船舶岸基供電系統新型智能岸電車分析

潘宇航

一、引言

大型港口所在地區和城市人口密度高，船舶靠岸裝卸活動頻繁，減少船舶大氣污染物排放，建立節能環保綠色的港口岸電系統需求應運而生、順勢而出。各類船舶船東也普遍接受和需要岸電新技術，市場需要旺盛而急迫，船用岸電技術是成為建設綠色港口的重要技術之一。節能環保智能港口和岸電技術是當前國家極力提倡和發展的研究課題，發展港口岸電系統，助推綠色航運節能減排，依托港口和航運業的發展，推動了社會經濟發展，港口的大量船舶也是沿岸地區大氣污染物的一個重要來源，對空氣質量環境和人們生活環境造成負面影響。若大量過往物流裝卸的船泊停靠沿江港口碼頭時，都使用港口岸電新技術系統，用岸上城市電力替代輔助發動機燃油發電系統滿足船舶用電需求，既能消除船舶在港期間對沿江港口地區空氣污染又具有良好的綠色環保經濟性，急需大力深入開發研究和應用推廣。

當前，中國港口船舶岸電系統研究進入大力推廣和應用時期，自2009年以來，中國沿海港口已經建立了多個示范性港口船舶岸電試點性工程。青島港招商局國際集裝箱碼頭有限公司，在2009年首先引進實施青島港船舶岸電改造，對五千噸級內貿支線集裝箱碼頭，安裝應用了岸電設備，該岸電系統只針對近洋國內船舶，因而應用面比較窄；2010年3月，武漢港迪電氣公司聯合研制岸基移動式船用變壓調頻供電系統，對上海外高橋二期集裝箱碼頭船舶投入岸電試運行，這是世界上第一套能夠為停泊在碼頭不同泊位大型集裝箱船舶提供的移動式岸基電源裝備，上海外高橋二期集裝箱碼頭采用岸基移動式船用變壓調頻供電系統，主要是針對國內外部分集裝箱船舶，岸電工程沒有形成有效的規模，目前基本處于閑置狀態，主要是岸電電纜輸送對接問題。2010年10月，“中韓之星”郵輪在連云港港口首次成功連接岸電，將高壓船用岸電系統應用到往返于中國和韓國的郵輪。深圳港招商國際蛇口集裝箱碼頭，在2011年11月至2012年1月期間，先后安裝了高壓岸電系統和低壓岸電系統并成功進行了試驗與運營。2016年1月，寧波舟山港為大型遠洋船舶接駁高壓岸電，目前港口船舶高壓岸電流程和技術趨于成熟，已具備常態化運作的能力。2017年11月，福建省廈門東渡港區海天碼頭開始把岸上電力輸送到船上實施碼頭岸電系統。該系統岸基電源額定容量3000KVA，供電至碼頭前沿2個岸電插座箱，基本滿足單艘10萬噸級集裝箱船靠泊作業期間的供電需求。2018年3月，天津港聯盟國際集裝箱碼頭有限公司正式投入使用集裝箱船舶岸基供電系統，該套系統所用變頻電源采用“高—低—高”方案，在實施與船舶電源連接、退出及轉換過程中船舶不需斷電，實現無縫切換。

隨后，武漢港、重慶港等國內一些內河港口及海港及碼頭，也正在積極引進船舶岸電系統，進行有效應用推廣和試驗。中國實施岸電系統主要港口碼頭如表1所示。

國外岸電起步早，發展水平相對比較高。各國船舶與靠港期間供電與用電制式實現匹配，是船舶岸電系統需要解決的重點問題，國外船舶配電電壓包括低壓配電和高壓配電兩種，低壓配電為440V/400V，高壓配電為6.6KV/6KV。目前國外已有岸電項目都以直供電為主。

