许镇杰

广州港工程管理有限公司

1 引言

航运业作为全球贸易80%商品的主要流通方式，是推动全球经济发展的重要途经。但航运业高速发展所带来的污染问题也越来越严峻，如何有效治理SOx、CO、NOx等港口主要污染气体，是推进绿色港口建设面临的主要问题。为此，全球各大港口开展了一系列的油改电项目，其中采用港口岸电系统替代传统船舶燃油供电系统的技术成为近年的研究热点，也是港口码头绿色建设的一个重要发展趋势。

目前，国外岸电技术发展较为成熟，至2018年美国使用该技术的比例已高达70%。相较而言，国内仅在广州港、上海港、连云港、天津港和宁波港等部分码头进行岸电技术试点工作[1-2]。以广州某码头1#泊位岸电项目为例，对该码头岸电系统设计方案进行探讨研究，主要包括岸电电源系统设计、电源系统状态监测及管理两方面，使系统满足供电能力的同时兼顾供电状态监控管理的能力，对加快绿色港口的发展具有一定意义。

2 电源系统设计要求

该码头1#泊位主要用于集装箱船靠泊，应满足10万t级船舶作业期间的用电需求，并提供高压6.6 kV/60 Hz电源。考虑泊位使用以及市电电网供电波动等因素，根据《码头船舶岸电设施建设技术规范》[3]要求，1#泊位船舶岸电系统设计应满足以下要求。

(1)额定输出容量应为3 MVA。

(2)船、岸之间电源无缝切换，即连接、断开及转换过程中要求船舶不断电。

(3)满足岸电系统本地及远程监控管理需求。

(4)具备安全防护功能。

下面围绕系统变压变频电源选型、安全防护(计量、防雷接地等)及岸电监控系统(本地、远程监控)三大方面探讨港口岸电系统的设计要求和实施方法。

3 港口岸电系统设计

3.1 变压变频电源选型

3.1.1 变压变频电源结构分析

目前，船舶岸电变频电源根据电压等级分为“高—低—高”和“高—高”2种结构方式。“高—低—高”结构为标准化低压变频模块并联的方案，所有模块均可互换以便于日后维护保养，且在故障冗余或系统扩容时，仅需要在原结构上并联新的模块，可扩展性强，适合用于5 MVA以下中小功率。“高—高”结构为标准化模块串联的方案，结构相对复杂，且系统扩容需要整体更换，故常用在8 MVA以上大功率项目上。

结合上述内容及1#泊位船舶岸电系统设计要求，采用“高—低—高”结构，并在此基础上对变压变频电源实施方法做进一步的分析、探讨。

3.1.2 变压变频电源实施方法

“高—低—高”变压变频电源是将港口泊位高压电源进行整流降压，将电源转为0.69 kV/50 Hz，通过低压进线开关柜连接至IGBT电源模块进行AC-DC-AC转换后，形成0.69 kV/60 Hz的电源，随后经由输出变压器升压至6.6 kV/60 Hz的上船高压电源，最后经输出高压开关柜连接到码头前沿插座箱供船舶使用。

1#泊位配置了10 kV电源接插箱、10 kV中置式金属铠装开关柜、1 600 kVA高压变压器及相关电控组件、6.6 kV高压进出线柜(箱式配电站)、码头岸电接电箱等装置。船舶岸电供电系统电源通过中心变电所外布置的10 kV电源接插箱由变电所提供10 kV/50 Hz电源，经过变频变压后，供电系统电源输出6.6 kV/60 Hz电源，通过变电所外的6.6 kV电源接插箱接入集装箱配电房内的6.6 kV开关柜，并通过电缆将电源输送到码头前沿的接电箱。

此外，在变压变频电源实施过程中应重点注意设置护栏隔离保护，并设置醒目的安全标牌，避免人员误入，造成重大伤害事故。集装箱式配电房在施工或移动过程中要有专人指挥，做好设备、设施、建筑物和人员等的保护工作，还要充分考虑与建筑群、道路或机械设备的位置关系，以保证配电房与周边环境之间的安全距离。

3.2 安全防护

3.2.1 继电及联锁保护

变压变频电源、电量计量装置、输入/输出开关、码头接电箱、同步切换装置、消防系统等重要设备，利用自身控制单元对船舶岸电系统运行进行联锁保护及内/外部电气元器件的状态监视，使智能控制系统及时发现潜藏的安全隐患，保证系统正常运行。

针对以上设备，船舶岸电系统将各传感器采集的模拟量信号利用A/D转换模块转换为数字信号并传输至主机PLC，便于主机PLC根据前期设定参数进行相应判断，进而做出相应的报警或联锁动作。

此外，船舶岸电系统还通过电气元件与安全回路之间按照一定条件建立起既相互关联又相互制约的联锁关系，是有效保证岸电系统安全的另一种重要手段。例如：变压变频电源与安全回路联锁，当变频电源工作异常时，安全回路断开并且输出断路器分闸；输出断路器与安全回路联锁，当安全回路异常时，不允许输出断路器合闸；各位置急停按钮与安全回路联锁，当按下急停按钮时，显示屏上显示急停和系统故障，且断路器不能合闸。

