港口码头供配电监控系统设计与开发＊

蔡惊涛 刘建宝 钱 美

（1.海军工程大学勤务学院 天津 300450)（2.海军工程大学电气工程学院 武汉 430033)

1 引言

我国港口码头经过多年建设，均已具备较完善的供配电保障系统［1］，能够为驻泊船舶提供全面的电力服务。并逐步将信息化管理技术和装置引入到供配电管理控制中［2］，如在港口码头装配的箱式变压器中，用电智能管理系统得到了较为普遍的使用和推广，实现了船舶用电和岸基用电的计算机自动定量管理控制—离线插卡管理控制方式，但部分港口码头还无法实现在线用电信息管理功能。

随着电力系统运行控制技术、计算机网络技术的发展，我国港口码头的供配电系统也必须推广信息技术的应用，通过网络，在线管理港口码头供配电系统已经被港口码头管理部门提到议事日程上来［3，5］。将信息技术的推广应用作为建设现代化港口码头的重要内容，只有提高供配电能力和信息化水平，才能适应各类船舶的停靠需求、提高工作效率、加快对各种紧急状态的应急反应速度。

2 系统设计与开发

2.1 数据采集设计

港口码头供配电监控系统的设计是在满足驻泊船舶电力需求的基础上进行的。监控系统要发挥其应有的功能，必须依赖于相应的监测数据，监测数据的选取对整个监控系统的运行及功能的发挥至关重要。在港口码头供配电监控系统数据采集点的选取上综合箱式变压器和岸电电力连接器的设计，数据采集点如图1所示。

图1 监控系统数据采集点分布图

其中，五角星符号表示箱式变压器内部的数据采集设备点，十字形符号表示监控系统最终的数据采集设备位置。监控系统需要完成对电力连接器的输出电量值进行监测，也就是要对流经电力连接器的开关信号数据进行采集。连接器内安装有智能电度计量表，可以由该装置发送相应的数据信息给监控系统。

对于箱式变压器内部特征数据，监控系统需要获取变压器高低压侧开关的三相电流、电压、功率等数据。由于箱式变压器的相关数据均传输至该箱式变压器中配电综合监测仪，所以对应监控数据的采集就可利用该配电综合监测仪提供的RS485信息接口通过转接设备获取监控数据，减少了传感器和线路的安装布设，不需要对变压器内部设备作大的改动，保证设备完整性和可靠性。

2.2 传输网络设计

要提高监控系统传输网络的可靠性，需充分考虑港口码头所处地理位置的特殊性，如海浪、盐分、高温、雷击区等外部自然环境特性，同时考虑供配电系统内部的电磁干扰特性影响以及安装维护和未来发展的需要。在充分考虑上述因素影响的前提下，结合设计原则，该监控系统的传输网络设计连接图如图2所示，图中扩展视频监控和无线监控不作详细讨论。

图2 港口码头监控系统网络连接图

目前，主干光纤网络可以分为环型和星型连接两种结构。如果供配电监控系统采用主干光纤环网结构，具备可靠性高，冗余网络接点多，可扩展性好的优点；但缺点是网络设备较多，成本较高，复杂度增大。主干光纤网络若采用星型网络则网络结构简单，网络设备少，经济性好，设备连接相对直观简单，便于维护。此外考虑网络设备安装位置，由于箱式变压器内部条件以及环境限制，所以供配电监控网络采用星型网络结构较为合适。

现场设备均为RS232/485接口，且部分设备只提供继电器信号输出模式，因此设计监控系统结构如图3所示。高低压侧各种开关/断路器状态信号，以及绝缘监测报警信号接入综控仪的开入IO口，各电力连接器的馈线电流由电流采集模块采集后通过扩展485接口送入综控仪。综控仪和电度计量表具有独立RS232/485通信接口通过串口服务器转换进入以太网实现远程传输。为保证通信线路的可靠，免受现场雷击、各种干扰、通信距离等条件的限制，可以使用光纤实现信号的远程传输。

图3 监控系统结构

2.3 监控软件优化设计

港口码头供配电监控系统软件设计应该简洁明了，针对直接用户的特点与需求进行设计。具备如下功能：

1)可记录船舶基本信息、供电开始时间、连接电力连接器的情况，停止供电后可以记录供电结束时间并统计船舶停靠期间消耗电量；

2)可以显示主接线图，实时运行参数，可以显示越限报警，值班记录等内容；

3)按照时间顺序对各项参数进行统计；

4)具备打印和数据上报的功能；

5)进行管理员权限的设定和管理。

针对以上功能要求，目前常用于监控系统设计的软件主要采用基于Windows环境的采用组态方式生成的系统工控软件—即组态软件。该软件于上世纪80年代初出现，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。国内各个行业也在生产调度SCADA系统中的数据采集、监测和控制上得以应用。

2.4 现场测控设备驱动开发

要实现组态软件和通信设备的无缝连接，组态软件应能识别现场智能设备。通过应用面向对象技术和现场智能测控设备驱动技术，实现了组态环境下的监控计算机与现场测控设备之间的数据的共享和信息通信。

