刘震宇，朱思颖，糜长军，黄 堃，董海涛

(1.无锡市航道管理处，江苏 无锡 214023；2.江苏苏科畅联科技有限公司，江苏 南京 210017；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

适用于内河船舶的岸电供电系统研究

刘震宇1，朱思颖2，糜长军2，黄 堃3，董海涛2

(1.无锡市航道管理处，江苏 无锡 214023；2.江苏苏科畅联科技有限公司，江苏 南京 210017；3.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

船舶在靠港期间开启船舶发动机发电，引发港口污染的问题已经引起了广泛的关注。现有的岸电技术主要针对大型海港码头的远洋船舶提供岸边电源，在内河航道上仍然处于一片空白。围绕着无锡新安水上服务区建设的内河船舶岸电系统，详细阐述了设备构成、通信传输方式、电力供应方式等，并分析了系统的经济效益、社会效益，以及应用和推广过程中存在的问题。研究表明：内河岸电供电系统作为社会公益性的服务举措，提供安全洁净的能源，改善内河船户的生活质量，提升内河航道空气质量，对于建设绿色航道有着重要意义。

航道工程；内河航道；岸电；供电系统

0 引 言

水路运输作为传统的交通运输方式，对生态环境的影响极大。根据国际海事组织(IMO)的数据显示，全世界以柴油为动力的各类舰船每年向大气排放1 000万吨氮氧化物和850万吨硫氧化物。船舶在靠港期间，需要开启船舶发电机燃油发电的方式，因此给港口城市带来了集中式的大气污染，成为了航运污染治理的重中之重[1-2]。

港口岸电即是指让靠泊船只关闭船舶自备发电机，转而使用港口方提供的清洁能源向主要船载系统供电的技术。相较于传统的柴油发电方式，岸电可以有效缓解港口码头的污染，减少船舶停靠期间氮氧化物与硫化物的排放，对节能减排起着积极的促进作用[3-4]。

船舶岸电系统最早应用于瑞典堡哥德堡港，用于对大型滚装轮渡供电。随着技术的普及，截止到2008年，美国国内就已经有洛杉矶港等6个港口建设并使用船舶供岸电系统。国外船舶岸电技术应用范围也快速扩大，其安装范围也由最初的滚装、油轮码头扩大到集装箱和油码头等[5-7]。

我国港口船舶岸电技术尚处于起步研究阶段。2009年，青岛港招商局成功完成了一艘5 000 t级支线集装箱船舶供岸电的改造，是我国船舶岸电技术方面的首次尝试。随后，国内多家科研单位继续开展研究，现已经在天津港等大型港口安装上国内自研的岸电系统[8-10]。

现有的岸电技术有明显的局限性，即主要针对于海港码头等大型远洋货轮进行供配电。而对内河航道小型船舶在靠港停泊期间的供配电上，研究甚少[11]。笔者研究基础为江苏省交通运输厅2014年科研项目——内河船舶岸电供电系统研究项目，以无锡市新安水上服务区为依托，进行内河航道船舶岸电供电系统的研究。

1 需求分析

为了解船户实际需求，使系统功能与市场需求相贴合，课题组进行了用户调研。其中走访了无锡市新安水上服务区、宜兴水上服务区及江阴船闸(全部为京杭运河苏南段)，对船户及相关现场工作人员进行调研，调研过程中发放问卷37份，回收有效问卷23份。调研后对数据表格汇总整理后得出如下结果：

1) 船舶一般配置1～3台的柴油辅助发电机，备用电瓶容量在200 AH。在靠岸过程中，户主会开启辅助电机燃油供生活用电，尤其在夏季高温天气开启频繁，电力需求量大。

2) 所有船户电力需求类型为普通生活用电。约83%的船户更希望岸电直接提供220 V/50 Hz的家用电，不愿意接入380 V电力再由船用变电箱转为220 V使用。

