船舶岸基供电系统新型智能岸电车分析
大型港口所在地区和城市人口密度高，船舶靠岸装卸活动频繁，减少船舶大气污染物排放，建立节能环保绿色的港口岸电系统需求应运而生、顺势而出。各类船舶船东也普遍接受和需要岸电新技术，市场需要旺盛而急迫，船用岸电技术是成为建设绿色港口的重要技术之一。节能环保智能港口和岸电技术是当前国家极力提倡和发展的研究课题，发展港口岸电系统，助推绿色航运节能减排，依托港口和航运业的发展，推动了社会经济发展，港口的大量船舶也是沿岸地区大气污染物的一个重要来源，对空气质量环境和人们生活环境造成负面影响。若大量过往物流装卸的船泊停靠沿江港口码头时，都使用港口岸电新技术系统，用岸上城市电力替代辅助发动机燃油发电系统满足船舶用电需求，既能消除船舶在港期间对沿江港口地区空气污染又具有良好的绿色环保经济性，急需大力深入开发研究和应用推广。
当前，中国港口船舶岸电系统研究进入大力推广和应用时期，自2009年以来，中国沿海港口已经建立了多个示范性港口船舶岸电试点性工程。青岛港招商局国际集装箱码头有限公司，在2009年首先引进实施青岛港船舶岸电改造，对五千吨级内贸支线集装箱码头，安装应用了岸电设备，该岸电系统只针对近洋国内船舶，因而应用面比较窄；2010年3月，武汉港迪电气公司联合研制岸基移动式船用变压调频供电系统，对上海外高桥二期集装箱码头船舶投入岸电试运行，这是世界上第一套能够为停泊在码头不同泊位大型集装箱船舶提供的移动式岸基电源装备，上海外高桥二期集装箱码头采用岸基移动式船用变压调频供电系统，主要是针对国内外部分集装箱船舶，岸电工程没有形成有效的规模，目前基本处于闲置状态，主要是岸电电缆输送对接问题。2010年10月，“中韩之星”邮轮在连云港港口首次成功连接岸电，将高压船用岸电系统应用到往返于中国和韩国的邮轮。深圳港招商国际蛇口集装箱码头，在2011年11月至2012年1月期间，先后安装了高压岸电系统和低压岸电系统并成功进行了试验与运营。2016年1月，宁波舟山港为大型远洋船舶接驳高压岸电，目前港口船舶高压岸电流程和技术趋于成熟，已具备常态化运作的能力。2017年11月，福建省厦门东渡港区海天码头开始把岸上电力输送到船上实施码头岸电系统。该系统岸基电源额定容量3000KVA，供电至码头前沿2个岸电插座箱，基本满足单艘10万吨级集装箱船靠泊作业期间的供电需求。2018年3月，天津港联盟国际集装箱码头有限公司正式投入使用集装箱船舶岸基供电系统，该套系统所用变频电源采用“高—低—高”方案，在实施与船舶电源连接、退出及转换过程中船舶不需断电，实现无缝切换。
随后，武汉港、重庆港等国内一些内河港口及海港及码头，也正在积极引进船舶岸电系统，进行有效应用推广和试验。中国实施岸电系统主要港口码头如表1所示。
国外岸电起步早，发展水平相对比较高。各国船舶与靠港期间供电与用电制式实现匹配，是船舶岸电系统需要解决的重点问题，国外船舶配电电压包括低压配电和高压配电两种，低压配电为440V/400V，高压配电为6.6KV/6KV。目前国外已有岸电项目都以直供电为主。
