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浅谈能源互联网的船舶岸电系统设计

发布时间: 2020-08-04  点击次数: 217次

摘 要:随着港口智能化的快速发展,船舶岸电系统作为电能替代的重要技术手段,将成为今后一段时期内绿色港口建设不可或缺的重要组成部分。通过船舶岸电业务需求分析,提炼出岸电系统功能需求和非功能需求;基于船舶岸电能源互联和信息交互的需要,提出满足船舶岸电系统的逻辑架构和物理架构,并对船舶岸电系统的关键技术及设备进行讨论,提出下一步的研究方向。

 

关键词:船舶岸电;电能替代;能源互联;信息交互;系统架构

 

0 引言

 水路运输比陆地运输模式有着明显的成本势,是世界大宗货物的运输方式;然而随着靠港船舶的增多,船舶在港期间造成的大气污染及其引发的社会问题不容忽视。靠港船舶在通过燃油发电满足船上用电设备需求的同时,排放出CO2等温室气体及NOx、SOx、HC等污染物,港口城市的废气污染比其他城市平均高出25% 。海事组织(International maritime organization,IMO)研究表明:航运船舶平均每年消耗石油3.25亿吨 ,约占世界石油消耗的7.5%;排放大约相当于9.61亿吨CO2当量 的 温 室 气 体,占 全 球 温 室 气 体 排 放 的2.8%,其中 NOx排放2090万吨,SOx排放1130万吨,两种污染物分别占排放量的15%与13%,是造成对流层臭氧与雾霾的主要因素之一;而利用船舶岸电系统替代传统辅机发电将港口的空气质量,NOx 与SOx可分别减排97%和96%。

船舶岸电技术是指船舶在靠港期间停止使用船上燃油发电机,而改用岸上电源供电的技术。船舶岸电系统以坚强智能电网为基础,面向能源互联网,通过先进的控制和测量技术与先进的信息网络技术,实现船舶用电的可靠、安全、经济、稳定、清洁的总体目标。

世界各国针对船舶排放出台了相关政策:2006年欧盟2005/33/EC 法令规定从2010年开始船舶在靠港及在内河流域建议使用船舶岸电 ;2014年生效的加州靠港法律规定靠港船舶需使用其他动力来源,例如船舶岸电,来满足节能减排要求;2013年国家电网公司积极倡导“以电代煤、以电代油、电从远方来”的能源消费新模式,在经营区域内全面启动电能替代工作,船舶岸电即是以电代油的典型应用。

本文主要介绍船舶岸电技术国内外的发展现状,对船舶岸电系统信息交互架构展开相关研究,提出船舶岸电系统信息交互参考框图及船舶岸电系统逻辑与物理架构,形成船舶岸电系统信息交互架构;分别从能源互联和信息互联两方面介绍船舶岸电的关键技术。

 

1 国内外船舶岸电研究及应用现状

基于灵活逆变器技术,ABB的变频器能够完成从船到岸及从岸到船的无缝连接。

IEC 、IEEE和ISO联合制定了IEC/IEEE/ISO 80005岸电系列标准,该系列标准规范了船上和岸上的电力连接系统技术要求。结合我国目靠港船舶使用岸电的技术特点及应用现状,交通运输部于2011年发布了行业标准JTS 155-2012 《码头船舶岸电设施建设规范》、JT/T815-2012《港口船舶岸基供电系统操作技术规程》等标准。

早在1989年,瑞典的哥德堡港率先开始使用岸电电源系统给滚装轮渡使用。当时采用的是400V的低压连接系统;2009年6月英国石油美国公司和美国加州长滩港开放了世界上首座配备岸电系统的油轮码头 。洛杉矶港在2011年有15个码头应用船舶岸电技术 。长滩港所有集装箱码头在2014年应用船舶岸电技术,50%的靠港集装箱船舶使用岸电,计划2020年80%的靠港集装箱船舶使用岸电技术] 。

