浅谈船舶港口岸电信息监控系统的设计架构与应用

关键词：船舶岸基供电；信息监控；Modbus on TCP
 
0 引言
      随着船舶污染物排放控制标准日趋严格，船舶靠港使用岸电已成为控制港口船舶污染物排放的重要措施之一。目前，欧美等地的发达国家已普遍推广使用岸电，我国也已开始开展船舶岸电系统技术研究及其应用推广工作。船舶靠港使用岸电既是航运业的一个重要发展趋势，也是建设绿色港口的实际需求。国内在船舶中压交流岸电系统研究方面已取得较大进展，国产的船端产品（如电缆卷筒、岸电配电屏）和岸端变频电源等都已得到应用。近年来，结合港口建设的需要和国家在岸电建设上给予的财政补助，岸电建设项目逐渐增多，已形成一定的规模 。
船舶在靠港期间使用岸电时，需对高压电站、岸基变频电站（含变压器）、岸电接电箱、电缆卷车和船端高压配电屏等设备进行实时监控，确保岸电上船并网安全，并提供岸电供电期间的安全联锁功能，实现电力调度和电能管理等功能。同时，系统应能利用不同的通信方式将这些信息推送出去，使操作人员能通过中控或本地的电脑终端、手机APP等方式实时了解岸电使用情况，确保系统安全、可靠运行。
 
1 概述
      一般来说，船舶岸基供电系统主要包含岸端变频电站、船岸连接部分和船端同步并车装置等3部分（见图1）。以高压 － 高压上船方式为例，船舶岸基供电系统主要由以下设备组成 。
1）岸端变频电站：变电所高压馈线柜，变频电站内高压进线柜、整流单元、移相变压器、逆变单元、隔离变压器、高压馈线柜等。
2）船岸连接部分：岸边接电箱、电缆卷筒等。
3 ）船端设备：岸电接入屏、并车屏等。
 
图 １船舶岸基供电系统示意
      船舶岸基供电信息监控系统主要通过应用计算机及控制技术、网络技术和视频技术，实现船舶靠港使用岸电过程中融合设备监控、视频监控和信息管理等功能的一体化监控，通过与港口三遥系统和抄表系统进行后台对接，在管理层面实现远程电力调度和电能管理功能，提升船舶靠港期间使用岸电的安全性和可靠性。
设备监控系统主要实现对系统相关设备的运行数据进行实时采集和控制及系统各相关设备之间的安全联锁保护等功能；视频监控系统的主要功能包括现场设备运行状态及相关人员现场操作过程实时监控，视频内容存储、查询和汇总等；信息管理系统主要实现对监控采集数据进行分析、处理和存储，根据用户需求将数据打印、汇总并分发给其他系统、客户端及手机APP 。
船舶岸基供电信息监控系统硬件主要由以下几部分组成。
1）信息采集与设备控制系统：双CPU（ Central  Processing  Unit）冗余PLC（ ＰProgrammable  Logic  Controller）控制站、远程IO站、上位监控计算机、数据服务器、通信接口模块（与三遥系统、抄表系统等对接）。
2）视频监控系统：箱式变频电源电站、变电所和码头接电箱等工作区域的摄像机、硬盘录像机、成对光收发器、液晶显示器等。
3）信息管理系统： WEB服务器、客户端和手机APP等。
4）网络设备：三层交换机（ VLAN划分）、视频数据交换机、控制网络交换机、船岸光纤通信接口模块和无线数据传输装置（船岸备用通信）。
 
2 系统架构设计
      本文主要结合黄骅港岸基供电系统的实际应用，对船舶岸基供电信息监控系统进行说明。船舶岸基供电信息监控系统主要通过设备监控、视频监控和信息化等手段实现港口岸电系统的一体化管控。系统在网络架构上分为管理层、就地层和现场层等3层，具体见图2 。
 
