CN113991842A - 一种船舶岸电综合监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶岸电综合监控系统。它包括由岸电供配电系统、多通道瞬态录波系统、岸电监控系统、岸电云交互平台和终端设备所形成的五级架构；岸电供配电系统能够对市电电能进行转化由船岸连接设备连接输送到船舶本身的岸电配电装置以及相关船舶负载；多通道瞬态录波系统能够监测运行状况并将得到的瞬态录波的数据并以波形图的形式体现；岸电监控系统能够通过对相关设备的工作状态进行数据采集并上传至数据库。优点是：实现对船舶岸电的信息化、智能化操作管理；提高了系统安全，便于统一管理，降低了运维成本，其系统构成合理，有效防止了对船舶电网与设备造成损坏，使岸电系统具有可靠性高、抗干扰能力强、维护简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种集设备监控、环境监测、视频安防和计量计费、故障检测处理于一身的船舶岸电综合监控系统，属于船舶岸电监测领域。
背景技术
船舶靠泊期间为了节省燃油降低排放，越来越多的港口开始向船舶提供绿色无污染的岸电提供动力；作为一项新技术，船舶岸电技术受到了国内外相关领域的高度关注，但我国港口船舶岸电的相关研究起步较晚且技术突破存在一定瓶颈，现有的船舶岸电技术存在如下问题：
1、无法有效对市电电能进行有效转化，从而得到各类靠岸船舶所需的多种岸电电源类型；
2、船舶岸电连接过程中需进行断电，再通电的操作，不利于设备的连续运行降低了船舶设备的使用寿命，增加了船员的工作量；
3、当前船舶岸电设备多安装于船舱之中，占用了大量舱室空间，并且船舶在加装改造岸电设备的过程中将增加大量投入成本；
4、船舶岸电系统监测数据依靠人工采集，无法进行实时数据更新，港方、船舶对于电力系统设备的运行情况无法进行实时把握；
5、为预防船舶岸电设备发生故障，在靠港停泊过程中，需安排人员进行值守，大大增加了运维成本，并且系统发生故障时，更多依赖值守人员操作经验，当值守人员工作疲惫或经验不足时，可能导致重大工程事故。
因此，结合我国岸电港口及船舶特点，岸电领域迫切需要一种通用、可靠、智能的无缝自动并网装置与综合监控系统，并能适应国内外不同类型电制船舶的靠港需求，降低岸电系统应用的复杂度，大力推进各类岸电系统的“互联互通”。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现对船舶岸电的信息化、智能化操作管理，同时防止对船舶电网与设备造成损坏，以维持系统安全、稳定地进行工作，使岸电系统具有可靠性高、抗干扰能力强、维护简单优点的船舶岸电综合监控系统。
为了解决上述技术问题，本发明的船舶岸电综合监控系统，包括由岸电供配电系统、多通道瞬态录波系统、岸电监控系统、岸电云交互平台和终端设备所形成的五级架构；
所述岸电供配电系统能够通过岸基供电系统对市电电能进行转化在满足合闸并网条件后，由船岸连接设备连接输送到船舶本身的岸电配电装置以及相关船舶负载；
所述多通道瞬态录波系统能够通过监测船舶岸电供配电系统的运行状况并将得到的瞬态录波的数据并以波形图的形式体现；
所述岸电监控系统能够通过对相关设备的工作状态进行数据采集并上传至数据库，以便在当设备发生故障时，能够根据故障特征数据分辨出故障类型并进行电网保护；
所述岸电云交互平台能够通过采用网络分布式设计，运用请求与响应操作，实现数据的同步采集，采集信号通过以太网进行传输，并在数据库软件中进行存储通信。
所述岸电供配系统包括岸基供电系统以及岸基供电系统连接的船岸连接设备以及与船岸连接设备连接的船载受电系统。
所述岸电供电系统中具有变压变频装置以及滤波器并能够通过变压变频操作将来自市电电网的电能，转换至符合船舶电制的不同电制的电能，同时通过滤波器减少逆变器输出端的谐波分量，满足合闸条件后将电能传输到船舶负载进行受电。
