1.1 课

1、课题研究目的、意义及国内外的研究现状

1.1 课题研究目的及意义

随着“一带一路”战略计划的逐步实施以及西部经济的快速增长，我国各个港口特别是内河港口，其吞吐量都将稳步提升。这意味着我国各港口靠泊船舶数量将大幅增加。船舶在靠泊期间，船舶电力系统需要保证正常的电力供应，以维持船员生活设施等装置正常运转。目前在全国大部分港口靠泊的船舶在靠泊期间使用的都是以船舶副机为动力的发电机组发出的电能，这将会产生大量的燃油消耗，造成巨大的资源浪费，同时产生大量的污染物排放，包括硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物和颗粒污染物等。这些有毒有害的排放物将会给当地的环境和居民的身体健康带来极大的危害。

随着我国西部地区的经济发展和工业化进程的推进，来往于三峡大坝以及葛洲坝的船舶数量逐年增加。据统计，三峡船闸2016年货物通过量已经达到了1.305亿吨。但是，受船闸和升船机通行能力的影响，需要越过大坝的船舶，都需要分区锚泊待闸。根据相关报道，平均每天待闸船舶数量已经达到了300艘，普通货船平均待闸时间在40小时左右，危险品船舶待闸时间超过50小时，下行船舶最长待闸时间竟然达到了340小时！所有船舶平均待闸时间在48小时左右。船舶靠泊期间，平均用电负荷按15kW计算，船舶发电柴油机有效燃油消耗率按240g/kW·h计算，发电机及船舶电网效率取80%，则每天的待闸船舶所耗电量为15×24×300=1.08×10⁵kW·h。所耗油量为1.08×10⁵×240÷80%=3.24×10⁴kg。依据国家标准，非道路的交通工具用柴油机的排气污染物的排最大值为：3.5gCO/kW·h，6.0gNOx/kW·h，1.0gHC/kW·h，0.2gPM/kW·h则待闸区域内每天将排放出1.1556×10³kg污染物（包括以上所列一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、微小颗粒），每年的排放量将达到4.21794×10⁵kg。如此大量的燃油消耗和污染物排放，将对宜昌市和三峡库区环境产生极大影响。

如果将靠泊待闸的船舶接用岸电，那船舶就没有燃油消耗，也没有污染物的排放。因此，针对待闸船舶开展船舶岸电接入研究和设计，具有重要的应用价值。

1.2国内外研究现状

1989年，瑞典的哥德堡港率先实现了为3艘客滚船供应岸电，开创了船舶使用岸电的先例，随后陆续有其他国家的很多港口开始了船舶岸电系统的建设。据不完全统计，截止到2013年，全球能够为靠港船舶提供岸电的港口有差不多三十来家。船舶岸电系统所适用的码头类型也逐步广泛，包括邮轮码头、集装箱码头、客滚或渡船码头、散货码头、天然气码头等。使用船舶岸电技术的国外码头类型和港口主要有如表1．1所示。

表1.1 国外码头类型和港口

我国在港口船舶岸电系统的探索尚处于起步阶段，不管是在技术支持上还是在政策鼓励上都处于尝试阶段。不过其中的一些尝试已经取得了成效，为后续的港口船舶岸电系统的建设积累了宝贵的经验。我国第一次使用岸电为船舶供电是2010年，在上海港为靠泊的船舶供应了低压岸电。随后的同年十月，位于江苏省的连云港港，为“中韩之星”邮轮研制了船舶岸电电源。此后，天津港、青岛港、蛇口集装箱码头等也安装了船舶岸电系统。目前，国内也还有很多港口和码头正在进行船舶岸电系统的试验和建设，比如福建、宁波、香港等港口。

