港口岸電聯(lián)船技術(shù)優(yōu)化及使用效果評定方法研究

郭 旭,吳培森

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

港口接用岸電技術(shù)[1-3]指船舶靠港期間，停止使用船上的發(fā)電機，而改用陸地電源供電。港口提供岸電的功率應(yīng)能保障滿足船舶停泊后所必須的全部電力設(shè)施用電需求，包括生產(chǎn)設(shè)備、生活設(shè)施、安全設(shè)備和其他設(shè)備。目前，已有部分對岸電系統(tǒng)的優(yōu)化研究，李偉令等[4]以低壓上船為例,根據(jù)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn),確定系統(tǒng)設(shè)備初始參數(shù),分別用標(biāo)幺值法和等效電壓源法計算系統(tǒng)短路電流并進行對比。利用電磁暫態(tài)仿真軟件(Power System Computer Aided Design;PSCAD)搭建系統(tǒng)模型，為電纜、開關(guān)柜、斷路器、互感器等一次設(shè)備選擇參數(shù)?？娦抡械萚5]引入虛擬同步發(fā)電機技術(shù)，針對有功頻率控制、電壓無功控制以及電壓電流控制分別進行優(yōu)化，并通過小信號模型分析阻尼系數(shù)對岸電系統(tǒng)輸出的影響，進而制定了船舶岸電電源自適應(yīng)阻尼控制策略，最后在PSCAD/EMTDC中進行仿真對比，驗證了船舶岸電電源自適應(yīng)阻尼控制策略的有效性。劉廣財?shù)萚6]以 “高-低-高”岸電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計了基于丁型三電平逆變器的主回路，按照滿足在線式熱退出要求進行結(jié)構(gòu)改造，同時對基于光纖通訊的主從CPU握手模式進行設(shè)計，在實際樣機上進行了控制算法試驗，得到預(yù)想的光纖通訊控制波形，實踐結(jié)果表明該控制方法可有效提高岸電供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

上述研究均針對岸電設(shè)計進行了優(yōu)化，而隨著我國港口接用岸電碼頭數(shù)量的不斷增加，在岸電接用過程中出現(xiàn)了各種影響岸電順利使用的實際問題；同時目前對岸電設(shè)施的建設(shè)效果，大多以覆蓋率為標(biāo)準(zhǔn)，對于岸電設(shè)施的實際使用情況并沒有有效的量化評價方法。由此，本文對接電過程中普遍存在的控制反饋信號缺失、船舶接地造成絕緣監(jiān)測不通過以及老舊船舶大功率設(shè)備缺少變頻變壓功能等問題，提出相應(yīng)的解決方案。在此基礎(chǔ)上，為量化岸電連接效果，提出相應(yīng)的效果評定方法，量化港口岸電使用效果，有效促進我國港口岸電發(fā)展。

1 港口岸電系統(tǒng)現(xiàn)狀介紹

船舶在?？扛劭谶M行裝卸作業(yè)的過程中，雖然主發(fā)動機停機，但維持船舶上各類生產(chǎn)生活所需電力，其輔助發(fā)動機(簡稱輔機)還要進行工作，由于輔機使用化石燃料，其污染物和溫室氣體的排放仍然十分可觀，是影響港口及周邊環(huán)境的重要因素。

通過岸電系統(tǒng)替代船舶輔機，直接對散貨貨輪、集裝箱船及港作船舶等進行供電，可顯著減少各類船舶特別是大型遠洋船舶在港口停泊期間的污染物及溫室氣體排放，是提高港口生產(chǎn)過程中環(huán)境質(zhì)量的重要手段。

但實際應(yīng)用岸電系統(tǒng)過程中也存在不少問題，例如港口碼頭環(huán)境特殊，濕度大、腐蝕性高，對用電設(shè)備的要求極高。另外，遠洋船舶來自世界各地，各個國家用電的頻率不盡相同，例如部分歐美國家使用60 Hz交流電，而我國采用50 Hz頻率供電。電壓更是有380 V到10 kV的跨度，除此之外，各類船舶對外接口不同，連接岸電的過程中需要主動檢測和適應(yīng)不同的接口，由此就會產(chǎn)生各類兼容問題，由此船舶岸電的連接是岸電系統(tǒng)能否順利供電的最核心問題。

由于岸電連接中存在問題較多，就導(dǎo)致了很多岸電系統(tǒng)整體接用率不足，不能充分體現(xiàn)岸電系統(tǒng)的重要作用。目前我國港口整體岸電建設(shè)情況良好，但對岸電的使用情況和使用效果并沒有量化的評價標(biāo)準(zhǔn)，由此，本文提出基于用電效果的評價指標(biāo)，為岸電的使用效果提供量化評價，有效促進港口整體環(huán)境提升和綠色港口建設(shè)。

