客貨碼頭工程岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■劉祖凱

（1.福建省港航勘察設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350003；2.福建省閩航飛騰科技有限公司，福州 351000）

我國(guó)政府一直以來都高度關(guān)注氣候變化對(duì)國(guó)家和社會(huì)的影響，為了貫徹落實(shí)“綠水青山就是金山銀山”的可持續(xù)發(fā)展政策，積極推進(jìn)碳減排工作。我國(guó)于2020 年正式提出了“2030 年前碳達(dá)峰、2060 年前碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)。 隨著新冠疫情放開后，越來越多的大型船舶停靠在國(guó)內(nèi)各港口碼頭，目前世界主流的船舶均以重油（或柴油）為主要?jiǎng)恿碓础?重油（或柴油）燃燒過程中產(chǎn)生大量的CO2及大氣污染物，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)十分不利。 一方面，因船舶本身并無儲(chǔ)能設(shè)備，船舶自備柴油機(jī)在為船舶供電的過程中都難以避免產(chǎn)生部分過剩電能， 該部分過剩電能無法有效存儲(chǔ)利用，從而造成不必要的資源浪費(fèi)。 另一方面，由于停靠船舶的油料發(fā)電產(chǎn)生大氣污染物較多，國(guó)內(nèi)港口城市碳中和及節(jié)能減排形勢(shì)更為迫切[1]。因此船舶靠港時(shí)采用岸基電源對(duì)船舶供電勢(shì)在必行，我國(guó)目前制定了一系列的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，積極推進(jìn)港口岸電的實(shí)施，本文以廈門港東山5000 噸級(jí)對(duì)臺(tái)客貨碼頭工程為例，分析碼頭岸電的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 本工程設(shè)計(jì)概要

本工程為省級(jí)重點(diǎn)港口建設(shè)項(xiàng)目，擬建1 個(gè)5 000 噸級(jí)對(duì)臺(tái)客貨泊位及港口配套設(shè)施，客貨泊位應(yīng)滿足1 000 GT 陸島滾裝船靠泊，水工主體結(jié)構(gòu)滿足?？坎? 萬噸級(jí)雜貨船，年通過能力可滿足13 萬t貨物、26 萬人次旅客及12.8 萬輛次車輛。 碼頭泊位直立段總長(zhǎng)為175 m，滾裝船采用艉直式船跳板，在碼頭端部設(shè)置可調(diào)式岸坡道。 可調(diào)式岸坡道主要設(shè)施包括活動(dòng)鋼引橋、龍門吊架、升降系統(tǒng)等。

供電布置如圖1 所示。 本工程進(jìn)線電源電壓等級(jí)為10 kV，采用單回路進(jìn)線，由本工程附近區(qū)域變電站引一路10 kV 電纜架空至港區(qū)邊界后，埋地敷設(shè)至變電所。 本工程配電電壓為10 kV 及380/220 V。高壓動(dòng)力設(shè)備及變壓器一次側(cè)供電電壓為10 kV，低壓動(dòng)力設(shè)備供電電壓為380 V，低壓照明供電電壓為380/220 V，供電頻率為50 Hz。 負(fù)荷等級(jí)除消防負(fù)荷按二級(jí)負(fù)荷考慮外，其余按照三級(jí)負(fù)荷考慮。本工程岸電電源采用1 路10 kV 電源引自客運(yùn)大樓變電所高壓饋線柜，后引出至岸電系統(tǒng)室高壓進(jìn)線。 進(jìn)線電源為10 kV，50 Hz。

圖1 岸電配電示意圖

2 船舶岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 岸電系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算

本項(xiàng)目主要靠泊船型為5 000 噸級(jí)集裝箱船和散雜貨船，碼頭結(jié)構(gòu)預(yù)留1 萬噸級(jí)，根據(jù)規(guī)范要求需按照船舶單臺(tái)輔機(jī)容量設(shè)計(jì)岸電容量，即按照1 萬噸級(jí)集裝箱船單臺(tái)輔機(jī)容量設(shè)計(jì)，輔機(jī)功率為450 kW，考慮船舶負(fù)載試驗(yàn)時(shí)需要超過額定負(fù)載10%，計(jì)算公式如下：

