靠港船舶智能陆基供电系统

李 欣，李卫东

靠港船舶智能陆基供电系统

李 欣1，李卫东2

（1. 锦州航星舰船研究所有限公司，辽宁锦州 121000；2. 锦州航星集团有限公司，辽宁锦州 121000）

为了实现绿色港口，保护环境，减少港口CO2等污染物排放，降低大气和噪声污染，基于可编程控制器和工控机，运用profibus-dp现场总线技术，设计开发了智能陆基供电系统。系统中在PLC中实现逻辑控制，在工控机中完成监控和管理，进而实现船舶靠港后使用陆基供电系统供电及日常供电管理。应用结果表明该系统实现了靠港船舶日常供电的新方向，其全自动智能监控和管理功能省时、省力、安全可靠，特别适合未来港口船舶停靠的发展需求。

陆基供电系统 PLC profibus-dp现场总线

0 引言

中国是世界上较大的航运国家，随着我国水运事业的蓬勃发展，绿色港口发展的需求日益增强，建设“资源节约型、环境友好型”的绿色生态港口得到国家和港口企业高度重视，船舶停靠港后停用船上发电机，改用陆基岸电供电这一节能减排的重大举措目前正在我国港口码头行业逐步展开，因此陆基供电系统应运而生。其简约的控制逻辑及友好的可视化界面，使陆基供电系统的控制和管理更加便捷，高效。

1 系统方案设计

智能陆基供电系统是基于控制主站与控制子站分层管控的DCS控制模式，子站负责现场的数据采集与控制，而主站采用IPC与PLC[1]相结合的工作方式，负责管理并归档全部现场子站的数据并实现远程集中控制。在主站IPC的监控界面既可以查看现场各种实时数据还可以查看历史记录，同时还可以查看系统报警跳闸的实时和历史记录，并实现配电断路器和风机等集中有效控制。

其次，智能陆基供电系统在供电方式上也与众不同，设计中采用UPS电源集中供电方式，由UPS不间断电源经过电源模块变换后向整套系统提供控制电源，包括DC24 V、DC110 V、DC220 V、AC220 V，主要用于控制主站、控制子站、变送器、电路保护监测单元，变压器风机控制单元，变压器温度采集单元、主开关、应急照明电路等，从而实现整个系统中所有控制电源的集中管理、统一分配，确保控制电路稳定可靠工作。特别是当电源突然断电时，UPS不间断电源仍然能正常供电一段时间，使系统中监控管理设备做好数据存储，保证数据的完整性。同时也使电路中关键部件恢复到安全状态，保证了可靠操作及人身安全。系统中控制电路的直流控制电源都取自UPS不间断电源，未在电路中设计专门的直流控制供电电源，从而使电路的设计简单可靠，更节省很多空间和成本。从集中监控管理的角度来讲，这种设计也确保了系统中数据的实时有效和统一完整。

2 系统硬件设计

智能陆基供电系统采用了集散式控制系统的管理模式。其控制电路原理框图如图1所示，主要由以下几部分构成：IPC智能监控系统、数据处理控制主站[2]，电源逆变子站[2]、配电子站[2]、变压器子站[2]以及打印机、光纤接口模块等。IPC和控制主站是整个系统的控制中心，通过工业现场总线[2]在IPC上实现远程集中管理与操控，这是智能陆基供电系统[3]设计上一大亮点。由于港口陆基供电系统[3]的设计和研制开发工作尚处于初期阶段，对其要满足的标准和实现的功能都在不断完善过程中，目前港口已经安装的陆基供电系统都侧重于本地监测和操控功能，注重人工板前供电及安全可靠连船。对于大屏幕的远程集中管理与监控未做过多的研发，特别是与变电站的配电中心及船侧的PMS管理系统的数据交换和监控功能都不够完善，仍需在这方面进行深入研究和探索，因此设计中智能陆基供电系统使用光纤接口模块，应用现代计算机技术实现与变电站配电中心，与船侧的PMS管理系统的信息交换，采用profibus-dp现场总线[2]技术完成主站与各个子站的数据交换。在IPC上通过大屏幕的监控界面实现供电过程中各个配电部门实时监测，安全可靠地对输入输出配电进行集中分配和统一管理。实现港口供电[3]的数据统计分析、数据报表、归档、供电费率的统计、结算等等。

图1 智能陆基供电系统控制电路原理框图

2.1 控制主站

由于在智能监控系统中要实现大量的数据统计和分析工作，因此相对于控制主站的运算速度和处理能力要求较高，设计中采用西门子公司的S7-300[1]系列PLC模块实现，该系列模块的CPU处理能力较强[1]，通过对其软件编程实现陆基供电系统的远程监控、综合故障报警等功能。且CPU模块本身具有以太网及profibus-dp现场总线[1]通讯功能，能够可靠的实现与IPC及智能子站的数据交换和监控工作，为系统设计中工厂级和现场级的数据交换及数据处理提供有利的保证。

2.2 智能子站

从模块化角度来划分，其智能子站包括电源逆变子站、配电子站和变压器子站。

电源逆变子站：该子站由整流单元和逆变单元组成，并通过整流和逆变单元中智能模块HCU实现对两个单元中整流和逆变功率器件的控制，完成不同频率和电压的输出功能。对于整流和逆变单元的参数设置及信息采集由控制主站通过profibus-dp现场总线[2]与整流和逆变单元中智能模块HCU通讯来实现。其硬件框图如图2所示，配电子站：配电子站主要实现进线电源和逆变输出电源的控制，由进线单元、预充单元、输出配电单元组成。该子站通过profibus-dp现场总线[2]与控制主站进行交换数据，实现进线、预充及输出配电单元的控制，同时实时监测各个进出单元的运行状态，及时做出报警和跳闸处理。

