淺談船舶港口岸電信息監控系統的設計架構與應用

摘 要：基于現有岸電技術的發展，對船舶岸基供電信息監控系統的實現進行研究。通過運用計算機及控制技術、網絡技術和視頻技術，實現船舶靠港使用岸電全過程的體化監控。通過與港口三遙系統和抄表系統進行數據交互，實現遠程電力調度和電能管理功能。通過采用信息技術，進步提升船岸連接的安全性和可靠性，并在實際項目中得到相關應用。

關鍵詞：船舶岸基供電；信息監控；Modbus on TCP

0 引言

      隨著船舶污染物排放控制標準日趨嚴格，船舶靠港使用岸電已成為控制港口船舶污染物排放的重要措施之。目，歐美等地的發達家已普遍推廣使用岸電，我也已開始開展船舶岸電系統技術研究及其應用推廣工作。船舶靠港使用岸電既是航運業的個重要發展趨勢，也是建設綠色港口的實際需求。內在船舶中壓交流岸電系統研究方面已取得較大進展，產的船端產品（如電纜卷筒、岸電配電屏）和岸端變頻電源等都已得到應用。近年來，結合港口建設的需要和家在岸電建設上給予的財政補助，岸電建設項目逐漸增多，已形成定的規模 。

船舶在靠港期間使用岸電時，需對高壓電站、岸基變頻電站（含變壓器）、岸電接電箱、電纜卷車和船端高壓配電屏等設備進行實時監控，確保岸電上船并網安全，并提供岸電供電期間的安全聯鎖功能，實現電力調度和電能管理等功能。同時，系統應能利用不同的通信方式將這些信息推送出去，使操作人員能通過中控或本地的電腦終端、手機APP等方式實時了解岸電使用情況，確保系統安全、可靠運行。

1 概述

      般來說，船舶岸基供電系統主要包含岸端變頻電站、船岸連接部分和船端同步并車裝置等3部分（見圖1）。以高壓 － 高壓上船方式為例，船舶岸基供電系統主要由以下設備組成 。

1）岸端變頻電站：變電所高壓饋線柜，變頻電站內高壓進線柜、整流單元、移相變壓器、逆變單元、隔離變壓器、高壓饋線柜等。

2）船岸連接部分：岸邊接電箱、電纜卷筒等。

3 ）船端設備：岸電接入屏、并車屏等。

圖 １船舶岸基供電系統示意

      船舶岸基供電信息監控系統主要通過應用計算機及控制技術、網絡技術和視頻技術，實現船舶靠港使用岸電過程中融合設備監控、視頻監控和信息管理等功能的體化監控，通過與港口三遙系統和抄表系統進行后臺對接，在管理層面實現遠程電力調度和電能管理功能，提升船舶靠港期間使用岸電的安全性和可靠性。

設備監控系統主要實現對系統相關設備的運行數據進行實時采集和控制及系統各相關設備之間的安全聯鎖保護等功能；視頻監控系統的主要功能包括現場設備運行狀態及相關人員現場操作過程實時監控，視頻內容存儲、查詢和匯總等；信息管理系統主要實現對監控采集數據進行分析、處理和存儲，根據用戶需求將數據打印、匯總并分發給其他系統、客戶端及手機APP 。

船舶岸基供電信息監控系統硬件主要由以下幾部分組成。

1）信息采集與設備控制系統：雙CPU（ Central  Processing  Unit）冗余PLC（ ＰProgrammable  Logic  Controller）控制站、遠程IO站、上位監控計算機、數據服務器、通信接口模塊（與三遙系統、抄表系統等對接）。

2）視頻監控系統：箱式變頻電源電站、變電所和碼頭接電箱等工作區域的攝像機、硬盤錄像機、成對光收發器、液晶顯示器等。

3）信息管理系統： WEB服務器、客戶端和手機APP等。

4）網絡設備：三層交換機（ VLAN劃分）、視頻數據交換機、控制網絡交換機、船岸光纖通信接口模塊和無線數據傳輸裝置（船岸備用通信）。

2 系統架構設計

      本文主要結合黃驊港岸基供電系統的實際應用，對船舶岸基供電信息監控系統進行說明。船舶岸基供電信息監控系統主要通過設備監控、視頻監控和信息化等手段實現港口岸電系統的體化管控。系統在網絡架構上分為管理層、就地層和現場層等3層，具體見圖2 。