近年来,船舶岸电技术在我国迅速发展,并获得广泛应用。 2009 年,我国开始在多个港口开展船舶岸电试点工程建设。期主要开展低压船舶岸电项目,2009年青岛港首先完成了 5000吨 级内贸支线码头低压岸电改造,只用于内贸支线集装箱船舶 。近几年岸电项目主要以高压岸电为主,2016年12月,福建高压船舶岸电项目正式投运,设计供电容量3000kW ,预计实现年电能替代量150万kW·h ,减少排放物近1k吨。2016年5月,宁波舟山港与国家电网公司合作建设的宁波舟山港项目正式投运,容量分别为2和3MV·A ,高压上船供电,电压/频率为6.6kV/60Hz或6KV/50Hz 。2016年,交通部组织开展了码头船舶岸电示范项目的申报、筛选和审核等工作,正式批准了7个高压码头船舶岸电示范项目。

在系统设计方面,主要阐述了船舶岸电系统的设计原则,详细介绍了系统的组成结构及工作原理,并对高低压供电方式进行了比较。简要分析了船舶供岸电电源的构成和3种分布形式,对船舶岸电自动并车装置的功能需求进行了分析,并对各个模块的硬件设计进行了探讨。从硬件设计的角度,详细介绍了低压岸电电源各部分电路的设计工作,包括整流电路、逆变电路、输出滤波器、驱动电路及采样电路等,同时给出了各部分电路器件选型的依据及参数计算的方法。对船舶岸电监控系统进行了研究,针对船舶岸电计量统计难、监控不统一的问题,提出了船舶岸电监控系统的设计思路及控制方法。设计建立了能源互联网标准体系,根据该标准体系架构,船舶岸电是智能用电领域下电能替代标准系列中的关键技术,已列入需要先开展标准制定的行动计划。

 

2 船舶岸电系统架构

为满足上述面向能源互联的船舶岸电业务相关功能和非功能需求,实现各业务域主体(系统、设备、软件)之间的能源互联,本文对船舶岸电系统的架构展开了相关研究,提出了船舶岸电系统构成、船舶岸电系统物理架构及船舶岸电系统逻辑架构。

2.1船舶岸电系统构成

船舶岸电系统能源互联由陆地供电系统、电缆连接设备与船舶配电系统3部分组成 。陆地供电系统主要包括电源、变压变频设备,电缆连接设备有岸电接线箱(岸基)、电缆管理系统(船基),船舶配电系统由转接屏与配电箱(大中型船舶)组成。船舶岸电系统能源互联如图1所示。

 

图1 船舶岸电系统的能源互联

变电站出线为工频10kV 电源,并配有补偿装置,依次经移相变压器和功率单元装置,然后通过滤波装置、隔离变压器,转变为6.6kV/60Hz输出至码头接线箱,或直接经低压岸电插座箱为低压供电方式船舶供电。通过船舶电缆将船电与码头接线箱连接起来送至船载降压变压器(船上负载多为低压电器,所需电压由船上变压设备完成)。

2.2 船舶岸电系统逻辑架构

船舶岸电系统逻辑架构是采用逻辑分层的思想对船舶岸电系统进行的概要描述,是设计业务流程的重要参考和依据。船舶岸电系统逻辑架构分为感知层、传输层和应用层3层,如图2所示。

 

图 2  船舶岸电系统逻辑架构

1)感知层对数据源进行传感测量、采集、接入及处理。数据来自受电系统、岸电系统及计费系统等系统的设备测控终端和计量装置,这些信息采集设备包括各种类型的开关量、计量、测量控制终端。支撑船舶岸电系统的通信方式可以采用多种形式,大多通过通信单元、集中器等将数据汇聚后回传至港口管理和运行域,并在后台进行数据分析。

2)传输层是用户与电网之间沟通的桥梁。船舶岸电系统受电船舶与岸电系统之间的有线通信方式是点对点的通信方式,采用Modbus/TCP/IP通信协议,岸侧和船舶侧均需要通过固定IP地址和端口号进行Modbus/TCP/IP通信。为避免任何IP地址冲突,岸边和船舶之间的通信应在网络上(不允许使用其他IP设备)。船侧与岸侧通过125个寄存器实现数据的传输。

