交通運(yùn)輸行業(yè)港口船舶岸電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

丁 亮

（南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司，江蘇 南通 226001）

0 引言

隨著船舶運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，船舶岸電系統(tǒng)的作用愈發(fā)突顯船舶到港后，其自身的電力系統(tǒng)將會(huì)關(guān)閉，內(nèi)部各類設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)交由碼頭設(shè)置的陸地電力系統(tǒng)進(jìn)行能源供應(yīng)。船舶岸電系統(tǒng)可分為港口岸電系統(tǒng)與船舶岸電系統(tǒng)，港口想要實(shí)現(xiàn)岸電系統(tǒng)建設(shè)，需要對港口供電設(shè)施進(jìn)行改造與擴(kuò)容，從而使其具備為到港船舶提供有效電力服務(wù)的能力。岸電系統(tǒng)需要為到港船舶提供其內(nèi)部設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)所需的全部電力需求，如船舶生產(chǎn)設(shè)施、生活設(shè)備以及各類安全保障輔助設(shè)備等。

1 國內(nèi)外船舶岸電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1 船舶岸電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

船舶岸電系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)輸體系節(jié)能減排的重要手段，在國際上已普遍應(yīng)用。早在2004年，西方發(fā)達(dá)國家就開始對港口進(jìn)行改造，全面推行船舶岸電系統(tǒng)，因經(jīng)濟(jì)條件良好，技術(shù)積累充足，船舶岸電系統(tǒng)發(fā)展十分迅猛。同時(shí)，為進(jìn)一步推動(dòng)船舶運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排工作的發(fā)展，能源供應(yīng)環(huán)節(jié)也在逐步加大清潔能源的占比，并已取得相對較好的成效。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，各類船務(wù)公司與港口碼頭在獲取足夠資金保障后，也在探尋船舶岸電系統(tǒng)建設(shè)，并積極開展相關(guān)技術(shù)研究工作，岸電系統(tǒng)工程應(yīng)用實(shí)踐廣泛展開。經(jīng)過大量前期技術(shù)積累，2010年，我國開始實(shí)施船舶岸電系統(tǒng)應(yīng)用試點(diǎn)工作，這些試點(diǎn)工程的實(shí)施為后續(xù)岸電系統(tǒng)的發(fā)展與優(yōu)化積累大量經(jīng)驗(yàn)，并對我國后續(xù)船舶岸電系統(tǒng)的大規(guī)模建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。經(jīng)過大量技術(shù)驗(yàn)證與前期改造，我國自2014年開始對國內(nèi)大型港口實(shí)施船舶岸電系統(tǒng)建設(shè)工作，船舶停靠期間的大氣污染物排放量大幅削減。我國港口年吞吐量極為龐大，大量船只穿梭于各個(gè)港口之間，這就使岸電系統(tǒng)工程建設(shè)面臨一定困難，電力系統(tǒng)改建與擴(kuò)容成為難點(diǎn)，為保證能源供應(yīng)的穩(wěn)定性，我國部分港口在其內(nèi)部設(shè)置可移動(dòng)船舶岸電系統(tǒng)電力供應(yīng)點(diǎn)，寧波港、天津港、上海港、廈門港、秦皇島港等眾多港口已初步完成岸電系統(tǒng)建設(shè)工作，后續(xù)擴(kuò)容以及優(yōu)化調(diào)整工作仍在繼續(xù)[1]。

1.2 船舶岸電系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

船舶岸電系統(tǒng)自引進(jìn)以來，我國行業(yè)技術(shù)人員在原有的技術(shù)條件基礎(chǔ)上，針對我國港口運(yùn)營發(fā)展現(xiàn)狀，實(shí)施一系列技術(shù)攻關(guān)與研究，相關(guān)部門也在這一基礎(chǔ)上制定相對完善的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，并以國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等形式進(jìn)行推廣。