2. 研究的基本内容与方案

2、课题研究内容、目标以及拟采用的技术方案

2.1课题研究内容及目标

1.分析功能需求，制定技术指标，根据内河高桩靠泊船舶岸电接入系统接入过程中可能遇到的各种工况，制定出合理的控制策略。

2.构建内河高桩靠泊船舶岸电接入系统的系统框架和各部分的详细结构。

3.完成硬件选型及设计、PLC控制程序的编写；

2.2技术方案

2.2.1 需求分析

在三峡锚地待闸的船舶有四种靠泊方式：江中抛锚、顶靠在岸边、趸船靠泊、高桩靠泊。本设计旨在为高桩靠泊的船舶设计一套岸电接入控制系统，经实地考察，每两个高桩旁边为船舶靠泊的泊位，船舶的船艏和船艉分别靠在两个高桩旁边，可多艘船舶并排停靠，通常停靠数量为四艘。高桩船舶岸电供电系统要能提供四组以上的船舶岸电电源。由于需要通过大坝的内河船舶所用电制与我国陆地电制一致，都为380VAC/50Hz，因此不涉及变频变压，只需要相应的接入设备和保护电气设备即可。

2.2.2硬件结构

1）船舶岸电系统构成及功能

本设计是基于ABB AC500控制器条件下实现的内河高桩船舶岸电接入控制系统。高桩船舶岸电接入系统包括三个部分：岸基电源装置、船岸交互装置、船舶受电装置。其中，岸基电源装置安装于岸上，由进线开关、保护设备以及岸基电源开关组成。岸基电源装置进线侧接接入当地电网，通过适当处理后，根据高桩下的船舶泊位数量输出与泊位相等或多于泊位数量的电源到船岸交互装置；船舶受电装置位于高桩顶层平台，由配电箱体、可旋转吊臂、电缆收放机构、插头接口以及控制系统组成。船岸交互装置再根据用户需要和实时环境，通过控制吊臂的旋转以及电缆的收放，将电缆送到用户船舶上；船上受电装置由岸电箱、相序切换以及相关控制系统组成。电缆与船舶受电装置上的岸电箱接口连接后，进行相序、绝缘等一系列检查并且确认无误后即可供电。

2）控制系统构成及功能

控制系统包括水位监测器、气象监测器、雷达（障碍物扫描）、控制单元、通信单元、伺服电机、可旋转吊臂以及恒张力电缆卷盘，其中恒张力电缆卷盘由专门的力矩电机驱动，以保证电缆在收放过程中能够均匀受力。当水位监测器和气象监测器监测到的信号在设定范围内时，系统接受用户的岸电使用请求；否则系统将自动屏蔽一切岸电使用申请，由监控中心工作人员进行手动操作实现岸电供应。为实现对吊臂的旋转和电缆的收放进行自动控制，结合现有实验条件，本设计计划采用ABBAC500系列PLC控制器。将水位监测信号和雷达扫描信号作为控制系统的输入信号，经过控制器处理后，输出控制信号到伺服电机驱动吊臂旋转、到力矩电机控制恒张力卷盘收放电缆。电缆放下后连接到船舶受电箱，并进行相序等参数的检测，确认无误后，系统开始供电。系统结构框图如图1所示：