全世界最先实施船舶岸电系统的港口是瑞典哥德堡港，2000年，ABB公司为哥德堡港建设了世界第一套船舶岸电系统，使该港停靠船舶的噪声和污染物排放明显降低，据计算，此项岸电系统使得哥德堡港船舶靠港期间减少了94%～97%的污染排放物，在欧盟各国引起了广泛关注和极大的兴趣。随后，欧盟各大主要沿海港口，如德国汉堡港口、荷兰鹿特丹港、比利时安特卫普港、芬兰凯米港、德国吕贝克港等集装箱港口和邮轮码头，以及瑞典哥德堡港等客滚或渡船码头也相继应用推广岸电系统。美国朱诺港在2001年首次将岸电系统应用在豪华邮轮码头；2004年，美国将岸电系统应用在洛杉矶港集装箱码头；2009年，美国首次将岸电系统应用在长滩港油轮码头。2018年德国汉堡港接入岸电后环境质量有明显改善，如图1所示。
(a) 汉堡港移动式岸电车 (b) 汉堡港港口船舶图1. 德国汉堡港岸电及接入岸电后环境显著改善到2018年，全球使用岸电系统的海港及内河港口约有100多家，而岸电的应用也从滚装港口、客滚港口、集装箱港口、散货港口、件杂货港口及邮轮港口，扩展到了油轮港口和天然气港口等。全球主要实施岸电系统港口码头如表2所示。
二、 船舶岸电供电系统
目前，全球港口普遍采用的船舶岸电供电系统一般分为岸上供电系统、电缆连接装置系统、船舶受电系统三部分，其结构示意图如图2所示。船舶岸电电源系统主要由港口码头岸上变压调频及输配电系统和船舶自身岸电转换系统两大部分组成。港口船舶岸电系统模拟示意图如图3所示。
图2 船舶岸电系统结构示意图
图3 港口船舶岸电系统结构模拟示意图2010年，中国连云港港建设完成了高压船舶/高压岸电的船舶岸电系统。该港口输入为10KV/50Hz。通过岸边的高压岸电桩，将变频后的60Hz高压电输送到船舶上的变电站，其结构如图4所示。
图4 中国连云港高压岸电系统结构图通过应用分析，此结构船舶岸电系统有如下优点：
(1) 岸电系统可不间断进行供电，可自动在船岸之间进行切换负荷转移，不需要连接与分离时断电；
(2) 借助高压电缆来传输电力，传输电量大，可提供3～4MW的电量；
(3) 连接方便，安装简单；
(4) 可以多船并列供电；
(5) 可进行智能控制，进行在线监测与动态预测；
(6) 系统安全可靠。
但该结构的船舶岸电系统也存在的缺点：需要在船上安装对应设备，需要经过船舶所在地的船级社的批准和同意。
2000年，全世界最先实用船舶岸电系统的港口是瑞典哥德堡港，为ABB公司所研制，船舶岸电系统结构如图5所示。其后，港口与公司双方再次合作，研制了一种3MVA/11kV，50Hz/60Hz双频岸电系统。
图5 瑞典哥德堡港岸电系统示意图美国长滩港的岸电系统中岸基与船基均采用高压输电，交流电所用频率为60Hz，其设计方案如图6所示。
图6 美国长滩港船舶岸电供电设备结构图港口岸上供电系统是将高压交流电通过变电站进行变压调频之后，满足靠港船舶需要的电源，然后，通过电缆输送装置系统，供应到靠港船舶岸电箱。电缆连接输送装置是指连接岸上供电箱与船舶受电箱之间的电缆和装置，可安装在港口边或趸船上。船舶受电系统是指在船舶尾部机房安装岸电箱受电系统，主要包括电缆卷筒、船上变压设备及船舶电气管理装置等。我国港口变电站电源一般为电压10kV及频率50Hz的电源，而高压6.6 kV或6kV、低压450V或400V，频率为50 或60Hz 的电源是全球船舶电源的一般要求，因此，需要通过船舶岸电系统将变电站中的电源进行电压等级和频率转换，从而适用于靠港船舶实施供电。根据岸电系统船舶岸电输入侧和输出侧的电压及频率如表3所示。
