港口岸电联船技术优化及使用效果评定方法研究

郭 旭,吴培森

(交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456)

港口接用岸电技术[1-3]指船舶靠港期间，停止使用船上的发电机，而改用陆地电源供电。港口提供岸电的功率应能保障满足船舶停泊后所必须的全部电力设施用电需求，包括生产设备、生活设施、安全设备和其他设备。目前，已有部分对岸电系统的优化研究，李伟令等[4]以低压上船为例,根据船舶行业标准与国家标准,确定系统设备初始参数,分别用标幺值法和等效电压源法计算系统短路电流并进行对比。利用电磁暂态仿真软件(Power System Computer Aided Design;PSCAD)搭建系统模型，为电缆、开关柜、断路器、互感器等一次设备选择参数。缪新招等[5]引入虚拟同步发电机技术，针对有功频率控制、电压无功控制以及电压电流控制分别进行优化，并通过小信号模型分析阻尼系数对岸电系统输出的影响，进而制定了船舶岸电电源自适应阻尼控制策略，最后在PSCAD/EMTDC中进行仿真对比，验证了船舶岸电电源自适应阻尼控制策略的有效性。刘广财等[6]以 “高-低-高”岸电系统为基础，设计了基于丁型三电平逆变器的主回路，按照满足在线式热退出要求进行结构改造，同时对基于光纤通讯的主从CPU握手模式进行设计，在实际样机上进行了控制算法试验，得到预想的光纤通讯控制波形，实践结果表明该控制方法可有效提高岸电供电系统的稳定性和可靠性。

上述研究均针对岸电设计进行了优化，而随着我国港口接用岸电码头数量的不断增加，在岸电接用过程中出现了各种影响岸电顺利使用的实际问题；同时目前对岸电设施的建设效果，大多以覆盖率为标准，对于岸电设施的实际使用情况并没有有效的量化评价方法。由此，本文对接电过程中普遍存在的控制反馈信号缺失、船舶接地造成绝缘监测不通过以及老旧船舶大功率设备缺少变频变压功能等问题，提出相应的解决方案。在此基础上，为量化岸电连接效果，提出相应的效果评定方法，量化港口岸电使用效果，有效促进我国港口岸电发展。

1 港口岸电系统现状介绍

船舶在停靠港口进行装卸作业的过程中，虽然主发动机停机，但维持船舶上各类生产生活所需电力，其辅助发动机(简称辅机)还要进行工作，由于辅机使用化石燃料，其污染物和温室气体的排放仍然十分可观，是影响港口及周边环境的重要因素。

通过岸电系统替代船舶辅机，直接对散货货轮、集装箱船及港作船舶等进行供电，可显著减少各类船舶特别是大型远洋船舶在港口停泊期间的污染物及温室气体排放，是提高港口生产过程中环境质量的重要手段。

但实际应用岸电系统过程中也存在不少问题，例如港口码头环境特殊，湿度大、腐蚀性高，对用电设备的要求极高。另外，远洋船舶来自世界各地，各个国家用电的频率不尽相同，例如部分欧美国家使用60 Hz交流电，而我国采用50 Hz频率供电。电压更是有380 V到10 kV的跨度，除此之外，各类船舶对外接口不同，连接岸电的过程中需要主动检测和适应不同的接口，由此就会产生各类兼容问题，由此船舶岸电的连接是岸电系统能否顺利供电的最核心问题。

由于岸电连接中存在问题较多，就导致了很多岸电系统整体接用率不足，不能充分体现岸电系统的重要作用。目前我国港口整体岸电建设情况良好，但对岸电的使用情况和使用效果并没有量化的评价标准，由此，本文提出基于用电效果的评价指标，为岸电的使用效果提供量化评价，有效促进港口整体环境提升和绿色港口建设。

2 岸电连接优化技术研究

2.1 控制反馈信号问题及解决方案

2.1.1 问题介绍

船舶连接过程中，船侧须将带有插头的电缆连接至岸边接电箱，但由于部分船舶岸电系统构架问题，造成电路连接后，不能激活相应的供电控制系统，从而造成岸电系统实际已连接完成，但由于相应的电力监控系统未能识别，导致无法为船方提供电力的情况。

2.1.2 解决方案

船岸系统的连接主要包括动力回路和控制回路，基于上述情况，最有效的方法是在接用的同时在连接处加装控制反馈，从而使已完成连接的信息反馈至船侧的电力监控系统，完成岸电系统连接。

目前，船舶岸电连接过程普遍采用光纤通讯，需要建立通讯连接，并通过通讯协议传输至船舶的监控系统。PLC是船用系统的逻辑控制部分，用于监测是否完成岸电系统中船岸电路的连接，即判断是否已经接通主回路插头。由此可在插头中加装间接触点连接或通讯，形成辅助反馈，将电源已接通的信号传送至船舶的PLC，使船侧的电力监控系统获得连接信息，从而逐渐切换负荷至岸侧供电(图1)。