2.5 可靠性设计

由于港口码头供配电监控系统位于较为恶劣的自然环境中，所以要保证监控系统的正常运行，需要进行必要的保护设计。主要的措施和方法如下：

2.5.1 防雷接地保护设计

港口码头所处位置位于雷击多发区域，要保证监控系统正常可靠的运行，须在该系统中做好防雷接地保护设计。

对于码头供配电系统，其主要的设备变压器的安装都有相应的接地地网的要求和规范，如当电力变压器设置在机房内时，其地网可合用机房及避雷器地网组成的联合地网；当电力变压器设置在机房外，且距机房地网边缘30m以内时，变压器地网与机房地网或避雷器之间，应每隔3～5m相互焊接连通一次，以相互组成一个周边封闭的地网。地网可以使用镀锌扁钢（或铜排)、镀锌圆钢（或螺纹钢筋)等材料按照一定的工艺要求焊接，并按照一定的规范要求埋植与距地面标准距离的土壤中构成地网。具体的工艺标准和要求可以参照相应的防雷设计规范。供配电监控系统的防雷接地设计也可以按均压、等电位的原理，将工作地、保护地和防雷地组成一个联合接地网。监控室内各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入。如图4为监控室地网与避雷器、变压器组成的联合地网示意图。

图4 监控系统联合地网示意图

对于整个监控系统而言主要做好两个方面的防雷接地保护设计，一个是整个监控系统的电源系统的防雷接地保护；另一个就是监控信息网络的防雷接地保护。对于监控系统的电源防雷接地保护主要考虑两个问题，一是码头本身建设时敷设地网的可靠性，充分利用码头外部敷设地网予以保护，如果外部地网不完善，则需予以改善增加防雷避雷设施；另一个是对监控系统本身的电源设备选型时要充分考虑防雷的要求，在电源设备的使用上添加必要的防雷装置予以保护。对监控系统信息传递网络的防雷保护可以考虑在传输线路中使用相应的防雷器，如在RS485信号传输中使用RS485防雷器连接保护，在以太网传输端口使用以太网防雷器予以连接进行保护，提高信息网络的可靠性。最简单的单相并联式防雷器电路图如图5所示。

图5 单相并联式防雷器简单电路图

该防雷电路结构简单，采用复合对称电路，具备共模、差模全保护。对于防雷等级的范围，需根据相应的压敏电阻和陶瓷气体放电管的不同类型决定。其它一些较为复杂的防雷电路也基本上从该简单电路演化而来。本系统选择的欧宝公司的OBO V25系列电源防雷器，其最大的持续工作电压可以达到505V，标称放电电流可以达到40KA，最大放电浪涌电流可以达到100KA；对于OBO RJ11系列和RJ45系列的弱信号防雷器，其中RS485接口最大电压7.5V，最大容通电流为7.5KA，100M以太网防雷器的最大电压为6.5V，最大容通电流为7.5KA。根据这些参数所选防雷器件可以满足项目方案设计需求。

2.5.2 抗潮湿盐分高温设计

监控系统布置于码头上，直接受外部环境因素的影响比较直接，尤其是高温、潮湿和盐分等因素的影响比较多，对于这样环境下工作的监控设备，在选型时要相应地注意该方面的指标要求，设备应具备一定的防护等级。对于那些不能达到码头环境防护要求的设备需要在设备上做进一步的处理，以达到相应的要求。如对所有安装于码头的电子设备中的电路板，在保证设备原有可靠性的前提下喷涂专用的三防漆进行“三防”处理，用于防潮、防盐、防霉。在实际设备的安装使用中，应尽量根据安装施工要求和条件，增加必要的防护措施，比如线路布设时的套管安装，安装位置的优化选择，部分设备的辅助降温设备的选择和安装使用等。

2.5.3 抗电磁干扰设计

电磁干扰是弱电系统设计施工中的重要部分，尤其是在供配电系统当中。对于港口码头的供配电监控系统，其主要还是一个弱信号系统，易受强电磁环境的影响，一旦影响较大就会使监控系统工作的不正常，甚至会发生误动作，严重的会导致事故。因此，在进行抗电磁干扰设计时，要采用可靠的器件和设备进行系统设计。如在主干网络采用光纤通信，可以避免电磁干扰；在RS485和以太网端头添加的防雷器一般具备滤波、防浪涌的功能；选择网络交换机和路由器时选择工业级带隔离的设备，提高可靠性；在值班室内部网络采用屏蔽网线连接而成，要避免外部环境的影响，尤其注意网络接插件的选择使用，同时注意屏蔽层的接地问题防止干扰的影响。

3 结语

通过完成港口码头供配电监控系统建设，可有效监控码头供配电系统运行状态、电气设备的电气参数，驻泊船舶的用电情况，保障港口码头供配电系统稳定、高效、可靠运行，便于港务管理部门实时、直接地了解和掌握港口停泊船舶供配电的情况，并及时对发生的故障及特殊情况要求作出反应，为推动港口码头建设和管理的自动化、信息化、智能化发展提供强有力的技术保障和发展动力，具有重要的现实意义和显著经济效益。

［1］苏元浩，等.码头电力监控系统的通信设计与实现［J］.工业控制计算机，2007（9).

［2］李炯.基于PLC的供配电监控系统的设计［J］.机电工程技术，2011（1).

［3］王凌云，龙江.PLC与组态在供配电监控系统中的应用［J］.PLC与工控机，2011（6).

［4］梁子伊，马正华，瞿新南.基于ZigBee和GPRS的风电场远程监控系统研究［J］.计算机与数字工程，2010（11).

［5］房向荣，施仁.组态王与智能仪器的动态数据交换［J］.工业仪表与自动化装置，2005（10).