2018年4月，习总书记考察调研长江经济带发展时进一步指出，“长江是中华民族的母亲河，一定要保护好”。他强调指出，“修复长江生态环境，是新时代赋予我们的艰巨任务，也是人民群众的热切期盼。当务之急是刹住无序开发，限制排污总量。绝不容许长江生态环境在我们这一代人手上继续恶化下去，一定要给子孙后代留下一条清洁美丽的万里长江！”他强调，“总体上看，实施长江经济带发展战略要加大力度。必须从中华民族长远利益考虑，把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护、不搞大开发，努力把长江经济带建设成为生态更优美、交通更顺畅、经济更协调、市场更统一、机制更科学的黄金经济带，探索出一条生态优先、绿色发展新路子”。同时，党中央、国务院印发《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》中明确，“全国主要港口和排放控制区内港口靠港船舶率先使用岸电。到2020年，长江干线、西江航运干线、京杭运河水上服务中心和待闸锚地基本具备船舶岸电供应能力”。
为减少长江航运港口船舶污染废气的排放，分析岸电应用过程中的技术问题，结合长江内河港中小型货运船舶的特点，采用新型低压双频可调压岸电城市电源，输出380V/50Hz或440V/60Hz电源给靠港船舶提供照明、通风、通信、生活、货船泵和其它关键设备运行用电。这样的电源装置具有安装方便、自适应调压调频和快速启动等特点，大大减少船舶污染废气排放，将会在长江航运产业取得良好的经济效益和社会效益。长江内河港口船舶岸电系统主要由三部分组成：岸上供电系统、船岸交互部分和船舶受电系统。
岸上供电系统、船岸交互部分和船舶受电系统三部分的划分如下。
(1)岸上供电系统
岸上供电系统使电力从高压变电站供应到靠近船舶的连接点，即码头岸电设备，完成电压等级变换、变频与船舶受电系统不间断供电切换等功能。
(2)船岸交互部分
由港口岸上连接点输送电缆连接船上受电缆和设备，电缆连接设备必须满足快速连接和回收要求，岸电对接完毕，把电缆盘绕在船上、岸上或趸船上的电缆卷筒。
(3)船舶受电系统
在船上原有基本配电系统的基础上，安装便于对接岸电的受电系统设备，包括船上变压器和相关电气管理系统等。
由于船岸交互部分其要求电缆连接设备必须满足在岸边的不同位置实现快速连接供电，连接设备在闲置的时候能安全储存和不占用港口的空间。国内现在使用岸电的港口，船岸交互部分并没有满足以上要求，这就急需一种新型的岸电船岸交互部分的连接供电装置。本文主要是针对目前船舶岸电系统中的船岸交互部分出现的问题和技术难点提出了一种新型的船岸连接供电装置。
国内外港口的船岸交互部分，一般会根据港口自身的特点，使用不同的船岸连接系统，目前，典型港口的船岸连接方式，如表4所示。
三、船舶岸电供电系统的组成和分类
一般来说，船舶岸电供电系统由岸上供电系统、电缆连接装置以及船舶受电系统组成，港口船舶岸电供电系统原理结构图如图7所示。岸上供电系统主要包括主变电站和港口充电桩，主变电站将电网输送过来的高压电通过变压调频，输出船舶所需要频率和电压的电能；港口充电桩主要功能是控制给船舶供电的开始、中断和持续，起到安全保护计量和控制作用。其中，还包含一些其它智能服务功能。电缆连接设备指的是连接港口充电桩与船舶受电系统之间的电缆和设备，电缆连接设备的安装布置可以灵活多样，但尽量要满足使用方便、连接快速和电缆存放便捷的特点。船舶受电系统一般固定安装在船舶上，包括船舶变压设备、电气管理设备以及相应的电缆等，但船舶受电系统需要与岸上供电系统相适应，必要时需要进行改造。本文试图研究岸电供电系统部分及电缆输送连接装置，对船舶受电系统不做详细研究。