所述多通道瞬态录波系统对输出三相电压值、输出三相电流值以及电源的IGBT温度等数据进行录波来获取船舶靠港使用岸电时相关监控数据的动态性能。
所述岸电监控系统包括港口电力监控系统、具有控制屏和计算机中心的管理监控层、具有通信管理机的监控数据通信层以及具有数据采集设备的设备与数据采集层，通过所述设备与数据采集层能够实时监控岸基供电系统、船岸连接设备、船舶受电系统的各个参数和数据并能够将实时监控信号进行数据汇总，经过汇总后的数据能够输出至监控数据通信层的通信管理机，再经过数据格式转换到达所述管理监控层，通过所述管理监控层的计算机中心能够对监控数据进行进一步处理，同时输出至控制屏，由工作人员进行监控和操作。
所述岸电监控系统由系统层、支撑平台及应用层三层功能架构构成，所述系统层能够对岸基供电系统、船岸连接装置的实时参数进行采集，并汇总后传输至通信管理机；所述支撑平台介于系统层与应用层之间用于对于不同连接设备统一管理和对所有数据的统一计算，将数据存入数据库并输出至应用层；所述应用层能够通过对支撑平台进行管理并将处理后的数据发布到岸电云交互平台。
本发明的优点在于：
采用岸电供配电系统、多通道瞬态录波系统、岸电监控系统、岸电云交互平台和终端设备五级架构，通过岸电云交互平台将各个子系统采集得到数据进行分析、处理，并连接港方、船方终端设备进行信息交互，实现岸电系统的远程实时监控、岸电使用情况及费用查询等功能，实现对船舶岸电的信息化、智能化操作管理；与传统岸电监控方法相比，能够自动合闸，避免了先断电再供电的传统与运营模型，保证了船舶设备运行的连续性；采用网络分布式的设计，保证了现场采集得到数据信息的特性得到保留；采用瞬态录波技术，实时监控船岸电力系统的运行情况，为设备运行状态、故障定位、故障决策等工作提供依据；搭建灵活通用、扩展性强的岸电监测系统，为故障解决与抑制提供了解决方案；通过报警、日志、设备运行状态等信息的终端显示，便于港方、船方实时了解岸电系统运行状况，提高了系统安全，便于统一管理，降低了运维成本，其系统构成合理，有效防止了对船舶电网与设备造成损坏，以维持系统安全、稳定地进行工作，使岸电系统具有可靠性高、抗干扰能力强、维护简单等优点。
附图说明
图1为本发明船舶岸电综合监控系统的总体架构图；
图2为本发明中岸电供配电系统的原理框图；
图3为本发明中多通道瞬态录波系统示意图；
图4为本发明中船岸数据通信原理示意图；
图5为本发明中岸电监控系统结构；
图6为本发明中岸电监控系统的功能架构原理框图；
图7为本发明中前置缓存区分配结构图；
图8为本发明中数据统一采集流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的船舶岸电综合监控系统作进一步详细说明。
如图所示，本发明的船舶岸电综合监控系统，采用物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层五级架构，物理层设置岸电供配电系统；数据链路层设置多通道瞬态录波系统、网络层设置岸电监控系统、传输层设置岸电云交互平台，最终与应用层终端设备进行通信；
其中，岸电供配电系统包括现场监控设备，通过岸基供电系统能够对市电电能(电压、频率)进行转化，使之符合船舶电力系统电制，在满足合闸并网条件后，由船岸连接设备连接输送到船舶本身的岸电配电装置以及相关船舶负载，实现将转换后的岸电电能进行输送和配给的目的；
多通道瞬态录波系统能够通过实时监测船舶岸电供配电系统的运行状况并将得到的瞬态录波的数据并以波形图的形式进行展示，可以为工作人员评估设备运行状态、故障定位、故障决策等工作提供依据，确保电力系统安全可靠运行，具体的说，多通道瞬态录波系统对输出三相电压值、输出三相电流值以及电源的IGBT温度等数据进行录波来获取船舶靠港使用岸电时相关监控数据的动态性能，通过录波监控，一旦发现波形异常的位置，就可以及时处理系统中相关位置设备的问题，从而保证岸电系统的安全稳定运行。