变压器子站：该子站主要完成进线变压器和出线变压器的温度监测及保护，与控制主站之间的通讯由profibus-dp现场总线[2]总线实现。

图2 电源逆变子站硬件原理框图

3 系统软件设计

智能陆基供电系统的软件设计可分为智能监控软件设计和控制主站S7-300[1]中的程序设计两部分。智能监控软件设计部分主要是在IPC上完成远程实时监控的各种画面设计及数据归档处理、报表打印等功能。控制主站S7-300[1]中的程序设计主要是在西门子S7-300[1]的硬件配置环境中实现逆变子站、配电子站、变压器子站的远程控制，同时完成控制系统的报警、保护跳闸等功能。

3.1 智能监控软件（IPC软件监控界面）

IPC上软件监控界面是基于力控ForceControl编写的监控软件，其交互界面友好，操作简单方便。主界面详尽的显示了现场设备的状态及其相关电量参数，通过触摸界面操作人员可直接进行集中控制，实现大屏幕的远程集中管理与监测。

现阶段大多数的陆基供电系统的报表功能不完善，统计分析的数据不全面，对数据归档也未做详细处理。目前，在智能监控软件界面中对其上述功能进行了完善，并得到了完美体现。尤其是数据报表和统计功能在智能监控软件设计中做了进一步开发。进入数据报表界面后，通过点选上方的操作按钮，可以对10 kV的进线电路的电压、电流、有功功率、无功功率及功率因数等电量参数进行实时在线监测，也可以通过输入查询日期查询历史记录，如果需要提交进线电路电量参数的报表文件，可以通过导出报表功能，导出EXCEL表格形式的文件。除了对进线电路电量参数的实时监测、历史记录查询及报表导出外，在数据报表界面，还可以点选上方其他的操作按钮，分别对变频电源、输出计量单元、馈线输出单元的电量参数，对移向变压器、隔离变压器的温度参数进行与10 kV的进线电路相同的操作。另外，每次充电完成后，用户能够直接在报表界面统计本次陆基供电数据，查看供电量和供电费用，并及时填写数据小票，打印计费凭证等，这些实用的报表统计功能使智能陆基供电系统的应用和操作更加方便实用。

其次，在主监控界面中，可以直接控制配电屏中各个主开关的合分闸，变压器和滤波器风机的启动停止，特别是在界面的右下角，设计了变频电源的操控功能，可以对变频电源的输出进行配置，操控电源的启动停止等等。在监控系统的监控界面，对于配电子站中主开关、接地开关的状态也做了动画显示，其效果形象直观，一目了然。各母线段的电压、电流也进行了实时显示，方便操作人员及时了解现场工况。报警界面可以详细地查看陆基供电系统发生的报警情况，并及时排除故障，保障系统可靠运行。进入配电屏界面可以更详尽的查看其中的电量参数，包括各种功率参数，主开关的状态及手车的位置等等。同样在逆变电源界面可以更详尽的查看逆变电源的电量参数，包括两种输出电制的设置和进线电源相序等。

因此，从港口对智能陆基供电系统的管理[3]来讲，在智能监控软件侧完全可以实现全自动智能监控和管理，省时、省力、安全可靠，特别适合未来港口的智能化及自动化的发展需求。

图3 陆基供电设备现场安装使用照片

4 结束语

通过粗略计算，船舶靠岸后如果采用陆基供电系统供电，每用一度电可比燃烧柴油节省成本1元多，对于港口而言，目前我们的系统是2000 KVA陆基供电系统，即使考虑到设备损耗及负载功率因数等因素，保守计算，陆基供电系统每开机一小时，可为船东节省成本1500元。港方可以与船东协商分配收益，特别是后期陆基供电设备的持续运行将为港方带来源源不断的利益,目前在北方，国家电网针对陆基供电系统的补贴政策出台后,利益将更加可观。

另外，从港口整体减少污染物排放的折算经济效益看，将大量减少CO2排放，同时约含99%的CO和超过50%的N2O的排放。也将减少船舶发电机组的振动和噪音，改善轮机员维修保养机舱设备的工作环境。对于使用陆基供电技术，大气和噪声污染可大幅度降低，燃油消耗也将降低，经济效益会显著提高，因此具有高可行性和高可操作性，应用前景广阔。

[1] 廖常初. S7-300/400PLC应用技术[M]. 第4版. 北京: 机械工业出版社, 2016.

[2] 廖常初. 西门工业通讯网络组态编程与故障诊断[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.

[3] 刘兴宇. 港口船舶岸电技术与实践[M]. 北京:中国电力出版社, 2018.

An Intelligent Onshore Power Supply System For Ships Berthing in a Harbor

Li Xin, Li Weidong

(1. Institute of Ship Research Jinzhou Hangxing, Jinzhou 121000, Liaoning, China; 2. Jinzhou Hangxin Group Co., Ltd, Jinzhou 121000, Liaoning, China)

In order to realize green port, protect environment, reduce pollutant emissions such as CO, reduce atmospheric and noise pollution, based on programmable controller and industrial computer, an intelligent land-based power supply system is designed and developed by using profibus-dp general technology on site. In the system, the logic control, and the monitoring and management are completed in PLC and the industrial computer so that the power supply and daily power supply management of the land-based power supply system are realized. The application results show that the system realizes the new direction of the daily power supply of the ship by port, with the automatic intelligent monitoring and management function characterising time &effort-saving and high reliability, especially suitable for ship docking at port in the future.

U653.95

A

1003-4862（2019）09-0036-04

2018-02-15

李欣（1975-），女，工程师。研究方向：船舶设备控制系统设计。E-mail: xblixin@163.com