劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

  摘 要：隨著港口智能化的快速發展，船舶岸電系統作為電能替代的重要技術手段，將成為今后段時期內綠色港口建設*的重要組成部分。通過船舶岸電業務需求分析，提煉出岸電系統功能需求和非功能需求；基于船舶岸電能源互聯和信息交互的需要，提出滿足船舶岸電系統的邏輯架構和物理架構，并對船舶岸電系統的關鍵技術及設備進行討論，提出下步的研究方向。

 關鍵詞：船舶岸電；電能替代；能源互聯；信息交互；系統架構

 0 引言

  水路運輸比陸地運輸模式有著明顯的成本勢，是世界大宗貨物的運輸方式；然而隨著靠港船舶的增多，船舶在港期間造成的大氣污染及其引發的社會問題不容忽視。靠港船舶在通過燃油發電滿足船上用電設備需求的同時，排放出CO2等溫室氣體及NOx、SOx、HC等污染物，港口城市的廢氣污染比其他城市平均高出25% 。海事組織（International maritime organization，IMO）研究表明：航運船舶平均每年消耗石油3.25億噸 ，約占世界石油消耗的7.5%；排放大約相當于9.61億噸CO2當量 的 溫 室 氣 體，占 全 球 溫 室 氣 體 排 放 的2.8%，其中 NOx排放2090萬噸，SOx排放1130萬噸，兩種污染物分別占排放量的15%與13%，是造成對流層臭氧與霧霾的主要因素之；而利用船舶岸電系統替代傳統輔機發電將港口的空氣質量，NOx 與SOx可分別減排97%和96%。

船舶岸電技術是指船舶在靠港期間停止使用船上燃油發電機，而改用岸上電源供電的技術。船舶岸電系統以堅強智能電網為基礎，面向能源互聯網，通過先進的控制和測量技術與先進的信息網絡技術，實現船舶用電的可靠、、經濟、穩定、清潔的總體目標。

 世界各針對船舶排放出臺了相關政策：2006年歐盟2005/33/EC 法令規定從2010年開始船舶在靠港及在內河流域建議使用船舶岸電 ；2014年生效的加州靠港法律規定靠港船舶需使用其他動力來源，例如船舶岸電，來滿足節能減排要求；2013年家電網公司積極倡導“以電代煤、以電代油、電從遠方來”的能源消費新模式，在經營區域內啟動電能替代工作，船舶岸電即是以電代油的典型應用。

 本文主要介紹船舶岸電技術內外的發展現狀，對船舶岸電系統信息交互架構展開相關研究，提出船舶岸電系統信息交互參考框圖及船舶岸電系統邏輯與物理架構，形成船舶岸電系統信息交互架構；分別從能源互聯和信息互聯兩方面介紹船舶岸電的關鍵技術。

1 內外船舶岸電研究及應用現狀

 基于靈活逆變器技術，ABB的變頻器能夠完成從船到岸及從岸到船的無縫連接。

 IEC 、IEEE和ISO聯合制定了IEC/IEEE/ISO 80005岸電系列標準，該系列標準規范了船上和岸上的電力連接系統技術要求。結合我目前靠港船舶使用岸電的技術特點及應用現狀，交通運輸部于2011年發布了行業標準JTS 155-2012 《碼頭船舶岸電設施建設規范》、JT/T815-2012《港口船舶岸基供電系統操作技術規程》等標準。

早在1989年，瑞典的哥德堡港*開始使用岸電電源系統給滾裝輪渡使用。當時采用的是400V的低壓連接系統；2009年6月英石油美公司和美加州長灘港開放了世界上座配備岸電系統的油輪碼頭 。洛杉磯港在2011年有15個碼頭應用船舶岸電技術 。長灘港所有集裝箱碼頭在2014年應用船舶岸電技術，50%的靠港集裝箱船舶使用岸電，計劃2020年80%的靠港集裝箱船舶使用岸電技術］ 。