岸电监控系统可以对监测的岸电供配电系统实时参数和状态信息进行分析、存储、费用计算、图表展示等操作，并通过对系统中相关设备的工作状态进行数据采集后上传至数据库，以便在当设备发生故障时，能够根据故障特征数据分辨出故障类型并采用继电器等进行电网保护，保障在适时切除故障以制止故障蔓延，同时又不能形成大面积断电，且非故障部分也能继续正常工作；
岸电云交互平台能够通过采用网络分布式设计，运用请求与响应操作，实现数据的同步采集，采集信号通过以太网进行传输，并在数据库软件中进行存储通信，实现对岸电监控系统的数据处理和分析，并可连接港方、船方终端设备进行信息交互，实现岸电系统的远程实时监控、岸电使用情况及费用查询等功能。
进一步地，所说的岸电供配系统包括岸基供电系统、船岸连接设备、船载受电系统；如图2所示，岸电供电系统中具有变压变频装置以及滤波器，图中变压变频装置由整流变压器、交流电抗器、整流器、直流电抗器、逆变器构成，滤波器一般指正弦波滤波器，通过输出变压器实现电源隔离并输送至岸电柜；船岸连接设备主要是由电缆绞车、电缆张力自动控制设备、船岸之间电缆和相关仪表组成，通常采用如下四种安装方式中的一种或多种进行安装：(1)将电缆装置安装在船舶上，(2)将电缆装置安装在岸边，(3)将电缆装置安装在驳船上，(4)将电缆连接装置设置为可移动的；船载受电系统由船舶本身的岸电配电装置以及相关船舶负载组成，包括船载变压器、船载配电柜等设备，岸基供电系统通过变压变频操作将来自市电电网10kV/50Hz电能，转换至符合船舶电制的高压6.6kV/11kV，50/60Hz或者低压400V/440V/690V，50/60Hz等不同电制的电能，并通过滤波器减少逆变器输出端的谐波分量，提高电能质量，确保岸电电网安全性，满足合闸条件后，通过电缆绞车、电缆张力自动控制设备、船岸之间电缆和相关仪表组将电能传输到船舶负载进行受电。
其中，岸电供配电系统在保证船舶、岸电电源相序以及电压绝缘标准达到最基本要求后，同时其余电参数特性也分别满足下表1高压岸电标准，下表2低压岸电标准，才可进行船舶岸电系统并网运行工作：
表1高压岸电标准
表2低压岸电标准
再进一步地，所说的通道瞬态录波系统，采用基于LXI技术进行开发包括：上位机软件、采集模块、千兆网交换机和机架式UPS，请参见附图3，系统包括4种可多路并存的高速数据采集模块：LXI-100A同步交流电量采集模块、LXI-100B同步多功能数据采集模块、LXI-100C同步开关量采集模块和LXI-100D同步直流电量采集模块，每一个数据采集模块具有8个通道，每个通道都可接入交直流采样信号，模块采用IEEE 1588-2008精密同步时钟协议进行时间同步并将采集数据以UDP包的形式通过千兆交换机高速发送；上位机用来完成对数据包接收、解析和持久化，同时提供实时曲线显示等辅助功能，在保证系统通用性与兼容性的基础上，易于拓展与维护。
再进一步地，岸数据传输介质，一般采用长距离、直径粗、数量大的电缆进行连接，由于通信过程中存在信号损耗，采用国际电工协会发布的IEC 80005-2岸电电气规范-通信部分，对船岸通信模式进行规范，请参见附图4，图中1表示光纤，采用IEC/ISO/IEEE 80005-1:2012,7.3.4中的62.5/125μm多模光纤标准，采用多根多根并行的模式，运用Modbus TCP/IP协议进行传输，并分别从船侧和岸侧导出至交换机；图中2表示常规CAT6UTP以太网布线，采用ANSI/TIA-568-C.2规范标准，保证通信距离小于100米的基础；船岸两侧交换机IP地址和端口号也应进行限定，岸侧PLC的IP地址为192.168.66.103，子网掩码为255.255.255.0，端口号为502[31]；船侧IP地址使用192.168.66.102，子网掩码为255.255.255.0，端口号为502，同时还需保证在船上分配其他端口的IP地址时刻需要小于192.168.68.102，岸上IP地址需要大于192.168.68.103以避免信号的相互干扰。