圖 2 船舶岸基供電信息監控系統硬件網絡圖

2.1 管理層

      管理層部署在港區控制中心，主要用于對系統進行整體監控和信息管理。

1）岸電監控及信息管理系統，在控制中心部署岸電控制終端、三遙系統終端、消防主機、信息管理終端和電話終端等，通過控制以太網來與就地層的相關設備（如集裝箱內的雙CPU冗余PLC信息采集及監控系統、集裝箱及港區變電所相關高壓進出線柜、變頻電源裝置和高壓保護裝置等）通信。

2）視頻監控系統，在控制中心配置視頻綜合管理平臺和LED顯示大屏等設備，所有現場視頻信號進入視頻綜合管理平臺，根據預設的投屏策略，將需顯示的信息以靜態或輪詢的方式顯示在LED顯示大屏上，畫面可根據需要作分屏和拼屏處理。

      在網絡規劃方面，在控制中心部署套核心交換機，在核心交換機上對系統網絡進行 VLAN劃分，并對視頻虛擬網絡和控制虛擬網絡進行嚴格區分。同時，核心交換機經過網絡安全設備之后接通Internet網絡，為信息監控系統提供外網服務。

2.2就地層

      就地層部署在集裝箱式變頻電站內，主要實現控制系統信息采集、控制中心命令接收及設備控制、視頻信號采集及存儲和本地視頻顯示等功能。

1）岸電監控系統，在箱式變電站內配置雙CPU冗余PLC控制系統、IO設備、監控上位機和控制層交換機等，實現與控制中心的控制終端和信息管理終端的通信，上傳本地岸電設備信息及系統狀態，接收控制中心指令。

2）視頻監控系統，在箱式變電站內配置監控攝像機、視頻信號光收發器、視頻交換機、硬盤錄像機和液晶顯示器等設備，所有現場的攝像機和集裝箱內的攝像機通過光電轉換設備轉換成光路信號，通過光纖進入集裝箱，轉換成電信號進入硬盤錄像機。液晶顯示器通過VGA線或HDMI線接入硬盤錄像機，既可查看各攝像頭記錄的實時影像，也可查詢歷史視頻信息。在網絡設計上，視頻網絡的匯聚層交換機與控制網絡的匯聚層交換機嚴格分開，分別通過光纖與控制中心核心交換機不同VLAN的端口連接。

      雙CPU冗余PLC控制系統通過光纖網絡連接船載岸電管理系統，實現岸電上船及并車的系統狀態和安全信息交互，同時部署套無線數傳設備，作為雙方通信的備用設備，確保船岸通信穩定、可靠。

2.3 現場層

      現場層的設備主要包括攝像機、岸邊接電箱內設備、港區變電所內高壓饋線柜、箱式變電站內變頻電源、高壓進出線柜和消防系統等，這些設備分別通過視頻網和控制網接入岸電監控信息管理系統的視頻系統、三遙系統和消防系統等。

3 系統功能

      船舶岸基供電信息監控系統通過與PLC控制系統、三遙系統、抄表系統及視頻監控系統進行數據交互，采集船舶靠港使用岸電期間各系統或設備（包括變頻電源、高壓進出線柜、綜合保護裝置、岸邊接電箱和電能質量裝置等）的狀態和電力參數，管理岸電的上船和離船，控制岸電與船電并網自動轉移負載，實現岸電連船全過程作業管理，并提供岸電系統的設備管理、電能管理、報警管理、安全保護和WEB發布等功能。船舶岸基供電信息監控系統功能見圖３.

