一種輕量化岸電監控系統設計

李晨妍

（沈陽農業大學，遼寧 沈陽 110866）

0 引 言

船舶運行中消耗的電能來自船舶發電機，當船舶在港口停靠時，其設備運行仍然消耗電能。此時若仍依靠船舶自身發電，不僅用電成本高，而且還會造成港口環境污染。港口岸電是在船舶停靠時通過港口的電力系統為船舶供電，而岸電監控系統則是監控其運行狀態，保證岸電供電質量和船舶用電安全，同時可以極大程度地減少港口環境污染，降低船舶停靠費用。

1 港口船舶岸電的基本構成

港口船舶岸電供電系統如圖1所示，包括岸上供電系統、電纜管理系統以及船舶受電系統3個部分。

岸上供電系統主要包括岸基電源供電部分，包括變電站、碼頭岸電箱以及電纜連接設備等。

船舶受電系統主要包括船舶用電單元，根據船舶噸位大小、功能等不同特點，其對功率和電壓等級的要求也各不相同[1]。我國船舶岸電系統輸入側和輸出側的電壓、頻率如表1所示。

表1 船舶岸電系統輸入側和輸出側電壓、頻率

2 岸電監控系統總體結構

岸電供電監控系統整體架構如圖2所示。

上層運行管理中心主要負責岸電系統的綜合監控管理，將傳感器等單元采集到的信息匯集到該層的數據庫。該層提供現場實時視頻畫面和各個節點采集數據的顯示，同時也可以下發指令控制岸電系統是否運行。泊位監控分站部署在泊位現場，主要完成現場信息采集和數據通信。控制器通過控制各類傳感器檢測現場環境參數，控制執行設備和告警單元實現安全配電管理[2]。

3 泊位現場供電監控分站設計

泊位監控分站為港口每個泊位提供供電監控，岸電現場監控分站架構如圖3所示。

（1）人機接口單元。根據船舶的用電需求設置配電參數，如供電電壓、供電頻率等，人機接口單元需要提供顯示和輸入功能。

（2）電氣設備通信接口單元。岸電系統中，需要電氣設備將公共電網電能轉化為船舶需求的電壓和頻率，為船舶供電。通常這類電氣設備本身具備一定的監控管理功能，可以實現對其基本運行狀態的監控，同時也會有一定的通信接口實時向外發送設備運行信息。

（3）環境信息檢測單元。港口環境的高溫、高濕度對熱備運行影響較大，同時會加速設備老化。通過環境信息檢測單元及時發現惡劣環境條件，進而控制設備進行自動調溫。

（4）電氣參數檢測單元。岸基供電系統為船舶供電，需要保證基本的電壓、頻率、相位以及電力諧波等參數。實時檢測該類參數，發電異常后及時控制濾波器等設備進行濾波處理[3]。

（5）IC刷卡單元。船舶用電需要支付費用，停靠時間與用電量隨任務的不同而不同，需要根據實時電能計量單元計量得到用電量，通過IC刷卡方式支付電費。

（6）輸出告警單元。環境信息檢測同時監測環境內的火情等參數，當出現故障時及時輸出告警。

（7）數據存儲單元。存儲監控分站的運行信息，防止通信中斷造成數據丟失。待通信恢復后，從數據存儲單元讀取數據發送到到上層監控系統。

（8）控制器單元。控制單元是現場監控分站的核心單元。它采集各種運行信息，同時在控制器內部進行分析計算，并將信息轉發到上層監控管理單元。

（9）視頻監控單元。對岸電系統以及監控分站的各處進行視頻信息采集，將結果反饋給上級。

4 基于三相獨立控制穩壓技術的三相不平衡問題解決

4.1 岸電供電三相不平衡問題及獨立穩壓控制技術

船舶用電設備中有較多的單相負載，而當單相負載不均勻地分布到三相時，將導致每一相的壓降不均勻，進而出現三相不平衡問題。岸電監控系統采用三相獨立控制技術解決三相不平衡問題，其對每一相電壓進行獨立的電壓雙閉環控制。以輸出電壓為控制對象，并以該輸出電壓作為外環反饋量，通過輸出端濾波電容的電流為內環反饋量[4]。

4.2 三相獨立檢測與無功補償結構

三相獨立檢測與無功補償結構如圖4所示，在每一相上使用電能質量模塊實現對電壓、電流、頻率和電力諧波的檢測，并采用高壓動態無功補償裝置進行無功補償[5]。

使用控制器采集電能質量檢測單元所檢測出的結果，能夠克服三相不平衡、消除電壓閃變和電壓波動、抑止諧波污染[6]。

4.3 基于電能質量檢測模塊的電壓檢測方案

本設計采用一種新型的電能質量檢測單元IM3320，其具有較高集成度，能夠檢測三相電壓、電流、頻率等電能質量參數，測量精度等同于0.5S級電表。該模塊提供2個RS485接口，其中一個與控制系統互聯，傳輸采集數據；另一個與無功補償設備互聯，控制電氣設備。電能質量檢測模塊實物圖與檢測方案結構如圖5所示。

5 通信單元設計

5.1 基于5G無線通信

本系統設計采用5G無線通信，可以實現多組實時視頻無線傳輸。當環境中沒有5G信號時，可以自適應4G網絡，同時提供地理坐標定位和日期時間信息（Time Of Day，TOD），可以保證與衛星時間的高度統一[7]。基于5G模組的無線通信結構如圖6所示。

5.2 實際應用網絡拓撲

在使用中，同一個監控分站位置可能同時部署多組攝像機單元，需要以監控分站為中心，將多組攝像機單元和監控分站單元的數據統一接入5G通信，進而實現無線數據傳輸[8]。通信方案總體結構如圖7所示。

6 監控分站軟件設計

監控分站控制采用ARM控制器，設計中將不同的功能單元設計成不同的子程序，以子程序的方式進行管理可以保證系統邏輯清晰、維護方便。監控分站軟件程序結構如圖8所示。

（1）RS485通信子程序。本設計中采用RS485通信的功能單元有電能質量采集模塊、工業觸摸屏模塊、IC卡刷卡單元模塊。

（2）ZigBee通信子程序。ZigBee通信主要獲取ZigBee無線傳感器數據，其也是一種總線型通信方式。對現場部署的各類ZigBee傳感器設置不同的ID，以便區分。

（3）以太網通信子程序。采集數據通過以太網進行數據傳輸，采用傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）協議保證數據傳輸的可靠性。

（4）控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線通信子程序。CAN總線通信主要是對大型電氣設備運行信息的檢測和控制，例如通過控制無功補償設備運行實現三相獨立穩壓。

（5）通用輸入輸出端口（General Porpose Input Output，GPIO）輸入輸出控制子程序。GPIO輸入控制主要是檢測開關類型的輸入量，例如繼電器、開關等的動作信號。GPIO輸出控制主要是檢測繼電保護輸出，當出現故障時輸出告警信號。

7 結 論

本文設計的輕量化的岸電監控系統能夠實現對船舶供電系統的供電質量監控和對三相不平衡的自動控制，保證岸電系統安全穩定運行。采用5G無線數據通信實現數據傳輸，保證通信的低延時和高速率，減少布線成本。采用ZigBee無線通信獲取傳感器數據，降低產品部署應用的復雜度。