李晨妍

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110866）

0 引 言

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

1 港口船舶岸電的基本構(gòu)成

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

岸上供電系統(tǒng)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(shè)備等。

船舶受電系統(tǒng)主要包括船舶用電單元，根據(jù)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(tǒng)輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓、頻率如表1所示。

表1 船舶岸電系統(tǒng)輸入側(cè)和輸出側(cè)電壓、頻率

2 岸電監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

岸電供電監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

上層運行管理中心主要負責岸電系統(tǒng)的綜合監(jiān)控管理，將傳感器等單元采集到的信息匯集到該層的數(shù)據(jù)庫。該層提供現(xiàn)場實時視頻畫面和各個節(jié)點采集數(shù)據(jù)的顯示，同時也可以下發(fā)指令控制岸電系統(tǒng)是否運行。泊位監(jiān)控分站部署在泊位現(xiàn)場，主要完成現(xiàn)場信息采集和數(shù)據(jù)通信?？刂破魍ㄟ^控制各類傳感器檢測現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)，控制執(zhí)行設(shè)備和告警單元實現(xiàn)安全配電管理[2]。

3 泊位現(xiàn)場供電監(jiān)控分站設(shè)計

泊位監(jiān)控分站為港口每個泊位提供供電監(jiān)控，岸電現(xiàn)場監(jiān)控分站架構(gòu)如圖3所示。

（1）人機接口單元。根據(jù)船舶的用電需求設(shè)置配電參數(shù)，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(shè)備通信接口單元。岸電系統(tǒng)中，需要電氣設(shè)備將公共電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為船舶需求的電壓和頻率，為船舶供電。通常這類電氣設(shè)備本身具備一定的監(jiān)控管理功能，可以實現(xiàn)對其基本運行狀態(tài)的監(jiān)控，同時也會有一定的通信接口實時向外發(fā)送設(shè)備運行信息。

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

（4）電氣參數(shù)檢測單元。岸基供電系統(tǒng)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(shù)。實時檢測該類參數(shù)，發(fā)電異常后及時控制濾波器等設(shè)備進行濾波處理[3]。

（5）IC刷卡單元。船舶用電需要支付費用，?？繒r間與用電量隨任務(wù)的不同而不同，需要根據(jù)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(huán)境信息檢測同時監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的火情等參數(shù)，當出現(xiàn)故障時及時輸出告警。

（7）數(shù)據(jù)存儲單元。存儲監(jiān)控分站的運行信息，防止通信中斷造成數(shù)據(jù)丟失。待通信恢復(fù)后，從數(shù)據(jù)存儲單元讀取數(shù)據(jù)發(fā)送到到上層監(jiān)控系統(tǒng)。

（8）控制器單元?？刂茊卧乾F(xiàn)場監(jiān)控分站的核心單元。它采集各種運行信息，同時在控制器內(nèi)部進行分析計算，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)到上層監(jiān)控管理單元。

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

4 基于三相獨立控制穩(wěn)壓技術(shù)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(wěn)壓控制技術(shù)

船舶用電設(shè)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(dǎo)致每一相的壓降不均勻，進而出現(xiàn)三相不平衡問題。岸電監(jiān)控系統(tǒng)采用三相獨立控制技術(shù)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(huán)控制。以輸出電壓為控制對象，并以該輸出電壓作為外環(huán)反饋量，通過輸出端濾波電容的電流為內(nèi)環(huán)反饋量[4]。

4.2 三相獨立檢測與無功補償結(jié)構(gòu)

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

使用控制器采集電能質(zhì)量檢測單元所檢測出的結(jié)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(zhì)量檢測模塊的電壓檢測方案

本設(shè)計采用一種新型的電能質(zhì)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(zhì)量參數(shù)，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(tǒng)互聯(lián)，傳輸采集數(shù)據(jù)；另一個與無功補償設(shè)備互聯(lián)，控制電氣設(shè)備。電能質(zhì)量檢測模塊實物圖與檢測方案結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 通信單元設(shè)計

5.1 基于5G無線通信

本系統(tǒng)設(shè)計采用5G無線通信，可以實現(xiàn)多組實時視頻無線傳輸。當環(huán)境中沒有5G信號時，可以自適應(yīng)4G網(wǎng)絡(luò)，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(wèi)星時間的高度統(tǒng)一[7]?；?G模組的無線通信結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5.2 實際應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)拓撲

在使用中，同一個監(jiān)控分站位置可能同時部署多組攝像機單元，需要以監(jiān)控分站為中心，將多組攝像機單元和監(jiān)控分站單元的數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入5G通信，進而實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸[8]。通信方案總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

6 監(jiān)控分站軟件設(shè)計

監(jiān)控分站控制采用ARM控制器，設(shè)計中將不同的功能單元設(shè)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(tǒng)邏輯清晰、維護方便。監(jiān)控分站軟件程序結(jié)構(gòu)如圖8所示。

（1）RS485通信子程序。本設(shè)計中采用RS485通信的功能單元有電能質(zhì)量采集模塊、工業(yè)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(shù)據(jù)，其也是一種總線型通信方式。對現(xiàn)場部署的各類ZigBee傳感器設(shè)置不同的ID，以便區(qū)分。

（3）以太網(wǎng)通信子程序。采集數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，采用傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（4）控制器局域網(wǎng)絡(luò)（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(shè)備運行信息的檢測和控制，例如通過控制無功補償設(shè)備運行實現(xiàn)三相獨立穩(wěn)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(guān)類型的輸入量，例如繼電器、開關(guān)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(xiàn)故障時輸出告警信號。

7 結(jié) 論

本文設(shè)計的輕量化的岸電監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量監(jiān)控和對三相不平衡的自動控制，保證岸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。采用5G無線數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，降低產(chǎn)品部署應(yīng)用的復(fù)雜度。