摘要 

 为保证船舶靠港期间与港口岸电建立安全、可靠、快速、便捷的电能连接，采用交流注入法、双向并网、云数据处理、恒张力控制、信号识别、自动控制等技术，设计智能化港口岸电引接系统。通过向岸电供配电系统注入低频信号以检测系统绝缘状态，调节船电侧和岸电侧电网参数以实现船岸电并离网切换，分析云数据以判断岸电系统的在线运行状况，利用恒张力控制实现多电缆快速、精准、可靠的提升输送，识别雷达传感器信号以防止与船舶发生碰撞。智能化岸电引接系统能够建立岸电与船电可靠的连接和无缝切换。

引  言

2018年4月，交通运输部发布《深入推进绿色港口建设行动方案（2018—2022年）》，提出“新建码头同步规划、设计、建设岸基供电设施”；2019年2月，交通运输部、财政部等6部门联合颁发《关于进一步共同推进船舶靠港使用岸电工作的通知》。

港口岸电是江苏省战略性新兴产业的主要领域。同时，江苏省坐拥长江中下游黄金水道和东海优质海岸线，仅2019年便计划建成7个万吨级以上沿江沿海泊位、10个千吨级以上内河泊位，需建设200套以上的岸电系统。2019年，镇江市将船舶海工行业定义为全市重点发展行业，也是当年市委市政府“产业强市、高质量发展”的7个重点方向之一。未来几年，镇江市将着力解决岸电产业链的关键核心技术问题，构建自主可控、具有国际竞争力的现代产业体系，引领岸电产业进一步做大做强。

01

系统架构

智能化港口岸电引接系统主要由新型在线绝缘故障监控和诊断系统、岸电双向并网控制系统、智能监控和能耗管理系统、岸电电缆提送和收引装置、船岸连接自动逃逸防撞系统等组成。智能化港口岸电引接系统架构见图1。引接系统具有岸电电缆张力控制和自动保护、船岸信息监控一体化、绝缘故障监测和诊断、岸电应急逃逸、能耗监测和优化管理等功能。

新型在线绝缘故障监控和诊断系统能及时发现绝缘问题，并在线监测绝缘电阻和系统分布电容以保证用电安全。岸电双向并网控制系统在保证岸基供电系统和船舶电力系统稳定运行的前提下，确保船舶与岸电系统能够进行无缝切换。智能监控和能耗管理系统能实时监测系统的运行状态，对能耗进行优化管理。岸电电缆提送和收引装置能够对电缆张力进行稳定的控制，确保岸电与船电连接电缆的稳定性。船岸连接自动逃逸防撞系统在危急关头能够实现岸电连接器解锁脱扣、船舶快速逃逸，确保船舶岸电系统作业的安全可靠性。

02

子系统

2.1　新型在线绝缘故障监控和诊断系统

新型在线绝缘故障监控和诊断系统主要包括电源模块、低频信号注入源、取样、信号调理、A/D转换、MCU控制单元等。在线绝缘故障监控和诊断系统结构见图2。

首先，取样电路提取注入的信号，经信号调理、电路放大、滤波处理后，使其峰-峰值尽量达到A/D 的满档值，再送入A/D 将模拟信号转化为数字信号，再将转换后的数字信号通过串行外设接口（SPI）串行传送至MCU。ARM处理器将采集到的电压和电流信号进行滤波处理，再将滤波后的信号进行DFT运算，得到注入信号的频率分量的大小和相位，并计算出等效绝缘电阻和分布电容，评估系统的绝缘状况。当出现绝缘故障时，电流互感器提取各支路对地的漏电流信号，计算、比较各漏电流值并快速找到故障线，从而保证工作人员及时处理故障电缆。

电路中采集的信号为注入的低频交流信号源在电缆线路中的响应，需考虑注入系统中的信号的频率、幅值和注入方式等。在选取频率时应注意尽量避免对船舶电网和负载的干扰，保证注入的正弦波信号波形畸变小，频率稳定，还需考虑注入信号频率对测量的影响，且易于提取。选择合适的注入低频信号幅值对计算比较关键，同时也要参考电流互感器的精度，准确识别故障电流。综上所述，注入信号的频率选择2.5 Hz，此时工频信号为注入信号频率的整次谐波，在进行DFT计算时，能有效避免50 Hz工频负载信号和其他高次谐波的影响。向船舶电网系统注入的监测和定位信号不应过大，否则会影响电网系统，甚至产生危害。根据规定，注入信号幅值在50 V以内，选择注入信号幅值为42 V。