继电保护是对船舶岸电系统中发生的故障及异常情况直接报警或者隔离的一种重要措施。根据《码头船舶岸电设施建设技术规范》规定，1#泊位岸电系统的继电保护应满足：电气元器件的选型要考虑其能承受的短路容量并兼具可靠性、选择性和灵动性；重要电气设备应具备电流速断、过流、低压、超温等保护功能；各项保护功能检验，可通过连接信号发生器方式或者软件调整保护阀值方式测试，测试项目及技术要求见表1。

表1 继电及联锁保护测试

3.2.2 接地及防雷

本岸电系统采用阻抗接地，分为工作接地、安全保护接地和控制系统接地等。岸电电源系统与可靠接地点连接，电气设备可以触及的金属部件与外壳接地点之间的电阻不大于0.50 Ω，并用万用表测量检查。通讯及控制电缆屏蔽层应确保接地。

为避免电源尖波、雷击、感应雷击等瞬间过电压对配电装置造成破坏，采用独立智能防雷监控管理系统，对电涌保护器的泄放雷电流强度、泄放次数，进行实时的状态监测、告警及管理。

内部电控系统电源回路采用一、二、三级保护，信号回路采用信号保护，电源回路包含并不限于在以下位置安装电涌保护器：主电源、辅助电源、总电源进线侧、控制电源及PLC模块电源、通讯分站电源、摄像头电源两侧。

3.2.3 电量计量

船舶岸电计量系统将6.6 kV上船高压电源通过电压互感器转换为低电压，将高压电流通过电流互感器转换为低压电流，然后将低电压和低压电流接入电能表的输入端，使电能表根据输入端电压、电流进行实时计量、运算，实现船/岸的电能计量功能[3]。船舶岸电计量系统结构见图1。

图1 船舶岸电计量系统结构图[3]

根据电能计量系统原理，电度表主要考虑计费、数据保存以及通讯3方面功能，应满足多费率结构、多种通讯方式以及计费数据不会因掉电而丢失等需求。因此，选用带有非易失存储器EEPROM的兰吉尔E650系列电能表，该电度表费率结构包含电量与需量费率、存储值、负荷曲线、4个象限有/无功及视在电量，并具有RS232、RS485及GPRS多种通讯方式。

3.3 船舶岸电监控系统设计

3.3.1 监控系统硬件设计

为满足船/岸投切、电能计量以及安全防护等功能，通过多个子系统或传感器对船舶岸电系统不同部位进行数据采集，从而形成完整的船舶岸电监测数据信息库。岸电监控系统分为中控室、配电站、现场操作站3个层级，主要包括：中控室操作员站、服务器、主机PLC系统、视频监控系统、通讯网络等设备(见图2)。

图2 船舶岸电控制系统结构图

中控室采用工业级计算机，配置不间断电源，2台操作员站互为备用。操作员站配置监控组态软件，编制组态画面，对整个港口的用电信息实现信息远程管理、监视及控制运行状态、数据存储与查询、视频监控、图表生成及打印等功能。

配电站内配置主机PLC控制系统，用于控制、监测船舶岸电系统运行状态，通过光纤传送至中控室内的数据服务器和操作员站。

现场操作站设置冗余控制器，负责完成各种类型的电气和控制信号采集，完成各种电气设备的数据交换，为数据服务器提供所有岸电设备的基本数据。站内配置带触摸屏，实现岸电系统设备操作的联锁控制、岸船之间信号的交换及控制，协助船舶与岸上电源的投切。

3.3.2 监控系统软件设计

船舶岸电监控系统配套处理软件的设计要求是：由设备层硬件部分数据采集系统获得相关的电信号数据，然后由监控软件将这些电信号经过转换处理以实时图像、数值、警示灯等形式显示，可以实时监测整套系统的通信状况，采集各设备电气量及非电气量信息，以便现场操作人员在第一时间了解工作情况，同时将重要装置、系统上传的数据保存成各自独立的文件，建立1#泊位独立的系统，作为日后故障诊断分析的依据。

根据以上的功能需求分析，电脑端系统工作界面包含岸电监控、设备管理、计量管理以及停船管理等子功能模块；数据监控、管理分析，监控部分以实时数据为核心，管理部分以历史数据为核心。船舶岸电岸系统功能框架见图3。

图3 船舶岸电岸系统功能框架图

(1)船舶靠港用电量监控：动态显示港口业务信息，实时监测靠港船舶的用电情况。

(2)作业管理：可根据船舶信息、作业时间等条件，实现模糊查询功能并生成电子报表。

(3)运行参数：各设备在不同状态下的电气参数(运行、故障、检修等状态)，如电压棒图、电流曲线、频率、功率、温度、湿度、运行时间、通讯接口状态等参数。

(4)故障跟踪：系统可存储电气元器件发生故障前数秒内的开关量和模拟量，并以波形图的形式表示出来，用于故障分析、诊断、归纳的依据。

(5)运行维护：自动记录易损耗电气元器件使用时间及维护时间，自主设置维护周期，自动提醒维修人员进行设备的维护和保养。

(6)历史数据：各运行数据自动保存在历史数据库，通过关键字进行查询并以图形、表格的形式显示、导出。

(7)系统工具：提供系统使用说明等文档。

4 结语

船舶岸电系统作为国家绿色港口的重点建设规划，具有广阔的应用前景。基于广州某码头1#泊位实际情况，对该泊位的变压变频电源、安全防护、船舶岸电系统监控及管理等方面的设计进行了合理的改进和调整。同时考虑港口的未来发展需求，该系统兼容性强，可扩展至多套船舶岸电系统，为船、岸两方的电力监控管理提供有力保障。