客货码头工程岸电系统设计与实现

■刘祖凯

（1.福建省港航勘察设计院有限公司，福州 350003；2.福建省闽航飞腾科技有限公司，福州 351000）

我国政府一直以来都高度关注气候变化对国家和社会的影响，为了贯彻落实“绿水青山就是金山银山”的可持续发展政策，积极推进碳减排工作。我国于2020 年正式提出了“2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和”的战略目标。 随着新冠疫情放开后，越来越多的大型船舶停靠在国内各港口码头，目前世界主流的船舶均以重油（或柴油）为主要动力来源。 重油（或柴油）燃烧过程中产生大量的CO2及大气污染物，对实现碳达峰、碳中和的战略目标十分不利。 一方面，因船舶本身并无储能设备，船舶自备柴油机在为船舶供电的过程中都难以避免产生部分过剩电能， 该部分过剩电能无法有效存储利用，从而造成不必要的资源浪费。 另一方面，由于停靠船舶的油料发电产生大气污染物较多，国内港口城市碳中和及节能减排形势更为迫切[1]。因此船舶靠港时采用岸基电源对船舶供电势在必行，我国目前制定了一系列的相关规范和技术标准，积极推进港口岸电的实施，本文以厦门港东山5000 吨级对台客货码头工程为例，分析码头岸电的设计要点。

1 本工程设计概要

本工程为省级重点港口建设项目，拟建1 个5 000 吨级对台客货泊位及港口配套设施，客货泊位应满足1 000 GT 陆岛滚装船靠泊，水工主体结构满足停靠泊1 万吨级杂货船，年通过能力可满足13 万t货物、26 万人次旅客及12.8 万辆次车辆。 码头泊位直立段总长为175 m，滚装船采用艉直式船跳板，在码头端部设置可调式岸坡道。 可调式岸坡道主要设施包括活动钢引桥、龙门吊架、升降系统等。

供电布置如图1 所示。 本工程进线电源电压等级为10 kV，采用单回路进线，由本工程附近区域变电站引一路10 kV 电缆架空至港区边界后，埋地敷设至变电所。 本工程配电电压为10 kV 及380/220 V。高压动力设备及变压器一次侧供电电压为10 kV，低压动力设备供电电压为380 V，低压照明供电电压为380/220 V，供电频率为50 Hz。 负荷等级除消防负荷按二级负荷考虑外，其余按照三级负荷考虑。本工程岸电电源采用1 路10 kV 电源引自客运大楼变电所高压馈线柜，后引出至岸电系统室高压进线。 进线电源为10 kV，50 Hz。

图1 岸电配电示意图

2 船舶岸电系统设计

2.1 岸电系统负荷计算

本项目主要靠泊船型为5 000 吨级集装箱船和散杂货船，码头结构预留1 万吨级，根据规范要求需按照船舶单台辅机容量设计岸电容量，即按照1 万吨级集装箱船单台辅机容量设计，辅机功率为450 kW，考虑船舶负载试验时需要超过额定负载10%，计算公式如下：

考虑单台变压器平均工作负载率不大于85%：

根据变压器容量等级选择630 kVA 容量变压器。 岸电系统最大工作电流按照超过额定负载10%计算：

因此本工程岸电容量选取630 kVA 变压器，变频电源容量选取500 kW，变频电源输出为400 V/50 Hz 及450 V/60 Hz，岸电电源输出总断路器放大一级选择1250 A 框架式断路器。 岸电系统一次系统图如图2 所示，岸电系统室平面布置图如图3所示。