3) 所调研船户中，已有电器总功率最大可达8.5 kW，最少为1 kW。

4) 约76%的船户可以接受夏季岸电价格≯2 元/kWh。

2 系统架构

在实现系统内容的基础上，系统应为服务者提供如图1的操作流程。在本次流程设计中，考虑到用户使用的流畅性，集成入了刷卡装置，即通过刷卡操作完成取用电。

图1 系统操作流程Fig.1 Operation flow of the system

结合用户需求调研，确定岸电系统输出电制以220 V/50 Hz的家庭用电为主，380 V三相岸电桩供电为辅。而在功率上，结合调研数据，并考虑到远期的需求扩展，对于220 V电力输出接口提供最大负载10 kW，380 V电力输出接口提供最大负载20 kW。

根据标准，内河船舶宽度不得超过10 m。考虑到系统建设成本以及从岸电桩到船舶的线缆距离，岸电桩按照“一带二”的供电方式，即一个岸电桩可以同时对两艘船舶进行供配电。同时，系统内设置专门的配电柜，以供后期调试使用。搭建的系统电力拓扑见图2。通信结构内设置了一个以太网集线器，对所有岸电桩的通信信号收集后放大，传输给后台。岸电桩之间拟采用CAN口通信的方式，在室外通信线路的选择上，项目组全部采用RS485屏蔽4芯信号线进行通信传输。通信系统拓扑如图3。

图2 系统电力拓扑Fig.2 Power network topology

图3 系统通信拓扑Fig.3 Communication network topology

3 岸电桩体研究

岸电桩作为系统内核心设备，直接面对船舶进行供配电。

3.1 岸电桩内部电路

根据需求，单相电采用220 V单相直接上船的方式，则岸电桩本身内部一级电气结构设计如图4，图中Wh1与Wh2为电能表，用于统计电量；QF1、QF2、QF1、QF2为断路器；KM1、KM2为接触器；EMC为滤波模块；BLQ为强电防雷模块。

图4 单相电气结构Fig.4 Single phase electric circuit diagram

1) 断路器是用于实现对整体电路的保护。在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相配合，迅速切断故障电流，从而保证系统安全运行。

2) 电表是对两个接口的用电情况进行监测，计算每个接口消耗电能，并将数据定时发送至后台。

3) 接触器则是与刷卡装置联通。用户通过刷卡次数控制接触器，实现电路开或者闭，并联动电能表开始计费与停止计费。

4) EMC滤波模块是对输送电流的波形进行整合过滤，去除杂波，以接入整体控制信号模块(即二级回路)。设置滤波模块的目的是减少杂波对控制精密元件的影响。

5) 强电防雷模块在一个箱体中只设有一个，挂在总线上。信号防雷模块则与控制模块一起进行集成，不再在强电回路中体现。

除此之外，电路整体还设有其他保护措施。如防止倾倒元件(QD)、防止电路浸水元件(SJ)以及手动紧急停止控制按钮(TA)。这3种急停控制元件串联，搭建的二级保护电路如图5，一旦出现了其中一种突发情况，系统立刻紧急断电，以保证电力供应安全。

图5 二级保护电路Fig.5 Secondary protective circuit

与单相电气结构相似，三相电也采用同样的“一进两出”电气逻辑结构。其内部原理如图6，图6中，TA1、TA2为电流互感器，TV1、TV2为电压互感器。用于配合电表实现电量的精确统计。

图6 三相电内部电气结构Fig.6 Three-phase electric circuit diagram

3.2 岸电桩进出电缆规格计算

根据前期参数确认，单相岸电桩单口输出额定功率为10 kW，三相岸电桩单口输出额定功率可达20 kW。根据以上数据进行计算从场区变电箱至岸边桩体供电电缆规格。

电缆规格的选取以计算电流为指标，计算公式如下：

Ijs=Pe×Kx/(Ue×cosφ)

(1)

