基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)及船用岸電功率補償方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及船舶電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，具體是一種基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)及功率補償方法。其系統(tǒng)中還包括有對所述船用岸電箱、變壓器和功率補償模塊進行監(jiān)測的多組多波段視覺傳感模塊，每一組多波段視覺傳感模塊包括依次排列的紫外線陣列傳感器、可見光圖像傳感器和紅外熱電堆傳感器三個獨立的傳感器，能夠監(jiān)測被測位置的紅外線、可見光和紫外線輻射的變化。本發(fā)明能夠應(yīng)用于現(xiàn)有船舶高、低壓岸電裝置中的集成化程度高、電能利用率高、監(jiān)測優(yōu)化、可擴展性強、安全可靠。
【專利說明】
基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)及船用岸電功率補償方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及船舶電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，具體是一種基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)及功率補償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶岸電是指船舶在靠泊期間停止使用船上的發(fā)電機，船上通風、照明、制冷等其他設(shè)施運轉(zhuǎn)都改由碼頭供電，從而減少船舶廢氣排放的供電方式。岸電系統(tǒng)主要由港區(qū)變電所、岸上電源裝置、岸電接收裝置和電纜連接設(shè)備等組成。船舶岸上電源根據(jù)電壓不同，可分為高壓岸電系統(tǒng)和低壓岸電系統(tǒng)。高壓岸電系統(tǒng)主要是指岸電電源的輸出為6.6kV/IlkV或者以上的岸電電源系統(tǒng)，對于大型船舶來說，船上各種電氣設(shè)備負荷很大，往往采用中高壓供電。低壓岸電系統(tǒng)主要是指岸電電源的輸出為440 V/ 400 V的岸電電源系統(tǒng)，通常為用電負荷較小的船舶所采用。由于船用設(shè)備一般是電感類設(shè)備，具有較低的功率因數(shù)和較多的諧波干擾，因此在使用岸電的過程中，需使用功率補償模塊和諧波抑制模塊進行系統(tǒng)級的有功功率提升，提尚電能的利用率。
[0003]現(xiàn)有岸電系統(tǒng)存在的主要缺陷有:
1、安全監(jiān)控中，通常采用常規(guī)傳感裝置對船用岸電箱、變壓器、功率補償模塊進行溫度監(jiān)控，傳感監(jiān)測點固定、傳感方式方式單一、監(jiān)測的發(fā)熱范圍小，難以兼顧對設(shè)備發(fā)熱、接頭打火、火災(zāi)等多種設(shè)備安全隱患的監(jiān)測；
2、功率補償策略由位于船上的船用岸電系統(tǒng)根據(jù)船用設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)信息直接生成，無法兼顧岸上電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，因此難以獲得最佳的功率補償策略，不利于整個系統(tǒng)的可靠運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠應(yīng)用于現(xiàn)有船舶高、低壓岸電裝置中的集成化程度高、電能利用率高、監(jiān)測優(yōu)化、可擴展性強、安全可靠的基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)及船用岸電功率補償方法。
