港口碼頭供配電監控系統設計與開發＊

蔡驚濤 劉建寶 錢 美

（1.海軍工程大學勤務學院 天津 300450)（2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

1 引言

我國港口碼頭經過多年建設，均已具備較完善的供配電保障系統［1］，能夠為駐泊船舶提供全面的電力服務。并逐步將信息化管理技術和裝置引入到供配電管理控制中［2］，如在港口碼頭裝配的箱式變壓器中，用電智能管理系統得到了較為普遍的使用和推廣，實現了船舶用電和岸基用電的計算機自動定量管理控制—離線插卡管理控制方式，但部分港口碼頭還無法實現在線用電信息管理功能。

隨著電力系統運行控制技術、計算機網絡技術的發展，我國港口碼頭的供配電系統也必須推廣信息技術的應用，通過網絡，在線管理港口碼頭供配電系統已經被港口碼頭管理部門提到議事日程上來［3，5］。將信息技術的推廣應用作為建設現代化港口碼頭的重要內容，只有提高供配電能力和信息化水平，才能適應各類船舶的停靠需求、提高工作效率、加快對各種緊急狀態的應急反應速度。

2 系統設計與開發

2.1 數據采集設計

港口碼頭供配電監控系統的設計是在滿足駐泊船舶電力需求的基礎上進行的。監控系統要發揮其應有的功能，必須依賴于相應的監測數據，監測數據的選取對整個監控系統的運行及功能的發揮至關重要。在港口碼頭供配電監控系統數據采集點的選取上綜合箱式變壓器和岸電電力連接器的設計，數據采集點如圖1所示。

圖1 監控系統數據采集點分布圖

其中，五角星符號表示箱式變壓器內部的數據采集設備點，十字形符號表示監控系統最終的數據采集設備位置。監控系統需要完成對電力連接器的輸出電量值進行監測，也就是要對流經電力連接器的開關信號數據進行采集。連接器內安裝有智能電度計量表，可以由該裝置發送相應的數據信息給監控系統。

對于箱式變壓器內部特征數據，監控系統需要獲取變壓器高低壓側開關的三相電流、電壓、功率等數據。由于箱式變壓器的相關數據均傳輸至該箱式變壓器中配電綜合監測儀，所以對應監控數據的采集就可利用該配電綜合監測儀提供的RS485信息接口通過轉接設備獲取監控數據，減少了傳感器和線路的安裝布設，不需要對變壓器內部設備作大的改動，保證設備完整性和可靠性。

2.2 傳輸網絡設計

要提高監控系統傳輸網絡的可靠性，需充分考慮港口碼頭所處地理位置的特殊性，如海浪、鹽分、高溫、雷擊區等外部自然環境特性，同時考慮供配電系統內部的電磁干擾特性影響以及安裝維護和未來發展的需要。在充分考慮上述因素影響的前提下，結合設計原則，該監控系統的傳輸網絡設計連接圖如圖2所示，圖中擴展視頻監控和無線監控不作詳細討論。

圖2 港口碼頭監控系統網絡連接圖

目前，主干光纖網絡可以分為環型和星型連接兩種結構。如果供配電監控系統采用主干光纖環網結構，具備可靠性高，冗余網絡接點多，可擴展性好的優點；但缺點是網絡設備較多，成本較高，復雜度增大。主干光纖網絡若采用星型網絡則網絡結構簡單，網絡設備少，經濟性好，設備連接相對直觀簡單，便于維護。此外考慮網絡設備安裝位置，由于箱式變壓器內部條件以及環境限制，所以供配電監控網絡采用星型網絡結構較為合適。

現場設備均為RS232/485接口，且部分設備只提供繼電器信號輸出模式，因此設計監控系統結構如圖3所示。高低壓側各種開關/斷路器狀態信號，以及絕緣監測報警信號接入綜控儀的開入IO口，各電力連接器的饋線電流由電流采集模塊采集后通過擴展485接口送入綜控儀。綜控儀和電度計量表具有獨立RS232/485通信接口通過串口服務器轉換進入以太網實現遠程傳輸。為保證通信線路的可靠，免受現場雷擊、各種干擾、通信距離等條件的限制，可以使用光纖實現信號的遠程傳輸。

圖3 監控系統結構

2.3 監控軟件優化設計

港口碼頭供配電監控系統軟件設計應該簡潔明了，針對直接用戶的特點與需求進行設計。具備如下功能：

1)可記錄船舶基本信息、供電開始時間、連接電力連接器的情況，停止供電后可以記錄供電結束時間并統計船舶停靠期間消耗電量；

2)可以顯示主接線圖，實時運行參數，可以顯示越限報警，值班記錄等內容；

3)按照時間順序對各項參數進行統計；

4)具備打印和數據上報的功能；

5)進行管理員權限的設定和管理。

針對以上功能要求，目前常用于監控系統設計的軟件主要采用基于Windows環境的采用組態方式生成的系統工控軟件—即組態軟件。該軟件于上世紀80年代初出現，在1995年以后，組態軟件在國內的應用逐漸得到了普及。國內各個行業也在生產調度SCADA系統中的數據采集、監測和控制上得以應用。

2.4 現場測控設備驅動開發

要實現組態軟件和通信設備的無縫連接，組態軟件應能識別現場智能設備。通過應用面向對象技術和現場智能測控設備驅動技術，實現了組態環境下的監控計算機與現場測控設備之間的數據的共享和信息通信。