考慮單臺(tái)變壓器平均工作負(fù)載率不大于85%：

根據(jù)變壓器容量等級(jí)選擇630 kVA 容量變壓器。 岸電系統(tǒng)最大工作電流按照超過額定負(fù)載10%計(jì)算：

因此本工程岸電容量選取630 kVA 變壓器，變頻電源容量選取500 kW，變頻電源輸出為400 V/50 Hz 及450 V/60 Hz，岸電電源輸出總斷路器放大一級(jí)選擇1250 A 框架式斷路器。 岸電系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖如圖2 所示，岸電系統(tǒng)室平面布置圖如圖3所示。

圖2 岸電系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖

圖3 岸電系統(tǒng)室平面布置圖

2.2 船舶岸基變頻變壓電源總體要求

在船舶靠港停泊期間停止使用船舶發(fā)電系統(tǒng)，通過岸電系統(tǒng)電源供電， 岸電系統(tǒng)輸出440 V/60 Hz及400 V/50 Hz 的電源滿足散貨船舶各種電氣設(shè)備的用電需求，變頻電源容量適應(yīng)港口高壓變電站容量。 為滿足船舶供電系統(tǒng)的特殊要求，岸基供電系統(tǒng)供電設(shè)備必須滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠與國(guó)內(nèi)、國(guó)際船舶可靠、安全、規(guī)范地連接；須綜合考慮供電接點(diǎn)數(shù)量、安裝位置、供電容量、走線等因素；電壓和頻率具有較寬的調(diào)節(jié)范圍，能夠恒壓恒頻輸出所需電能； 保證船舶用電與岸電相序和線制的一致性，聯(lián)船出現(xiàn)相序不一致時(shí)，變頻電源應(yīng)具備一鍵切換相序技術(shù)；具備缺相、短路、連鎖、過載、抗沖擊、逆功率等各種保護(hù)，能可靠安全供電；應(yīng)對(duì)靠港船舶接用岸電情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量、結(jié)算等，并且對(duì)岸電電源進(jìn)線和出線都要設(shè)置計(jì)量表計(jì)量，計(jì)量精度要求達(dá)到0.2 級(jí)；適應(yīng)碼頭高溫、高濕、高鹽霧、高腐蝕性等惡劣的環(huán)境；操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便；符合節(jié)能、環(huán)保、安全等要求。

2.3 岸電系統(tǒng)具體性能要求

在0℃～40℃、最大風(fēng)速（工作模式）：25 m/s，70 m/s（非工作模式）、相對(duì)濕度85%，最大相對(duì)濕度接近100%、地震烈度為7 度（GBJ11-89，ma=0.1 m/s2）、臺(tái)風(fēng)、雷暴較多，鹽霧和海洋性氣候腐蝕嚴(yán)重，作業(yè)環(huán)境內(nèi)粉塵污染嚴(yán)重的大環(huán)境下，岸電電源應(yīng)能滿足可靠供電。 保證可靠供電的前提，對(duì)電源性能參數(shù)提出了較高的要求，其中單套額定輸出容量不小于630 kVA、輸入電壓為交流10 kV±10%、50 Hz±5%、三相三線、輸出電源為450 V/60 Hz/3 AC 或400 V/50 Hz/3 AC 正弦波電源。 額定負(fù)載工況下，輸出電壓波形總諧波失真度：THD＜2.5%線性負(fù)載，輸入電流波形總諧波失真度：THD＜3.0%額定負(fù)載。 輸出頻率：60 Hz，負(fù)載在允許范圍內(nèi)時(shí)，輸出穩(wěn)態(tài)頻率精度≥0.1%；輸出電壓穩(wěn)壓率：輸出穩(wěn)態(tài)電壓精度≥1%，電壓突變復(fù)歸時(shí)間＜1.5 s。 電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)≥0.98，Φ≥95%（100%負(fù)荷）；穩(wěn)態(tài)時(shí)，變頻電源輸出三相電壓不平衡度≤3%[2]，當(dāng)船舶負(fù)載三相不平衡時(shí)，變頻電源可連續(xù)供電，并具有110%負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)，150%負(fù)荷60 s（300 s 周期）、200%負(fù)荷2 s（300 s周期）的過載能力。