图1 内河高桩靠泊船舶岸电接入控制系统结构框图

2.3控制策略

由于港口内的水位会实时地发生变化，船舶受电箱距吊臂的垂直高度也是实时变化的。因此，船岸交互装置不仅要将电缆送到靠泊在高桩旁边的船上，还要根据水位变化随时调整电缆收放，保证电缆放出长度随时等于岸电箱与吊臂的高度差，防止电缆受力过大而被扯断。系统的工作流程如下：首先，将吊臂旋转至船舶甲板正上方，吊臂的旋向和旋转角度根据船舶顶甲板上所安装设备的最高点（以下称船舶最高点）与吊臂的相对位置确定，当船舶最高点位于吊臂下方五米以上、确定不会影响吊臂的旋转（不存在与吊臂发生碰撞的危险）时，则以最短路径按逆时针方向直接旋转至船舶尾甲板正上方；如果船舶最高点位置过高，存在与吊臂发生碰撞的危险，则选择可以避开船舶高层建筑的方向，顺时针旋转至尾甲板上方。如果实地情况较为复杂，吊臂不能依靠控制系统自行旋转至船舶上方，则切换到手动控制模式，由控制中心的工作人员手动控制吊臂旋转至船舶尾甲板上方。随后，根据受电船舶的泊位编号放下位于船舶正上方的那一组电缆。然后，由船员将电缆手动岸电接入受电箱，在经过相序的检测与转换、以及电力参数检测后合闸供电。电缆放下后的整个过程中，力矩电机与恒张力卷盘，随时根据张力检测器反馈的张力信号对电缆的收放进行调整。岸电接入工作的控制流程如图2所示：

图2 内河高桩靠泊船舶岸电接入控制流程图

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[11]

1.1 课

1、课题研究目的、意义及国内外的研究现状

1.1 课题研究目的及意义

随着“一带一路”战略计划的逐步实施以及西部经济的快速增长，我国各个港口特别是内河港口，其吞吐量都将稳步提升。这意味着我国各港口靠泊船舶数量将大幅增加。船舶在靠泊期间，船舶电力系统需要保证正常的电力供应，以维持船员生活设施等装置正常运转。目前在全国大部分港口靠泊的船舶在靠泊期间使用的都是以船舶副机为动力的发电机组发出的电能，这将会产生大量的燃油消耗，造成巨大的资源浪费，同时产生大量的污染物排放，包括硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机化合物和颗粒污染物等。这些有毒有害的排放物将会给当地的环境和居民的身体健康带来极大的危害。

随着我国西部地区的经济发展和工业化进程的推进，来往于三峡大坝以及葛洲坝的船舶数量逐年增加。据统计，三峡船闸2016年货物通过量已经达到了1.305亿吨。但是，受船闸和升船机通行能力的影响，需要越过大坝的船舶，都需要分区锚泊待闸。根据相关报道，平均每天待闸船舶数量已经达到了300艘，普通货船平均待闸时间在40小时左右，危险品船舶待闸时间超过50小时，下行船舶最长待闸时间竟然达到了340小时！所有船舶平均待闸时间在48小时左右。船舶靠泊期间，平均用电负荷按15kW计算，船舶发电柴油机有效燃油消耗率按240g/kW·h计算，发电机及船舶电网效率取80%，则每天的待闸船舶所耗电量为15×24×300=1.08×10⁵kW·h。所耗油量为1.08×10⁵×240÷80%=3.24×10⁴kg。依据国家标准，非道路的交通工具用柴油机的排气污染物的排最大值为：3.5gCO/kW·h，6.0gNOx/kW·h，1.0gHC/kW·h，0.2gPM/kW·h则待闸区域内每天将排放出1.1556×10³kg污染物（包括以上所列一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、微小颗粒），每年的排放量将达到4.21794×10⁵kg。如此大量的燃油消耗和污染物排放，将对宜昌市和三峡库区环境产生极大影响。

如果将靠泊待闸的船舶接用岸电，那船舶就没有燃油消耗，也没有污染物的排放。因此，针对待闸船舶开展船舶岸电接入研究和设计，具有重要的应用价值。

1.2国内外研究现状

1989年，瑞典的哥德堡港率先实现了为3艘客滚船供应岸电，开创了船舶使用岸电的先例，随后陆续有其他国家的很多港口开始了船舶岸电系统的建设。据不完全统计，截止到2013年，全球能够为靠港船舶提供岸电的港口有差不多三十来家。船舶岸电系统所适用的码头类型也逐步广泛，包括邮轮码头、集装箱码头、客滚或渡船码头、散货码头、天然气码头等。使用船舶岸电技术的国外码头类型和港口主要有如表1．1所示。

表1.1 国外码头类型和港口