2 岸電連接優(yōu)化技術(shù)研究

2.1 控制反饋信號問題及解決方案

2.1.1 問題介紹

船舶連接過程中，船側(cè)須將帶有插頭的電纜連接至岸邊接電箱，但由于部分船舶岸電系統(tǒng)構(gòu)架問題，造成電路連接后，不能激活相應(yīng)的供電控制系統(tǒng)，從而造成岸電系統(tǒng)實際已連接完成，但由于相應(yīng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)未能識別，導(dǎo)致無法為船方提供電力的情況。

2.1.2 解決方案

船岸系統(tǒng)的連接主要包括動力回路和控制回路，基于上述情況，最有效的方法是在接用的同時在連接處加裝控制反饋，從而使已完成連接的信息反饋至船側(cè)的電力監(jiān)控系統(tǒng)，完成岸電系統(tǒng)連接。

目前，船舶岸電連接過程普遍采用光纖通訊，需要建立通訊連接，并通過通訊協(xié)議傳輸至船舶的監(jiān)控系統(tǒng)。PLC是船用系統(tǒng)的邏輯控制部分，用于監(jiān)測是否完成岸電系統(tǒng)中船岸電路的連接，即判斷是否已經(jīng)接通主回路插頭。由此可在插頭中加裝間接觸點連接或通訊，形成輔助反饋，將電源已接通的信號傳送至船舶的PLC，使船側(cè)的電力監(jiān)控系統(tǒng)獲得連接信息，從而逐漸切換負荷至岸側(cè)供電(圖1)。

圖1 岸電系統(tǒng)連接過程PLC反饋流程圖Fig.1 PLC feedback flow chart of shore power system connection process

在實際操作中，首先應(yīng)在進行聯(lián)船操作前進行外觀檢查、帶電檢測、絕緣耐壓檢測、接地檢測、電氣參數(shù)檢測、電纜張力等準(zhǔn)備工作，確保設(shè)備動作正常，允許進行接電前狀態(tài)。

其次，進行岸電系統(tǒng)連接，如果工作正常，則將進入主回路連接供電階段。如未加裝旁路觸點，則會出現(xiàn)前述的部分船舶因控制回路通訊不正常，或因為旁路觸點不能有效反饋至船側(cè)PLC，導(dǎo)致船側(cè)的監(jiān)控系統(tǒng)顯示未連接或異常，無法進行供電。出現(xiàn)該情況時，可通過加裝旁路觸點方式，為船方電力控制系統(tǒng)反饋已連接信號，從而完成船舶供電(圖2～圖5)。

2.2 船舶接地結(jié)構(gòu)絕緣問題及解決方案

2.2.1 問題介紹

船岸電氣連接前的準(zhǔn)備工作，除常規(guī)的外觀檢查、電氣開關(guān)的操作性檢查、帶電通斷指示檢查、保護機構(gòu)試驗外，還需要對船舶電氣系統(tǒng)進行耐壓絕緣檢測，確保達到相關(guān)的絕緣要求，才可以進行連接。

目前岸電連接過程中主要采用帶載無擾切換，即在連接過程中，逐漸減少船載發(fā)電機供電量，并增加陸域岸電電源供電量，直至完全切換至岸電供電方式。而部分遠洋船舶在進行首次接用岸電的絕緣檢測時，由于船體電氣系統(tǒng)接地結(jié)構(gòu)為中性點直接接地或通過電阻接地，導(dǎo)致其船舶絕緣電阻較低，不符合我國現(xiàn)行岸電連接要求，絕緣檢測不通過。

造成這一問題的主要原因是國內(nèi)外的岸電設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。根據(jù)國內(nèi)的岸電標(biāo)準(zhǔn)《碼頭船舶岸電設(shè)施工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB51305-2018的要求，高壓岸電中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)電阻接地；而遠洋船舶來自世界各地，遵從的標(biāo)準(zhǔn)大多為國際通用標(biāo)準(zhǔn)或本國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如，目前使用的岸電方面的國際標(biāo)準(zhǔn)為《Utility Connection in Part1:High Voltage Shore Connection(HVSC) Systems-General Requirements》ISO/IEC/IEEE 80005-1:2012，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高壓船舶岸電設(shè)施的接地方式為中性點經(jīng)電阻接地，由此，這類遠洋國際船舶在首次接電前的檢測時，可能無法達到按照耐壓絕緣要求，從而不能順利接用岸電。