[0005]本發(fā)明的基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)，包括有:位于港口岸上的與智能電網(wǎng)連接的岸基變電站;位于船上的船用岸電箱，用來連接岸基變電站，其輸出端經(jīng)過變壓器和自動并車裝置連接船用供電網(wǎng)絡(luò);功率補償模塊，連接船用供電網(wǎng)絡(luò)，對船用供電網(wǎng)絡(luò)進行功率補償;位于船上的船用岸電控制模塊，用來控制岸電和船用發(fā)電機的切換以及功率補償模塊的補償策略;其特征是:系統(tǒng)中還包括有對所述船用岸電箱、變壓器和功率補償模塊進行監(jiān)測的多組多波段視覺傳感模塊，每一組多波段視覺傳感模塊包括依次排列的紫外線陣列傳感器、可見光圖像傳感器和紅外熱電堆傳感器三個獨立的傳感器，能夠監(jiān)測被測位置的紅外線、可見光和紫外線輻射的變化。
[0006]所述多波段視覺傳感模塊中的各獨立傳感器的探測頭均安裝在豎直的轉(zhuǎn)軸上，并可繞轉(zhuǎn)軸在± 30 °范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，以跟蹤和定位故障點。
[0007]本發(fā)明的基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)還包括有位于岸上的港口岸電云平臺，用來對岸上電網(wǎng)信息進行處理;港口岸電云平臺連接有一個存儲不同功率補償策略數(shù)據(jù)的功率補償策略數(shù)據(jù)庫;港口岸電云平臺還與智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)部分通訊連接，用來獲取岸上電網(wǎng)狀態(tài)信息，作為生成功率補償策略的依據(jù)之一;港口岸電云平臺通過無線通訊方式與所述船用岸電控制模塊連接并交換信息。
[0008]所述港口岸電云平臺通過IEC61850網(wǎng)關(guān)與智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)部分通訊;港口岸電云平臺與船用岸電控制模塊之間的通訊，以及船用岸電控制模塊與各組多波段視覺傳感模塊的通訊均采用IEC61850通訊協(xié)議。
[0009]本發(fā)明的船用岸電功率補償方法是:
設(shè)置位于岸上的港口岸電云平臺，用來對岸上電網(wǎng)信息進行處理;港口岸電云平臺連接有一個存儲不同功率補償策略數(shù)據(jù)的功率補償策略數(shù)據(jù)庫;港口岸電云平臺與智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)部分通訊連接，用來獲取岸上電網(wǎng)狀態(tài)信息；港口岸電云平臺通過無線通訊方式與所述船用岸電控制模塊連接并交換信息；
船用岸電的功率補償策略生成過程是:由港口岸電云平臺分別獲取來自岸上智能電網(wǎng)的岸上電網(wǎng)運行信息和來自船用岸電控制模塊的船上供電及用電設(shè)備信息，將獲取的信息與功率補償策略數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進行比對和處理，進而生成功率補償策略。
[0010]本設(shè)計將視覺物聯(lián)網(wǎng)與船舶岸電技術(shù)聯(lián)合起來，實現(xiàn)了一種基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分考慮岸電系統(tǒng)中各重要設(shè)備的多波段視覺信息在岸電安全運行中的作用，同時以電網(wǎng)電能質(zhì)量為依據(jù)，在智能電網(wǎng)、港口岸電云平臺、船用岸電系統(tǒng)之間建立信息的閉環(huán)反饋，實現(xiàn)岸電系統(tǒng)的功率平衡。此外，本系統(tǒng)監(jiān)控集中、操作方便、可靠性高、可擴展性強，充分滿足IEC/IS0/IEEE 80005-1的各項功能和要求，適用現(xiàn)有的各大港口、各類岸電系統(tǒng)，具有廣闊的經(jīng)濟價值和市場潛力。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)占.V.1、采用獨創(chuàng)的多波段視覺傳感模塊可以評估岸電系統(tǒng)所有重要設(shè)備的健康狀態(tài)，預(yù)測及發(fā)現(xiàn)各類故障，比如發(fā)熱(紅外熱電堆)、接頭打火(紅外熱電堆+紫外線陣列)、火災(zāi)(可見光+紅外熱點堆)等。通過其數(shù)據(jù)處理模塊，可以實現(xiàn)多波段圖像的校正、融合、特征提取，結(jié)合岸電系統(tǒng)的電壓、電流、功率等信號的監(jiān)測，解決了現(xiàn)有岸電系統(tǒng)的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)不充分的問題。