3.1 控制系統功能

      船舶岸電信息監控系統可實現所有變頻電站設備（包括變壓器、變頻電源、線路和補償裝置等）的保護、監測、控制和調節等功能，保證港區變電所和碼頭箱式變電站安全運行；同時，能在控制中心的岸電監控終端和信息管理終端、箱式變電站監控上位機上瀏覽岸電系統及各設備的狀態、變電站工況參數和歷史數據趨勢圖等，并能實現報警及故障管理、報表查詢及打印等功能。

3.1.1 數據采集顯示及控制

      控制系統通過 I/O接口或通信的方式獲取相關設備的運行狀態，如：高壓開關柜的狀態；變頻電源的運行狀態；變壓器運行狀態；消防、通風和照明等系統的狀態。用戶可通過上位機觀測各設備的運行狀態。操作人員可通過上位機對相關設備進行遠程操控，達到改變系統設備狀態的目的。

設備監控系統的功能主要包含進線開關柜監控、出線開關柜監控、移相變壓器監控、隔離變壓器監控、變頻電源監控和岸邊接電箱監控。

3.1.2　船岸通信

      岸電系統可通過光纖與船電控制設備進行實時數據交互，用戶可通過上位機界面實時了解船岸并網和船端設備的運行狀態等關鍵數據，以確保船岸設備穩定、可靠運行。

根據 IEC/ISO/IEEE80005-1的要求，船載岸電與港口岸基系統數據通信光纜采用多模光纜，以無線通信方式作為冗余。光纖通信及無線通信協議均采用TCP/IP ，通信內容包括以下2部分。

1）岸基系統向船載系統輸出信號：斷路器位置、高壓準備就緒、相電壓、線電流、報警信號和電量計數。

2）船載系統向岸基系統輸出信號：母線電壓 Ｘ３ 、進線開關電流 Ｘ３ 、電源頻率、電源相角、高壓啟動請求、岸基高壓開關分／合指令、進線開關位置、接地開關位置、緊急停止信號、船名及身份識別。

3.1.3　岸電上船／離船控制

      船舶靠港之后，船舶岸基供電信息監控系統通過光纖或無線通信的方式與船端岸電控制屏通信，將岸端供電系統的狀態等信息發送給船端，同時接收船端設備發送的信息。岸端信息監控系統根據通信數據識別所在泊位的船型、容量和電壓制式，自動選擇輸出相應的電源電制和容量，滿足船舶用電需求。

岸電上船／離船的指令既可由岸端管理系統發出，也可由船端系統發出，下面以岸端發出為例，對連船流程進行介紹。

3.1.3.1 岸電上船（靠泊送電）

      岸端操作人員通過船舶岸電新監控系統檢查岸端供電系統的狀態，通知船端操作電纜卷車并下放高壓電纜和插頭，同時與岸邊接電箱進行可靠連接。岸端供電系統高壓供電回路電源開關按從輸入側至輸出側受控的順序依次閉合，啟動變頻電源。同時，岸端信息監控系統向船端發出通信請求，待船端確認之后建立船岸通信。岸端供電系統通過數據通信識別靠泊船舶的船型和電源電制，經人工確認，控制變頻電源輸出符合船端用電要求的電源，并保持穩定、可靠、持續運行。

岸端供電系統跟蹤船側電網的電壓、頻率和相位角，調整變頻電源的電壓、頻率和相位角，使其與船端電網的電壓、頻率和相位角同時*相等，隨后向船端系統發出并車指令，進行岸電上船并網，負載從船電轉移到岸電，船上控制設備同時斷開船側發電機相關開關，控制發電機停止運作。具體岸電上船流程見圖4 。

圖 4　 岸電上船流程

3.1.3.2　 岸電離船（斷電離泊）

      岸端供電系統向船上控制設備發出發電機啟動運作指令，跟蹤船側電網的電壓、頻率和相位角，調整變頻電源的電壓、頻率和相位角，使其與船側電網的電壓、頻率、相位角同時*相等，隨后向船上控制設備發出控制閉合船側發電機相關開關及打開船電、岸電隔離開關的指令，進行岸電離船，負載電流受控從岸電轉移到船電操作。

當船電、岸電隔離開關和岸基主回路電源開關可靠斷開之后，控制變頻電源停止輸出。岸端供電系統主回路電源開關按從輸出側至輸入側的順序依次斷開。將船舶岸電電纜從岸電接線箱拆除，完成岸電離船操作。具體岸電離船流程見圖5 。

