船舶岸電系統(tǒng)設(shè)計方案

許鎮(zhèn)杰

廣州港工程管理有限公司

1 引言

航運業(yè)作為全球貿(mào)易80%商品的主要流通方式，是推動全球經(jīng)濟發(fā)展的重要途經(jīng)。但航運業(yè)高速發(fā)展所帶來的污染問題也越來越嚴(yán)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(shè)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(tǒng)替代傳統(tǒng)船舶燃油供電系統(tǒng)的技術(shù)成為近年的研究熱點，也是港口碼頭綠色建設(shè)的一個重要發(fā)展趨勢。

目前，國外岸電技術(shù)發(fā)展較為成熟，至2018年美國使用該技術(shù)的比例已高達70%。相較而言，國內(nèi)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(shù)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(tǒng)設(shè)計方案進行探討研究，主要包括岸電電源系統(tǒng)設(shè)計、電源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及管理兩方面，使系統(tǒng)滿足供電能力的同時兼顧供電狀態(tài)監(jiān)控管理的能力，對加快綠色港口的發(fā)展具有一定意義。

2 電源系統(tǒng)設(shè)計要求

該碼頭1#泊位主要用于集裝箱船靠泊，應(yīng)滿足10萬t級船舶作業(yè)期間的用電需求，并提供高壓6.6 kV/60 Hz電源?？紤]泊位使用以及市電電網(wǎng)供電波動等因素，根據(jù)《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》[3]要求，1#泊位船舶岸電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足以下要求。

(1)額定輸出容量應(yīng)為3 MVA。

(2)船、岸之間電源無縫切換，即連接、斷開及轉(zhuǎn)換過程中要求船舶不斷電。

(3)滿足岸電系統(tǒng)本地及遠程監(jiān)控管理需求。

(4)具備安全防護功能。

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

3 港口岸電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 變壓變頻電源選型

3.1.1 變壓變頻電源結(jié)構(gòu)分析

目前，船舶岸電變頻電源根據(jù)電壓等級分為“高—低—高”和“高—高”2種結(jié)構(gòu)方式?！案摺汀摺苯Y(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)化低壓變頻模塊并聯(lián)的方案，所有模塊均可互換以便于日后維護保養(yǎng)，且在故障冗余或系統(tǒng)擴容時，僅需要在原結(jié)構(gòu)上并聯(lián)新的模塊，可擴展性強，適合用于5 MVA以下中小功率?！案摺摺苯Y(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)化模塊串聯(lián)的方案，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且系統(tǒng)擴容需要整體更換，故常用在8 MVA以上大功率項目上。

結(jié)合上述內(nèi)容及1#泊位船舶岸電系統(tǒng)設(shè)計要求，采用“高—低—高”結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)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(zhuǎn)為0.69 kV/50 Hz，通過低壓進線開關(guān)柜連接至IGBT電源模塊進行AC-DC-AC轉(zhuǎn)換后，形成0.69 kV/60 Hz的電源，隨后經(jīng)由輸出變壓器升壓至6.6 kV/60 Hz的上船高壓電源，最后經(jīng)輸出高壓開關(guān)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(guān)柜、1 600 kVA高壓變壓器及相關(guān)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(tǒng)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(jīng)過變頻變壓后，供電系統(tǒng)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(nèi)的6.6 kV開關(guān)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(yīng)重點注意設(shè)置護欄隔離保護，并設(shè)置醒目的安全標(biāo)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(shè)備、設(shè)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(shè)備的位置關(guān)系，以保證配電房與周邊環(huán)境之間的安全距離。

3.2 安全防護

3.2.1 繼電及聯(lián)鎖保護

變壓變頻電源、電量計量裝置、輸入/輸出開關(guān)、碼頭接電箱、同步切換裝置、消防系統(tǒng)等重要設(shè)備，利用自身控制單元對船舶岸電系統(tǒng)運行進行聯(lián)鎖保護及內(nèi)/外部電氣元器件的狀態(tài)監(jiān)視，使智能控制系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)潛藏的安全隱患，保證系統(tǒng)正常運行。

針對以上設(shè)備，船舶岸電系統(tǒng)將各傳感器采集的模擬量信號利用A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳輸至主機PLC，便于主機PLC根據(jù)前期設(shè)定參數(shù)進行相應(yīng)判斷，進而做出相應(yīng)的報警或聯(lián)鎖動作。

此外，船舶岸電系統(tǒng)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(guān)聯(lián)又相互制約的聯(lián)鎖關(guān)系，是有效保證岸電系統(tǒng)安全的另一種重要手段。例如：變壓變頻電源與安全回路聯(lián)鎖，當(dāng)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(lián)鎖，當(dāng)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(lián)鎖，當(dāng)按下急停按鈕時，顯示屏上顯示急停和系統(tǒng)故障，且斷路器不能合閘。

繼電保護是對船舶岸電系統(tǒng)中發(fā)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(jù)《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，1#泊位岸電系統(tǒng)的繼電保護應(yīng)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(shè)備應(yīng)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(fā)生器方式或者軟件調(diào)整保護閥值方式測試，測試項目及技術(shù)要求見表1。

