仪表型号数量按实际的单相、三相和电流规格来选择。

6结语

当船舶靠港接上岸电电源后，船舶岸电综合监控系统可以帮助工作人员对整个岸电系统进行集中监控，从而*且准确地掌握各岸电设备运行的实时信息、实时状态以及船舶的用电数据、用电费用等情况，及时发现设备运行中的故障，并做出相应的决策和处理，确保所有岸电设备安全可靠运行。该综合监控系统具有可靠性高、抗干扰能力强、实时眭好及维护简单等特点，在船舶岸电系统运行监控、数据采集和计量计费等方面发挥重要作用。

参考文献

[1] 彭传圣.欧盟建议的靠泊船舶使用岸电方案[J].水运科学研究，2007(6)：44—46.

[2]王金波,胡学忠,颜明东,方云辉,刘元晖,吴新刚.港口船舶岸电综合监控系统设计与实现[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版

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