面向内河码头的低压标准化岸电管理系统*

张东辉, 奚培锋, 桂小霖

[1.上海联联睿科能源科技有限公司,上海 200063;2.上海电器科学研究所(集团)有限公司,上海 200063]

0 引 言

内河码头数量多、分散广,不便于管理,工作人员技术水平参差不齐,很难保证设备正常使用及维护。同时,随着运输量的增大、靠港船舶的增多,船舶在港期间造成的大气污染变得越来越不能忽视[1-2]。在国家推行“绿色港口”的大背景下,各地方政府积极建设推进港口岸电设备的新建与改造,进一步加速了岸电设备智能化的实现。随着岸电技术、电能监控和计算机信息技术的不断发展,针对港口岸电系统的船舶岸电监控系统及其相关研究也受到越来越多的重视[3-4]。因此,本文基于低压标准化岸电管理系统的“设备-通信-平台”直联结构,开展了岸电管理平台、智能控制单元、岸电箱等标准化软硬件研究,并在上海港内河码头推广使用,实现了岸电设备的统一化管理和线上船舶受电工作,提高了设备的使用率,减轻了码头工作人员的作业量,同时也促进了港口“绿色节能”的发展。

1 低压标准化岸电管理系统结构

低压标准化岸电管理系统是一种软件与硬件相互结合的标准化综合性岸电管理系统。它将通过硬件采集和平台软件分析的方式,提供船舶受电、实时监控、远程控制和报警等功能,确保低压标准化岸电管理系统的安全运行和高效利用。系统由以下3个维度组成:应用层(低压标准化岸电管理平台)、通信层(智能控制单元)、设备层(标准化岸电箱)。低压标准化岸电管理系统结构如图1所示。

图1 低压标准化岸电管理系统结构

2 低压标准化岸电管理平台

2.1 平台应用架构设计

低压标准化岸电管理平台采用前沿的物联网、云端技术及MQTT通信协议[5],平台从整体架构分为应用层、API网关、共享服务中心、统一采集平台、互联互通平台、数据中心以及行业云支撑。平台应用架构设计如图2所示。

图2 平台应用架构设计

其中,应用层提供对B端/C端服务,如Web运营平台、手机App等应用服务;API网关和共享服务中心,实现对不同渠道应用进行业务,实现平台之间的数据交换与共享;统一采集平台是整个平台系统的基础,对终端设备进行准实时数据采集,保障数据的准确性、实时性、扩展性等;数据中心是整个系统的中枢,是整个平台系统业务应用的支撑与保证,提供数据的实时存储、海量分析、挖掘,提供对共享服务中心的数据能力支持。

2.2 低压标准化岸电管理平台功能

(1) 业务管理:全面覆盖,依托智能控制单元实时掌握岸电设备情况,控制设备起动、结算、监管设备的实时状态等,实现岸电设备的全方位监管。

(2) 数据开放:对接,打通与银行、第三方支付平台、第三方岸电设备联网平台、政府平台的数据对接,实现平台结算一体化,数据协同共享。

(3) 用户服务:方便快捷,以用户需求为导向,通过对外服务平台不断完善面向用户的管理App、微信小程序,全方位提升用户使用体验,为用户低压标准化岸电服务创造更多的方便。

3 低压标准化岸电硬件设备

3.1 智能控制单元(TCU)

TCU是低压标准化岸电管理平台与岸电设备连接的枢纽,对上与管理平台通信采用MQTT协议,对下与岸电设备通信采用CAN总线的连接方式,实现底层设备数据的采集上传以及下发管理上级平台的控制指令。

(1) 硬件设计。

为实现低压岸电设备互联网功能,统一接入至低压标准化岸电管理平台,每个码头岸电设备配置TCU模块,将设备的实时信息(启停、电压,电流、功率等)上传到后台云端。同时,每个岸电设备配置的TCU模块,将完成对低压标准化岸电设备的控制、计费、通信等功能,TCU通过RS-485/以太网/4G等方式实现数据互通,岸电设备使用信息上传到管理平台,并接受管理平台下发的控制指令。TCU由CPU处理器、ESAM加密模块、非易失存储器、语音模块、开关量输入、开关量输出、时钟、电源管理等部件构成。智能控制单元基本构成关系如图3所示。智能控制单元通过软硬件接口连接相应输入/输出组件,完成人机显示、计量计费、支付、数据加解密、控制充电设备启停、与低压标准化岸电管理平台通信等功能。

图3 智能控制单元基本构成关系

(2) 通信协议。

结合码头环境的多样性,低压标准化岸电设备与智能控制单元之间通过CAN通信的方式实现数据传输,智能控制单元与平台之间采用MQTT通信协议,保障管理平台与底层设备之间的通信。

由于内河港口码头信号差,维护工作不到位,导致部分设备信息无法实时上传,采用MQTT通信协议可以解决码头此类问题。MQTT是一种基于发布-订阅模式的“轻量级”消息协议[6],协议的控制报文主要由固定包头、可变包头和有效载荷3部分组成[7],具有轻量级、可靠性、网络适应性强等特点,具备消息重发机制,可解决设备离线后与平台重新连接问题,还可以保障数据传输的完整性。MQTT协议还具有网络适应性强的特征,可以适应各种网络环境,包括低带宽、高延迟、不稳定的网络情况,解决码头信号差的问题,保证数据传输至平台[8]。

CAN总线通信使用串行数据传输方式,将岸电设备每个接口作为1个节点发送数据,以报文形式广播给网络中所有节点,在同一系统中标识符是唯一的,当几个接口同时数据发送或读取时,这种配置对保证通信质量十分重要[9]。

3.2 低压标准化岸电箱

内河码头主要安装的是低压标准化岸电箱、隔离变压器、船岸连接电缆及电缆卷筒设备、接插件,以及变压转换箱等。岸电箱内包括壳体、开关设备、测量仪表、保护电器和辅助控制设备、通信模块、人机交互设备、急停按钮设备等部件。低压标准化岸电箱的供电模式为交流三相400 V/50 Hz,输出电流常见为63 A、125 A、250 A。

结合现阶段情况,部分船舶没有进行改造,船舶受电模式为230 V/50 Hz,考虑此类情况,增加了变压转换箱。当码头停靠船舶有AC 230 V电源需求但无法通过岸电管理系统(AC 400 V)接口实现供电时,可选用变压转换箱(400 V/230 V)实现供电,保证船舶使用岸电的需求,提高岸电使用率。变压转换箱结构图如图4所示。

图4 变压转换箱结构图

4 系统推广应用

低压标准化岸电管理系统已在上海港500余家码头使用,监管700余台岸电设备,为1 000多个泊位提供线上岸电服务。据统计,2023年度上半年,上海港低压岸电总用电量约43.5万kWh,受电总时长6.6万h,按照每条船停泊时油耗0.012 t/h、油价5 000元/t[10]、码头向受电船舶收取电费和服务费1.5元/kWh测算,预计通过使用岸电可为船舶节省费用约334万元。

5 结 语

低压标准化岸电管理系统在上海港内河码头的应用,解决了政府监管、码头管理、船舶使用等问题。低压标准化岸电管理系统的推广,为政府部门提供了数字化管理手段,可实现分散布置的内河码头岸电设施的统一监管,提高监管的有效性;岸电管理系统为码头企业提供便捷的管理方式,方便对岸电设施维护管理,简化了船舶受电的工作流程,提高岸电服务的质量;船舶用户使用统一的系统,减少下载或使用多个App的痛点,全流程线上操作,提高了船舶用户使用便捷性。