2.2.2 解決方案

目前該類船舶不能連船的主要原因是耐壓絕緣不符合國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求，這種情況是由電氣系統(tǒng)的接地特點造成的，而非真正存在安全隱患。由此解決問題的重點是中斷船舶原有接地方式，再進行船舶連接前檢測，從而使其通過絕緣檢測，一般可以分兩種方式解決方案。

一種是使用船舶原有接地開關(guān)或增加接地開關(guān)，在絕緣檢測時斷開接地開關(guān)，待檢測絕緣符合要求后再連接。這種情況適于船舶原有或可以加裝接地開關(guān)，而遠洋船舶大部分不帶接地開關(guān)，而且船上設(shè)備安裝緊湊，空間較小，不能增設(shè)接地開關(guān)，則需要采用第二種方式。

第二種方式是直接按船舶圖紙，找出中性點直接接地或經(jīng)接地電阻的連接點，將接地母線斷開，這種連接一般采用螺栓和接線端子。此方案技術(shù)難度較大，需要首先與船方進行深入溝通，并準(zhǔn)確找出接地連接點，且如果有重復(fù)接地點，也應(yīng)一并解除連接。

通過以上兩種方式中任一種斷開接地連接，待絕緣檢測后，絕緣值符合要求，確定全部滿足接電條件后，即可以重新連接接地裝置，進行下一步岸電連接步驟。

2.3 大電流啟動問題及解決方案

2.3.1 問題介紹

岸電接電過程中，部分船舶設(shè)備由于制造年代較遠，無軟啟動、變頻啟動裝置，用電設(shè)備的瞬時啟動電流可能達到其額定電流的4～7倍，對功率大的電動機沖擊較大，超出了岸電電器元件額定電流值，造成保護機構(gòu)動作，中斷岸電向船側(cè)輔機供電。

2.3.2 解決方案

解決方式有兩種，一種為在岸方岸電設(shè)施中設(shè)置較大的供電容量，另一種為在船側(cè)設(shè)置降壓啟動措施。

第一種方法中，設(shè)置較大供電容量后，船舶機械啟動時的沖擊電流不足以達到電氣元件的額定電流，保護機構(gòu)不動作。該方式主要用于功率相對較小的電動機啟動；如果電機功率過大，則需要增加岸電容量，所需的設(shè)備投資成本過高，實際操作中難度較大。另外，該方案主要適用于新建和改擴建碼頭的岸電實施，或岸電設(shè)施的采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以較為方便地擴充設(shè)備容量的情況，部分岸電設(shè)施建設(shè)后已無法改變?nèi)萘?，則不適用此種方式。

第二種方法是在船側(cè)的大型電機增加軟啟動、變頻等降壓啟動措施。該方式是最有針對性的減小沖擊電流的方式。但船舶改造涉及占用設(shè)備間的空間、額外的資金投入等；而大功率電機無降壓啟動的船舶一般都是相對較早購置的。老舊船舶可能已經(jīng)面臨更換，船方再次投資船舶改造啟動設(shè)備意愿較低，由此應(yīng)積極與船方溝通，通過經(jīng)濟補償或其他優(yōu)惠等方式，促進岸電接用。

3 岸電系統(tǒng)運行效果量化評定

上述三類問題是船舶連接岸電不成功中存在的普遍問題，需要船方和碼頭方共同協(xié)調(diào)合作進行解決，從而有效提高岸電連接成功率和使用率。實際上，可量化的岸電使用效果評價指標(biāo)是衡量岸電系統(tǒng)建設(shè)情況的重要因素。但截至目前，對于岸電建設(shè)的評價指標(biāo)主要為岸電覆蓋率，即碼頭岸電的建設(shè)數(shù)量與泊位數(shù)量的比值，但對岸電接駁率、岸電使用時間等實際使用情況相關(guān)的評價指標(biāo)相對較少，不能客觀評價已安裝岸電設(shè)施的使用效果。由此，本部分提出基于岸電使用情況的評價指標(biāo)。

3.1 靠港船舶接電率評定

該指標(biāo)主要用于評定?？看a頭的船舶接入岸電的比率，由于各類碼頭中?？看暗闹圃炷攴荨㈦娏ο到y(tǒng)等有所差別，對于岸電的適用性也有所不同，因此本指標(biāo)中只統(tǒng)計可以滿足岸電接入條件的船舶。另外需要說明的是：根據(jù)《港口和船舶岸電管理辦法》中“具備受電設(shè)施的船舶(液貨船除外)，在沿海港口具備岸電供應(yīng)能力的泊位靠泊超過3 h，在內(nèi)河港口具備岸電供應(yīng)能力的泊位靠泊超過2 h，且未使用有效替代措施的，應(yīng)當(dāng)使用岸電；船舶、碼頭岸電設(shè)施臨時發(fā)生故障，或者惡劣氣候、意外事故等緊急情況下無法使用岸電的除外?！币虼?，文中滿足岸電連接條件的船舶不包括上述幾類情況。