3)应用层主要提供了基本服务和功能服务这2类服务。基本服务针对受电船舶的基本需求,包括船舶供电、电缆无缝连接和船舶的自动并网等应用。功能服务面向港口管理的参与者,主要包括计量计费 、船舶的状态监测和船舶用电管理等功能实现。

2.3 船舶岸电系统物理架构

船舶岸电系统在物理上可分为主站层、综合监控层和现场设备层3层。船舶岸电系统以可编程控制器为中心,与分布独立工作的变频电源、变压器等设备信息交互,实现监控、测量等功能 。船舶岸电系统设备之间的能源互联及物理硬件信息交互的关系如图3所示。

 

图3 船舶岸电系统物理架构

1)主站层。主站层主要由各种服务器、工作站与通信接口组成。主站层通过通信置系统获取采集到的船舶岸电实时数据,并通过应用服务器、数据库服务器及监控工作站等系统,完成实时数据和历史数据的分析工作。

2)综合监控层。综合监控主要实现对进线开关、变频电源、计量装置、进出线变压器、出线开关、码头接电箱、同步并网装置、无功补偿装置、所内照明、空调、通风、消防等全部系统的设备及其他附属控制设备等进行实时控制、参数修改、状态监测和故障记录与诊断等功能。集中器集中的设备运行各项参数,与可编程逻辑控制器进行数据交换,并通过人机交互界面显示,以便工作人员现场管理。可编程逻辑控制器通过光纤上传可供计算的船舶岸电实时数据,供主站层统计分析与数据新。

3)现场设备层。现场设备包括船舶岸电系统的陆地供电系统和船上受电系统的相关设备装置,同时还包括各传感器、采集器及通信设备。船舶岸电系统设备是船用岸电的基础与核心,采集器实时采集电压、频率、电流、功率及变压器温度等相关数据,对所采集数据进行数字滤波、工程值转换、刻度计算等加工,以便统计计算与实时通信。各采集器相互独立,任一装置停用或检修,整个系统仍能正常可靠工作。

 

3 船舶岸电关键技术

3.1 能源互联技术

3.1.1静止频率变换稳压技术

静止频率变换稳压技术利用的是功率变换与控制电路:功率变换部分主要实现能量的传递和转换,通过脉宽调制(Pulse Midth Modulation,PWM )技术将50Hz和10kV 电压等级的高压交流电转变为60Hz和另一种电压等级的交流电;控制电路部分则主要是根据被检测信号的状态做出判断处理,从而实现对岸电电源系统的控制和保护。静止频率变换器主要可分为低压静止频率变换器和高压静止频率变换器2种。

低压静止频率变换器额定电压为低压380V/690V,变频器工作时需将10kV输入电压降压至380V/690V,再实现频率电压变换功能。对低压静止频率变换器工作原理与电气性能指标进行了分析,并设计了岸电电源硬件电路。

低压船舶岸电静止频率变换器的基本工作原理如下:首先需将10KV输入电压降压至

380V/660V , 380V/660V 、50HZ的三相交流电经过整流电路转换为直流;然后通过逆变器将直流电转换为50HZ的交流电,随后经过正弦波滤波器使逆变器输出的波形变得平滑,然后通过输出变压器将电压变换到450V 。

低压静止频率变换器中逆变器的主要作用是将整流得到的直流电变换为频率为60Hz的交流电。目逆变器种类繁多,应用较为繁琐,且可靠性较低。中性点箝位型三电平逆变器能有效提高逆变器的耐压等级,降低输出电压谐波及开关损耗;因此选用中性点箝位型三电平逆变器实现低压静止变换器的逆变功能,其拓扑如图4所示。三电平结构每个半导体器件所承受的反向电压为母线电压的1/2 。

 

图4 中性点箝位三电平频率变换器电路

三电平逆变器的每一相桥臂含有4个开关器件,每一相都有3种稳态的开关模式。Sa=1时,Sa1 、Sa2 导通,无论电流正负,逆变器输出对直流侧中点的电压均为Udc / 2 ; Sa =0 时, Sa2 、 Sa3 导通,此时,无论电流正负,逆变器输出对直流侧中点的电压均为0 ; Sa =-1时, Sa3、 Sa4 导通,无论电流正负,逆变器输出对直流侧中点的电压均为 - Udc / 2 。