全世界最先實施船舶岸電系統的港口是瑞典哥德堡港，2000年，ABB公司為哥德堡港建設了世界第一套船舶岸電系統，使該港停靠船舶的噪聲和污染物排放明顯降低，據計算，此項岸電系統使得哥德堡港船舶靠港期間減少了94%～97%的污染排放物，在歐盟各國引起了廣泛關注和極大的興趣。隨后，歐盟各大主要沿海港口，如德國漢堡港口、荷蘭鹿特丹港、比利時安特衛普港、芬蘭凱米港、德國呂貝克港等集裝箱港口和郵輪碼頭，以及瑞典哥德堡港等客滾或渡船碼頭也相繼應用推廣岸電系統。美國朱諾港在2001年首次將岸電系統應用在豪華郵輪碼頭；2004年，美國將岸電系統應用在洛杉磯港集裝箱碼頭；2009年，美國首次將岸電系統應用在長灘港油輪碼頭。2018年德國漢堡港接入岸電后環境質量有明顯改善，如圖1所示。

到2018年，全球使用岸電系統的海港及內河港口約有100多家，而岸電的應用也從滾裝港口、客滾港口、集裝箱港口、散貨港口、件雜貨港口及郵輪港口，擴展到了油輪港口和天然氣港口等。全球主要實施岸電系統港口碼頭如表2所示。

二、 船舶岸電供電系統

目前，全球港口普遍采用的船舶岸電供電系統一般分為岸上供電系統、電纜連接裝置系統、船舶受電系統三部分，其結構示意圖如圖2所示。船舶岸電電源系統主要由港口碼頭岸上變壓調頻及輸配電系統和船舶自身岸電轉換系統兩大部分組成。港口船舶岸電系統模擬示意圖如圖3所示。

2010年，中國連云港港建設完成了高壓船舶/高壓岸電的船舶岸電系統。該港口輸入為10KV/50Hz。通過岸邊的高壓岸電樁，將變頻后的60Hz高壓電輸送到船舶上的變電站，其結構如圖4所示。

通過應用分析，此結構船舶岸電系統有如下優點：

（1） 岸電系統可不間斷進行供電，可自動在船岸之間進行切換負荷轉移，不需要連接與分離時斷電；

（2） 借助高壓電纜來傳輸電力，傳輸電量大，可提供3～4MW的電量；

（3） 連接方便，安裝簡單；

（4） 可以多船并列供電；

（5） 可進行智能控制，進行在線監測與動態預測；

（6） 系統安全可靠。

但該結構的船舶岸電系統也存在的缺點：需要在船上安裝對應設備，需要經過船舶所在地的船級社的批準和同意。

2000年，全世界最先實用船舶岸電系統的港口是瑞典哥德堡港，為ABB公司所研制，船舶岸電系統結構如圖5所示。其后，港口與公司雙方再次合作，研制了一種 3MVA/11kV，50Hz/60Hz雙頻岸電系統。

美國長灘港的岸電系統中岸基與船基均采用高壓輸電，交流電所用頻率為60Hz，其設計方案如圖6所示。

港口岸上供電系統是將高壓交流電通過變電站進行變壓調頻之后，滿足靠港船舶需要的電源，然后，通過電纜輸送裝置系統，供應到靠港船舶岸電箱。電纜連接輸送裝置是指連接岸上供電箱與船舶受電箱之間的電纜和裝置，可安裝在港口邊或躉船上。船舶受電系統是指在船舶尾部機房安裝岸電箱受電系統，主要包括電纜卷筒、船上變壓設備及船舶電氣管理裝置等。我國港口變電站電源一般為電壓10kV及頻率50Hz的電源，而高壓6.6 kV或6kV、低壓450V或400V，頻率為50 或60Hz 的電源是全球船舶電源的一般要求，因此，需要通過船舶岸電系統將變電站中的電源進行電壓等級和頻率轉換，從而適用于靠港船舶實施供電。根據岸電系統船舶岸電輸入側和輸出側的電壓及頻率如表3所示。