再进一步地，数据同步采集模块，采集过程中得到的交直流电压电流数据数值通常都比较大，当超出高速采集系统模块承受能力时，需要在高速采集系统模块之外另外添加一级变比为A的处理器进行保护，假设高速采集系统发送给上位机软件的数据X，为5位的数值，此数值需要经过上位机进行一定的处理之后，才能显示出系统所测电压或者电流的正确数值，电压电流可由如下公式进行转换：
式中，A表示处理器的变比；X为模块上传给上位机的数据；U为上位机最终显示的电压数据；I为显示的电流数据。
再进一步地，岸电监控系统包括港口电力监控系统(上层系统)、具有控制屏和计算机中心的管理监控层、具有通信管理机的监控数据通信层以及具有数据采集设备的设备与数据采集层，请参见附图5，通过设备与数据采集层能够实时监控岸基供电系统、船岸连接设备、船舶受电系统的各个参数和数据(包括电压、频率、电流、功率等)并能够通过传感器将实时监控信号进行数据汇总，再将设备与数据采集层获取的外部数据(经过汇总后的)传输至监控数据通信层的通信管理机，由通信管理机将监控数据进行信号格式转换，并由计算机中心进行数据处理，将处理结果实时上传至数据库供管理监控层操作人员对设备运行进行监控和操作，也就是说经过数据格式转换到达管理监控层，通过管理监控层的计算机中心能够对监控数据进行进一步处理，同时输出至控制屏，由工作人员进行监控和操作。
再进一步地，岸电监控系统包括系统层、支撑平台、应用层三层架构，请详见附图6，系统层包含各类硬件和操作系统，系统层运用各类硬件基于实时操作系统对对岸基供电系统、船岸连接装置的实时参数进行采集，并汇总后传输至通信管理机；支撑平台介于系统层与应用层之间，支撑平台层负责对应用层和系统层提供支撑，包括数据服务、数据计算、图形界面显示和故障告警服务等，用于对于不同连接设备统一管理和对所有数据的统一计算，并负责将系统层采集的实时数据进行处理后存入数据库并输出至应用层；应用层包括岸基供电监控子系统和数据采集子系统，数据采集子系统接受来自支撑平台的信号，并对支撑平台进行管理，包括链路管理、规约管理、任务管理等，岸基供电监控子系统对岸电系统数据进行统计分析，并将岸电监控实时信号、岸电设备使用情况、岸电使用计量数据和船舶停靠信息等进行收集，也就是说应用层能够通过对支撑平台进行管理并将处理后的数据发布到岸电云交互平台。
再进一步地，岸电云平台的数据采集是采用分立的方式进行处理，请详见附图7，前置缓冲区用来对前置机运行过程中的各种配置参数、通信状态信息进行存储，采用动态库的模式对访问者的请求进行回应，采用前置工况维护服务向主服务器传送工作状况以及各种设备的通信状态，在上存至数据库的同时，可进一步输出至客户端进行显示。
岸电云平台，基于港口内采集数据的多样性，所采用的通信协议也各不相同，包括岸电开关柜内保护监测装置采用IEC103规约；岸电接口装置采用DLT-645-2007规约；变频电源接口装置采用Modbus RTU规约进行通信，通过不同规约对采集数据进行解析并在命令接受、数据发送服务中进行传输，通过通信链路管理服务器对前置系统缓存区进行资源费配。
再进一步地，岸电云平台中前置系统缓存区包括系统定义缓存区、统计信息缓存区、通信模型缓存区，请详见附图8，系统定义缓存区一般用来存放前置定义、通道信息；统计信息缓存区一般用来存放统计信息；通信模型缓存区一般用来存放相关设备通信和配置信息、存储数据类型以及通道与设备对照表等信息；通道缓存区一般是存放通道报文，通过对不同类型数据进行统一采集，建立设备与采集处的点对点关联。