港口船舶岸電系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系形成依托于岸電系統(tǒng)的實(shí)踐與應(yīng)用，行業(yè)工作者借助各類技術(shù)手段，針對船舶岸電應(yīng)用領(lǐng)域中存在的各類注意事項(xiàng)進(jìn)行具體說明，針對實(shí)踐環(huán)節(jié)得到的數(shù)據(jù)，對建設(shè)實(shí)施的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)做出規(guī)定。因此，船舶岸電系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系是岸電應(yīng)用領(lǐng)域中具有內(nèi)在聯(lián)系的一系列標(biāo)準(zhǔn)組成的結(jié)構(gòu)體，其自身帶有很高的靈活性，是現(xiàn)代港口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的重要內(nèi)容之一，也是我國交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系下的一類末端子集。

岸電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系覆蓋岸電設(shè)計(jì)、岸電建設(shè)與使用、岸電維護(hù)與檢測等諸多環(huán)節(jié)，并對各項(xiàng)工作作出具體規(guī)定，可分為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)劃制修訂標(biāo)準(zhǔn)。因此，港口船舶岸電系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展以技術(shù)研究以及實(shí)踐應(yīng)用為基礎(chǔ)，而針對岸電系統(tǒng)的實(shí)際需求，逐步形成系統(tǒng)的、先進(jìn)的、協(xié)調(diào)的、科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)體系框架更是關(guān)系到標(biāo)準(zhǔn)體系自身的應(yīng)用價(jià)值。

港口船舶岸電系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用時(shí)，工程人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注工程安全保障性、對惡劣環(huán)境的抵御能力以及系統(tǒng)實(shí)施后在環(huán)境保護(hù)、公共利益、人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全等層面所表現(xiàn)出的社會(huì)價(jià)值。近些年，國家電網(wǎng)、中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)等諸多電力企事業(yè)單位針對港口船舶岸電系統(tǒng)建設(shè)需求，計(jì)劃實(shí)施《岸電設(shè)施技術(shù)規(guī)范》，而規(guī)范內(nèi)設(shè)置的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)與內(nèi)容在實(shí)踐應(yīng)用中不斷調(diào)整與優(yōu)化，已取得大量成果，這對于我國船舶岸電系統(tǒng)工程建設(shè)與使用標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展意義重大。國家標(biāo)準(zhǔn)層面對港口岸電系統(tǒng)的技術(shù)要求、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以及建設(shè)規(guī)范進(jìn)行初步編制，如《靠港船舶岸電系統(tǒng)技術(shù)條件》《碼頭船舶岸電設(shè)施工程技術(shù)規(guī)范》等。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層面，我國船舶運(yùn)輸各監(jiān)管單位共同發(fā)布《港口船舶岸基供電系統(tǒng)技術(shù)條件》《港口船舶岸基供電系統(tǒng)操作技術(shù)規(guī)范》以及《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)規(guī)范》等一系列建設(shè)與實(shí)施指南。隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，我國電力行業(yè)企事業(yè)單位也同樣編制出《智能電網(wǎng)船舶岸電系統(tǒng)》等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)與落實(shí)，標(biāo)志著我國港口船舶岸電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與發(fā)展進(jìn)入全新階段。

依照最新的《標(biāo)準(zhǔn)體系表編制原則和要求》，港口船舶岸電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施應(yīng)建立在目標(biāo)明確、全面配套、層次分明、劃分清楚的基礎(chǔ)原則之上，而標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展，也要同步關(guān)注結(jié)構(gòu)的合理性、專業(yè)的配套性、層次分明與劃分明確，而在這些基礎(chǔ)規(guī)范與指標(biāo)的保障下，我國港口船舶岸電標(biāo)準(zhǔn)工作得到進(jìn)一步完善。

在《標(biāo)準(zhǔn)體系表編制原則和要求》指導(dǎo)下，岸電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系的創(chuàng)建與發(fā)展應(yīng)同步關(guān)注以下工作細(xì)節(jié)：