具體評價公式如下

(1)

式中：K為碼頭?？看敖佑冒峨姳嚷剩籶為全年實際接入岸電的船舶艘次；P為全年停泊期間具備接入岸電條件的船舶艘次。

3.2 船舶岸電使用率評定

該指標(biāo)主要用于評定滿足岸電接用條件(與3.1中定義范圍相同)的船舶，使用岸電時間與?？扛劭跁r間的比率，由于各類碼頭中?？看暗闹圃炷攴?、電力系統(tǒng)等有所差別，對于岸電的適用性也有所不同，因此本指標(biāo)中只統(tǒng)計可以滿足岸電接入條件的船舶，具體評價公式如下

(2)

式中：U為碼頭?？看鞍峨娛褂寐?；t為船舶使用岸電時間(以船舶完成岸電連接，完全使用岸電進行供電開始；到開始進行岸電斷開操作結(jié)束)，h；T為船舶?？扛劭跁r間，h。

3.3 碼頭岸電效率評定

該指標(biāo)主要用于評定碼頭岸電設(shè)備給船舶提供電力時的效率，通過將“靠港船舶使用岸電設(shè)備時與港口方結(jié)算的電量”與“港口方與電力企業(yè)結(jié)算的電量”的比值獲得，具體評價公式如下

(3)

式中：S為碼頭岸電效率；c為全年靠港船舶使用岸電設(shè)備時與港口方結(jié)算的總電量，kW·h；C為全年港口方與電力企業(yè)結(jié)算的總電量，kW·h。

3.4 港口岸電使用綜合評定

該指標(biāo)主要用于評定港口岸電的綜合使用率，通過“全年岸電實際接用量”與“全年岸電供給量”的比值。具體評價公式如下

(4)

式中：B為綜合使用率；h為全年岸電實際接用量，kW·h；H為全年岸電供給量，kW·h。

3.5 實例說明

以國內(nèi)某集裝箱碼頭為例，該碼頭擁有2個集裝箱泊位，建設(shè)1套岸電設(shè)施，全年停泊期間滿足接入岸電條件的船舶艘次約220艘，實際接用岸電船舶6艘，則船舶接電率為6/220×100%=2.73%；船舶?？繒r間與連接岸電時間如表1所示，由此全年的岸電使用率為91.5/105×100%=87.14%。

表1 碼頭船舶停靠情況表Tab.1 Ships at the wharf

此6艘船與港口結(jié)算的電量為74 298 kW·h，該碼頭整體岸電系統(tǒng)與電力公司的結(jié)算數(shù)據(jù)為78 747 kW·h，則該碼頭全年的岸電效率為:74 298/78 747×100%=94.35%。全部接用情況下供給電約為2 637 579 kW·h，則岸電使用率為74 298/2 637 579×100%=2.81%。

由此，該碼頭整體岸電使用效果如表2所示。

表2 碼頭岸電使用效果評價表Tab.2 Evaluation of quayside power utilization effect

從以上結(jié)論可以看出，該碼頭岸電覆蓋率已達50%，岸電的電力效率和岸電使用率都處于良好水平，但船舶接電率偏低，由此，應(yīng)大力推進和鼓勵船方接用岸電系統(tǒng)。

4 結(jié)論

隨著國家對環(huán)境保護的要求不斷提高和綠色港口建設(shè)[7-8]的深入，岸電技術(shù)以其顯著的減排效果得到大力推廣，國內(nèi)大部分港口均建設(shè)了岸電系統(tǒng)，但由于遠洋船舶來自世界各地，對岸電連接和正常使用提出了巨大挑戰(zhàn)，本文基于目前岸電推廣使用過程中存在的控制系統(tǒng)不能正常反饋、絕緣檢測不正常及缺少變頻變壓設(shè)備等三類問題，提出了相應(yīng)的解決方案；在此基礎(chǔ)上，針對岸電系統(tǒng)缺乏效果量化方法的情況，提出了靠港船接電率、船舶岸電使用率及碼頭岸電效率三類評價方法，可有效評價岸電使用效果，推進港口岸電設(shè)施使用及綠色港口建設(shè)。