图 2 船舶岸基供电信息监控系统硬件网络图
2.1 管理层
      管理层部署在港区控制中心，主要用于对系统进行整体监控和信息管理。
1）岸电监控及信息管理系统，在控制中心部署岸电控制终端、三遥系统终端、消防主机、信息管理终端和电话终端等，通过控制以太网来与就地层的相关设备（如集装箱内的双CPU冗余PLC信息采集及监控系统、集装箱及港区变电所相关高压进出线柜、变频电源装置和高压保护装置等）通信。
2）视频监控系统，在控制中心配置视频综合管理平台和LED显示大屏等设备，所有现场视频信号进入视频综合管理平台，根据预设的投屏策略，将需显示的信息以静态或轮询的方式显示在LED显示大屏上，画面可根据需要作分屏和拼屏处理。
      在网络规划方面，在控制中心部署一套核心交换机，在核心交换机上对系统网络进行 VLAN划分，并对视频虚拟网络和控制虚拟网络进行严格区分。同时，核心交换机经过网络安全设备之后接通Internet网络，为信息监控系统提供外网服务。
2.2就地层
      就地层部署在集装箱式变频电站内，主要实现控制系统信息采集、控制中心命令接收及设备控制、视频信号采集及存储和本地视频显示等功能。
1）岸电监控系统，在箱式变电站内配置双CPU冗余PLC控制系统、IO设备、监控上位机和控制层交换机等，实现与控制中心的控制终端和信息管理终端的通信，上传本地岸电设备信息及系统状态，接收控制中心指令。
2）视频监控系统，在箱式变电站内配置监控摄像机、视频信号光收发器、视频交换机、硬盘录像机和液晶显示器等设备，所有现场的摄像机和集装箱内的摄像机通过光电转换设备转换成光路信号，通过光纤进入集装箱，转换成电信号进入硬盘录像机。液晶显示器通过VGA线或HDMI线接入硬盘录像机，既可查看各摄像头记录的实时影像，也可查询历史视频信息。在网络设计上，视频网络的汇聚层交换机与控制网络的汇聚层交换机严格分开，分别通过光纤与控制中心核心交换机不同VLAN的端口连接。
      双CPU冗余PLC控制系统通过光纤网络连接船载岸电管理系统，实现岸电上船及并车的系统状态和安全信息交互，同时部署一套无线数传设备，作为双方通信的备用设备，确保船岸通信稳定、可靠。
2.3 现场层
      现场层的设备主要包括摄像机、岸边接电箱内设备、港区变电所内高压馈线柜、箱式变电站内变频电源、高压进出线柜和消防系统等，这些设备分别通过视频网和控制网接入岸电监控信息管理系统的视频系统、三遥系统和消防系统等。
 
3 系统功能
      船舶岸基供电信息监控系统通过与PLC控制系统、三遥系统、抄表系统及视频监控系统进行数据交互，采集船舶靠港使用岸电期间各系统或设备（包括变频电源、高压进出线柜、综合保护装置、岸边接电箱和电能质量装置等）的状态和电力参数，管理岸电的上船和离船，控制岸电与船电并网自动转移负载，实现岸电连船全过程作业管理，并提供岸电系统的设备管理、电能管理、报警管理、安全保护和WEB发布等功能。船舶岸基供电信息监控系统功能见图３.
 
3.1 控制系统功能
      船舶岸电信息监控系统可实现所有变频电站设备（包括变压器、变频电源、线路和补偿装置等）的保护、监测、控制和调节等功能，保证港区变电所和码头箱式变电站安全运行；同时，能在控制中心的岸电监控终端和信息管理终端、箱式变电站监控上位机上浏览岸电系统及各设备的状态、变电站工况参数和历史数据趋势图等，并能实现报警及故障管理、报表查询及打印等功能。
3.1.1 数据采集显示及控制
      控制系统通过 I/O接口或通信的方式获取相关设备的运行状态，如：高压开关柜的状态；变频电源的运行状态；变压器运行状态；消防、通风和照明等系统的状态。用户可通过上位机观测各设备的运行状态。操作人员可通过上位机对相关设备进行远程操控，达到改变系统设备状态的目的。
设备监控系统的功能主要包含进线开关柜监控、出线开关柜监控、移相变压器监控、隔离变压器监控、变频电源监控和岸边接电箱监控。
3.1.2　船岸通信
      岸电系统可通过光纤与船电控制设备进行实时数据交互，用户可通过上位机界面实时了解船岸并网和船端设备的运行状态等关键数据，以确保船岸设备稳定、可靠运行。
根据 IEC/ISO/IEEE80005-1的要求，船载岸电与港口岸基系统数据通信光缆采用多模光缆，以无线通信方式作为冗余。光纤通信及无线通信协议均采用TCP/IP ，通信内容包括以下2部分。
1）岸基系统向船载系统输出信号：断路器位置、高压准备就绪、相电压、线电流、报警信号和电量计数。
2）船载系统向岸基系统输出信号：母线电压 Ｘ３ 、进线开关电流 Ｘ３ 、电源频率、电源相角、高压启动请求、岸基高压开关分／合指令、进线开关位置、接地开关位置、紧急停止信号、船名及身份识别。
3.1.3　岸电上船／离船控制
      船舶靠港之后，船舶岸基供电信息监控系统通过光纤或无线通信的方式与船端岸电控制屏通信，将岸端供电系统的状态等信息发送给船端，同时接收船端设备发送的信息。岸端信息监控系统根据通信数据识别所在泊位的船型、容量和电压制式，自动选择输出相应的电源电制和容量，满足船舶用电需求。
岸电上船／离船的指令既可由岸端管理系统发出，也可由船端系统发出，下面以岸端发出为例，对连船流程进行介绍。
3.1.3.1 岸电上船（靠泊送电）
      岸端操作人员通过船舶岸电新监控系统检查岸端供电系统的状态，通知船端操作电缆卷车并下放高压电缆和插头，同时与岸边接电箱进行可靠连接。岸端供电系统高压供电回路电源开关按从输入侧至输出侧受控的顺序依次闭合，启动变频电源。同时，岸端信息监控系统向船端发出通信请求，待船端确认之后建立船岸通信。岸端供电系统通过数据通信识别靠泊船舶的船型和电源电制，经人工确认，控制变频电源输出符合船端用电要求的电源，并保持稳定、可靠、持续运行。
岸端供电系统跟踪船侧电网的电压、频率和相位角，调整变频电源的电压、频率和相位角，使其与船端电网的电压、频率和相位角同时完全相等，随后向船端系统发出并车指令，进行岸电上船并网，负载从船电转移到岸电，船上控制设备同时断开船侧发电机相关开关，控制发电机停止运作。具体岸电上船流程见图4 。
 