近年來，船舶岸電技術在我迅速發展，并獲得廣泛應用。 2009 年，我開始在多個港口開展船舶岸電試點工程建設。前期主要開展低壓船舶岸電項目，2009年青島港先完成了 5000噸 級內貿支線碼頭低壓岸電改造，只用于內貿支線集裝箱船舶 。近幾年岸電項目主要以高壓岸電為主，2016年12月，福建高壓船舶岸電項目正式投運，設計供電容量3000kW ，預計實現年電能替代量150萬kW·h ，減少排放物近1k噸。2016年5月，寧波舟山港與家電網公司合作建設的寧波舟山港項目正式投運，容量分別為2和3MV·A ，高壓上船供電，電壓／頻率為6.6kV/60Hz或6KV/50Hz 。2016年，交通部組織開展了碼頭船舶岸電示范項目的申報、篩選和審核等工作，正式批準了7個高壓碼頭船舶岸電示范項目。

在系統設計方面，主要闡述了船舶岸電系統的設計原則，詳細介紹了系統的組成結構及工作原理，并對高低壓供電方式進行了比較。簡要分析了船舶供岸電電源的構成和3種分布形式，對船舶岸電自動并車裝置的功能需求進行了分析，并對各個模塊的硬件設計進行了探討。從硬件設計的角度，詳細介紹了低壓岸電電源各部分電路的設計工作，包括整流電路、逆變電路、輸出濾波器、驅動電路及采樣電路等，同時給出了各部分電路器件選型的依據及參數計算的方法。對船舶岸電監控系統進行了研究，針對船舶岸電計量統計難、監控不統的問題，提出了船舶岸電監控系統的設計思路及控制方法。設計建立了能源互聯網標準體系，根據該標準體系架構，船舶岸電是智能用電領域下電能替代標準系列中的關鍵技術，已列入需要先開展標準制定的行動計劃。

2 船舶岸電系統架構

為滿足上述面向能源互聯的船舶岸電業務相關功能和非功能需求，實現各業務域主體（系統、設備、軟件）之間的能源互聯，本文對船舶岸電系統的架構展開了相關研究，提出了船舶岸電系統構成、船舶岸電系統物理架構及船舶岸電系統邏輯架構。

2.1船舶岸電系統構成

船舶岸電系統能源互聯由陸地供電系統、電纜連接設備與船舶配電系統3部分組成 。陸地供電系統主要包括電源、變壓變頻設備，電纜連接設備有岸電接線箱（岸基）、電纜管理系統（船基），船舶配電系統由轉接屏與配電箱（大中型船舶）組成。船舶岸電系統能源互聯如圖1所示。

圖1 船舶岸電系統的能源互聯

變電站出線為工頻10kV 電源，并配有補償裝置，依次經移相變壓器和功率單元裝置，然后通過濾波裝置、隔離變壓器，轉變為6.6kV/60Hz輸出至碼頭接線箱，或直接經低壓岸電插座箱為低壓供電方式船舶供電。通過船舶電纜將船電與碼頭接線箱連接起來送至船載降壓變壓器（船上負載多為低壓電器，所需電壓由船上變壓設備完成）。

2.2 船舶岸電系統邏輯架構

船舶岸電系統邏輯架構是采用邏輯分層的思想對船舶岸電系統進行的概要描述，是設計業務流程的重要參考和依據。船舶岸電系統邏輯架構分為感知層、傳輸層和應用層3層，如圖2所示。

圖 2　 船舶岸電系統邏輯架構

1）感知層對數據源進行傳感測量、采集、接入及處理。數據來自受電系統、岸電系統及計費系統等系統的設備測控終端和計量裝置，這些信息采集設備包括各種類型的開關量、計量、測量控制終端。支撐船舶岸電系統的通信方式可以采用多種形式，大多通過通信單元、集中器等將數據匯聚后回傳至港口管理和運行域，并在后臺進行數據分析。

2）傳輸層是用戶與電網之間溝通的橋梁。船舶岸電系統受電船舶與岸電系統之間的有線通信方式是點對點的通信方式，采用Modbus/TCP/IP通信協議，岸側和船舶側均需要通過固定IP地址和端口號進行Modbus/TCP/IP通信。為避免任何IP地址沖突，岸邊和船舶之間的通信應在網絡上（不允許使用其他IP設備）。船側與岸側通過125個寄存器實現數據的傳輸。