图1 岸电系统连接过程PLC反馈流程图Fig.1 PLC feedback flow chart of shore power system connection process

在实际操作中，首先应在进行联船操作前进行外观检查、带电检测、绝缘耐压检测、接地检测、电气参数检测、电缆张力等准备工作，确保设备动作正常，允许进行接电前状态。

其次，进行岸电系统连接，如果工作正常，则将进入主回路连接供电阶段。如未加装旁路触点，则会出现前述的部分船舶因控制回路通讯不正常，或因为旁路触点不能有效反馈至船侧PLC，导致船侧的监控系统显示未连接或异常，无法进行供电。出现该情况时，可通过加装旁路触点方式，为船方电力控制系统反馈已连接信号，从而完成船舶供电(图2～图5)。

2.2 船舶接地结构绝缘问题及解决方案

2.2.1 问题介绍

船岸电气连接前的准备工作，除常规的外观检查、电气开关的操作性检查、带电通断指示检查、保护机构试验外，还需要对船舶电气系统进行耐压绝缘检测，确保达到相关的绝缘要求，才可以进行连接。

目前岸电连接过程中主要采用带载无扰切换，即在连接过程中，逐渐减少船载发电机供电量，并增加陆域岸电电源供电量，直至完全切换至岸电供电方式。而部分远洋船舶在进行首次接用岸电的绝缘检测时，由于船体电气系统接地结构为中性点直接接地或通过电阻接地，导致其船舶绝缘电阻较低，不符合我国现行岸电连接要求，绝缘检测不通过。

造成这一问题的主要原因是国内外的岸电设施技术标准不统一。根据国内的岸电标准《码头船舶岸电设施工程技术标准》GB51305-2018的要求，高压岸电中性点不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地；而远洋船舶来自世界各地，遵从的标准大多为国际通用标准或本国的相关标准。例如，目前使用的岸电方面的国际标准为《Utility Connection in Part1:High Voltage Shore Connection(HVSC) Systems-General Requirements》ISO/IEC/IEEE 80005-1:2012，该标准规定高压船舶岸电设施的接地方式为中性点经电阻接地，由此，这类远洋国际船舶在首次接电前的检测时，可能无法达到按照耐压绝缘要求，从而不能顺利接用岸电。

2.2.2 解决方案

目前该类船舶不能连船的主要原因是耐压绝缘不符合国内标准要求，这种情况是由电气系统的接地特点造成的，而非真正存在安全隐患。由此解决问题的重点是中断船舶原有接地方式，再进行船舶连接前检测，从而使其通过绝缘检测，一般可以分两种方式解决方案。

一种是使用船舶原有接地开关或增加接地开关，在绝缘检测时断开接地开关，待检测绝缘符合要求后再连接。这种情况适于船舶原有或可以加装接地开关，而远洋船舶大部分不带接地开关，而且船上设备安装紧凑，空间较小，不能增设接地开关，则需要采用第二种方式。

第二种方式是直接按船舶图纸，找出中性点直接接地或经接地电阻的连接点，将接地母线断开，这种连接一般采用螺栓和接线端子。此方案技术难度较大，需要首先与船方进行深入沟通，并准确找出接地连接点，且如果有重复接地点，也应一并解除连接。

通过以上两种方式中任一种断开接地连接，待绝缘检测后，绝缘值符合要求，确定全部满足接电条件后，即可以重新连接接地装置，进行下一步岸电连接步骤。

2.3 大电流启动问题及解决方案

2.3.1 问题介绍

岸电接电过程中，部分船舶设备由于制造年代较远，无软启动、变频启动装置，用电设备的瞬时启动电流可能达到其额定电流的4～7倍，对功率大的电动机冲击较大，超出了岸电电器元件额定电流值，造成保护机构动作，中断岸电向船侧辅机供电。

2.3.2 解决方案

解决方式有两种，一种为在岸方岸电设施中设置较大的供电容量，另一种为在船侧设置降压启动措施。

第一种方法中，设置较大供电容量后，船舶机械启动时的冲击电流不足以达到电气元件的额定电流，保护机构不动作。该方式主要用于功率相对较小的电动机启动；如果电机功率过大，则需要增加岸电容量，所需的设备投资成本过高，实际操作中难度较大。另外，该方案主要适用于新建和改扩建码头的岸电实施，或岸电设施的采用模块化结构，可以较为方便地扩充设备容量的情况，部分岸电设施建设后已无法改变容量，则不适用此种方式。

第二种方法是在船侧的大型电机增加软启动、变频等降压启动措施。该方式是最有针对性的减小冲击电流的方式。但船舶改造涉及占用设备间的空间、额外的资金投入等；而大功率电机无降压启动的船舶一般都是相对较早购置的。老旧船舶可能已经面临更换，船方再次投资船舶改造启动设备意愿较低，由此应积极与船方沟通，通过经济补偿或其他优惠等方式，促进岸电接用。