圖 5　 岸電離船流程

3.1.4　聯鎖保護與報警

      在PLC上根據預設聯鎖預案編輯保護功能，控制器與通風、照明、消防等設備均互聯互通，旦有特殊情況發生，系統將自動發出提示警報，并自動執行預案指令。

3.1.5 數據存儲及查詢

信息監控系統采用數據庫存儲采樣數據及其他系統信息，主要包括用戶操作歷史記錄、設備狀態、流程故障、電參數數據和抄表數據等。系統對采樣數據進行記錄和存儲，并將其發送給變電所相關監控計算機。用戶可根據自身需求，通過不同檢索方式查詢所需信息，并按定格式打印成報表、電子表格等紙質文檔。

3.1.6 用戶及權限管理

用戶可按操作權限等級分為管理員級、工程師級和操作員級。系統可為不同級別的人員分配不同的權限。用戶可根據自身需求增減每個級別登錄帳號的數量，并給每個帳號設置獨立的密碼。每個帳號的登錄、退出及其他操作的歷史數據會被系統記錄，以備查閱。

3.2 視頻監控功能

l 在港區變電所、集裝箱式變頻電站、岸邊接電箱和作業現場等地布設高清攝像機，通過光收發器將視頻

l 信號傳給箱式變頻電站內的視頻交換機，分別進入箱式變頻電站內的硬盤錄像機和控制中心綜合管理平臺。

l 視頻信號既可在箱式變頻電站內通過硬盤錄像機的 ＶＧＡ ／ ＨＤＭＩ口輸出到本地液晶顯示器上顯示，也可在控制中心通過視頻綜合服務平臺送到 ＬＥＤ 大屏上顯示。

l 這 ２ 種方式都可對視頻信號進行拼屏、分屏和視頻源切換等操作。同時，可在視頻畫面上疊加攝像機名稱和位置等信息。具體視頻監控功能如下：

1）實時視頻監視功能。系統為用戶提供高清晰度的實時圖像，具有單畫面模式與多畫面模式切換的功能，能實現輪巡、快捷鍵調取和圖像抓拍。

2）遠程控制功能。用戶可在監控終端上通過鍵盤和鼠標對攝像機的焦距、俯仰和水平旋轉等進行控制，可自動或手動切換觀察區域的畫面。

3）圖像存儲和回放功能。系統具有對實時視頻信息進行自動連續存儲的功能，能根據時間、地點、事件等條件觸發存儲的存儲策略。用戶可根據時間、地點和事件等條件進行檢索和回放。

4）管理功能。視頻監控系統使用靈活、方便，具有用戶鑒權和分級管理的功能。

3.3 安全保護功能

船舶岸基供電系統供電涉及到的設備既包括岸端的變頻電源和變壓器，又有船載變壓器、岸電屏、并車屏及船舶電站系統。為保證設備安全運行，還需采取相關的安全保護措施，如船岸等電位保護、短路保護、過載保護、相序保護、欠／過壓保護、欠／過頻保護、接地故障保護和變壓器超溫保護等。同時，還應在操作上提供硬件聯鎖功能，防止誤操作，如：開關與地刀聯鎖；開關與電纜插頭聯鎖；岸邊接電箱箱門與開關聯鎖；地刀與電纜插頭互鎖等。

3.4 信息管理功能

3.4.1 連船作業管理

3.4.1.1 計劃管理

      計劃員將近期的船舶計劃（泊位計劃和岸電上船計劃）錄入管理系統，系統根據船名、船東、流向等信息和船舶代理公司提供的船名、航次等信息，結合泊位信息和設備利用情況等自動生成作業計劃。計劃主管根據泊位及設備、天氣等情況對作業計劃進行審核和調整，排定作業計劃。

作業計劃確認之后下發給港口生產管理系統。生產管理人員按照作業計劃進行生產作業，岸電系統管理人員按照作業計劃做好船舶岸基供電準備及操作等工作。

作業計劃、計劃變更和計劃執行情況都會自動記錄在系統中，以備管理人員事后查詢。

3.4.1.2 作業實績管理

      船舶岸基供電信息監控系統將統計好的作業實績數據（包括船舶信息、電能信息和作業過程數據等）保存到數據庫中，管理人員得到相關作業數據之后進行匯總、確認和編輯，形成作業實績進行記錄并錄入系統。