2.5 可靠性設計

由于港口碼頭供配電監控系統位于較為惡劣的自然環境中，所以要保證監控系統的正常運行，需要進行必要的保護設計。主要的措施和方法如下：

2.5.1 防雷接地保護設計

港口碼頭所處位置位于雷擊多發區域，要保證監控系統正常可靠的運行，須在該系統中做好防雷接地保護設計。

對于碼頭供配電系統，其主要的設備變壓器的安裝都有相應的接地地網的要求和規范，如當電力變壓器設置在機房內時，其地網可合用機房及避雷器地網組成的聯合地網；當電力變壓器設置在機房外，且距機房地網邊緣30m以內時，變壓器地網與機房地網或避雷器之間，應每隔3～5m相互焊接連通一次，以相互組成一個周邊封閉的地網。地網可以使用鍍鋅扁鋼（或銅排)、鍍鋅圓鋼（或螺紋鋼筋)等材料按照一定的工藝要求焊接，并按照一定的規范要求埋植與距地面標準距離的土壤中構成地網。具體的工藝標準和要求可以參照相應的防雷設計規范。供配電監控系統的防雷接地設計也可以按均壓、等電位的原理，將工作地、保護地和防雷地組成一個聯合接地網。監控室內各類接地線應從接地匯集線或接地網上分別引入。如圖4為監控室地網與避雷器、變壓器組成的聯合地網示意圖。

圖4 監控系統聯合地網示意圖

對于整個監控系統而言主要做好兩個方面的防雷接地保護設計，一個是整個監控系統的電源系統的防雷接地保護；另一個就是監控信息網絡的防雷接地保護。對于監控系統的電源防雷接地保護主要考慮兩個問題，一是碼頭本身建設時敷設地網的可靠性，充分利用碼頭外部敷設地網予以保護，如果外部地網不完善，則需予以改善增加防雷避雷設施；另一個是對監控系統本身的電源設備選型時要充分考慮防雷的要求，在電源設備的使用上添加必要的防雷裝置予以保護。對監控系統信息傳遞網絡的防雷保護可以考慮在傳輸線路中使用相應的防雷器，如在RS485信號傳輸中使用RS485防雷器連接保護，在以太網傳輸端口使用以太網防雷器予以連接進行保護，提高信息網絡的可靠性。最簡單的單相并聯式防雷器電路圖如圖5所示。

圖5 單相并聯式防雷器簡單電路圖

該防雷電路結構簡單，采用復合對稱電路，具備共模、差模全保護。對于防雷等級的范圍，需根據相應的壓敏電阻和陶瓷氣體放電管的不同類型決定。其它一些較為復雜的防雷電路也基本上從該簡單電路演化而來。本系統選擇的歐寶公司的OBO V25系列電源防雷器，其最大的持續工作電壓可以達到505V，標稱放電電流可以達到40KA，最大放電浪涌電流可以達到100KA；對于OBO RJ11系列和RJ45系列的弱信號防雷器，其中RS485接口最大電壓7.5V，最大容通電流為7.5KA，100M以太網防雷器的最大電壓為6.5V，最大容通電流為7.5KA。根據這些參數所選防雷器件可以滿足項目方案設計需求。

2.5.2 抗潮濕鹽分高溫設計

監控系統布置于碼頭上，直接受外部環境因素的影響比較直接，尤其是高溫、潮濕和鹽分等因素的影響比較多，對于這樣環境下工作的監控設備，在選型時要相應地注意該方面的指標要求，設備應具備一定的防護等級。對于那些不能達到碼頭環境防護要求的設備需要在設備上做進一步的處理，以達到相應的要求。如對所有安裝于碼頭的電子設備中的電路板，在保證設備原有可靠性的前提下噴涂專用的三防漆進行“三防”處理，用于防潮、防鹽、防霉。在實際設備的安裝使用中，應盡量根據安裝施工要求和條件，增加必要的防護措施，比如線路布設時的套管安裝，安裝位置的優化選擇，部分設備的輔助降溫設備的選擇和安裝使用等。

2.5.3 抗電磁干擾設計

電磁干擾是弱電系統設計施工中的重要部分，尤其是在供配電系統當中。對于港口碼頭的供配電監控系統，其主要還是一個弱信號系統，易受強電磁環境的影響，一旦影響較大就會使監控系統工作的不正常，甚至會發生誤動作，嚴重的會導致事故。因此，在進行抗電磁干擾設計時，要采用可靠的器件和設備進行系統設計。如在主干網絡采用光纖通信，可以避免電磁干擾；在RS485和以太網端頭添加的防雷器一般具備濾波、防浪涌的功能；選擇網絡交換機和路由器時選擇工業級帶隔離的設備，提高可靠性；在值班室內部網絡采用屏蔽網線連接而成，要避免外部環境的影響，尤其注意網絡接插件的選擇使用，同時注意屏蔽層的接地問題防止干擾的影響。

3 結語

通過完成港口碼頭供配電監控系統建設，可有效監控碼頭供配電系統運行狀態、電氣設備的電氣參數，駐泊船舶的用電情況，保障港口碼頭供配電系統穩定、高效、可靠運行，便于港務管理部門實時、直接地了解和掌握港口停泊船舶供配電的情況，并及時對發生的故障及特殊情況要求作出反應，為推動港口碼頭建設和管理的自動化、信息化、智能化發展提供強有力的技術保障和發展動力，具有重要的現實意義和顯著經濟效益。

［1］蘇元浩，等.碼頭電力監控系統的通信設計與實現［J］.工業控制計算機，2007（9).

［2］李炯.基于PLC的供配電監控系統的設計［J］.機電工程技術，2011（1).

［3］王凌云，龍江.PLC與組態在供配電監控系統中的應用［J］.PLC與工控機，2011（6).

［4］梁子伊，馬正華，瞿新南.基于ZigBee和GPRS的風電場遠程監控系統研究［J］.計算機與數字工程，2010（11).

［5］房向榮，施仁.組態王與智能儀器的動態數據交換［J］.工業儀表與自動化裝置，2005（10).