2018年4月，習總書記考察調研長江經濟帶發展時進一步指出，“長江是中華民族的母親河，一定要保護好”。他強調指出，“修復長江生態環境，是新時代賦予我們的艱巨任務，也是人民群眾的熱切期盼。當務之急是剎住無序開發，限制排污總量。絕不容許長江生態環境在我們這一代人手上繼續惡化下去，一定要給子孫后代留下一條清潔美麗的萬里長江！”他強調，“總體上看，實施長江經濟帶發展戰略要加大力度。必須從中華民族長遠利益考慮，把修復長江生態環境擺在壓倒性位置，共抓大保護、不搞大開發，努力把長江經濟帶建設成為生態更優美、交通更順暢、經濟更協調、市場更統一、機制更科學的黃金經濟帶，探索出一條生態優先、綠色發展新路子”。同時，黨中央、國務院印發《關于全面加強生態環境保護堅決打好污染防治攻堅戰的意見》中明確，“全國主要港口和排放控制區內港口靠港船舶率先使用岸電。到2020年，長江干線、西江航運干線、京杭運河水上服務中心和待閘錨地基本具備船舶岸電供應能力”。

為減少長江航運港口船舶污染廢氣的排放，分析岸電應用過程中的技術問題，結合長江內河港中小型貨運船舶的特點，采用新型低壓雙頻可調壓岸電城市電源，輸出380V/50Hz或440V/60Hz電源給靠港船舶提供照明、通風、通信、生活、貨船泵和其它關鍵設備運行用電。這樣的電源裝置具有安裝方便、自適應調壓調頻和快速啟動等特點，大大減少船舶污染廢氣排放，將會在長江航運產業取得良好的經濟效益和社會效益。長江內河港口船舶岸電系統主要由三部分組成：岸上供電系統、船岸交互部分和船舶受電系統。

岸上供電系統、船岸交互部分和船舶受電系統三部分的劃分如下。

（1）岸上供電系統

岸上供電系統使電力從高壓變電站供應到靠近船舶的連接點，即碼頭岸電設備，完成電壓等級變換、變頻與船舶受電系統不間斷供電切換等功能。

（2）船岸交互部分

由港口岸上連接點輸送電纜連接船上受電纜和設備，電纜連接設備必須滿足快速連接和回收要求，岸電對接完畢，把電纜盤繞在船上、岸上或躉船上的電纜卷筒。

（3）船舶受電系統

在船上原有基本配電系統的基礎上，安裝便于對接岸電的受電系統設備，包括船上變壓器和相關電氣管理系統等。

由于船岸交互部分其要求電纜連接設備必須滿足在岸邊的不同位置實現快速連接供電，連接設備在閑置的時候能安全儲存和不占用港口的空間。國內現在使用岸電的港口，船岸交互部分并沒有滿足以上要求，這就急需一種新型的岸電船岸交互部分的連接供電裝置。本文主要是針對目前船舶岸電系統中的船岸交互部分出現的問題和技術難點提出了一種新型的船岸連接供電裝置。

國內外港口的船岸交互部分，一般會根據港口自身的特點，使用不同的船岸連接系統，目前，典型港口的船岸連接方式，如表4所示。

三、船舶岸電供電系統的組成和分類

一般來說，船舶岸電供電系統由岸上供電系統、電纜連接裝置以及船舶受電系統組成，港口船舶岸電供電系統原理結構圖如圖7所示。岸上供電系統主要包括主變電站和港口充電樁，主變電站將電網輸送過來的高壓電通過變壓調頻，輸出船舶所需要頻率和電壓的電能；港口充電樁主要功能是控制給船舶供電的開始、中斷和持續，起到安全保護計量和控制作用。其中，還包含一些其它智能服務功能。電纜連接設備指的是連接港口充電樁與船舶受電系統之間的電纜和設備，電纜連接設備的安裝布置可以靈活多樣，但盡量要滿足使用方便、連接快速和電纜存放便捷的特點。船舶受電系統一般固定安裝在船舶上，包括船舶變壓設備、電氣管理設備以及相應的電纜等，但船舶受電系統需要與岸上供電系統相適應，必要時需要進行改造。本文試圖研究岸電供電系統部分及電纜輸送連接裝置，對船舶受電系統不做詳細研究。