1）縱向?qū)哟蔚膭澐?/p>

縱向?qū)用鎽?yīng)依照標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的高低以及適用范圍的不同，設(shè)置縱向?qū)哟翁菁?jí)，梯級(jí)設(shè)置基礎(chǔ)應(yīng)涵蓋岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成、電氣設(shè)備與核心技術(shù)等諸多方面。

2）橫向?qū)哟蔚膭澐?/p>

岸電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系橫向?qū)哟螒?yīng)注重岸電系統(tǒng)工程在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)的社會(huì)影響，對標(biāo)準(zhǔn)作用下的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)機(jī)器所屬技術(shù)領(lǐng)域中的作用，以行業(yè)、專業(yè)、門類等為基礎(chǔ)進(jìn)行橫向劃分，因此，標(biāo)準(zhǔn)的橫向類別劃分通常會(huì)對應(yīng)電力、通信、控制、機(jī)械與船舶等諸多不同行業(yè)。

2 港口船舶岸電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)

2.1 船舶岸電系統(tǒng)供電并網(wǎng)切換處理

岸電系統(tǒng)實(shí)施環(huán)節(jié)，系統(tǒng)自身應(yīng)保證與船舶輔機(jī)并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電力能源的無縫切換，確保船舶內(nèi)部各類設(shè)施不會(huì)中斷其運(yùn)轉(zhuǎn)。并網(wǎng)切換環(huán)節(jié)需使用到變頻電源，而變頻電源通?？煞譃橹鲃?dòng)并網(wǎng)切換與被動(dòng)并網(wǎng)切換。

1）主動(dòng)并網(wǎng)切換

變頻電源是實(shí)現(xiàn)船舶岸電系統(tǒng)與船舶自身供電系統(tǒng)相互切換的基礎(chǔ)，是作用于整個(gè)電網(wǎng)層面，針對整個(gè)電網(wǎng)切換過程中的主體變頻。供電切換環(huán)節(jié)，系統(tǒng)內(nèi)部需對船舶上主機(jī)電源信息進(jìn)行主動(dòng)采集，如電壓與電流，而這些信號(hào)在被變頻電源獲取后，電壓信號(hào)將作為變頻輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)。

主動(dòng)并網(wǎng)切換體系實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，變頻電源獲取到的船舶電源電流信息將會(huì)作用在變頻控制器上，根據(jù)船舶電力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，同步調(diào)節(jié)岸電系統(tǒng)的輸出功率，切換過程并不是瞬間完成，而是逐步調(diào)節(jié)，直到船舶發(fā)電機(jī)上的負(fù)載完全轉(zhuǎn)移到變頻電源負(fù)載，船舶自帶電力系統(tǒng)將不再供電，而是完全交由岸電系統(tǒng)進(jìn)行。

主動(dòng)并網(wǎng)切換技術(shù)模式較為先進(jìn)，技術(shù)體系依舊處于完善與發(fā)展階段，實(shí)際應(yīng)用相對較少。但是，主動(dòng)并網(wǎng)切換的優(yōu)勢極為明顯，其實(shí)現(xiàn)切換過程的智能化，可將船舶電氣設(shè)備供電環(huán)節(jié)從船舶電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)移至岸電系統(tǒng)，而這對于岸電系統(tǒng)自身的負(fù)載調(diào)節(jié)以及船舶電氣設(shè)備使用而言極為有利。此外，主動(dòng)并網(wǎng)切換采取船舶電源信息主動(dòng)獲取的方式，信息數(shù)據(jù)在岸電系統(tǒng)之中自動(dòng)完成應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的一鍵切換，切換的中間過程自動(dòng)化。但是，主動(dòng)并網(wǎng)切換處理技術(shù)應(yīng)用對船舶電力系統(tǒng)要求較高，港口在實(shí)施岸電系統(tǒng)工程建設(shè)環(huán)節(jié)，船舶自身的電力供應(yīng)體系也要進(jìn)行相應(yīng)地改造，否則變頻電源將難以獲取到船舶發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)受臨船舶產(chǎn)業(yè)自身的限制，缺少通用性[2]。