系統提供數據實時查詢和生產報表分析的功能。

3.4.1.3 作業交接管理

      船舶岸電作業完畢之后，生產部門組織相關方（船方、港口）進行交接。在交接時，按操作流程填寫作業

交接單，確認作業數據。交接完畢之后，作業交接單份交給港口銷售部門保存，份傳給船公司留作比對。

交接記錄結合作業實績記錄，作為供電方（港口）與使用方（船方）的電量結算依據。

3.4.2 設備管理

      設備管理模塊為船舶岸基供電系統提供設備和資產的維修保養、采購管理、使用人員管理、設備證書管

理、使用管理和物料管理等功能，實現港區變頻供電系統所有設備（含備件物料）的資產日常管理和運維管理。

1）資產日常管理包含船舶岸電系統的資產臺賬、資產轉移、資產維修、資產盤點、資產報廢、資產處置和備件管理。用戶可將設備信息錄入系統，生成資產卡片，系統實時更新和記錄跟蹤設備全位管理的各個屬性及關聯信息，支持設備統編碼、打印條碼或二維碼，并可根據使用部門及負責人等信息進行查詢、訂閱和推送通知。

2）設備運維管理包含船舶岸電系統的設備維護預警、檢修計劃管理、遠程維護、維護過程記錄和維護預警，實現對設備和部件使用年限的自動報警功能；遠程維護實現運維人員在異地遠程登錄的申請和登錄。

3.4.3 電能管理

      岸電信息監控系統與三遙系統通信，通信協議選用IEC61850-104 或 Modbus TCP ，采集電壓、電流和功率因素等參數，進行遙測人工置數、零飄處理、遙測越限報警、各種統計（日月Max、Min和平均值）和事故追憶等，能實時查看并處理開關和刀閘狀態、保護硬接點和變壓器分接頭位置，同時具有保護動作、保護告警、事故總遙信、預告總遙信等功能；能進行遙控鎖和允許、開關及保護動作次數統計；能接收電度表數據，積分計算電量，并按照電度量的日、月、年進行峰、谷、平統計和分析；系統還提供有功無功功率總加、安全天數自動計算、變壓器負荷率和損耗統計、母線不平衡率和母線電壓運行參數不合格時間及合格率統計、電容器電抗器的投入時間和利用率及投切次數統計、遙控遙調次數和成功率統計等復合功能的統計分析功能。

3.4.4 報警管理

      系統可保存設備運行過程中的所有故障信息，包括故障名稱、故障發生時間、故障復位時間和故障內容等。故障管理可提供故障查詢、故障分析和重復故障率統計等功能，并提供故障幫助文檔，為使用者提供故障的分析維修建議。

當設備發生故障或故障復位時，相關信息先被存儲在PLC的寄存器中。同時，控制系統會從PLC中將當發生或復位的故障信息上傳到上位計算機的數據庫中，并在控制系統組態軟件的畫面上顯示。存儲的故障信息包括故障編號、故障名稱、故障發生時間和故障復位時間。

系統可根據條件對故障進行分類查詢，查詢具體故障發生的概率和頻次等。

3.4.5 移動端APP

      在控制中心部署套船舶岸基供電信息管理系統，建立標準的WEB SERVICE通信服務接口，方面與PLC控制系統通信，獲取環境參數、設備參數和生產過程數據，另方面與三遙系統通信，獲取系統電力調度數據和電力保護數據信息；在此基礎上，對數據進行整理、統計和分析，組織好的數據信息通過WEB服務器發布，并實時推送到手機APP端，實現對數據的移動查詢。

3.5 與同類系統的對比

1）船舶在靠港期間會關閉船上的主副引擎，使用岸基供電電源，因此岸基供電必須保證安全、可靠，否則會直接影響船舶靠港的正常作業和生活，甚至引發安全事故。目岸基供電系統般從電源、接地檢測和配電屏等硬件部分考慮，較少從整個船／岸供電系統考慮。本文提及的監控系統將船、岸供電系統視為體，充分保障船岸通信的實時性、有效性和可靠性，從軟件和硬件等多方面實現系統的安全聯鎖，保證船舶使用岸電的可靠性和安全性。