表1 繼電及聯(lián)鎖保護測試

3.2.2 接地及防雷

本岸電系統(tǒng)采用阻抗接地，分為工作接地、安全保護接地和控制系統(tǒng)接地等。岸電電源系統(tǒng)與可靠接地點連接，電氣設(shè)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(yīng)確保接地。

為避免電源尖波、雷擊、感應(yīng)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(jiān)控管理系統(tǒng)，對電涌保護器的泄放雷電流強度、泄放次數(shù)，進行實時的狀態(tài)監(jiān)測、告警及管理。

內(nèi)部電控系統(tǒng)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(cè)、控制電源及PLC模塊電源、通訊分站電源、攝像頭電源兩側(cè)。

3.2.3 電量計量

船舶岸電計量系統(tǒng)將6.6 kV上船高壓電源通過電壓互感器轉(zhuǎn)換為低電壓，將高壓電流通過電流互感器轉(zhuǎn)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(jù)輸入端電壓、電流進行實時計量、運算，實現(xiàn)船/岸的電能計量功能[3]。船舶岸電計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 船舶岸電計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[3]

根據(jù)電能計量系統(tǒng)原理，電度表主要考慮計費、數(shù)據(jù)保存以及通訊3方面功能，應(yīng)滿足多費率結(jié)構(gòu)、多種通訊方式以及計費數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)包含電量與需量費率、存儲值、負(fù)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)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(tǒng)或傳感器對船舶岸電系統(tǒng)不同部位進行數(shù)據(jù)采集，從而形成完整的船舶岸電監(jiān)測數(shù)據(jù)信息庫。岸電監(jiān)控系統(tǒng)分為中控室、配電站、現(xiàn)場操作站3個層級，主要包括：中控室操作員站、服務(wù)器、主機PLC系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備(見圖2)。

圖2 船舶岸電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

中控室采用工業(yè)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(jiān)控組態(tài)軟件，編制組態(tài)畫面，對整個港口的用電信息實現(xiàn)信息遠程管理、監(jiān)視及控制運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)存儲與查詢、視頻監(jiān)控、圖表生成及打印等功能。

配電站內(nèi)配置主機PLC控制系統(tǒng)，用于控制、監(jiān)測船舶岸電系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過光纖傳送至中控室內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)器和操作員站。

現(xiàn)場操作站設(shè)置冗余控制器，負(fù)責(zé)完成各種類型的電氣和控制信號采集，完成各種電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，為數(shù)據(jù)服務(wù)器提供所有岸電設(shè)備的基本數(shù)據(jù)。站內(nèi)配置帶觸摸屏，實現(xiàn)岸電系統(tǒng)設(shè)備操作的聯(lián)鎖控制、岸船之間信號的交換及控制，協(xié)助船舶與岸上電源的投切。

3.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

船舶岸電監(jiān)控系統(tǒng)配套處理軟件的設(shè)計要求是：由設(shè)備層硬件部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得相關(guān)的電信號數(shù)據(jù)，然后由監(jiān)控軟件將這些電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理以實時圖像、數(shù)值、警示燈等形式顯示，可以實時監(jiān)測整套系統(tǒng)的通信狀況，采集各設(shè)備電氣量及非電氣量信息，以便現(xiàn)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(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)保存成各自獨立的文件，建立1#泊位獨立的系統(tǒng)，作為日后故障診斷分析的依據(jù)。

根據(jù)以上的功能需求分析，電腦端系統(tǒng)工作界面包含岸電監(jiān)控、設(shè)備管理、計量管理以及停船管理等子功能模塊；數(shù)據(jù)監(jiān)控、管理分析，監(jiān)控部分以實時數(shù)據(jù)為核心，管理部分以歷史數(shù)據(jù)為核心。船舶岸電岸系統(tǒng)功能框架見圖3。

圖3 船舶岸電岸系統(tǒng)功能框架圖

(1)船舶靠港用電量監(jiān)控：動態(tài)顯示港口業(yè)務(wù)信息，實時監(jiān)測靠港船舶的用電情況。

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

(3)運行參數(shù)：各設(shè)備在不同狀態(tài)下的電氣參數(shù)(運行、故障、檢修等狀態(tài))，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(tài)等參數(shù)。

(4)故障跟蹤：系統(tǒng)可存儲電氣元器件發(fā)生故障前數(shù)秒內(nèi)的開關(guān)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(jù)。

(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(shè)置維護周期，自動提醒維修人員進行設(shè)備的維護和保養(yǎng)。

(6)歷史數(shù)據(jù)：各運行數(shù)據(jù)自動保存在歷史數(shù)據(jù)庫，通過關(guān)鍵字進行查詢并以圖形、表格的形式顯示、導(dǎo)出。

(7)系統(tǒng)工具：提供系統(tǒng)使用說明等文檔。

4 結(jié)語

船舶岸電系統(tǒng)作為國家綠色港口的重點建設(shè)規(guī)劃，具有廣闊的應(yīng)用前景?；趶V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(tǒng)監(jiān)控及管理等方面的設(shè)計進行了合理的改進和調(diào)整。同時考慮港口的未來發(fā)展需求，該系統(tǒng)兼容性強，可擴展至多套船舶岸電系統(tǒng)，為船、岸兩方的電力監(jiān)控管理提供有力保障。