再一步地，终端设备包括港方终端、船方终端，通过搭建交互性良好的人机交互界面对岸电系统监控信息进行实时数据显示，以供港方、船方对岸电系统运行状态进行充分了解，即时发现设备运行过程中存在的故障，保证系统运行安全性。
本发明的舶岸电综合监控系统，在检测到系统设备发生安全故障时，能适时切除故障以制止故障蔓延，又不能形成大面积断电，非故障部分也能继续正常工作，安全保护装置应具有以下四种特性的全部包括：选择性、速动性、灵敏性、可靠性，设备运行过程中可能存在运行故障即应采取的相对保护见下表：
进一步地，本发明中可以源相序进行时刻检测，确保电网的绝缘等级，通过各子监测系统、以及分析得到的数据特性，确保并网最基本条件的时刻满足，可通过相关继电器动作，避免重大事故的发生。
以上仅为本发明的优选实施案例，并不因此限制本发明的专利范围，凡是使用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接在其余相关领域进行运用，也因当包含在本发明专利的保护范围内。
Claims (6)
1.一种船舶岸电综合监控系统，包括由岸电供配电系统、多通道瞬态录波系统、岸电监控系统、岸电云交互平台和终端设备所形成的五级架构；
通过所述岸基供电系统能够对市电电能进行转化在满足合闸并网条件后，由船岸连接设备连接输送到船舶本身的岸电配电装置以及相关船舶负载；
所述多通道瞬态录波系统能够通过监测船舶岸电供配电系统的运行状况并将得到的瞬态录波的数据并以波形图的形式体现；
所述岸电监控系统能够通过对相关设备的工作状态进行数据采集并上传至数据库，以便在当设备发生故障时，能够根据故障特征数据分辨出故障类型并进行电网保护；
所述岸电云交互平台能够通过采用网络分布式设计，运用请求与响应操作，实现数据的同步采集，采集信号通过以太网进行传输，并在数据库软件中进行存储通信。
2.按照权利要求1所述的船舶岸电综合监控系统，其特征在于：所述岸电供配系统包括岸基供电系统以及岸基供电系统连接的船岸连接设备以及与船岸连接设备连接的船载受电系统。
3.按照权利要求2所述的船舶岸电综合监控系统，其特征在于：所述岸电供电系统中具有变压变频装置以及滤波器并能够通过变压变频操作将来自市电电网的电能，转换至符合船舶电制的不同电制的电能，同时通过滤波器减少逆变器输出端的谐波分量，满足合闸条件后将电能传输到船舶负载进行受电。
4.按照权利要求1、2或3所述的船舶岸电综合监控系统，其特征在于：所述多通道瞬态录波系统对输出三相电压值、输出三相电流值以及电源的IGBT温度数据进行录波来获取船舶靠港使用岸电时相关监控数据的动态性能。
5.按照权利要求4所述的船舶岸电综合监控系统，其特征在于：所述岸电监控系统包括港口电力监控系统、具有控制屏和计算机中心的管理监控层、具有通信管理机的监控数据通信层以及具有数据采集设备的设备与数据采集层，通过所述设备与数据采集层能够实时监控岸基供电系统、船岸连接设备、船舶受电系统的各个参数和数据并能够将实时监控信号进行数据汇总，经过汇总后的数据能够输出至监控数据通信层的通信管理机，再经过数据格式转换到达所述管理监控层，通过所述管理监控层的计算机中心能够对监控数据进行进一步处理，同时输出至控制屏，由工作人员进行监控和操作。
6.按照权利要求5所述的船舶岸电综合监控系统，其特征在于：所述岸电监控系统由系统层、支撑平台及应用层三层功能架构构成，所述系统层能够对岸基供电系统、船岸连接装置的实时参数进行采集，并汇总后传输至通信管理机；所述支撑平台介于系统层与应用层之间用于对于不同连接设备统一管理和对所有数据的统一计算，将数据存入数据库并输出至应用层；所述应用层能够通过对支撑平台进行管理并将处理后的数据发布到岸电云交互平台。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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