式中：Ijs为计算电流，计算负荷在额定电压下的电流；Pe为设备容量；Kx为需求系数；Ue为电压；cosφ为功率因数值。

以下对单相与三相岸电桩进线电流进行计算如下。

1) 单相岸电桩

单相岸电桩输出额定功率应达到20 kW。即

Pe=20 kW

需求系数取0.8，则计算负荷：

Pjs=Pe×Kx=16 kW

对于单相岸电桩，箱体进线仍然是380 V三相电，Ue取线电流，即

则根据计算电流公式式(1)，如果岸电箱内部不存在功率损耗，则单相岸电桩输入电缆计算电流至少应达到：

2) 三相岸电桩

而对于三相岸电桩输出额定功率应达到40 kW。即

Pe=40 kW

需求系数取0.8，则计算负荷

Pjs=Pe×Kx=32 kW

Ue在三相电情况下，取线电流，即

则根据计算电流公式式(1)，如果岸电箱内部不存在功率损耗，则三相岸电桩输入电缆计算电流至少应达到：

3.3 配套基础研究

由于岸电桩布置在码头岸边，所受力主要为风力与船-岸连接电缆的拉扯力。出于安全的考虑，基础采用水泥混凝土浇筑，并通过内置钢筋笼与地脚螺栓提高基础安全性。

岸电桩基础接地图纸见图7，对基础设计参数如下：

1) 岸电桩基础为长方体，每个岸电桩基础旁配置有一个手井。

2) 基础采用C30商品混凝土一次浇筑。

3) 混凝土基础高出地面200 mm，地脚螺栓高于基础上平面30 mm。

4) 基础内部钢筋笼采用φ12螺纹钢筋，采用细铁丝绑扎成形，绑扎间距为10 cm。绑扎完成后放入模内一次浇筑成型。

5) 接地体、接地线、螺栓等金属物件必须镀锌，焊接处应涂防锈油漆。

6) 接地母线为镀锌扁钢，沿基础外侧打入地下。接地扁钢上端与地脚螺栓焊接。在施工过程中使用接地摇表进行实时测量，务必使整体接地电阻在4 Ω以下。

图7 岸电桩基础接地图纸Fig.7 Cement base drawings of shore power pile

4 效益分析

4.1 环境效益

内河港口岸电供电系统建设的意义最主要体现在对港口环境的保护作用上。用岸电供电代替船舶自带柴油发电机供电能够有效减少颗粒物、二氧化碳、氮氧化物等污染物的排放，从而减少对港口城市的空气污染。

根据GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》中规定，自2015年10月1日起，所有非道路移动机械用柴油机，其排放污染物必须满足表1的标准。

表1 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值Table 1 Emission limits of diesel engine exhaust pollutants for non road moving machinery g/kWh

在内河船舶靠港期间，一般采用10～15 kW的辅助发电机发电。以无锡新安服务区进行计算。新安服务区共计24个船舶停靠位，安装岸电系统后，可同时对24条船舶进行岸电供电。

假定每台船舶辅机额定功率12 kW，每艘船舶每天开启辅机3 h，新安服务区满位率80%，一年365 d计算。

最大CO排放量为

5.5×12×3×24×0.8×365=1.39 (t)

最大排放量为

4.7×12×3×24×0.8×365=1.18 (t)

最大PM排放量为

0.025×12×3×24×0.8×365=6.31 (kg)

如果强制要求所有停靠在新安服务区的船舶使用岸电，则每年新安服务区一年最多将避免1.39 t一氧化碳，1.18 t氮氧化物，6.31 kg的PM可吸入颗粒污染。由此可见，如果能够扩大内河岸电系统应用范围，在内河水系形成规模化的船舶岸电供电网络，将对提升内河航道空气质量，构建绿色低碳的生态航道提供极大的助益。

4.2 经济效益

在实际调研期间，了解到内河船舶一般配置的辅助柴油发电机出场时标注的油耗率在200～250 g/kWh。

在船户靠岸期间电器负载平均每小时可达到4 kW(1台柜式空调3 kW，1台电磁炉2 kW，1台电热水壶1.8 kW，按照0.6的利用系数，取4 kW)，即单个船户1小时用电4 kWh。

则如果采用柴油发电，按照常规使用的发电机油耗率220 g/kWh进行计算，市面上0号柴油密度为0.84 g/ml，船舶每小时耗油量为0.22×4/0.84=1.05 (L)。按照2015年12月底实时柴油价格(约6 元/L)进行计算，每小时柴油发电成本为1.05×6=6.3(元)。

按照江苏省2015年销售电价，大工业用电价格不超过1 元/kWh。如果服务区按照船户普遍可接受的2 元/kWh进行供电，则对于船户而言，用电成本为2×4=8(元)，对于船户而言成本并不会有所降低。