船舶岸電供電根據輸送到船上的電壓不同又分為高壓岸電供電和低壓岸電供電。一般情況下，當供給到船上的電壓為440V/690V，我們稱為低壓船舶岸電供電。低壓岸電供電適用于對岸電需求容量較小的船舶，在我國長江內河港口比較適用。當供給到船上的電壓為6.6KV/11KV時，我們稱之為高壓岸電供電。高壓岸電供電適用于對岸電需求容量大的船舶，在大多數海港比較常見。

岸電電纜智能對接，是國內內河港口岸電急需解決的難題，新型移動式智能岸電車對岸電船岸連接具有普遍性和實用性，能在不同類型港口碼頭（游輪碼頭、集裝箱碼頭、滾裝碼頭、客滾碼頭、散貨碼頭和件雜貨碼頭）完成靠港船舶供電。當船舶停靠岸邊時，岸電車能夠通過自身的移動到達合適位置，進行電纜連接；在結束岸電供電之后，岸電車回到倉庫，不占用岸邊空間，能夠避免在港口惡劣環境下設備腐蝕，延長岸電車使用壽命，岸電車對船舶連接部分采用快速連接插頭，確保岸電電纜連接和拆卸時間短，岸電車能更好的體現岸電快速連接即插即用的方便性。

四、移動式智能岸電車系統介紹

（一） 移動式智能岸電車的組成及原理

移動式智能岸電車系統由電纜自動卷繞系統、岸電車行走控制系統、供電液壓伸縮臂系統和其他輔助系統組成。

新型移動式智能化岸電車通過軌道可以自由在岸邊任意位置移動，滿足船舶停靠在岸邊不同位置都能方便受電，由于低壓上船需要連接的電纜較多實行小車自動化牽引電纜沿軌道前進后退，大大節省了人力。在沒有船舶停靠供電的時候小車能自動回到岸邊的小車倉庫里，這樣既不占用港口岸邊的空間又能延長供電小車和電纜的壽命。

（二）電纜自動卷繞系統

新型移動式智能岸電車是牽引著電纜進行前進和后退動作，這就需要岸電車在前進的時候電纜卷盤能夠自動放線，在后退的時候電纜卷盤能夠自動收線。如果岸電車的行走速度和電纜卷盤的卷放速度不一致就會造成電纜被拉斷或電纜雜亂卷繞。需要實現岸電車和電纜卷盤速度的實時反饋，保證兩者速度一致和安全保護措施，在速度不一致達到一定的范圍時能夠使岸電車停止運行，避免電纜損壞。

移動式智能岸電車的組成及電纜自動卷繞系統由①顯示器、②電機控制器、③電機、④電纜卷筒、⑤電纜、⑥行走部、⑦第一傳感器、⑧第二傳感器、⑨攝像頭組成。連接到岸電車的電纜⑤及由電機③帶動旋轉的電纜卷筒④；第一傳感器⑦設置為對應傳感岸電車的行走部⑥的移動速度和方向進行檢測，將檢測數據傳遞到所述電機控制器②；第二傳感器⑧設置為對電纜卷筒收放速度進行檢測，并將檢測數據反饋到電機控制器②；電機控制器②對從第一傳感器⑦、第二傳感器⑧收集到的數據進行處理，然后，根據岸電車移動速度和方向輸出不同的電信號驅動電機③以不同的轉速轉動，帶動電纜卷筒④，以相對應的速度收放動力電纜⑤。

電機控制器②連接有顯示器①，采用數據傳輸方式進行通訊并顯示收放電纜系統運行狀態，在收放電纜速度與挖掘機移動速度不對應時發出報警信息。

顯示器①連接有攝像頭⑨，攝像頭⑨設置于電纜卷筒④上方或者在攝像頭可以觀察電纜卷筒圖像范圍內的位置，用于觀察電纜卷筒的實際運行狀況并將圖像傳送到顯示器①。

（三）岸電車行走控制系統

岸電車前進和后退是靠無線遙控器控制電動機的的正反轉來實現的。岸電車上配有蓄電池來給電機供電驅動岸電車，這樣能減少牽引的電纜數量并簡化系統。

本岸電車控制系統是基于PLC無線遙控控制，采用了STC89C52單片機作為控制系統的核心部分，選用解碼芯片PT2272和編碼芯片PT2262實現岸電車無線操控，利用驅動芯片L298驅動電機正反轉原理，其中，穩壓電源可以為整個控制系統提供電源。首先，由遙控器發出控制信號，然后，接收模塊將接收到的信號傳給單片機，單片機就會根據接收到的信號，按照設計模式控制電機驅動芯片L298，從而，驅動直流電機，實現岸電車智能控制，完成岸電電纜對接任務。

