港口岸電聯(lián)船技術(shù)優(yōu)化及使用效果評(píng)定方法研究

郭 旭,吳培森

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)，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(duì)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(guó)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(jì)算系統(tǒng)短路電流并進(jìn)行對(duì)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)。繆新招等[5]引入虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，針對(duì)有功頻率控制、電壓無功控制以及電壓電流控制分別進(jìn)行優(yōu)化，并通過小信號(hào)模型分析阻尼系數(shù)對(duì)岸電系統(tǒng)輸出的影響，進(jìn)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(jìn)行仿真對(duì)比，驗(yàn)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(cái)?shù)萚6]以 “高-低-高”岸電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，同時(shí)對(duì)基于光纖通訊的主從CPU握手模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際樣機(jī)上進(jìn)行了控制算法試驗(yàn)，得到預(yù)想的光纖通訊控制波形，實(shí)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(duì)岸電設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，而隨著我國(guó)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(shí)際問題；同時(shí)目前對(duì)岸電設(shè)施的建設(shè)效果，大多以覆蓋率為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于岸電設(shè)施的實(shí)際使用情況并沒有有效的量化評(píng)價(jià)方法。由此，本文對(duì)接電過程中普遍存在的控制反饋信號(hào)缺失、船舶接地造成絕緣監(jiān)測(cè)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(píng)定方法，量化港口岸電使用效果，有效促進(jìn)我國(guó)港口岸電發(fā)展。

1 港口岸電系統(tǒng)現(xiàn)狀介紹

船舶在停靠港口進(jìn)行裝卸作業(yè)的過程中，雖然主發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，但維持船舶上各類生產(chǎn)生活所需電力，其輔助發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱輔機(jī))還要進(jìn)行工作，由于輔機(jī)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(jī)，直接對(duì)散貨貨輪、集裝箱船及港作船舶等進(jìn)行供電，可顯著減少各類船舶特別是大型遠(yuǎn)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(shí)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(duì)用電設(shè)備的要求極高。另外，遠(yuǎn)洋船舶來自世界各地，各個(gè)國(guó)家用電的頻率不盡相同，例如部分歐美國(guó)家使用60 Hz交流電，而我國(guó)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(duì)外接口不同，連接岸電的過程中需要主動(dòng)檢測(cè)和適應(yīng)不同的接口，由此就會(huì)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(guó)港口整體岸電建設(shè)情況良好，但對(duì)岸電的使用情況和使用效果并沒有量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由此，本文提出基于用電效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，為岸電的使用效果提供量化評(píng)價(jià)，有效促進(jìn)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(hào)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(shí)際已連接完成，但由于相應(yīng)的電力監(jiān)控系統(tǒng)未能識(shí)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(dòng)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(shí)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(cè)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(diǎn)連接或通訊，形成輔助反饋，將電源已接通的信號(hào)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(fù)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(shí)際操作中，首先應(yīng)在進(jìn)行聯(lián)船操作前進(jìn)行外觀檢查、帶電檢測(cè)、絕緣耐壓檢測(cè)、接地檢測(cè)、電氣參數(shù)檢測(cè)、電纜張力等準(zhǔn)備工作，確保設(shè)備動(dòng)作正常，允許進(jìn)行接電前狀態(tài)。

其次，進(jìn)行岸電系統(tǒng)連接，如果工作正常，則將進(jìn)入主回路連接供電階段。如未加裝旁路觸點(diǎn)，則會(huì)出現(xiàn)前述的部分船舶因控制回路通訊不正常，或因?yàn)榕月酚|點(diǎn)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(jìn)行供電。出現(xiàn)該情況時(shí)，可通過加裝旁路觸點(diǎn)方式，為船方電力控制系統(tǒng)反饋已連接信號(hào)，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(hù)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)外，還需要對(duì)船舶電氣系統(tǒng)進(jìn)行耐壓絕緣檢測(cè)，確保達(dá)到相關(guān)的絕緣要求，才可以進(jìn)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(jī)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(yuǎn)洋船舶在進(jìn)行首次接用岸電的絕緣檢測(cè)時(shí)，由于船體電氣系統(tǒng)接地結(jié)構(gòu)為中性點(diǎn)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(guó)現(xiàn)行岸電連接要求，絕緣檢測(cè)不通過。