以上数据均是基于理论计算，未考虑到发电机长期使用后因磨损增加的额外油耗、远期用电需求的增减等因素。如果仅考虑经济因素，则船户用电行为受市场规律的影响，如果无强制使用规定或政府额外津贴，很难保证岸电使用率。而对于建设方，就远期成本回收而言，所需周期也将比较漫长。所以整体项目仍然为公益性项目，且社会效益大于经济效益。

4.3 社会效益

在服务区建设内河岸电供电系统，是一项带有社会公益性的服务性举措。其社会效益主要体现在以下几个方面。

1) 其最主要的效益体现在对港口环境的改善上。用岸电供电代替船舶自带柴油发电机供电能够有效减少颗粒物、二氧化碳、氮氧化物等污染物的排放，对改善内河航道环境有重大作用。

2) 为船户提供安全、洁净的能源，降低其用电风险。

3) 如果远期将系统进行推广，在内河航道上形成岸电供电网络，将显著改变船户生活方式。原先船户在内河航行过程中，由于用电困难，极力简化生活方式，节省行船开销。在岸电形成网络化供应时，船户的用电需求也会增长，内河船户生活质量将有所提高。

5 问题探讨

1) 岸电供应价格的制定

岸电价格制定是在系统建设完成后，投入运营前必须要面对的问题。而关于电价的相关规定与政策方面，国家及省级尚未颁布针对内河航道岸电电力的价格指导文件。现有的相关的文件，如《对十二届全国人大一次会议第6217号建议的答复》(发改建议[2013]613号)则针对大型海港船舶岸电技术计量及收费规则的建议。文件中明确“船用岸电是市场化行为，属于港口对停靠船舶提供的增值服务，考虑到各个港口所属地区经济发展水平及价格因素，其供电收费规则可由港口根据供电成本自行核定，并向船舶公示，由船舶自愿选择。用电计量规则应符合国家相关标准和规定。”

在价格制定方面，也亟需相关政府部门出台相关的政策与法规，为系统的普及打下基础。

2) 标准化的工作的进行

在国内现有的关于岸电供电技术的规范中，已有个别规范，如JTS 155—2012《码头船舶岸电设施建设技术规范》，主要适用于新建、扩建和改建的集装箱码头、干散货码头、游轮码头和客滚船码头船舶岸电设施建设。迄今为止，还没有专门针对于内河船舶靠港用电的技术规范。如果内河岸电建设不能形成统一标准，对后期内河岸电网络的搭建将形成阻力。而技术及插座接口不能做到标准一致，对于船舶而言，岸电桩的便利性能无法得到体现，从而降低了岸电供电技术的应用价值[12]。

3) 省级岸电监管平台的建设

省级岸电监管平台的建设是对岸电系统的补充与管理。从长远来看，随着岸电系统的不断建设，内河岸电供电网络体系的也逐渐形成，从上层对岸电供电资源进行整合与监管则是顺应管理需求的。该平台的建设将为岸电系统点对点的信息交互，减少岸电接口的空置率，依托于航线形成电力资源供应链提供了可能。同时，在出现突发事件时，可以及时调动平台资源，采取可靠的应急处置措施。

6 结 语

对于内河船舶岸电供电系统而言，其社会效益远大于其经济效益。远期如果能够在内河沿线形成岸电系统建设点的广泛建设，形成岸电供应网络，则可以显著改善内河船户的生活质量，也降低了内河沿线的碳排放，对于建设绿色航道有着重要意义。

[1] 纪潇，王鑫.60 Hz岸电电源电压自动调整技术研究[J].能源与节能，2014(4)：166-168.

JI Xiao，WANG Xin.Research on automatic voltage regulation technology of 60 Hz electronic static shore power supply[J].EnergyandEnergyConservation，2014(4)：166-168.

[2] 苗凤娟.防治到港船舶污染的岸电技术研究[D].上海：上海海事大学，2010：4-23.

MIAO Fengjuan.ShorePowerTechnologyResearchonthePreventionandControlofPollutionfromShipsintheHarbor[D].Shanghai：Shanghai Maritime University，2010：4-23.

[3] 李辉.京杭运河宿迁段水上服务区规划研究[D].南京：东南大学，2005：10-31.

LI Hui.StudyontheWaterServiceAreaPlanningofSuqianSectionofBeijing-HangzhouCanal[D].Nanjing：Southeast University，2005：10-31.