图 4　 岸电上船流程
3.1.3.2　 岸电离船（断电离泊）
      岸端供电系统向船上控制设备发出发电机启动运作指令，跟踪船侧电网的电压、频率和相位角，调整变频电源的电压、频率和相位角，使其与船侧电网的电压、频率、相位角同时完全相等，随后向船上控制设备发出控制闭合船侧发电机相关开关及打开船电、岸电隔离开关的指令，进行岸电离船，负载电流受控从岸电转移到船电操作。
当船电、岸电隔离开关和岸基主回路电源开关可靠断开之后，控制变频电源停止输出。岸端供电系统主回路电源开关按从输出侧至输入侧的顺序依次断开。将船舶岸电电缆从岸电接线箱拆除，完成岸电离船操作。具体岸电离船流程见图5 。
 
图 5　 岸电离船流程
3.1.4　联锁保护与报警
      在PLC上根据预设联锁预案编辑保护功能，控制器与通风、照明、消防等设备均互联互通，一旦有特殊情况发生，系统将自动发出提示警报，并自动执行预案指令。
3.1.5 数据存储及查询
信息监控系统采用数据库存储采样数据及其他系统信息，主要包括用户操作历史记录、设备状态、流程故障、电参数数据和抄表数据等。系统对采样数据进行记录和存储，并将其发送给变电所相关监控计算机。用户可根据自身需求，通过不同检索方式查询所需信息，并按一定格式打印成报表、电子表格等纸质文档。
3.1.6 用户及权限管理
用户可按操作权限等级分为管理员级、工程师级和操作员级。系统可为不同级别的人员分配不同的权限。用户可根据自身需求增减每个级别登录帐号的数量，并给每个帐号设置独立的密码。每个帐号的登录、退出及其他操作的历史数据会被系统记录，以备查阅。
3.2 视频监控功能
l 在港区变电所、集装箱式变频电站、岸边接电箱和作业现场等地布设高清摄像机，通过光收发器将视频
l 信号传给箱式变频电站内的视频交换机，分别进入箱式变频电站内的硬盘录像机和控制中心综合管理平台。
l 视频信号既可在箱式变频电站内通过硬盘录像机的 ＶＧＡ ／ ＨＤＭＩ口输出到本地液晶显示器上显示，也可在控制中心通过视频综合服务平台送到 ＬＥＤ 大屏上显示。
l 这 ２ 种方式都可对视频信号进行拼屏、分屏和视频源切换等操作。同时，可在视频画面上叠加摄像机名称和位置等信息。具体视频监控功能如下：
1）实时视频监视功能。系统为用户提供高清晰度的实时图像，具有单画面模式与多画面模式切换的功能，能实现轮巡、快捷键调取和图像抓拍。
2）远程控制功能。用户可在监控终端上通过键盘和鼠标对摄像机的焦距、俯仰和水平旋转等进行控制，可自动或手动切换观察区域的画面。
3）图像存储和回放功能。系统具有对实时视频信息进行自动连续存储的功能，能根据时间、地点、事件等条件触发存储的存储策略。用户可根据时间、地点和事件等条件进行检索和回放。
4）管理功能。视频监控系统使用灵活、方便，具有用户鉴权和分级管理的功能。
3.3 安全保护功能
船舶岸基供电系统供电涉及到的设备既包括岸端的变频电源和变压器，又有船载变压器、岸电屏、并车屏及船舶电站系统。为保证设备安全运行，还需采取相关的安全保护措施，如船岸等电位保护、短路保护、过载保护、相序保护、欠／过压保护、欠／过频保护、接地故障保护和变压器超温保护等。同时，还应在操作上提供硬件联锁功能，防止误操作，如：开关与地刀联锁；开关与电缆插头联锁；岸边接电箱箱门与开关联锁；地刀与电缆插头互锁等。
3.4 信息管理功能
3.4.1 连船作业管理
3.4.1.1 计划管理
      计划员将近期的船舶计划（泊位计划和岸电上船计划）录入管理系统，系统根据船名、船东、流向等信息和船舶代理公司提供的船名、航次等信息，结合泊位信息和设备利用情况等自动生成作业计划。计划主管根据泊位及设备、天气等情况对作业计划进行审核和调整，排定作业计划。
作业计划确认之后下发给港口生产管理系统。生产管理人员按照作业计划进行生产作业，岸电系统管理人员按照作业计划做好船舶岸基供电准备及操作等工作。
作业计划、计划变更和计划执行情况都会自动记录在系统中，以备管理人员事后查询。
3.4.1.2 作业实绩管理
      船舶岸基供电信息监控系统将统计好的作业实绩数据（包括船舶信息、电能信息和作业过程数据等）保存到数据库中，管理人员得到相关作业数据之后进行汇总、确认和编辑，形成作业实绩进行记录并录入系统。
系统提供数据实时查询和生产报表分析的功能。