3）應用層主要提供了基本服務和功能服務這2類服務。基本服務針對受電船舶的基本需求，包括船舶供電、電纜無縫連接和船舶的自動并網等應用。功能服務面向港口管理的參與者，主要包括計量計費 、船舶的狀態監測和船舶用電管理等功能實現。

2.3 船舶岸電系統物理架構

船舶岸電系統在物理上可分為主站層、綜合監控層和現場設備層3層。船舶岸電系統以可編程控制器為，與分布獨立工作的變頻電源、變壓器等設備信息交互，實現監控、測量等功能 。船舶岸電系統設備之間的能源互聯及物理硬件信息交互的關系如圖3所示。

圖3 船舶岸電系統物理架構

 1）主站層。主站層主要由各種服務器、工作站與通信接口組成。主站層通過通信前置系統獲取采集到的船舶岸電實時數據，并通過應用服務器、數據庫服務器及監控工作站等系統，完成實時數據和歷史數據的分析工作。

 2）綜合監控層。綜合監控主要實現對進線開關、變頻電源、計量裝置、進出線變壓器、出線開關、碼頭接電箱、同步并網裝置、無功補償裝置、所內照明、空調、通風、消防等全部系統的設備及其他附屬控制設備等進行實時控制、參數修改、狀態監測和故障記錄與診斷等功能。集中器集中的設備運行各項參數，與可編程邏輯控制器進行數據交換，并通過人機交互界面顯示，以便工作人員現場管理。可編程邏輯控制器通過光纖上傳可供計算的船舶岸電實時數據，供主站層統計分析與數據更新。

 3）現場設備層。現場設備包括船舶岸電系統的陸地供電系統和船上受電系統的相關設備裝置，同時還包括各傳感器、采集器及通信設備。船舶岸電系統設備是船用岸電的基礎與核心，采集器實時采集電壓、頻率、電流、功率及變壓器溫度等相關數據，對所采集數據進行數字濾波、工程值轉換、刻度計算等加工，以便統計計算與實時通信。各采集器相互獨立，任裝置停用或檢修，整個系統仍能正常可靠工作。

 3 船舶岸電關鍵技術

 3.1 能源互聯技術

 3.1.1靜止頻率變換穩壓技術

 靜止頻率變換穩壓技術利用的是功率變換與控制電路：功率變換部分主要實現能量的傳遞和轉換，通過脈寬調制（Pulse Midth Modulation，PWM ）技術將50Hz和10kV 電壓等級的高壓交流電轉變為60Hz和另種電壓等級的交流電；控制電路部分則主要是根據被檢測信號的狀態做出判斷處理，從而實現對岸電電源系統的控制和保護。靜止頻率變換器主要可分為低壓靜止頻率變換器和高壓靜止頻率變換器2種。

 低壓靜止頻率變換器額定電壓為低壓380V/690V，變頻器工作時需將10kV輸入電壓降壓至380V/690V，再實現頻率電壓變換功能。對低壓靜止頻率變換器工作原理與電氣性能指標進行了分析，并設計了岸電電源硬件電路。

 低壓船舶岸電靜止頻率變換器的基本工作原理如下：先需將10KV輸入電壓降壓至

 380V/660V ， 380V/660V 、50HZ的三相交流電經過整流電路轉換為直流；然后通過逆變器將直流電轉換為50HZ的交流電，隨后經過正弦波濾波器使逆變器輸出的波形變得平滑，然后通過輸出變壓器將電壓變換到450V 。

低壓靜止頻率變換器中逆變器的主要作用是將整流得到的直流電變換為頻率為60Hz的交流電。目前逆變器種類繁多，應用較為繁瑣，且可靠性較低。中性點箝位型三電平逆變器能有效提高逆變器的耐壓等級，降低輸出電壓諧波及開關損耗；因此選用中性點箝位型三電平逆變器實現低壓靜止變換器的逆變功能，其拓撲如圖4所示。三電平結構每個半導體器件所承受的反向電壓為母線電壓的1/2 。