图2 岸电系统一次系统图

图3 岸电系统室平面布置图

2.2 船舶岸基变频变压电源总体要求

在船舶靠港停泊期间停止使用船舶发电系统，通过岸电系统电源供电， 岸电系统输出440 V/60 Hz及400 V/50 Hz 的电源满足散货船舶各种电气设备的用电需求，变频电源容量适应港口高压变电站容量。 为满足船舶供电系统的特殊要求，岸基供电系统供电设备必须满足国家相关标准，能够与国内、国际船舶可靠、安全、规范地连接；须综合考虑供电接点数量、安装位置、供电容量、走线等因素；电压和频率具有较宽的调节范围，能够恒压恒频输出所需电能； 保证船舶用电与岸电相序和线制的一致性，联船出现相序不一致时，变频电源应具备一键切换相序技术；具备缺相、短路、连锁、过载、抗冲击、逆功率等各种保护，能可靠安全供电；应对靠港船舶接用岸电情况进行准确计量、结算等，并且对岸电电源进线和出线都要设置计量表计量，计量精度要求达到0.2 级；适应码头高温、高湿、高盐雾、高腐蚀性等恶劣的环境；操作简单，维护方便；符合节能、环保、安全等要求。

2.3 岸电系统具体性能要求

在0℃～40℃、最大风速（工作模式）：25 m/s，70 m/s（非工作模式）、相对湿度85%，最大相对湿度接近100%、地震烈度为7 度（GBJ11-89，ma=0.1 m/s2）、台风、雷暴较多，盐雾和海洋性气候腐蚀严重，作业环境内粉尘污染严重的大环境下，岸电电源应能满足可靠供电。 保证可靠供电的前提，对电源性能参数提出了较高的要求，其中单套额定输出容量不小于630 kVA、输入电压为交流10 kV±10%、50 Hz±5%、三相三线、输出电源为450 V/60 Hz/3 AC 或400 V/50 Hz/3 AC 正弦波电源。 额定负载工况下，输出电压波形总谐波失真度：THD＜2.5%线性负载，输入电流波形总谐波失真度：THD＜3.0%额定负载。 输出频率：60 Hz，负载在允许范围内时，输出稳态频率精度≥0.1%；输出电压稳压率：输出稳态电压精度≥1%，电压突变复归时间＜1.5 s。 电网侧功率因数≥0.98，Φ≥95%（100%负荷）；稳态时，变频电源输出三相电压不平衡度≤3%[2]，当船舶负载三相不平衡时，变频电源可连续供电，并具有110%负荷长时，150%负荷60 s（300 s 周期）、200%负荷2 s（300 s周期）的过载能力。

变频电源的整流和逆变模块均采用IGBT 四象限技术，输入和输出均配有与之匹配的滤波器，降低了对电网侧的干扰和保证输出电源的质量；变频电源采用模块化设计，可灵活地安排电源系统的检修和维护，平均修复时间小于0.5 h；变频电源具备自动同步的功能，能自动检测母线电压和频率并调整输出，实现无扰并网。 变频电源可对电压瞬变进行调节，抑制电网电压扰动对输出电源质量的影响；变频电源模块具备电缆压降动态补偿能力，在条件满足时可根据不同负载下系统的电缆压降实现动态补偿，确保船侧用电电压的稳定。 系统具备通讯接口模块，可灵活配置各种通讯接口便于与外部系统进行对接，方便适时上传下载各种参数及控制指令。变频电源的整流和逆变均是采用IGBT 的四象限技术，当电网电压波动时，整流部分可以根据输入电压进行调整，保证直流母线电压的稳定，逆变部分从直流母线获取电能并输出所需的电压和频率，整流和逆变均能四象限运行保证输出的稳定。

岸电系统可以与码头电力监控后台进行通信，实现远程监控。 内部通讯应采用光纤电缆连接，柜内强、弱电信号均单独布置。 与船上通讯的设计应满足IEC 标准有关控制电缆、通信光缆及通信内容的要求，确保船舶安全、可靠、稳定使用岸电电源[3]。同时，变频电源能远距离操作，并可对其进行远程/本地控制的切换。 具有通信接口，方便适时上传、下载各种参数及控制指令。 提供远程开停、跳闸、告警等控制信号端口。变频电源应具有与PLC 系统进行通讯的接口，PLC 系统能通过通讯接口对岸电电源进行控制，并反馈电源系统状态及故障报警信息。