3.4.1.3 作业交接管理
      船舶岸电作业完毕之后，生产部门组织相关方（船方、港口）进行交接。在交接时，按操作流程填写作业
交接单，确认作业数据。交接完毕之后，作业交接单一份交给港口销售部门保存，一份传给船公司留作比对。
交接记录结合作业实绩记录，作为供电方（港口）与使用方（船方）的电量结算依据。
3.4.2 设备管理
      设备管理模块为船舶岸基供电系统提供设备和资产的维修保养、采购管理、使用人员管理、设备证书管
理、使用管理和物料管理等功能，实现港区变频供电系统所有设备（含备件物料）的资产日常管理和运维管理。
1）资产日常管理包含船舶岸电系统的资产台账、资产转移、资产维修、资产盘点、资产报废、资产处置和备件管理。用户可将设备信息录入系统，生成资产卡片，系统实时更新和记录跟踪设备全方位管理的各个属性及关联信息，支持设备统一编码、打印条码或二维码，并可根据使用部门及负责人等信息进行查询、订阅和推送通知。
2）设备运维管理包含船舶岸电系统的设备维护预警、检修计划管理、远程维护、维护过程记录和维护预警，实现对设备和部件使用年限的自动报警功能；远程维护实现运维人员在异地远程登录的申请和登录。
3.4.3 电能管理
      岸电信息监控系统与三遥系统通信，通信协议选用IEC61850-104 或 Modbus TCP ，采集电压、电流和功率因素等参数，进行遥测人工置数、零飘处理、遥测越限报警、各种统计（日月Max、Min和平均值）和事故追忆等，能实时查看并处理开关和刀闸状态、保护硬接点和变压器分接头位置，同时具有保护动作、保护告警、事故总遥信、预告总遥信等功能；能进行遥控封锁和允许、开关及保护动作次数统计；能接收电度表数据，积分计算电量，并按照电度量的日、月、年进行峰、谷、平统计和分析；系统还提供有功无功功率总加、安全天数自动计算、变压器负荷率和损耗统计、母线不平衡率和母线电压运行参数不合格时间及合格率统计、电容器电抗器的投入时间和利用率及投切次数统计、遥控遥调次数和成功率统计等复合功能的统计分析功能。
3.4.4 报警管理
      系统可保存设备运行过程中的所有故障信息，包括故障名称、故障发生时间、故障复位时间和故障内容等。故障管理可提供故障查询、故障分析和重复故障率统计等功能，并提供故障帮助文档，为使用者提供故障的分析维修建议。
当设备发生故障或故障复位时，相关信息首先被存储在PLC的寄存器中。同时，控制系统会从PLC中将当前发生或复位的故障信息上传到上位计算机的数据库中，并在控制系统组态软件的画面上显示。存储的故障信息包括故障编号、故障名称、故障发生时间和故障复位时间。
系统可根据条件对故障进行分类查询，查询具体故障发生的概率和频次等。
3.4.5 移动端APP
      在控制中心部署一套船舶岸基供电信息管理系统，建立标准的WEB SERVICE通信服务接口，一方面与PLC控制系统通信，获取环境参数、设备参数和生产过程数据，另一方面与三遥系统通信，获取系统电力调度数据和电力保护数据信息；在此基础上，对数据进行整理、统计和分析，组织好的数据信息通过WEB服务器发布，并实时推送到手机APP端，实现对数据的移动查询。
3.5 与同类系统的对比
1）船舶在靠港期间会关闭船上的主副引擎，使用岸基供电电源，因此岸基供电必须保证安全、可靠，否则会直接影响船舶靠港的正常作业和生活，甚至引发安全事故。目前岸基供电系统一般从电源、接地检测和配电屏等硬件部分考虑，较少从整个船／岸供电系统考虑。本文提及的监控系统将船、岸供电系统视为一体，充分保障船岸通信的实时性、有效性和可靠性，从软件和硬件等多方面实现系统的安全联锁，保证船舶使用岸电的可靠性和安全性。
2）当前的岸基供电系统大多聚焦在岸基供电的功能实现上，较少考虑岸电系统与外部系统的对接，缺乏后续管理上的延伸功能开发。本文阐述的监控系统不仅考虑岸基供电系统的工况监控，还实现岸基供电系统与三遥系统和抄表系统的交互，一方面实现船舶靠港使用岸电的正常作业管理，另一方面从管理层面实现港口的电力调度、电量统计和结算等，并做好与计费清算系统的接口；同时，实现岸电系统的设备管理和故障管理等，提供多样化、多维度的统计分析功能。在此基础上，监控系统能通过多种渠道将系统关键信息推送给至 ＡＰＰ 、微信公众号和网页上。这些功能是目前国内大多数在建岸电系统所不具备的。
 