圖4 中性點箝位三電平頻率變換器電路

 三電平逆變器的每相橋臂含有4個開關器件，每相都有３種穩態的開關模式。Sa＝1時，Sa1 、Sa2 導通，無論電流正負，逆變器輸出對直流側中點的電壓均為Udc / 2 ； Sa ＝0 時， Sa2 、 Sa3 導通，此時，無論電流正負，逆變器輸出對直流側中點的電壓均為0 ； Sa ＝－1時， Sa3、 Sa4 導通，無論電流正負，逆變器輸出對直流側中點的電壓均為 － Udc / 2 。

 高壓大功率靜止頻率變換器主要由整流器和逆變器 2部分組成，可直接把電網的10kV/6kV、50Hz的電力變換為60Hz ，分別對高壓大功率逆變器常用的３種拓撲進行了分析，絕緣柵雙極 型 晶 體 管 （Insulated gate bipolar transistor，IGBT）串聯二電平結構，中性點箝位三電平結構和單元串聯多重化結構；并對低壓變頻變壓技術與高壓變頻變壓技術進行了對比分析。

 IGBT串聯二電平結構是傳統岸電電源主要采用的頻率變換方式，主要應用于低壓頻率變換電路中。點是結構相對比較簡單，使用的功率器件數量少；缺點也很明顯，當應用于高壓系統中，功率器件需要通過串并聯方式實現分壓，但器件串聯帶來的均壓問題使這種實現方式十分復雜。二電平結構開關過程中產生的du/dt大，系統干擾大，電磁兼容性問題較難解決。

 中性點箝位三電平結構可避免由于器件串聯引起的靜態和動態均壓問題，也可減少逆變輸出的諧波，降低du/dt變化的影響。這種結構下功率器件可 采 用IGBT或 采 用 集 成 門 極 換 流 晶 閘 管（Insulated gate bipolar transistor，IGCT）。缺點是受半導體器件的耐壓水平限制，三電平結構逆變器的輸出電壓等級只能達到4.16kV，無法滿足6.6kV高壓上船方式的實現。如果輸出電壓需要超過6kV ，僅僅采用12個功率器件難以滿足，必須通過器件串聯的方式，同時無法避免均壓問題。

 單元串聯多重化結構高壓靜止頻率變換器如圖5所示。多重化技術是指每相高壓輸出均是通過幾個低壓PWM功率單元串聯在起構成。

圖 5單元串聯多重化結構電路

圖中每個低壓PWM功率單元都是由低壓電壓性逆變器構成，這些低壓逆變器均是三相輸入，單項輸出，且由低壓IGBT構成。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y聯結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給三相負載。輸入功率單元由15個獨立的功率單元組成，各單元之間具有互換性，便于維修更換，可在短時間內進行維護，每個功率單元都由主控制系統統控制，保證輸出完整的正弦波。由于采用功率單元串聯，功率單元承受全部輸出電流，但每個功率單元只需承受1/5輸出電壓和1/15總輸出功率。

通過對比以上3種拓撲結構在船舶岸電電源頻率變換技術中的應用及文獻中3種實現方式的缺點對比分析，3種拓撲結構的頻率變換器都可滿足船舶岸電電源的不同功率要求，串聯二電平、中性點箝位三電平結構主要應用于低壓靜止頻率變換電路，單元串聯多重化結構可滿足高壓靜止頻率變換技術的性能需求。

3.1.2 岸船自動并車技術

船舶岸電系統具備船電、岸電快速切換連接技術，通過船上同期裝置，與岸電電源實現熱并網，保證供電可靠。船舶岸電系統接到岸電并網指令后，自動并車裝置進行相序檢測跟蹤，在相序致的情況下，采集岸電電源及傳播輔機電源的電壓、頻率和相角差的信息，并計算判斷是否滿足以下并車條件：輔機與岸電的頻率、相序及電壓幅值保持致，并且在并車的瞬間保證船舶輔機與岸電電源的輸出電壓相角同步。之后完成并車并實現自動無縫負荷轉移。