3 岸电系统运行效果量化评定

上述三类问题是船舶连接岸电不成功中存在的普遍问题，需要船方和码头方共同协调合作进行解决，从而有效提高岸电连接成功率和使用率。实际上，可量化的岸电使用效果评价指标是衡量岸电系统建设情况的重要因素。但截至目前，对于岸电建设的评价指标主要为岸电覆盖率，即码头岸电的建设数量与泊位数量的比值，但对岸电接驳率、岸电使用时间等实际使用情况相关的评价指标相对较少，不能客观评价已安装岸电设施的使用效果。由此，本部分提出基于岸电使用情况的评价指标。

3.1 靠港船舶接电率评定

该指标主要用于评定停靠码头的船舶接入岸电的比率，由于各类码头中停靠船舶的制造年份、电力系统等有所差别，对于岸电的适用性也有所不同，因此本指标中只统计可以满足岸电接入条件的船舶。另外需要说明的是：根据《港口和船舶岸电管理办法》中“具备受电设施的船舶(液货船除外)，在沿海港口具备岸电供应能力的泊位靠泊超过3 h，在内河港口具备岸电供应能力的泊位靠泊超过2 h，且未使用有效替代措施的，应当使用岸电；船舶、码头岸电设施临时发生故障，或者恶劣气候、意外事故等紧急情况下无法使用岸电的除外。”因此，文中满足岸电连接条件的船舶不包括上述几类情况。

具体评价公式如下

(1)

式中：K为码头停靠船舶接用岸电比率；p为全年实际接入岸电的船舶艘次；P为全年停泊期间具备接入岸电条件的船舶艘次。

3.2 船舶岸电使用率评定

该指标主要用于评定满足岸电接用条件(与3.1中定义范围相同)的船舶，使用岸电时间与停靠港口时间的比率，由于各类码头中停靠船舶的制造年份、电力系统等有所差别，对于岸电的适用性也有所不同，因此本指标中只统计可以满足岸电接入条件的船舶，具体评价公式如下

(2)

式中：U为码头停靠船舶岸电使用率；t为船舶使用岸电时间(以船舶完成岸电连接，完全使用岸电进行供电开始；到开始进行岸电断开操作结束)，h；T为船舶停靠港口时间，h。

3.3 码头岸电效率评定

该指标主要用于评定码头岸电设备给船舶提供电力时的效率，通过将“靠港船舶使用岸电设备时与港口方结算的电量”与“港口方与电力企业结算的电量”的比值获得，具体评价公式如下

(3)

式中：S为码头岸电效率；c为全年靠港船舶使用岸电设备时与港口方结算的总电量，kW·h；C为全年港口方与电力企业结算的总电量，kW·h。

3.4 港口岸电使用综合评定

该指标主要用于评定港口岸电的综合使用率，通过“全年岸电实际接用量”与“全年岸电供给量”的比值。具体评价公式如下

(4)

式中：B为综合使用率；h为全年岸电实际接用量，kW·h；H为全年岸电供给量，kW·h。

3.5 实例说明

以国内某集装箱码头为例，该码头拥有2个集装箱泊位，建设1套岸电设施，全年停泊期间满足接入岸电条件的船舶艘次约220艘，实际接用岸电船舶6艘，则船舶接电率为6/220×100%=2.73%；船舶停靠时间与连接岸电时间如表1所示，由此全年的岸电使用率为91.5/105×100%=87.14%。

表1 码头船舶停靠情况表Tab.1 Ships at the wharf

此6艘船与港口结算的电量为74 298 kW·h，该码头整体岸电系统与电力公司的结算数据为78 747 kW·h，则该码头全年的岸电效率为:74 298/78 747×100%=94.35%。全部接用情况下供给电约为2 637 579 kW·h，则岸电使用率为74 298/2 637 579×100%=2.81%。

由此，该码头整体岸电使用效果如表2所示。

表2 码头岸电使用效果评价表Tab.2 Evaluation of quayside power utilization effect

从以上结论可以看出，该码头岸电覆盖率已达50%，岸电的电力效率和岸电使用率都处于良好水平，但船舶接电率偏低，由此，应大力推进和鼓励船方接用岸电系统。

4 结论

随着国家对环境保护的要求不断提高和绿色港口建设[7-8]的深入，岸电技术以其显著的减排效果得到大力推广，国内大部分港口均建设了岸电系统，但由于远洋船舶来自世界各地，对岸电连接和正常使用提出了巨大挑战，本文基于目前岸电推广使用过程中存在的控制系统不能正常反馈、绝缘检测不正常及缺少变频变压设备等三类问题，提出了相应的解决方案；在此基础上，针对岸电系统缺乏效果量化方法的情况，提出了靠港船接电率、船舶岸电使用率及码头岸电效率三类评价方法，可有效评价岸电使用效果，推进港口岸电设施使用及绿色港口建设。