變頻電源的整流和逆變模塊均采用IGBT 四象限技術(shù)，輸入和輸出均配有與之匹配的濾波器，降低了對(duì)電網(wǎng)側(cè)的干擾和保證輸出電源的質(zhì)量；變頻電源采用模塊化設(shè)計(jì)，可靈活地安排電源系統(tǒng)的檢修和維護(hù)，平均修復(fù)時(shí)間小于0.5 h；變頻電源具備自動(dòng)同步的功能，能自動(dòng)檢測(cè)母線電壓和頻率并調(diào)整輸出，實(shí)現(xiàn)無擾并網(wǎng)。 變頻電源可對(duì)電壓瞬變進(jìn)行調(diào)節(jié)，抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)輸出電源質(zhì)量的影響；變頻電源模塊具備電纜壓降動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力，在條件滿足時(shí)可根據(jù)不同負(fù)載下系統(tǒng)的電纜壓降實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，確保船側(cè)用電電壓的穩(wěn)定。 系統(tǒng)具備通訊接口模塊，可靈活配置各種通訊接口便于與外部系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，方便適時(shí)上傳下載各種參數(shù)及控制指令。變頻電源的整流和逆變均是采用IGBT 的四象限技術(shù)，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，整流部分可以根據(jù)輸入電壓進(jìn)行調(diào)整，保證直流母線電壓的穩(wěn)定，逆變部分從直流母線獲取電能并輸出所需的電壓和頻率，整流和逆變均能四象限運(yùn)行保證輸出的穩(wěn)定。

岸電系統(tǒng)可以與碼頭電力監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 內(nèi)部通訊應(yīng)采用光纖電纜連接，柜內(nèi)強(qiáng)、弱電信號(hào)均單獨(dú)布置。 與船上通訊的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足IEC 標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)控制電纜、通信光纜及通信內(nèi)容的要求，確保船舶安全、可靠、穩(wěn)定使用岸電電源[3]。同時(shí)，變頻電源能遠(yuǎn)距離操作，并可對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程/本地控制的切換。 具有通信接口，方便適時(shí)上傳、下載各種參數(shù)及控制指令。 提供遠(yuǎn)程開停、跳閘、告警等控制信號(hào)端口。變頻電源應(yīng)具有與PLC 系統(tǒng)進(jìn)行通訊的接口，PLC 系統(tǒng)能通過通訊接口對(duì)岸電電源進(jìn)行控制，并反饋電源系統(tǒng)狀態(tài)及故障報(bào)警信息。

2.4 岸電綜合管理系統(tǒng)

本項(xiàng)目岸電監(jiān)控系統(tǒng)由碼頭岸電綜合管理系統(tǒng)控制柜及直流電源等組成。 岸電綜合管理系統(tǒng)布置于岸電系統(tǒng)控制柜內(nèi)，通過鍵鼠及顯示器對(duì)整個(gè)岸電系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、控制和可視化。

2.4.1 岸電綜合管理系統(tǒng)直流電源技術(shù)要求

岸電綜合管理系統(tǒng)中的直流電源主要為站內(nèi)一次、二次設(shè)備提供操作電源，輸入交流電壓220 V±5%，50 Hz；輸出額定電壓110 V DC；容量為100 AH，選用優(yōu)質(zhì)鉛酸電池。 直流屏相關(guān)技術(shù)要求：穩(wěn)壓精度≤±0.5%；穩(wěn)流精度≤±0.5%；紋波系數(shù)≤±0.1%；均流度≤5%；效率≥95%；含輸出過壓保護(hù)，直流監(jiān)控單元，能夠綜合分析各種數(shù)據(jù)和信息，在液晶顯示屏上顯示各種運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警信號(hào)并通過RS485 或以太網(wǎng)接口送至岸電綜合管理系統(tǒng)。