根據船舶岸電系統不同的供電連接方式，將岸電電源與船舶發電機的切換方式主要分為斷電方式和無縫切換方式2種。

1）斷電方式：當船舶靠港停泊時，需要先使船舶上所有的用電設備關閉，并使船舶發電機停止工作，然后連接船舶岸電系統，然后重新啟動船舶的用電設備，實現船舶發電機與岸電電源之間的切換；當船舶離港時，按照相反的順序操作。

2）同步并車方式：也被稱為無縫切換方式，切換過程中不需要關閉船上所有設備。同步并車方式不會影響船舶上用電設備的正常運行，對船舶上的重要用電設備具有重大意義。無縫切換也是船舶岸電連接技術的發展趨勢，對于岸電電源的推廣意義重大。

船舶岸電自動并車技術需要保證船舶發電機與岸電電源的電壓幅值和頻率保持致，并在并車的瞬間保證船舶發電機與岸電電源的輸出電壓相角同步。如果兩路電源不同步就進行切換會造成嚴重的后果。如果在切換時刻個電源電壓波形在波峰，另外個位于波谷，切換過程中將會產生很大的沖擊電流。雖然切換裝置可能能承受該沖擊電流，但嚴重時可能會導致用電設備和高壓靜止頻率變換器的自動保護裝置動作。

3.2 信息互聯技術

3.2.1 船舶岸電系統智能監控技術

智能化監控與普通電力監控有本質的區別，不僅能實現普通電力監控對電壓、電流、功率及頻率等的監測；還能監測電源自身的各種狀態及控制參數。智能監控具有以下主要特點：

1）信息端口開放化。岸電電源的外圍接口為開放式系統提供對外數據接口，實時將電源的運行工況上傳和下傳上位機，并實施電網運行和船方用戶 的 遠 程 監 控、報 警 及 規 范 安 全 操 作 許 可j示 。

2）運行智能化控制。船岸采用光纖傳輸以太網通信技術，實現船岸同時監測、電量參數反饋、數據互傳共享、報警信息傳遞等功能；實現船岸電量參數（電壓、電流、頻率、負載）的閉環控制和保護控制，讓船岸系統更加可靠、穩定。

3）友好的人機對話界面。實時地監控報警，實時顯示岸電、船舶受電電網的運行工況和電量參數，顯示各種報警及故障并存儲記錄 。

4）具有保護功能。對過流、短路、過壓、欠壓、逆功率、負載不平衡、絕緣低、接地等故障進行保護，各類保護點設置多達上百種，確保設備和人身。

3.2.2 通信傳輸技術

根據IEC/IEEE 80005-2標準，船舶岸電系統受電船舶與岸電系統之間的有線通信方式是點對點的通信方式，采用Modbus TCP/IP通信協議，岸側和船舶側均需要通過固定IP地址和端口號進行Modbus TCP/I通信。為避免任何IP地址沖突，岸邊和船舶之間的通信應在網絡上（不允許使用其他IP設備）。船側與岸側通過125個寄存器實現數據的傳輸。無線通信方式包括Zigbee等無線傳感網絡技術，船舶岸電系統與受電系統各設備的監測終端可通過雙絞線、Zigbee 等通信方式傳送到現場總線，再通過通信單元的數據預處理和規約轉換傳送到光纖環網 。通信傳輸技術提供良好的通信支撐，滿足船舶岸電智能化服務需求。

4 工程應用

遼寧某港區船舶岸電系統為集裝箱碼頭泊位提供電力供應服務，承建岸電電源數量 １ 套，以運載能力為 11200t的集裝箱船為例，單臺輔機容量為2780kW ，選定岸電電源容量為3MW，進線電源為10kV /50Hz，泊位前沿設置高壓接線箱１臺。集裝箱碼頭岸電示范工程。具體包括船舶岸電雙頻供電、船岸電切換裝置和高壓濾波補償裝置，并通過綜合電力監控系統對所有設備進行電力監控，從而實現6.6kV/60Hz電源輸出。船舶岸電系統高壓連船如圖6所示。