高压大功率静止频率变换器主要由整流器和逆变器 2部分组成,可直接把电网的10kV/6kV、50Hz的电力变换为60Hz ,分别对高压大功率逆变器常用的3种拓扑进行了分析,绝缘栅双极 型 晶 体 管 (Insulated gate bipolar transistor,IGBT)串联二电平结构,中性点箝位三电平结构和单元串联多重化结构;并对低压变频变压技术与高压变频变压技术进行了对比分析。

IGBT串联二电平结构是传统岸电电源主要采用的频率变换方式,主要应用于低压频率变换电路中。点是结构相对比较简单,使用的功率器件数量少;缺点也很明显,当应用于高压系统中,功率器件需要通过串并联方式实现分压,但器件串联带来的均压问题使这种实现方式十分复杂。二电平结构开关过程中产生的du/dt大,系统干扰大,电磁兼容性问题较难解决。

中性点箝位三电平结构可避免由于器件串联引起的静态和动态均压问题,也可减少逆变输出的谐波,降低du/dt变化的影响。这种结构下功率器件可 采 用IGBT或 采 用 集 成 门 极 换 流 晶 闸 管(Insulated gate bipolar transistor,IGCT)。缺点是受半导体器件的耐压水平限制,三电平结构逆变器的输出电压等级只能达到4.16kV,无法满足6.6kV高压上船方式的实现。如果输出电压需要超过6kV ,仅仅采用12个功率器件难以满足,必须通过器件串联的方式,同时无法避免均压问题。

单元串联多重化结构高压静止频率变换器如图5所示。多重化技术是指每一相高压输出均是通过几个低压PWM功率单元串联在一起构成。

 

图 5单元串联多重化结构电路

图中每一个低压PWM功率单元都是由低压电压性逆变器构成,这些低压逆变器均是三相输入,单项输出,且由低压IGBT构成。将相邻功率单元的输出端串接起来,形成Y联结构,实现变压变频的高压直接输出,供给三相负载。输入功率单元由15个独立的功率单元组成,各单元之间具有互换性,便于维修换,可在短时间内进行维护,每一个功率单元都由主控制系统统一控制,保证输出完整的正弦波。由于采用功率单元串联,功率单元承受全部输出电流,但每一个功率单元只需承受1/5输出电压和1/15总输出功率。

通过对比以上3种拓扑结构在船舶岸电电源频率变换技术中的应用及文献中3种实现方式的缺点对比分析,3种拓扑结构的频率变换器都可满足船舶岸电电源的不同功率要求,串联二电平、中性点箝位三电平结构主要应用于低压静止频率变换电路,单元串联多重化结构可满足高压静止频率变换技术的性能需求。

3.1.2 岸船自动并车技术

船舶岸电系统具备船电、岸电快速切换连接技术,通过船上同期装置,与岸电电源实现热并网,保证供电安全可靠。船舶岸电系统接到岸电并网指令后,自动并车装置进行相序检测跟踪,在相序一致的情况下,采集岸电电源及传播辅机电源的电压、频率和相角差的信息,并计算判断是否满足以下并车条件:辅机与岸电的频率、相序及电压幅值保持一致,并且在并车的瞬间保证船舶辅机与岸电电源的输出电压相角同步。之后完成并车并实现自动无缝负荷转移。

根据船舶岸电系统不同的供电连接方式,将岸电电源与船舶发电机的切换方式主要分为断电方式和无缝切换方式2种。

1)断电方式:当船舶靠港停泊时,需要首先使船舶上所有的用电设备关闭,并使船舶发电机停止工作,然后连接船舶岸电系统,然后重新启动船舶的用电设备,实现船舶发电机与岸电电源之间的切换;当船舶离港时,按照相反的顺序操作。

2)同步并车方式:也被称为无缝切换方式,切换过程中不需要关闭船上所有设备。同步并车方式不会影响船舶上用电设备的正常运行,对船舶上的重要用电设备具有重大意义。无缝切换也是船舶岸电连接技术的发展趋势,对于岸电电源的推广意义重大。