[0011]2、采用IEC61850通訊協(xié)議，將智能電網(wǎng)、港口岸電云平臺、船用岸電控制模塊連接起來。以智能電網(wǎng)的電能質(zhì)量為評價標準，依托大數(shù)據(jù)平臺向各類船舶提供最優(yōu)的、可實時調(diào)節(jié)的功率平衡策略，解決了現(xiàn)有岸電系統(tǒng)功率分配與電網(wǎng)電能信息的信息交互、協(xié)同調(diào)節(jié)問題。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)原理圖；
圖2是本發(fā)明實施例的多波段視覺傳感模塊的排列結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明實施例的多波段視覺傳感模塊中一個獨立傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明實施例的多波段視覺感知模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示:紫外線陣列傳感器1、可見光圖像觸感器2、紅外熱電堆傳感器3依次從上至下放置，且傳感器之間有黑色ABS間隔層4。三種傳感器的型號依次為:GT-ABC-L、PIXIS科學(xué)級CCD探測器、HMS Jll F5.5。如圖3所示，每個傳感器都單獨連接一個豎直的轉(zhuǎn)軸5，因此每個傳感器都可單獨轉(zhuǎn)動，并所在波段的光強自動將視場中心對準目標，平面轉(zhuǎn)動范圍為±30°。數(shù)據(jù)后處理模塊采用ARM+DSP雙核結(jié)構(gòu)(ARM型號:STM32F4XXX，DSP型號:DM6XXX) JRM內(nèi)核負載模塊的初始化自檢、數(shù)據(jù)采集、IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)上傳、橫向轉(zhuǎn)動軸控制。DSP負責三個傳感器數(shù)據(jù)的校正、特征提取。整個模塊包含了包含了 12C、USB、Camera、TCP/IP、光纖接口，配備了 SANDISK大容量固態(tài)硬盤和4G內(nèi)存。此外，模塊采用直流24V供電。
[0014]多波段視覺傳感模塊的工作過程，詳細說明如下:
上電自檢。ARM向三個傳感器的內(nèi)存區(qū)寫入其自帶的自檢指令，若返回值與預(yù)先校驗值一致，則說明三個傳感器狀態(tài)完好;同時運行自檢程序，檢測ARM各接口的完好狀態(tài)。
[0015]船用岸電控制模塊根據(jù)被測目標的安裝位置、環(huán)境，設(shè)置紫外、紅外、可見光波段的光強及其變化率閾值。閾值的初始值一般設(shè)置為所屬波段環(huán)境光強的1.5倍。同時，將三個傳感器的橫向移動軸位置設(shè)置在O °。
[0016]3、協(xié)議轉(zhuǎn)化、應(yīng)答。ARM完整IEC61850的規(guī)約映射、并與船用岸電控制模塊進行預(yù)通訊，確認通信鏈路狀態(tài)完好。
[0017]4、正常工作。當被測目標在某個波段出現(xiàn)光強瞬時增加或光強變化率過快時，ARM內(nèi)核通過計算光強異常的方位設(shè)定移動的角度，其他兩個傳感器均按照該角度進行移動。若出現(xiàn)2個及以上傳感器感應(yīng)到光強異常，則根據(jù)各自的計算結(jié)果設(shè)定角度。DSP內(nèi)核負責對三個傳感器獲得信息進行圖像校正、特征提取(頻譜峰值、小波譜峰值)、圖像融合。ARM內(nèi)核最終將圖像融合(JPG)，特征提取)結(jié)果傳輸至船用岸電控制模塊用于設(shè)備工作狀態(tài)判斷。
[0018]數(shù)據(jù)傳輸格式為[*JPG，紫外波段頻譜峰值，可見光頻譜峰值，紅外波段頻譜峰值，紫外波段小波譜峰值，可見光小波譜峰值，紅外波段小波譜峰值]。
[0019]多組多波段視覺傳感模塊C分別位于船用岸電箱、變壓器和功率補償模塊處(如圖1)，對這些位置進行監(jiān)測。
[0020]下面根據(jù)圖1具體描述“一種基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)的工作方法”