[4] 李建科，王金全，金伟一，等.船舶岸电系统研究综述[J].船电技术，2010，30(10)：12-15.

LI Jianke，WANG Jinquan，JIN Weiyi，et al.A review of shore power system[J].MarineElectric&ElectronicTechnology，2010，30 (10)：12-15.

[5] 李庆祥.船舶接岸电技术在港口的应用和探讨[J].交通信息与安全，2009，27(3)：69-71.

LI Qingxiang.Application and discussion of ship grounding power technology in port[J].TrafficInformationandSecurity，2009，27(3)：69-71.

[6] 李瑞通.船用柴油机排放污染物的控制[J].天津航海，2001(1)：15-16.

LI Ruitong.Emission control of marine diesel engine[J].SailinginTianjin，2001(1)：15-16.

[7] 许宏纲，唐慧.到港船舶接用岸电技术的应用[J].交通信息与安全，2009，27(3)：72-74，77.

XU Honggang，TANG Hui.Application of shore power technology to port ships[J].TrafficInformationandSecurity，2009，27(3)：72-74，77.

[8] 黄细霞，包起帆，葛中雄，等.典型港口岸电比较及对中国港口岸电的启示[J].交通节能与环保，2009(4)：2-5.

HUANG Xixia，BAO Qifan，GE Zhongxiong，et al.Comparison of typical port shore power and its enlightenment to china’s port shore power[J].TransportEnergyConservationandEnvironmentalProtection，2009(4)：2-5.

[9] 袁庆林，黄细霞，张海龙.港口船舶岸电供电技术的研究与应用[J].上海造船，2010(2)：35-37，48.

YUAN Qinglin，HUANG Xixia，ZHANG Hailong.Research and application of power supply technology of port ship[J].ShanghaiShipbuilding，2010(2)：35-37，48.

[10] 卢明超，刘汝梅，石强，等.国、内外港口船舶岸电技术的发展和应用现状[J].港工技术，2012，49(3)：41-44.

LU Mingchao，LIU Rumei，SHI Qiang，et al.Development and application of technology for shore power supply for vessels in port in china and abroad[J].PortEngineeringTechnology，2012，49(3)：41-44.

[11] 杨海荣，卞华，姜晔.内河水上服务区功能与布局形式研究[J].现代交通技术，2008，5(3)：86-90.

YANG Hairong，BIAN Hua，JIANG Ye.Study on functions and lay out of inland river-way service centre[J].ModernTransportationTechnology，2008，5(3)：86-90.

[12] 袁尘因.航道服务区若干重要问题的探索[J].现代交通技术，2009，6(3)：95-98.

YUAN Chenyin.Research on problems in waterway service district[J].ModernTransportationTechnology，2009，6(3)：95-98.

(责任编辑：谭绪凯)

Shore Power Supply System Adapt to Inland Waterway Boats

LIU Zhenyu1，ZHU Siying2，MI Changjun2，HUANG Kun3，DONG Haitao2

(1.Wuxi Channel Management Branch，Wuxi 214023，Jiangsu，P. R. China；2.Jiangsu Union of Science and Technology Co. Ltd.，Nanjing 210017，Jiangsu，P. R. China；3.Nari Technology Development Limited Company，Nanjing 211106，Jiangsu，P. R. China)

The problem of port pollution caused by ships which start ship engines to generate electricity during the berth time at port has attracted widespread attention.However，the current shore power technology mainly provides power for the ocean-going ships，which has nothing to do with inland waterway.The equipment composition，transmission mode of communication，power supply mode and some other aspects of shore power system for inland ships which locates at Xin’an river-way service center in Wuxi were elaborated.And the economic and social benefits of the system were analyzed，and the problems in the application and promotion process of the system were also discussed.The research shows that：the shore power system for inland ships，as a social public welfare service initiative，can provide safe and clean energy，improve the quality of boatmen’s daily life as well as improve the air quality of inland waterway，which is of great significance for the construction of green waterway.

waterway engineering；inland waterway；shore power；electronic system

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.12

2016-01-01；

2016-12-11

刘震宇(1970—)，男，江苏无锡人，高级工程师，主要从事航道水运管理方面的研究。E-mail：Wxgz101@163.com。

U653.95

A

1674-0696(2017)08-063-07