圖6 船舶岸電系統高壓供電現場圖

該船舶岸電系統由1路10kV電纜饋出至集裝箱碼頭變頻裝置。高壓變頻裝置將10kV/ 50Hz工頻電源經移相變壓器，然后整流再逆變轉變為頻率60Hz ，然后經隔離變壓器輸出6.6kV/60Hz模式，并接至2個碼頭接電箱。主要設備包括高壓開關柜、變頻裝置、高壓接電箱。變頻器采用ABB的PCS100SFC靜態變頻器，額定輸出電壓為480V，可人工設定電壓頻率，額定容量為1.5MW；將2臺變頻器并聯以容量滿足需求，變頻裝置主要由變壓器柜、功率單元柜、濾波柜和智能控制柜幾部分組成。整體結構由降壓變壓器、功率單元、控制部分組成，主電路采用若干個低壓功率單元串聯疊加方式實現高壓輸出，電網側接入電壓為10kV 。

在此次實驗中，集裝箱船停靠15h，總用電量為12745kW· h，按照規劃，到 2002年，集裝箱單泊位吞吐量將達到9520000ｔ ，年停泊158艘次，大連港購售電差價約73560元/（kW·h ），依以上數據計算，大 連 某 港 區 船 舶 岸 電 系 統 理 想 效 益 可 達95.36萬元/ a ，為高壓岸電系統正式投入運營打下了堅實的基礎。

5 安科瑞船舶岸電綜合監控收費系統選型

安科瑞Acrelcloud-9000船舶岸電收費系統通過物聯網技術對接入系統的計量儀表ADW300，監測充電設備站點和各個充電箱的運行和充電過程，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等系列故障進行預警；用戶通過vx或支付寶小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制儀表對應的操控機構，對充電樁完成充電過程。

充電設備通過加裝物聯網儀表，配合加密技術和秘鑰分發技術，基于TCP/IP的數據交互協議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電運營的所有功能，包括財務管理、變壓器監控和運營分析等功能。

5.1系統結構

5.2平臺主要功能

• 資源管理

充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測

• 用戶管理

用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

• 實時監控

對平臺連接的所有充電站和充電箱狀態進行監視，發生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發出報警信號，及時火災隱患。

• 交易管理

平臺為運營方提供充電價格策略管理，訂單管理，賬戶交易記錄，營收和財務相關報表。

• 充電服務

可通過軟件搜索附近充電設施，查看充電樁設施，并導航至可用充電樁。可通過在線自助支付實現充電，充電結算等

• 小程序

支持掃碼充電，充電賬單支付。運營商和物業管理人員均可通過小程序管理，監測充電設施狀態和充電交易情況。

• 運營分析

對訂單進行數據化分析，直觀展示數據   

5.3 產品選型

注：儀表型號數量按實際的單相、三相和電流規格來選擇。

6結語

本文針對面向能源互聯網的船舶岸電相關業務應用的實際需要，系統性開展了船舶岸電領域的能源互聯和信息互聯技術研究，簡要介紹了相關關鍵技術；并以大連某港區電能替代示范項目為范例，介紹了船舶岸電系統關鍵技術的應用情況。

通過對船舶岸電系統物理架構和船舶岸電系統邏輯架構的研究，理清了船舶岸電業務域、參與者及相互關系，確定了船舶岸電邊界和范圍，為后續的信息交互架構和信息模型研究提供了基礎支撐。下步的工作重點是研發新型船岸連接設備，構建符合 IEC/IEEE/ISO 80005-2 標準的船舶岸電信息模型。

參考文獻

[1]田鑫,楊柳,才志遠,等.船用岸電技術內外發展綜述[Ｊ] ．智能電網, 2014,2(11):9-14.

• 張晶,常征,亓學慶,張海波,李彬 ,祁兵 .面向能源互聯網的船舶岸電系統研究綜述

• 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

作者簡介：劉細鳳，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電