如圖1所示:船舶靠港使用岸電分為兩部分:岸上部分和船上部分。
[0021 ]岸上部分包括智能電網(wǎng)(國家)、岸基輸變站(高壓變頻)、電纜系統(tǒng)、港口岸電云平臺。其中港口岸電云平臺與智能電網(wǎng)通過IEC61850智能網(wǎng)關(guān)相連，與船用岸電控制模塊通過無線方式，亦采用IEC61850通信標準進行通訊。
[0022]船上部分包括船用岸電箱(作用:連接岸上電源且包含應(yīng)急繼電保護裝置)，船用變壓器(降壓)、自動并車裝置(岸/船同時供電)、船用岸電控制模塊、諧波抑制模塊、功率補償模塊、船用數(shù)字干式負載箱(配合功率補償模塊)、不間斷電源、觸摸屏(搭配船用岸電控制模塊，作為控制及顯示界面)、IEC61850通信模塊。
[0023]一種基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)的工作方法，具體過程如下: 1、岸電連接就緒。船舶靠港后，需要電纜絞車設(shè)備將船/岸系統(tǒng)連接起來。由于船/岸供電方式不同，因此船用岸電控制需要實時監(jiān)控每個等電位檢測器的狀態(tài)，確保電力基準一致。同時，岸電連接電纜的狀態(tài)是重點檢測對象，特別是使用恒張力控制的絞車時，本系統(tǒng)將實時監(jiān)測電纜最大張力、電纜剩余長度、岸電插座的導(dǎo)線插頭狀態(tài)。以上監(jiān)測點，貫穿整個岸電使用過程。若出現(xiàn)異常，則迅速切斷船/岸供電開關(guān)，停止岸電使用;若狀態(tài)正常，船用岸電控制模塊將向岸電云平臺發(fā)出“就緒”指令以進行后續(xù)過程。
[0024]2、岸電系統(tǒng)初始巡檢。
[0025]船用岸電設(shè)備的初始巡檢:包括船用岸電控制模塊、多波段視覺感知模塊、功率補償模塊的初始化自檢。船用岸電控制模塊初始化包括I /0 口、時鐘、AD、DA、視頻、網(wǎng)絡(luò)、USB、IEC61850標準映射及應(yīng)答、電信號故障保護閾值、功率補償模塊參數(shù)的初始設(shè)置。多波段視覺感知模塊初始化包括多波段視覺傳感器的參數(shù)初始化及自檢、多波段光強閾值初始化、橫向移動軸位置初始化、IEC61850協(xié)議映射及應(yīng)答。船用岸電控制模塊作為系統(tǒng)核心。其監(jiān)測如下信號:岸電電纜定向接地故障、電壓狀態(tài)、頻率狀態(tài)、諧波狀態(tài)、欠壓保護器狀態(tài)、過電流保護器狀態(tài)、短路保護狀態(tài)、接地故障狀態(tài)以及岸電控制與監(jiān)測線路狀態(tài)。為了在岸電發(fā)生重大故障時切斷岸電系統(tǒng)，船用岸電箱以及岸電電纜絞車控制箱等處均設(shè)置應(yīng)急切斷按鈕，這些按鈕信號均接入該控制模塊。以上這些信號均有特定的傳感器獲取。
[0026]岸電系統(tǒng)中的船用變壓器、功率補償模塊、船用岸電箱均屬于易產(chǎn)生熱故障的設(shè)備，因此設(shè)置了多個多波段視覺傳感模塊，以獲取目標設(shè)備的多譜段量化信息。在本階段，由船用岸電控制模塊對所有的傳感器進行自檢、參數(shù)設(shè)置，并將系統(tǒng)的狀態(tài)傳輸至岸電云平臺。船用岸電控制模塊與港口岸電云平臺的信息交互內(nèi)容包括:船型、船上用電設(shè)備信息、功率補償模塊型號及參數(shù)類型、現(xiàn)場泊位信息。
[0027]3、岸電系統(tǒng)功率平衡
船用岸電控制模塊發(fā)出指令，當岸電與船電當電壓、頻率、相位一致時開始自動并車。在上述過程中，一旦出現(xiàn)短路、過流、過壓、多波段視覺傳感信息變化異常，船用岸電控制模塊迅速切斷船/岸之間的電氣連接。若一切正常，則進入功率初平衡狀態(tài)。依據(jù)電網(wǎng)電能質(zhì)量評價指標(電能質(zhì)量來源于(I)GB 12325-2008《供電電壓允許偏差》；(2)GB/T 14549 —1993《公用電網(wǎng)諧波》；(3)GT/T 15543 — 1995《三相電壓允許不平衡度》；(4)GB/T15945-2008《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》；(5)GB 12326 — 2008《電壓允許波動和閃變》；(6)GB/T 18481-2001《電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》)為標準，港口岸電云平臺根據(jù)智能電網(wǎng)的信息反饋，更新功率補償策略并傳輸給船用岸電控制模塊，逐個接入船上感性負載，同時平穩(wěn)減小數(shù)字干式負載，直至完全斷開，完成功率平衡。