2）被動(dòng)并網(wǎng)切換

變頻電源為相對穩(wěn)定電源，這一系統(tǒng)可根據(jù)具體需求調(diào)節(jié)輸出電壓、負(fù)載與頻率，借助船舶配備的同期柜，變頻電源可實(shí)現(xiàn)能源在電網(wǎng)與船舶之間的轉(zhuǎn)移，而這種被動(dòng)式并網(wǎng)切換的具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

變頻電源首先需要獲取到輸出電壓與頻率，因此，岸電系統(tǒng)被動(dòng)式并網(wǎng)切換需輔以輸出濾波、隔離變、接口箱、船上進(jìn)線柜等裝置，在這些電氣設(shè)備的輔助下，電力能源可從電網(wǎng)系統(tǒng)直接傳送到船載變頻電源并網(wǎng)柜。船載變頻電源并網(wǎng)柜需要對采集的電源信息進(jìn)行顯示，如電源的相續(xù)、頻率、幅值與相位等，這些信息顯示在并網(wǎng)柜終端，系統(tǒng)需自動(dòng)完成并網(wǎng)條件判斷。此外，船載變頻電源并網(wǎng)柜可完成對發(fā)電機(jī)發(fā)電信息的調(diào)整，當(dāng)確定發(fā)電機(jī)各項(xiàng)輸出數(shù)據(jù)符合并網(wǎng)條件后，將變頻電源接入到船舶供電系統(tǒng)。此時(shí)，岸電系統(tǒng)將逐步接替船舶發(fā)電機(jī)完成供電，工作人員在確定并網(wǎng)操作完成后，可逐步減小船載發(fā)電機(jī)的輸出功率，提高岸電系統(tǒng)的電力供應(yīng)占比，船舶電力需求負(fù)載逐步向岸電系統(tǒng)岸用電源供電方向轉(zhuǎn)移，當(dāng)岸電系統(tǒng)供應(yīng)負(fù)載完全滿足船舶各類系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)后，船載發(fā)電機(jī)將停止工作。

與主動(dòng)并網(wǎng)切換相比，被動(dòng)并網(wǎng)切換不需要船舶對發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，系統(tǒng)實(shí)用性較高，發(fā)展前景良好，可廣泛適用于各類大中型港口岸電系統(tǒng)建設(shè)工程。

2.2 逆功率處理

岸電系統(tǒng)經(jīng)常存在逆功率現(xiàn)象，為避免逆功率對岸電系統(tǒng)使用的影響，變頻電源應(yīng)主動(dòng)完成頻率與相位的調(diào)節(jié)，并依照系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的算法，主動(dòng)生成逆功率，在四象變頻器的輔助下，可實(shí)時(shí)完成對逆功率的對沖。

逆功率處理通常在并網(wǎng)的瞬間完成，其過程可能會(huì)消耗幾秒鐘，因此，控制策略的不同也會(huì)直接影響到逆功率的處理效果。若采取四象變頻器，四象限方案，逆功率處理的可靠性處于正常水平，而整流環(huán)節(jié)則需要借助IGBT，而IGBR整流故障率要比整流橋高出很多，此外，控制邏輯的穩(wěn)定性處于正常等級(jí)，但是AFE整流控制相對復(fù)雜，技術(shù)應(yīng)用難度相對較大，因此，處理環(huán)節(jié)的硬件成本投入較大。若采用電阻吸收的處理方式，系統(tǒng)可靠性相對較低，處理過程對控制邏輯的依賴性較高，而邏輯實(shí)現(xiàn)又很復(fù)雜，控制效果不夠理想，但是，系統(tǒng)整體的硬件成本投入相對較低。若采用變頻調(diào)節(jié)方案，整流環(huán)節(jié)使用二極管，可靠性較高，硬件成本增幅不大，控制邏輯實(shí)現(xiàn)難度可控，且逆功率的控制效率較為良好。