船舶岸电自动并车技术需要保证船舶发电机与岸电电源的电压幅值和频率保持一致,并在并车的瞬间保证船舶发电机与岸电电源的输出电压相角同步。如果两路电源不同步就进行切换会造成严重的后果。如果在切换时刻一个电源电压波形在波峰,另外一个位于波谷,切换过程中将会产生很大的冲击电流。虽然切换装置可能能承受该冲击电流,但严重时可能会导致用电设备和高压静止频率变换器的自动保护装置动作。

3.2 信息互联技术

3.2.1 船舶岸电系统智能监控技术

智能化监控与普通电力监控有本质的区别,不仅能实现普通电力监控对电压、电流、功率及频率等的监测;还能监测电源自身的各种状态及控制参数。智能监控具有以下主要特点:

1)信息端口开放化。岸电电源的外围接口为开放式系统提供对外数据接口,实时将电源的运行工况上传和下传上位机,并实施电网运行和船方用户 的 远 程 监 控、报 警 及 规 范 安 全 操 作 许 可警示 。

2)运行智能化控制。船岸采用光纤传输以太网通信技术,实现船岸同时监测、电量参数反馈、数据互传共享、报警信息传递等功能;实现船岸电量参数(电压、电流、频率、负载)的闭环控制和保护控制,让船岸系统加可靠、稳定。

3)友好的人机对话界面。实时地监控报警,实时显示岸电、船舶受电电网的运行工况和电量参数,显示各种报警及故障并存储记录 。

4)具有保护功能。对过流、短路、过压、欠压、逆功率、负载不平衡、绝缘低、接地等故障进行保护,各类保护点设置多达上百种,确保设备和人身安全。

3.2.2 通信传输技术

根据IEC/IEEE 80005-2标准,船舶岸电系统受电船舶与岸电系统之间的有线通信方式是点对点的通信方式,采用Modbus TCP/IP通信协议,岸侧和船舶侧均需要通过固定IP地址和端口号进行Modbus TCP/I通信。为避免任何IP地址冲突,岸边和船舶之间的通信应在网络上(不允许使用其他IP设备)。船侧与岸侧通过125个寄存器实现数据的传输。无线通信方式包括Zigbee等无线传感网络技术,船舶岸电系统与受电系统各设备的监测终端可通过双绞线、Zigbee 等通信方式传送到现场总线,再通过通信单元的数据预处理和规约转换传送到光纤环网 。通信传输技术提供良好的通信支撑,满足船舶岸电智能化服务需求。

 

 

4 工程应用

辽宁某港区船舶岸电系统为集装箱码头泊位提供电力供应服务,承建岸电电源数量 1 套,以运载能力为 11200t的集装箱船为例,单台辅机容量为2780kW ,选定岸电电源容量为3MW,进线电源为10kV /50Hz,泊位沿设置高压接线箱1台。集装箱码头岸电示范工程。具体包括船舶岸电双频供电、船岸电切换装置和高压滤波补偿装置,并通过综合电力监控系统对所有设备进行电力监控,从而实现6.6kV/60Hz电源输出。船舶岸电系统高压连船如图6所示。

 

图6 船舶岸电系统高压供电现场图

该船舶岸电系统由1路10kV电缆馈出至集装箱码头变频装置。高压变频装置将10kV/ 50Hz工频电源经移相变压器,然后整流再逆变转变为频率60Hz ,然后经隔离变压器输出6.6kV/60Hz模式,并接至2个码头接电箱。主要设备包括高压开关柜、变频装置、高压接电箱。变频器采用ABB的PCS100SFC静态变频器,额定输出电压为480V,可人工设定电压频率,额定容量为1.5MW;将2台变频器并联以容量满足需求,变频装置主要由变压器柜、功率单元柜、滤波柜和智能控制柜几部分组成。整体结构由降压变压器、功率单元、控制部分组成,主电路采用若干个低压功率单元串联叠加方式实现高压输出,电网侧接入电压为10kV 。