2.4 岸电综合管理系统

本项目岸电监控系统由码头岸电综合管理系统控制柜及直流电源等组成。 岸电综合管理系统布置于岸电系统控制柜内，通过键鼠及显示器对整个岸电系统进行在线监测、控制和可视化。

2.4.1 岸电综合管理系统直流电源技术要求

岸电综合管理系统中的直流电源主要为站内一次、二次设备提供操作电源，输入交流电压220 V±5%，50 Hz；输出额定电压110 V DC；容量为100 AH，选用优质铅酸电池。 直流屏相关技术要求：稳压精度≤±0.5%；稳流精度≤±0.5%；纹波系数≤±0.1%；均流度≤5%；效率≥95%；含输出过压保护，直流监控单元，能够综合分析各种数据和信息，在液晶显示屏上显示各种运行状态和故障报警信号并通过RS485 或以太网接口送至岸电综合管理系统。

2.4.2 岸电综合管理系统监测功能

管理系统应具备全汉化视窗界面，显示监测以下参数：输出电源的频率、三相线（相）电压、三相线电流、三相电压平均值、三相电流平均值、三相不平衡度、有功功率、无功功率、功率因数等。

2.4.3 岸电综合管理系统控制功能

控制系统主要用于岸电连接和断开操作中联锁保护和时序的控制，并能对断路器、变压器、开关柜、岸电接电装置、电缆管理装置等设备进行监视、控制、计量和故障诊断，其布置应能防止被误触动。如发生下列情况，应自动触发应急切断：（1）岸电系统控制和监测线路故障；（2）岸电连接插头带电拔出；（3）岸电接电箱急停按钮触发。 应急切断发生后，非经人工复位，断路器不能再次闭合。 当岸电系统出现紧急情况时，也可以手动切断岸电电源，急停按钮为硬线连接。 控制系统可在电子噪声、射频干扰及振动的环境中连续运行。

同时， 本地监控管理系统应具备通讯线路，以实现对码头岸电系统远程监控， 监控内容包括：故障信息查询、运行数据记录、参数查询及设置、系统自诊断、断路器工作状态等。 监控管理系统应具有高可靠性，系统运行故障不应出现错报、漏报等现象，远程故障报警差错率应≤0.1%。

2.5 岸电电源可靠性要求

变频电源应采用模块化设计，应有足够的功率冗余。 符合绿色节能的岸电建设原则，对于并网过程中产生的逆功率采用软件智能控制，禁止通过制动电阻消耗。 岸电电源控制系统控制电源按照冗余设计，采用冗余热备设计。 当本所提供的控制电源失电时，岸电电源控制系统能够利用自身的UPS 系统提供不小于1 h 的供电。 切换时确保不会影响到岸电系统的正常运行；岸电电源应具备黑匣子功能，当变频电源出现故障时，能够记录变频电源故障前后数据，实现故障可追溯；岸电系统须具有满足联船过程中船舶降压变压器空载投切涌流控制的技术（投标时提供具体技术解决方案）；变频装置应具有仿真发电机的功能，保证岸电系统并网及负载转移稳定； 岸电电源及其监控系统都应通过RS485、光纤连接成实时通信网络，以提高速率、控制水平和抗干扰能力。 所有装置内强、弱电信号应分开布置，避免干扰。 岸电装置现场安装如图4 所示。

图4 岸电装置现场安装图

3 应用效果及分析

本文所述设计方案已在厦门港东山5000 吨级对台客货码头项目中得到应用，取得了良好的社会效益和经济效益。 据码头吞吐量和辅机功率通过CO2排放折算公式可计算得出每年能减少CO2排放约1 756.8 t，折合标准煤704.69 t，能有效达到节能减排作用。

4 结语

码头岸电系统是国家节能减排， 实现碳达峰、碳中和战略目标， 建设绿色港口的重要组成部分。本文以码头工程实例，从系统负荷计算、电源系统、岸电综合管理系统等方面分析了变压变频岸电系统的设计，具有一定的局限性。 在其他实际案例的设计中，还需根据码头的具体货种和常用船型做具体分析。