以有源功率補償模塊為例，功率補償策略包括SPffM波的頻率、占空比、PID閉環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)，所有的策略初始化和更新信息都通過智能電網(wǎng)的先驗經(jīng)驗獲得。
【主權(quán)項】
1.一種基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)，包括有:位于港口岸上的與智能電網(wǎng)連接的岸基變電站;位于船上的船用岸電箱，用來連接岸基變電站，其輸出端經(jīng)過變壓器和自動并車裝置連接船用供電網(wǎng)絡(luò);功率補償模塊，連接船用供電網(wǎng)絡(luò)，對船用供電網(wǎng)絡(luò)進行功率補償;位于船上的船用岸電控制模塊，用來控制岸電和船用發(fā)電機的切換以及功率補償模塊的補償策略;其特征是: 系統(tǒng)中還包括有對所述船用岸電箱、變壓器和功率補償模塊進行監(jiān)測的多組多波段視覺傳感模塊，每一組多波段視覺傳感模塊包括依次排列的紫外線陣列傳感器、可見光圖像傳感器和紅外熱電堆傳感器三個獨立的傳感器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)，其特征是:所述多波段視覺傳感模塊中的各獨立傳感器的探測頭均安裝在豎直的轉(zhuǎn)軸上，并可繞轉(zhuǎn)軸在±30°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。3.據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)，其特征是:該系統(tǒng)還包括有位于岸上的港口岸電云平臺，用來對岸上電網(wǎng)信息進行處理;港口岸電云平臺連接有一個存儲不同功率補償策略數(shù)據(jù)的功率補償策略數(shù)據(jù)庫;港口岸電云平臺還與智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)部分通訊連接，用來獲取岸上電網(wǎng)狀態(tài)信息；港口岸電云平臺通過無線通訊方式與所述船用岸電控制模塊連接并交換信息。4.據(jù)權(quán)利要求3所述的基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的船用岸電安全系統(tǒng)，其特征是:所述港口岸電云平臺通過IEC61850網(wǎng)關(guān)與智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)部分通訊;港口岸電云平臺與船用岸電控制模塊之間的通訊，以及船用岸電控制模塊與各組多波段視覺傳感模塊的通訊均采用IEC61850通訊協(xié)議。5.一種船用岸電功率補償方法，其特征是: 設(shè)置位于岸上的港口岸電云平臺，用來對岸上電網(wǎng)信息進行處理;港口岸電云平臺連接有一個存儲不同功率補償策略數(shù)據(jù)的功率補償策略數(shù)據(jù)庫;港口岸電云平臺與智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)部分通訊連接，用來獲取岸上電網(wǎng)狀態(tài)信息；港口岸電云平臺通過無線通訊方式與所述船用岸電控制模塊連接并交換信息； 船用岸電的功率補償策略生成過程是:由港口岸電云平臺分別獲取來自岸上智能電網(wǎng)的岸上電網(wǎng)運行信息和來自船用岸電控制模塊的船上供電及用電設(shè)備信息，將獲取的信息與功率補償策略數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進行比對和處理，進而生成功率補償策略。
【文檔編號】H02J3/26GK106026046SQ201610541955
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】李垣江, 陳夢, 王利鵑
【申請人】江蘇奧畋工程科技有限公司