2.4.2 岸電綜合管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能

管理系統(tǒng)應(yīng)具備全漢化視窗界面，顯示監(jiān)測(cè)以下參數(shù)：輸出電源的頻率、三相線（相）電壓、三相線電流、三相電壓平均值、三相電流平均值、三相不平衡度、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。

2.4.3 岸電綜合管理系統(tǒng)控制功能

控制系統(tǒng)主要用于岸電連接和斷開操作中聯(lián)鎖保護(hù)和時(shí)序的控制，并能對(duì)斷路器、變壓器、開關(guān)柜、岸電接電裝置、電纜管理裝置等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制、計(jì)量和故障診斷，其布置應(yīng)能防止被誤觸動(dòng)。如發(fā)生下列情況，應(yīng)自動(dòng)觸發(fā)應(yīng)急切斷：（1）岸電系統(tǒng)控制和監(jiān)測(cè)線路故障；（2）岸電連接插頭帶電拔出；（3）岸電接電箱急停按鈕觸發(fā)。 應(yīng)急切斷發(fā)生后，非經(jīng)人工復(fù)位，斷路器不能再次閉合。 當(dāng)岸電系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，也可以手動(dòng)切斷岸電電源，急停按鈕為硬線連接。 控制系統(tǒng)可在電子噪聲、射頻干擾及振動(dòng)的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行。

同時(shí)， 本地監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)具備通訊線路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)碼頭岸電系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控， 監(jiān)控內(nèi)容包括：故障信息查詢、運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)查詢及設(shè)置、系統(tǒng)自診斷、斷路器工作狀態(tài)等。 監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)具有高可靠性，系統(tǒng)運(yùn)行故障不應(yīng)出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，遠(yuǎn)程故障報(bào)警差錯(cuò)率應(yīng)≤0.1%。

2.5 岸電電源可靠性要求

變頻電源應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)有足夠的功率冗余。 符合綠色節(jié)能的岸電建設(shè)原則，對(duì)于并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的逆功率采用軟件智能控制，禁止通過制動(dòng)電阻消耗。 岸電電源控制系統(tǒng)控制電源按照冗余設(shè)計(jì)，采用冗余熱備設(shè)計(jì)。 當(dāng)本所提供的控制電源失電時(shí)，岸電電源控制系統(tǒng)能夠利用自身的UPS 系統(tǒng)提供不小于1 h 的供電。 切換時(shí)確保不會(huì)影響到岸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行；岸電電源應(yīng)具備黑匣子功能，當(dāng)變頻電源出現(xiàn)故障時(shí)，能夠記錄變頻電源故障前后數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障可追溯；岸電系統(tǒng)須具有滿足聯(lián)船過程中船舶降壓變壓器空載投切涌流控制的技術(shù)（投標(biāo)時(shí)提供具體技術(shù)解決方案）；變頻裝置應(yīng)具有仿真發(fā)電機(jī)的功能，保證岸電系統(tǒng)并網(wǎng)及負(fù)載轉(zhuǎn)移穩(wěn)定； 岸電電源及其監(jiān)控系統(tǒng)都應(yīng)通過RS485、光纖連接成實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，以提高速率、控制水平和抗干擾能力。 所有裝置內(nèi)強(qiáng)、弱電信號(hào)應(yīng)分開布置，避免干擾。 岸電裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4 所示。

圖4 岸電裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

3 應(yīng)用效果及分析

本文所述設(shè)計(jì)方案已在廈門港東山5000 噸級(jí)對(duì)臺(tái)客貨碼頭項(xiàng)目中得到應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 據(jù)碼頭吞吐量和輔機(jī)功率通過CO2排放折算公式可計(jì)算得出每年能減少CO2排放約1 756.8 t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤704.69 t，能有效達(dá)到節(jié)能減排作用。

4 結(jié)語

碼頭岸電系統(tǒng)是國(guó)家節(jié)能減排， 實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)， 建設(shè)綠色港口的重要組成部分。本文以碼頭工程實(shí)例，從系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算、電源系統(tǒng)、岸電綜合管理系統(tǒng)等方面分析了變壓變頻岸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有一定的局限性。 在其他實(shí)際案例的設(shè)計(jì)中，還需根據(jù)碼頭的具體貨種和常用船型做具體分析。