船舶岸電系統設計方案

許鎮杰

廣州港工程管理有限公司

1 引言

航運業作為全球貿易80%商品的主要流通方式，是推動全球經濟發展的重要途經。但航運業高速發展所帶來的污染問題也越來越嚴峻，如何有效治理SOx、CO、NOx等港口主要污染氣體，是推進綠色港口建設面臨的主要問題。為此，全球各大港口開展了一系列的油改電項目，其中采用港口岸電系統替代傳統船舶燃油供電系統的技術成為近年的研究熱點，也是港口碼頭綠色建設的一個重要發展趨勢。

目前，國外岸電技術發展較為成熟，至2018年美國使用該技術的比例已高達70%。相較而言，國內僅在廣州港、上海港、連云港、天津港和寧波港等部分碼頭進行岸電技術試點工作[1-2]。以廣州某碼頭1#泊位岸電項目為例，對該碼頭岸電系統設計方案進行探討研究，主要包括岸電電源系統設計、電源系統狀態監測及管理兩方面，使系統滿足供電能力的同時兼顧供電狀態監控管理的能力，對加快綠色港口的發展具有一定意義。

2 電源系統設計要求

該碼頭1#泊位主要用于集裝箱船靠泊，應滿足10萬t級船舶作業期間的用電需求，并提供高壓6.6 kV/60 Hz電源。考慮泊位使用以及市電電網供電波動等因素，根據《碼頭船舶岸電設施建設技術規范》[3]要求，1#泊位船舶岸電系統設計應滿足以下要求。

(1)額定輸出容量應為3 MVA。

(2)船、岸之間電源無縫切換，即連接、斷開及轉換過程中要求船舶不斷電。

(3)滿足岸電系統本地及遠程監控管理需求。

(4)具備安全防護功能。

下面圍繞系統變壓變頻電源選型、安全防護(計量、防雷接地等)及岸電監控系統(本地、遠程監控)三大方面探討港口岸電系統的設計要求和實施方法。

3 港口岸電系統設計

3.1 變壓變頻電源選型

3.1.1 變壓變頻電源結構分析

目前，船舶岸電變頻電源根據電壓等級分為“高—低—高”和“高—高”2種結構方式。“高—低—高”結構為標準化低壓變頻模塊并聯的方案，所有模塊均可互換以便于日后維護保養，且在故障冗余或系統擴容時，僅需要在原結構上并聯新的模塊，可擴展性強，適合用于5 MVA以下中小功率。“高—高”結構為標準化模塊串聯的方案，結構相對復雜，且系統擴容需要整體更換，故常用在8 MVA以上大功率項目上。

結合上述內容及1#泊位船舶岸電系統設計要求，采用“高—低—高”結構，并在此基礎上對變壓變頻電源實施方法做進一步的分析、探討。

3.1.2 變壓變頻電源實施方法

“高—低—高”變壓變頻電源是將港口泊位高壓電源進行整流降壓，將電源轉為0.69 kV/50 Hz，通過低壓進線開關柜連接至IGBT電源模塊進行AC-DC-AC轉換后，形成0.69 kV/60 Hz的電源，隨后經由輸出變壓器升壓至6.6 kV/60 Hz的上船高壓電源，最后經輸出高壓開關柜連接到碼頭前沿插座箱供船舶使用。

1#泊位配置了10 kV電源接插箱、10 kV中置式金屬鎧裝開關柜、1 600 kVA高壓變壓器及相關電控組件、6.6 kV高壓進出線柜(箱式配電站)、碼頭岸電接電箱等裝置。船舶岸電供電系統電源通過中心變電所外布置的10 kV電源接插箱由變電所提供10 kV/50 Hz電源，經過變頻變壓后，供電系統電源輸出6.6 kV/60 Hz電源，通過變電所外的6.6 kV電源接插箱接入集裝箱配電房內的6.6 kV開關柜，并通過電纜將電源輸送到碼頭前沿的接電箱。

此外，在變壓變頻電源實施過程中應重點注意設置護欄隔離保護，并設置醒目的安全標牌，避免人員誤入，造成重大傷害事故。集裝箱式配電房在施工或移動過程中要有專人指揮，做好設備、設施、建筑物和人員等的保護工作，還要充分考慮與建筑群、道路或機械設備的位置關系，以保證配電房與周邊環境之間的安全距離。

3.2 安全防護

3.2.1 繼電及聯鎖保護

變壓變頻電源、電量計量裝置、輸入/輸出開關、碼頭接電箱、同步切換裝置、消防系統等重要設備，利用自身控制單元對船舶岸電系統運行進行聯鎖保護及內/外部電氣元器件的狀態監視，使智能控制系統及時發現潛藏的安全隱患，保證系統正常運行。

針對以上設備，船舶岸電系統將各傳感器采集的模擬量信號利用A/D轉換模塊轉換為數字信號并傳輸至主機PLC，便于主機PLC根據前期設定參數進行相應判斷，進而做出相應的報警或聯鎖動作。

此外，船舶岸電系統還通過電氣元件與安全回路之間按照一定條件建立起既相互關聯又相互制約的聯鎖關系，是有效保證岸電系統安全的另一種重要手段。例如：變壓變頻電源與安全回路聯鎖，當變頻電源工作異常時，安全回路斷開并且輸出斷路器分閘；輸出斷路器與安全回路聯鎖，當安全回路異常時，不允許輸出斷路器合閘；各位置急停按鈕與安全回路聯鎖，當按下急停按鈕時，顯示屏上顯示急停和系統故障，且斷路器不能合閘。