2.3 港口船舶岸電系統(tǒng)連接段系統(tǒng)降壓解決措施

1）隔離變壓器降壓

港口船舶岸電系統(tǒng)工程應(yīng)用時(shí)，不同的船舶類別對應(yīng)的電力供應(yīng)負(fù)載存在很大差異，而復(fù)雜的變化，也會(huì)直接影響到隔離變壓器降壓效果。通常情況下，船舶電力系統(tǒng)負(fù)載越高，隔離變壓器降壓幅度越大。因此，為保證隔離變壓器降壓環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，技術(shù)工作者通常會(huì)采用2種解決方案：①技術(shù)人員可使用變頻電源，實(shí)時(shí)采集隔離變壓器輸出側(cè)電壓信號(hào)，而這一信號(hào)數(shù)據(jù)將會(huì)被傳送至變頻主控系統(tǒng)之中，而主控系統(tǒng)通過對閉環(huán)的控制，實(shí)現(xiàn)隔離變壓器穩(wěn)定處理，其實(shí)施過程的控制精準(zhǔn)度很高。②變頻控制邏輯程序需借助隔離變壓器阻抗值，通過邏輯控制，對隔離變壓器的壓將進(jìn)行補(bǔ)償，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)難度很低，但是精準(zhǔn)度與前者相比相對較差。

2）輸出電纜的壓將問題解決

港口船舶岸電系統(tǒng)使用的電纜長度會(huì)直接影響到壓將幅度，因此，工程建設(shè)期間，技術(shù)人員可采取電壓微調(diào)的方式，針對輸出電纜的壓將問題進(jìn)行處理，后續(xù)具體控制過程可借助終端設(shè)備完成，控制人員在終端屏幕上對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而避免輸出電纜壓將現(xiàn)象對港口船舶岸電系統(tǒng)應(yīng)用帶來的負(fù)面影響[3]。

2.4 三相輸出電壓平衡控制技術(shù)

根據(jù)港口船舶岸電系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，變頻電源的負(fù)載與變頻器電機(jī)類負(fù)載存在很大差異，如果技術(shù)人員只是對船舶電力系統(tǒng)某項(xiàng)單項(xiàng)負(fù)載進(jìn)行控制，很可能導(dǎo)致三相間負(fù)載分配無法實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)，而這種現(xiàn)象也會(huì)直接影響到不同相之間壓將控制工作，這對于船舶靠岸后的電力負(fù)載轉(zhuǎn)移工作的順利實(shí)施極為不利。針對這一問題，工程技術(shù)人員可借助三相電壓平衡控制技術(shù)，重點(diǎn)落實(shí)三相輸出電壓閉環(huán)控制，從而保證船舶內(nèi)部各類電氣設(shè)備的供電電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)語

港口船舶岸電系統(tǒng)的廣泛實(shí)施與應(yīng)用，是推動(dòng)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的重要手段，因此，交通運(yùn)輸部門應(yīng)不斷加大港口船舶岸電系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用分析工作，針對應(yīng)用環(huán)節(jié)的實(shí)際特點(diǎn)，制定相應(yīng)的體系標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)建生態(tài)文明為基本思想，輔以完善的技術(shù)控制與建設(shè)機(jī)制，大力推動(dòng)我國港口污染防治工作。監(jiān)管部門可借助法律、技術(shù)以及各類行政手段，鼓勵(lì)相關(guān)企業(yè)與單位不斷落實(shí)港口船舶岸電系統(tǒng)，讓電力企業(yè)、地方政府以及相關(guān)碼頭公司共同參與到岸電系統(tǒng)領(lǐng)域完善環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)我國港口發(fā)展與建設(shè)的低碳環(huán)保。