在此次实验中,集装箱船停靠15h,总用电量为12745kW· h,按照规划,到 2002年,集装箱单泊位吞吐量将达到9520000t ,年停泊158艘次,大连港购售电差价约73560元/(kW·h ),依以上数据计算,大 连 某 港 区 船 舶 岸 电 系 统 理 想 效 益 可 达95.36万元/ a ,为高压岸电系统正式投入运营打下了坚实的基础。

 

5 安科瑞船舶岸电综合监控收费系统选型

安科瑞Acrelcloud-9000船舶岸电收费系统通过物联网技术对接入系统的计量仪表ADW300,监测充电设备站点和各个充电的运行和充电过程,同时对各类故障如充电机过温保护、充电输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警;用户通过支付宝等小程序扫描二维码,进行支付后,系统发起充电请求,控制仪表对应的操控机构,对充电桩完成充电过程。

充电设备通过加装物联网仪表,配合加密技术和秘钥分发技术,基于TCP/IP的数据交互协议,与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电运营的所有功能,包括财务管理、变压器监控和运营分析等功能。

5.1系统结构

 

5.2平台主要功能

  • 资源管理

充电站档案管理,充电桩档案管理,用户档案管理,充电桩运行监测,充电桩异常交易监测

  • 用户管理

用户注册,用户登录,用户帐户管理,消息管理

  • 实时监控

对平台连接的所有充电站和充电箱状态进行监视,发生异常情况时可通过APP、短信及时向运营人员发出报警信号,及时消除火灾隐患。

  • 交易管理

平台为运营方提供充电价格策略管理订单管理,账户交易记录,营收和财务相关报表

  • 充电服务

可通过软件搜索附近充电设施,查看充电桩设施,并导航至可用充电桩。可通过在线自助支付实现充电,充电结算等

  • 小程序

支持支付宝扫码充电,充电账单支付。运营商和物业管理人员均可通过小程序管理,监测充电设施状态和充电交易情况。

  • 运营分析

对订单进行数据化分析,直观展示数据   

5.3 产品选型

1.

ADW300

 

三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相位角、频率测量;电压电流相角、电压电流不平衡度;电压、电流总谐波及2-31分次谐波;当月和上三月的电压、电流、功率极值记录;需量及实时需量、历史需量记录、事件记录;支持过欠压、过欠流、过欠功率、DI联动等报警输出;4时区14时段的费率设置;四象限电能,历史电能记录;支持Lora、NB、2G、4G通讯模式,有功电能精度0.5S、1级,无功电能精度2级。

2.

AF-GSM400-2G/4G(如需多个设备集中上传时选配)

 

4G远程无线数据采集设备,采用嵌入式设计,内嵌TCP/IP协议栈,同时采用了功能强大的微处理芯片,配合内置看门狗,性能可靠稳定。提供标准RS485数据接口,可以方便的连接RTU、PLC、工控机等设备,仅需一次性完成初始化配置,就可以完成对MODBUS设备的数据采集,并且与安科瑞服务器进行通讯。

 

 

 

 

 

注:仪表型号数量按实际的单相、三相和电流规格来选择。

 

6结语

本文针对面向能源互联网的船舶岸电相关业务应用的实际需要,系统性开展了船舶岸电领域的能源互联和信息互联技术研究,简要介绍了相关关键技术;并以大连某港区电能替代示范项目为范例,介绍了船舶岸电系统关键技术的应用情况。

通过对船舶岸电系统物理架构和船舶岸电系统逻辑架构的研究,理清了船舶岸电业务域、参与者及相互关系,确定了船舶岸电边界和范围,为后续的信息交互架构和信息模型研究提供了基础支撑。下一步的工作重点是研发新型船岸连接设备,构建符合 IEC/IEEE/ISO 80005-2 标准的船舶岸电信息模型。

 

参考文献

[1] 田鑫,杨柳,才志远,等.船用岸电技术国内外发展综述[J] .智能电网, 2014,2(11):9-14.

[2] 张晶,常征,亓学庆,张海波,李彬 ,祁兵 .面向能源互联网的船舶岸电系统研究综述

[3安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版

 

 

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