4 系统特点
1）安全性：控制系统在软硬件设计上将安全性放在有供电系统的“五防机械联锁”，又在产品设计本身和软件上考虑软联锁，包括等电位保护、短路保护、过载保护、相序保护、欠／过压保护、欠／过频保护、接地故障保护和变压器超温保护等，确保系统供电安全。
2）可靠性：控制系统充分体现可靠性设计原则，PLC控制系统采用双CPU、双电源和双通信模块的冗余设计，控制器任一器件损坏不影响系统正常运行。在船岸通信上，既设计船岸的光纤通信，又保留无线通信作为备用通信方式，确保船岸信息交互的可靠性。
3）易操作和维护：提供友好清晰的操作界面、快捷方便的报表查询、WeB浏览和移动端查询服务。
4）高集成性：系统集实时监视、故障分析、业务统计和运行维护等功能于一体。
 
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

 

1.	ADW300		三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相位角、频率测量；电压电流相角、电压电流不平衡度；电压、电流总谐波及2-31分次谐波；当月和上三月的电压、电流、功率极值记录;需量及实时需量、历史需量记录、事件记录；支持过欠压、过欠流、过欠功率、DI联动等报警输出；4时区14时段的费率设置;四象限电能，历史电能记录；支持Lora、NB、2G、4G通讯模式，有功电能精度0.5S、1级，无功电能精度2级。
2.	AF-GSM400-2G/4G（如需多个设备集中上传时选配）		4G远程无线数据采集设备，采用嵌入式设计，内嵌TCP/IP协议栈，同时采用了功能强大的微处理芯片，配合内置看门狗，性能可靠稳定。提供标准RS485数据接口，可以方便的连接RTU、PLC、工控机等设备，仅需一次性完成初始化配置，就可以完成对MODBUS设备的数据采集，并且与安科瑞服务器进行通讯。

 

 
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
      船舶岸基供电系统是目前国内外港航领域非常关注的一种污染物排放解决方案。全面推广岸电，既符合国家节能环保、绿色环保总体建设要求，又满足港口自身营运需求，具有重大的社会效益和经济效益。建设一套行之有效的船舶岸电信息监控系统是十分必要的，不仅能从电力电子和信息技术层面有力支撑岸电系统实现供电上船的连续、安全、稳定，同时有利于港口船舶岸电系统的后续营运和维护。
 
参考文献
[1] 章广春，王立新，王方，等．港口船舶岸基供电系统信息管理的应用[J]．港口科技，2014(B04)：6-12．
[2]郭胜军，郑晓鸣，陈云宇.船舶岸基供电信息监控系统的设计
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
 
作者简介：王蒙蒙，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电。