繼電保護是對船舶岸電系統中發生的故障及異常情況直接報警或者隔離的一種重要措施。根據《碼頭船舶岸電設施建設技術規范》規定，1#泊位岸電系統的繼電保護應滿足：電氣元器件的選型要考慮其能承受的短路容量并兼具可靠性、選擇性和靈動性；重要電氣設備應具備電流速斷、過流、低壓、超溫等保護功能；各項保護功能檢驗，可通過連接信號發生器方式或者軟件調整保護閥值方式測試，測試項目及技術要求見表1。

表1 繼電及聯鎖保護測試

3.2.2 接地及防雷

本岸電系統采用阻抗接地，分為工作接地、安全保護接地和控制系統接地等。岸電電源系統與可靠接地點連接，電氣設備可以觸及的金屬部件與外殼接地點之間的電阻不大于0.50 Ω，并用萬用表測量檢查。通訊及控制電纜屏蔽層應確保接地。

為避免電源尖波、雷擊、感應雷擊等瞬間過電壓對配電裝置造成破壞，采用獨立智能防雷監控管理系統，對電涌保護器的泄放雷電流強度、泄放次數，進行實時的狀態監測、告警及管理。

內部電控系統電源回路采用一、二、三級保護，信號回路采用信號保護，電源回路包含并不限于在以下位置安裝電涌保護器：主電源、輔助電源、總電源進線側、控制電源及PLC模塊電源、通訊分站電源、攝像頭電源兩側。

3.2.3 電量計量

船舶岸電計量系統將6.6 kV上船高壓電源通過電壓互感器轉換為低電壓，將高壓電流通過電流互感器轉換為低壓電流，然后將低電壓和低壓電流接入電能表的輸入端，使電能表根據輸入端電壓、電流進行實時計量、運算，實現船/岸的電能計量功能[3]。船舶岸電計量系統結構見圖1。

圖1 船舶岸電計量系統結構圖[3]

根據電能計量系統原理，電度表主要考慮計費、數據保存以及通訊3方面功能，應滿足多費率結構、多種通訊方式以及計費數據不會因掉電而丟失等需求。因此，選用帶有非易失存儲器EEPROM的蘭吉爾E650系列電能表，該電度表費率結構包含電量與需量費率、存儲值、負荷曲線、4個象限有/無功及視在電量，并具有RS232、RS485及GPRS多種通訊方式。

3.3 船舶岸電監控系統設計

3.3.1 監控系統硬件設計

為滿足船/岸投切、電能計量以及安全防護等功能，通過多個子系統或傳感器對船舶岸電系統不同部位進行數據采集，從而形成完整的船舶岸電監測數據信息庫。岸電監控系統分為中控室、配電站、現場操作站3個層級，主要包括：中控室操作員站、服務器、主機PLC系統、視頻監控系統、通訊網絡等設備(見圖2)。

圖2 船舶岸電控制系統結構圖

中控室采用工業級計算機，配置不間斷電源，2臺操作員站互為備用。操作員站配置監控組態軟件，編制組態畫面，對整個港口的用電信息實現信息遠程管理、監視及控制運行狀態、數據存儲與查詢、視頻監控、圖表生成及打印等功能。

配電站內配置主機PLC控制系統，用于控制、監測船舶岸電系統運行狀態，通過光纖傳送至中控室內的數據服務器和操作員站。

現場操作站設置冗余控制器，負責完成各種類型的電氣和控制信號采集，完成各種電氣設備的數據交換，為數據服務器提供所有岸電設備的基本數據。站內配置帶觸摸屏，實現岸電系統設備操作的聯鎖控制、岸船之間信號的交換及控制，協助船舶與岸上電源的投切。

3.3.2 監控系統軟件設計

船舶岸電監控系統配套處理軟件的設計要求是：由設備層硬件部分數據采集系統獲得相關的電信號數據，然后由監控軟件將這些電信號經過轉換處理以實時圖像、數值、警示燈等形式顯示，可以實時監測整套系統的通信狀況，采集各設備電氣量及非電氣量信息，以便現場操作人員在第一時間了解工作情況，同時將重要裝置、系統上傳的數據保存成各自獨立的文件，建立1#泊位獨立的系統，作為日后故障診斷分析的依據。

根據以上的功能需求分析，電腦端系統工作界面包含岸電監控、設備管理、計量管理以及停船管理等子功能模塊；數據監控、管理分析，監控部分以實時數據為核心，管理部分以歷史數據為核心。船舶岸電岸系統功能框架見圖3。

圖3 船舶岸電岸系統功能框架圖

(1)船舶靠港用電量監控：動態顯示港口業務信息，實時監測靠港船舶的用電情況。

(2)作業管理：可根據船舶信息、作業時間等條件，實現模糊查詢功能并生成電子報表。

(3)運行參數：各設備在不同狀態下的電氣參數(運行、故障、檢修等狀態)，如電壓棒圖、電流曲線、頻率、功率、溫度、濕度、運行時間、通訊接口狀態等參數。

(4)故障跟蹤：系統可存儲電氣元器件發生故障前數秒內的開關量和模擬量，并以波形圖的形式表示出來，用于故障分析、診斷、歸納的依據。

(5)運行維護：自動記錄易損耗電氣元器件使用時間及維護時間，自主設置維護周期，自動提醒維修人員進行設備的維護和保養。

(6)歷史數據：各運行數據自動保存在歷史數據庫，通過關鍵字進行查詢并以圖形、表格的形式顯示、導出。

(7)系統工具：提供系統使用說明等文檔。

4 結語

船舶岸電系統作為國家綠色港口的重點建設規劃，具有廣闊的應用前景。基于廣州某碼頭1#泊位實際情況，對該泊位的變壓變頻電源、安全防護、船舶岸電系統監控及管理等方面的設計進行了合理的改進和調整。同時考慮港口的未來發展需求，該系統兼容性強，可擴展至多套船舶岸電系統，為船、岸兩方的電力監控管理提供有力保障。