（四）供電液壓伸縮臂系統

在岸電連接工作時，船舶會由于水面漲落或裝貨卸貨過程中船重量不斷變化造成的船體下降或上升。這會對供電的安全性和持續性造成嚴重影響，這就要求岸電車的供電臂能夠隨著船體的上升和下降自動調節位置。另外，船舶靠岸時距離岸邊有一定的距離，因此，本文提出了使用液壓伸縮的供電臂，設計結構如圖8所示。

供電液壓伸縮臂可以根據船舶靠岸的距離自動伸縮供電，等船舶接電完成時，液壓系統卸壓，伸縮臂就可以根據船舶的上升和下降自動調控機構位置，從而，消除了因船舶升降導致供電不穩定的影響。

（五）岸電車輔助系統

由于船舶供電時液壓伸縮相當于一個懸臂梁，此時，液壓伸縮臂的重量比較大，會使岸電車產生一個傾覆力矩，岸電車的重心發生偏移有可能會造成岸電車的側翻，如圖9所示。提出了在岸電車上加裝一套液壓支腳防側翻裝置，如圖10所示。

其中F是液壓臂的重力，FR是液壓支腳的支持力，L是支腳到岸電車重心的距離，L1是液壓臂到重心的距離。這時岸電車所受的力矩平衡，防止了岸電車在供電時發生供電不穩定和側翻的情況。

（六）岸電車港口船舶供電實證分析

在船舶靠港停泊或作業期間，若I號船與II號船并排停靠，III號船與IV號船并排停靠，一臺岸電車可以開到港口岸邊1號與2號泊位之間。為了同時滿足兩排靠泊船舶的供電需求，在1、2號泊位之間通過岸電車自動向船舶供電。岸電電纜通過岸電車輸送提升裝置，輸送電纜至靠泊船舶，如圖11所示。岸電車上安裝一臺液壓式電纜提升裝置，通過提升裝置的多級液壓臂可以將電纜提升并輸送到I號泊位和2號泊位的船舶上。電纜提升裝置配有回轉機構，通過回轉運動擴大作業面積，從而為停泊在1號泊位的兩艘船舶，以及2號泊位的兩艘船舶輸送電纜進行供電，港口靠泊船舶可以長期處于無人值守狀態，岸電車的電纜提升裝置可以通過遠程控制的方式，遙控為1號泊位和2號泊位的兩艘船舶輸送電纜進行供電。而1號泊位船舶在靠泊時可以直接將I號船上電纜接上II號船舶的電纜轉接頭上，從而為1號泊位的兩艘船舶供電，依此類推可以滿足全部靠泊船舶的供電需求。

五、總結

隨著科技的不斷發展，港口岸電的自動化及智能化程度會不斷的提高，目前，岸電車電纜頻繁牽引導致磨損破壞問題還有待進一步改善，港口移動式智能岸電車還需要繼續深入研究并改善和優化控制系統，使其更好的推動岸電的發展，減少港口環境污染。現階段我國的船舶岸電系統大多數都是簡單的 “高壓電網-岸電電源-船舶受電”的連接形式，還缺少相應的監控管理網絡平臺，對港口岸電設備的運行、監控、計量計費及安全防護等的管理，還沒有形成統一的標準，這是現階段我國船舶岸電系統面臨的一個重要問題，船舶岸電系統需要向智能化信息化方向發展，如研究港口岸電系統的數據采集、信息集成和信息共享，實現視頻安防功能和計量計費、設備運行參數、狀態的顯示、發生故障時報警等。最后，通過互聯網云計算大數據遠程監控我國沿海港口岸電車對接岸電，以及遠程操控管理內河沿岸港口岸電車對接岸電也是非常有趣的研究課題。