一种轻量化岸电监控系统设计

李晨妍

（沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866）

0 引 言

船舶运行中消耗的电能来自船舶发电机，当船舶在港口停靠时，其设备运行仍然消耗电能。此时若仍依靠船舶自身发电，不仅用电成本高，而且还会造成港口环境污染。港口岸电是在船舶停靠时通过港口的电力系统为船舶供电，而岸电监控系统则是监控其运行状态，保证岸电供电质量和船舶用电安全，同时可以极大程度地减少港口环境污染，降低船舶停靠费用。

1 港口船舶岸电的基本构成

港口船舶岸电供电系统如图1所示，包括岸上供电系统、电缆管理系统以及船舶受电系统3个部分。

岸上供电系统主要包括岸基电源供电部分，包括变电站、码头岸电箱以及电缆连接设备等。

船舶受电系统主要包括船舶用电单元，根据船舶吨位大小、功能等不同特点，其对功率和电压等级的要求也各不相同[1]。我国船舶岸电系统输入侧和输出侧的电压、频率如表1所示。

表1 船舶岸电系统输入侧和输出侧电压、频率

2 岸电监控系统总体结构

岸电供电监控系统整体架构如图2所示。

上层运行管理中心主要负责岸电系统的综合监控管理，将传感器等单元采集到的信息汇集到该层的数据库。该层提供现场实时视频画面和各个节点采集数据的显示，同时也可以下发指令控制岸电系统是否运行。泊位监控分站部署在泊位现场，主要完成现场信息采集和数据通信。控制器通过控制各类传感器检测现场环境参数，控制执行设备和告警单元实现安全配电管理[2]。

3 泊位现场供电监控分站设计

泊位监控分站为港口每个泊位提供供电监控，岸电现场监控分站架构如图3所示。

（1）人机接口单元。根据船舶的用电需求设置配电参数，如供电电压、供电频率等，人机接口单元需要提供显示和输入功能。

（2）电气设备通信接口单元。岸电系统中，需要电气设备将公共电网电能转化为船舶需求的电压和频率，为船舶供电。通常这类电气设备本身具备一定的监控管理功能，可以实现对其基本运行状态的监控，同时也会有一定的通信接口实时向外发送设备运行信息。

（3）环境信息检测单元。港口环境的高温、高湿度对热备运行影响较大，同时会加速设备老化。通过环境信息检测单元及时发现恶劣环境条件，进而控制设备进行自动调温。

（4）电气参数检测单元。岸基供电系统为船舶供电，需要保证基本的电压、频率、相位以及电力谐波等参数。实时检测该类参数，发电异常后及时控制滤波器等设备进行滤波处理[3]。

（5）IC刷卡单元。船舶用电需要支付费用，停靠时间与用电量随任务的不同而不同，需要根据实时电能计量单元计量得到用电量，通过IC刷卡方式支付电费。

（6）输出告警单元。环境信息检测同时监测环境内的火情等参数，当出现故障时及时输出告警。

（7）数据存储单元。存储监控分站的运行信息，防止通信中断造成数据丢失。待通信恢复后，从数据存储单元读取数据发送到到上层监控系统。

（8）控制器单元。控制单元是现场监控分站的核心单元。它采集各种运行信息，同时在控制器内部进行分析计算，并将信息转发到上层监控管理单元。

（9）视频监控单元。对岸电系统以及监控分站的各处进行视频信息采集，将结果反馈给上级。

4 基于三相独立控制稳压技术的三相不平衡问题解决

4.1 岸电供电三相不平衡问题及独立稳压控制技术

船舶用电设备中有较多的单相负载，而当单相负载不均匀地分布到三相时，将导致每一相的压降不均匀，进而出现三相不平衡问题。岸电监控系统采用三相独立控制技术解决三相不平衡问题，其对每一相电压进行独立的电压双闭环控制。以输出电压为控制对象，并以该输出电压作为外环反馈量，通过输出端滤波电容的电流为内环反馈量[4]。

4.2 三相独立检测与无功补偿结构

三相独立检测与无功补偿结构如图4所示，在每一相上使用电能质量模块实现对电压、电流、频率和电力谐波的检测，并采用高压动态无功补偿装置进行无功补偿[5]。

使用控制器采集电能质量检测单元所检测出的结果，能够克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑止谐波污染[6]。

4.3 基于电能质量检测模块的电压检测方案

本设计采用一种新型的电能质量检测单元IM3320，其具有较高集成度，能够检测三相电压、电流、频率等电能质量参数，测量精度等同于0.5S级电表。该模块提供2个RS485接口，其中一个与控制系统互联，传输采集数据；另一个与无功补偿设备互联，控制电气设备。电能质量检测模块实物图与检测方案结构如图5所示。

5 通信单元设计

5.1 基于5G无线通信

本系统设计采用5G无线通信，可以实现多组实时视频无线传输。当环境中没有5G信号时，可以自适应4G网络，同时提供地理坐标定位和日期时间信息（Time Of Day，TOD），可以保证与卫星时间的高度统一[7]。基于5G模组的无线通信结构如图6所示。

5.2 实际应用网络拓扑

在使用中，同一个监控分站位置可能同时部署多组摄像机单元，需要以监控分站为中心，将多组摄像机单元和监控分站单元的数据统一接入5G通信，进而实现无线数据传输[8]。通信方案总体结构如图7所示。

6 监控分站软件设计

监控分站控制采用ARM控制器，设计中将不同的功能单元设计成不同的子程序，以子程序的方式进行管理可以保证系统逻辑清晰、维护方便。监控分站软件程序结构如图8所示。

（1）RS485通信子程序。本设计中采用RS485通信的功能单元有电能质量采集模块、工业触摸屏模块、IC卡刷卡单元模块。

（2）ZigBee通信子程序。ZigBee通信主要获取ZigBee无线传感器数据，其也是一种总线型通信方式。对现场部署的各类ZigBee传感器设置不同的ID，以便区分。

（3）以太网通信子程序。采集数据通过以太网进行数据传输，采用传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）协议保证数据传输的可靠性。

（4）控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线通信子程序。CAN总线通信主要是对大型电气设备运行信息的检测和控制，例如通过控制无功补偿设备运行实现三相独立稳压。

（5）通用输入输出端口（General Porpose Input Output，GPIO）输入输出控制子程序。GPIO输入控制主要是检测开关类型的输入量，例如继电器、开关等的动作信号。GPIO输出控制主要是检测继电保护输出，当出现故障时输出告警信号。

7 结 论

本文设计的轻量化的岸电监控系统能够实现对船舶供电系统的供电质量监控和对三相不平衡的自动控制，保证岸电系统安全稳定运行。采用5G无线数据通信实现数据传输，保证通信的低延时和高速率，减少布线成本。采用ZigBee无线通信获取传感器数据，降低产品部署应用的复杂度。