船舶岸电供电根据输送到船上的电压不同又分为高压岸电供电和低压岸电供电。一般情况下，当供给到船上的电压为440V/690V，我们称为低压船舶岸电供电。低压岸电供电适用于对岸电需求容量较小的船舶，在我国长江内河港口比较适用。当供给到船上的电压为6.6KV/11KV时，我们称之为高压岸电供电。高压岸电供电适用于对岸电需求容量大的船舶，在大多数海港比较常见。
图7. 船舶岸电供电系统原理结构图岸电电缆智能对接，是国内内河港口岸电急需解决的难题，新型移动式智能岸电车对岸电船岸连接具有普遍性和实用性，能在不同类型港口码头（游轮码头、集装箱码头、滚装码头、客滚码头、散货码头和件杂货码头）完成靠港船舶供电。当船舶停靠岸边时，岸电车能够通过自身的移动到达合适位置，进行电缆连接；在结束岸电供电之后，岸电车回到仓库，不占用岸边空间，能够避免在港口恶劣环境下设备腐蚀，延长岸电车使用寿命，岸电车对船舶连接部分采用快速连接插头，确保岸电电缆连接和拆卸时间短，岸电车能更好的体现岸电快速连接即插即用的方便性。
四、移动式智能岸电车系统介绍
（一） 移动式智能岸电车的组成及原理
移动式智能岸电车系统由电缆自动卷绕系统、岸电车行走控制系统、供电液压伸缩臂系统和其他辅助系统组成。
新型移动式智能化岸电车通过轨道可以自由在岸边任意位置移动，满足船舶停靠在岸边不同位置都能方便受电，由于低压上船需要连接的电缆较多实行小车自动化牵引电缆沿轨道前进后退，大大节省了人力。在没有船舶停靠供电的时候小车能自动回到岸边的小车仓库里，这样既不占用港口岸边的空间又能延长供电小车和电缆的寿命。
（二）电缆自动卷绕系统
新型移动式智能岸电车是牵引着电缆进行前进和后退动作，这就需要岸电车在前进的时候电缆卷盘能够自动放线，在后退的时候电缆卷盘能够自动收线。如果岸电车的行走速度和电缆卷盘的卷放速度不一致就会造成电缆被拉断或电缆杂乱卷绕。需要实现岸电车和电缆卷盘速度的实时反馈，保证两者速度一致和安全保护措施，在速度不一致达到一定的范围时能够使岸电车停止运行，避免电缆损坏。
移动式智能岸电车的组成及电缆自动卷绕系统由①显示器、②电机控制器、③电机、④电缆卷筒、⑤电缆、⑥行走部、⑦第一传感器、⑧第二传感器、⑨摄像头组成。连接到岸电车的电缆⑤及由电机③带动旋转的电缆卷筒④；第一传感器⑦设置为对应传感岸电车的行走部⑥的移动速度和方向进行检测，将检测数据传递到所述电机控制器②；第二传感器⑧设置为对电缆卷筒收放速度进行检测，并将检测数据反馈到电机控制器②；电机控制器②对从第一传感器⑦、第二传感器⑧收集到的数据进行处理，然后，根据岸电车移动速度和方向输出不同的电信号驱动电机③以不同的转速转动，带动电缆卷筒④，以相对应的速度收放动力电缆⑤。
电机控制器②连接有显示器①，采用数据传输方式进行通讯并显示收放电缆系统运行状态，在收放电缆速度与挖掘机移动速度不对应时发出报警信息。
显示器①连接有摄像头⑨，摄像头⑨设置于电缆卷筒④上方或者在摄像头可以观察电缆卷筒图像范围内的位置，用于观察电缆卷筒的实际运行状况并将图像传送到显示器①。
（三）岸电车行走控制系统
岸电车前进和后退是靠无线遥控器控制电动机的的正反转来实现的。岸电车上配有蓄电池来给电机供电驱动岸电车，这样能减少牵引的电缆数量并简化系统。