2）當的岸基供電系統大多聚焦在岸基供電的功能實現上，較少考慮岸電系統與外部系統的對接，缺乏后續管理上的延伸功能開發。本文闡述的監控系統不僅考慮岸基供電系統的工況監控，還實現岸基供電系統與三遙系統和抄表系統的交互，方面實現船舶靠港使用岸電的正常作業管理，另方面從管理層面實現港口的電力調度、電量統計和結算等，并做好與計費清算系統的接口；同時，實現岸電系統的設備管理和故障管理等，提供多樣化、多方統計分析功能。在此基礎上，監控系統能通過多種渠道將系統關鍵信息推送給至 ＡＰＰ 、微公號和網頁上。這些功能是目內大多數在建岸電系統所不具備的。

4 系統特點

1）安全性：控制系統在軟硬件設計上將安全性放在有供電系統的“五防機械聯鎖”，又在產品設計本身和軟件上考慮軟聯鎖，包括等電位保護、短路保護、過載保護、相序保護、欠／過壓保護、欠／過頻保護、接地故障保護和變壓器超溫保護等，確保系統供電安全。

2）可靠性：控制系統充分體現可靠性設計原則，PLC控制系統采用雙CPU、雙電源和雙通信模塊的冗余設計，控制器任器件損壞不影響系統正常運行。在船岸通信上，既設計船岸的光纖通信，又保留無線通信作為備用通信方式，確保船岸信息交互的可靠性。

3）易操作和維護：提供友好清晰的操作界面、快捷方便的報表查詢、WeB瀏覽和移動端查詢服務。

4）高集成性：系統集實時監視、故障分析、業務統計和運行維護等功能于體。

5 安科瑞船舶岸電收費系統選型

      安科瑞Acrelcloud-9000船舶岸電收費系統通過物聯網技術對接入系統的計量儀表ADW300，監測充電設備站點和各個充電箱的運行和充電過程，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等系列故障進行預警；用戶通過微或支付寶小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制儀表對應的操控機構，對充電樁完成充電過程。

      充電設備通過加裝物聯網儀表，配合加密技術和秘鑰分發技術，基于TCP/IP的數據交互協議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電運營的所有功能，包括財務管理、變壓器監控和運營分析等功能。

5.1系統結構

5.2平臺主要功能

1) 資源管理

充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測

2) 用戶管理

用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

3) 實時監控

對平臺連接的所有充電站和充電箱狀態進行監視，發生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發出報警信號，及時消除火災隱患。

4) 交易管理

平臺為運營方提供充電價格策略管理，訂單管理，賬戶交易記錄，營收和財務相關報表。

5) 充電服務

可通過軟件搜索附近充電設施，查看充電樁設施，并導航至可用充電樁。可通過在線自助支付實現充電，充電結算等

6) 微小程序

支持微或者支付寶掃碼充電，充電賬單支付。運營商和物業管理人員均可通過小程序管理，監測充電設施狀態和充電交易情況。

7) 運營分析

對訂單進行數據化分析，直觀展示數據   

5.3 產品選型

注：儀表型號數量按實際的單相、三相和電流規格來選擇。

6結語

      船舶岸基供電系統是目內外港航領域非常關注的種污染物排放解決方案。推廣岸電，既符合家節能環保、綠色環?？傮w建設要求，又滿足港口自身營運需求，具有重大的社會效益和經濟效益。建設套行之有效的船舶岸電信息監控系統是十分必要的，不僅能從電力電子和信息技術層面有力支撐岸電系統實現供電上船的連續、安全、穩定，同時有利于港口船舶岸電系統的后續營運和維護。

參考文獻

[1] 章廣春，王立新，王方，等．港口船舶岸基供電系統信息管理的應用[J]．港口科技，2014(B04)：6-12．

[2]郭勝軍，鄭曉鳴，*宇.船舶岸基供電信息監控系統的設計

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

作者簡介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發與應用