造成這一問題的主要原因是國(guó)內(nèi)外的岸電設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。根據(jù)國(guó)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(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)電阻接地；而遠(yuǎn)洋船舶來自世界各地，遵從的標(biāo)準(zhǔn)大多為國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)或本國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如，目前使用的岸電方面的國(guó)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(diǎn)經(jīng)電阻接地，由此，這類遠(yuǎn)洋國(guó)際船舶在首次接電前的檢測(cè)時(shí)，可能無法達(dá)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(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求，這種情況是由電氣系統(tǒng)的接地特點(diǎn)造成的，而非真正存在安全隱患。由此解決問題的重點(diǎn)是中斷船舶原有接地方式，再進(jìn)行船舶連接前檢測(cè)，從而使其通過絕緣檢測(cè)，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(cè)時(shí)斷開接地開關(guān)，待檢測(cè)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(yuǎn)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(diǎn)直接接地或經(jīng)接地電阻的連接點(diǎn)，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(jìn)行深入溝通，并準(zhǔn)確找出接地連接點(diǎn)，且如果有重復(fù)接地點(diǎn)，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(cè)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(jìn)行下一步岸電連接步驟。

2.3 大電流啟動(dòng)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(yuǎn)，無軟啟動(dòng)、變頻啟動(dòng)裝置，用電設(shè)備的瞬時(shí)啟動(dòng)電流可能達(dá)到其額定電流的4～7倍，對(duì)功率大的電動(dòng)機(jī)沖擊較大，超出了岸電電器元件額定電流值，造成保護(hù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，中斷岸電向船側(cè)輔機(jī)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?jiǎn)?dòng)措施。

第一種方法中，設(shè)置較大供電容量后，船舶機(jī)械啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流不足以達(dá)到電氣元件的額定電流，保護(hù)機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。該方式主要用于功率相對(duì)較小的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；如果電機(jī)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(shí)際操作中難度較大。另外，該方案主要適用于新建和改擴(kuò)建碼頭的岸電實(shí)施，或岸電設(shè)施的采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以較為方便地?cái)U(kuò)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)萘浚瑒t不適用此種方式。

第二種方法是在船側(cè)的大型電機(jī)增加軟啟動(dòng)、變頻等降壓?jiǎn)?dòng)措施。該方式是最有針對(duì)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(jī)無降壓?jiǎn)?dòng)的船舶一般都是相對(duì)較早購(gòu)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(dòng)設(shè)備意愿較低，由此應(yīng)積極與船方溝通，通過經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償或其他優(yōu)惠等方式，促進(jìn)岸電接用。

3 岸電系統(tǒng)運(yùn)行效果量化評(píng)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(jìn)行解決，從而有效提高岸電連接成功率和使用率。實(shí)際上，可量化的岸電使用效果評(píng)價(jià)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(duì)于岸電建設(shè)的評(píng)價(jià)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(duì)岸電接駁率、岸電使用時(shí)間等實(shí)際使用情況相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)較少，不能客觀評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1 靠港船舶接電率評(píng)定

該指標(biāo)主要用于評(píng)定停靠碼頭的船舶接入岸電的比率，由于各類碼頭中停靠船舶的制造年份、電力系統(tǒng)等有所差別，對(duì)于岸電的適用性也有所不同，因此本指標(biāo)中只統(tǒng)計(jì)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(shí)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。”因此，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(píng)價(jià)公式如下

(1)

式中：K為碼頭停靠船舶接用岸電比率；p為全年實(shí)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(píng)定

該指標(biāo)主要用于評(píng)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(shí)間與停靠港口時(shí)間的比率，由于各類碼頭中停靠船舶的制造年份、電力系統(tǒng)等有所差別，對(duì)于岸電的適用性也有所不同，因此本指標(biāo)中只統(tǒng)計(jì)可以滿足岸電接入條件的船舶，具體評(píng)價(jià)公式如下

(2)

式中：U為碼頭停靠船舶岸電使用率；t為船舶使用岸電時(shí)間(以船舶完成岸電連接，完全使用岸電進(jìn)行供電開始；到開始進(jìn)行岸電斷開操作結(jié)束)，h；T為船舶停靠港口時(shí)間，h。

3.3 碼頭岸電效率評(píng)定

該指標(biāo)主要用于評(píng)定碼頭岸電設(shè)備給船舶提供電力時(shí)的效率，通過將“靠港船舶使用岸電設(shè)備時(shí)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(píng)價(jià)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(shí)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(píng)定

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

(4)

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

3.5 實(shí)例說明

以國(guó)內(nèi)某集裝箱碼頭為例，該碼頭擁有2個(gè)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(shí)際接用岸電船舶6艘，則船舶接電率為6/220×100%=2.73%；船舶停靠時(shí)間與連接岸電時(shí)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(píng)價(jià)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(dá)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(jìn)和鼓勵(lì)船方接用岸電系統(tǒng)。

4 結(jié)論

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)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(guó)內(nèi)大部分港口均建設(shè)了岸電系統(tǒng)，但由于遠(yuǎn)洋船舶來自世界各地，對(duì)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(cè)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(duì)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(píng)價(jià)方法，可有效評(píng)價(jià)岸電使用效果，推進(jìn)港口岸電設(shè)施使用及綠色港口建設(shè)。