本岸电车控制系统是基于PLC无线遥控控制，采用了STC89C52单片机作为控制系统的核心部分，选用解码芯片PT2272和编码芯片PT2262实现岸电车无线操控，利用驱动芯片L298驱动电机正反转原理，其中，稳压电源可以为整个控制系统提供电源。首先，由遥控器发出控制信号，然后，接收模块将接收到的信号传给单片机，单片机就会根据接收到的信号，按照设计模式控制电机驱动芯片L298，从而，驱动直流电机，实现岸电车智能控制，完成岸电电缆对接任务。
（四）供电液压伸缩臂系统
在岸电连接工作时，船舶会由于水面涨落或装货卸货过程中船重量不断变化造成的船体下降或上升。这会对供电的安全性和持续性造成严重影响，这就要求岸电车的供电臂能够随着船体的上升和下降自动调节位置。另外，船舶靠岸时距离岸边有一定的距离，因此，本文提出了使用液压伸缩的供电臂，设计结构如图8所示。
图8 供电液压伸缩臂示意图供电液压伸缩臂可以根据船舶靠岸的距离自动伸缩供电，等船舶接电完成时，液压系统卸压，伸缩臂就可以根据船舶的上升和下降自动调控机构位置，从而，消除了因船舶升降导致供电不稳定的影响。
（五）岸电车辅助系统
由于船舶供电时液压伸缩相当于一个悬臂梁，此时，液压伸缩臂的重量比较大，会使岸电车产生一个倾覆力矩，岸电车的重心发生偏移有可能会造成岸电车的侧翻，如图9所示。提出了在岸电车上加装一套液压支脚防侧翻装置，如图10所示。
图9 岸电车发生侧翻示意图
其中F是液压臂的重力，FR是液压支脚的支持力，L是支脚到岸电车重心的距离，L1是液压臂到重心的距离。这时岸电车所受的力矩平衡，防止了岸电车在供电时发生供电不稳定和侧翻的情况。
（六）岸电车港口船舶供电实证分析
在船舶靠港停泊或作业期间，若I号船与II号船并排停靠，III号船与IV号船并排停靠，一台岸电车可以开到港口岸边1号与2号泊位之间。为了同时满足两排靠泊船舶的供电需求，在1、2号泊位之间通过岸电车自动向船舶供电。岸电电缆通过岸电车输送提升装置，输送电缆至靠泊船舶，如图11所示。岸电车上安装一台液压式电缆提升装置，通过提升装置的多级液压臂可以将电缆提升并输送到I号泊位和2号泊位的船舶上。电缆提升装置配有回转机构，通过回转运动扩大作业面积，从而为停泊在1号泊位的两艘船舶，以及2号泊位的两艘船舶输送电缆进行供电，港口靠泊船舶可以长期处于无人值守状态，岸电车的电缆提升装置可以通过远程控制的方式，遥控为1号泊位和2号泊位的两艘船舶输送电缆进行供电。而1号泊位船舶在靠泊时可以直接将I号船上电缆接上II号船舶的电缆转接头上，从而为1号泊位的两艘船舶供电，依此类推可以满足全部靠泊船舶的供电需求。
图11 岸电车港口船舶供电示意图1-港口泊位 2-岸电车 3-电缆伸缩臂 4-电缆提升装置五、总结
随着科技的不断发展，港口岸电的自动化及智能化程度会不断的提高，目前，岸电车电缆频繁牵引导致磨损破坏问题还有待进一步改善，港口移动式智能岸电车还需要继续深入研究并改善和优化控制系统，使其更好的推动岸电的发展，减少港口环境污染。现阶段我国的船舶岸电系统大多数都是简单的 “高压电网-岸电电源-船舶受电”的连接形式，还缺少相应的监控管理网络平台，对港口岸电设备的运行、监控、计量计费及安全防护等的管理，还没有形成统一的标准，这是现阶段我国船舶岸电系统面临的一个重要问题，船舶岸电系统需要向智能化信息化方向发展，如研究港口岸电系统的数据采集、信息集成和信息共享，实现视频安防功能和计量计费、设备运行参数、状态的显示、发生故障时报警等。最后，通过互联网云计算大数据远程监控我国沿海港口岸电车对接岸电，以及远程操控管理内河沿岸港口岸电车对接岸电也是非常有趣的研究课题。
作者单位： 湖北省荆州中学