2.2　岸电双向并网控制系统

岸电系统与船电力系统的并网共分为2个部分：一是当船舶靠港时岸电电源并入船载柴油发电机组，并网后关闭柴发机组，即“岸并船”模式；二是当船舶准备离港时船载柴油发电机并入岸电，并网后断开岸电电源，即“船并岸”模式。

“岸并船”模式是指当船舶靠港时，通过调节岸侧电源逆变器使岸基电网参数匹配船舶电网参数，一般应用于内河港口。“岸并船”模式并网控制结构见图3。该控制系统以船电电源为基准，通过调节岸基电源的输出参数达到并网条件，实现并网控制。岸电系统主要包括电源（市电）、变压器、整流逆变装置、滤波电路等，逆变装置具有并网调节功能。

“船并岸”模式是指当船舶停靠电力设施不完备的人工岛礁和海洋平台时，船舶电网不仅要为其自身的工作设备和生活设备供电，而且岸基电源或设备也需要利用船舶电网进行供电，通过调节船舶发电机组，使船舶电网输出参数匹配岸基电网。“船并岸”模式并网控制结构见图4。该控制系统以岸电电网为基准，通过调节船舶电网的输出参数到达并网条件，实行并网控制。船侧部分主要包括柴油发电机组、生活用电设备模型、船用电气设备模型等，岸侧部分主要包括电源、变压器、双向变流器、滤波电路、隔离开关和岸基负载等。该并网控制结构对船舶电力系统的调节能力要求较高。

2.3　智能监控和能耗管理系统

智能监控是指将船舶岸电系统设备监控、环境监测、视频安防和计量计费等功能进行综合，对岸基供电、船岸连接和船载受电设备进行一体化运维和监控，实现船岸实时通信、信息共享和数据融合。能耗管理是指对供电系统（输入变压器、隔离变压器、功率单元）、辅助系统（空调系统、照明、控制系统）等岸电系统中使用的设备进行能耗检测，确定能效测量关键节点，获取岸电系统的能效参数，对其监测数据进行计算、对比和分析。智能监控和能耗管理系统结构见图5。

智能监控和能耗管理系统设计采用B/S架构的服务器软件，Tomcat服务器本地部署运行。其功能核心是组态软件功能和元数据编程。系统数据采集频率为1~5 s，存入MySQL服务器本地数据库，设计数据容量和数据净化周期为1个月。平台的主体功能为数据采集和监视控制。监控数据显示方式为组态实时数据显示和实时曲线及柱状图显示。各类统计数据的计算由元数据编程实现。采用组态和元数据编程实现主体监控功能的另一个原因是赋予系统变更性，必要时允许岸电系统和操作人员变更被监控设备（需要提供或转换为Modbus TCP通信协议），而不必进行源代码级的修改。元数据是可编码的数据源，并且可以迭代。在系统提供的数据源编辑功能中选择已有的低级元数据进行简单的编码整合即可不断产生更高级的元数据。对MySQL数据库中数据量最大的表建立分区，增强系统的数据存储能力并提升系统响应速度，满足在本系统高速采集状态下（采集频率为1~5 s）数据保存至本地数据库且能连续正常运行1个月的性能指标。

2.4　岸电电缆提送和收引装置

电缆提送和收引装置主要由电缆卷盘、电缆提升输送装置和电气自动控制系统等3部分组成，其中电缆提升输送装置又分为变幅装置、摩擦轮总成、旋转装置和输送装置。电缆提送和收引装置结构见图6。岸电电缆提送和收引装置能够实现低压岸电电缆提送和收引装置的升降、倾斜、旋转、输送和恒张力控制等。该装置采用多机构协调控制，能够实现多电缆快速、精准、可靠性提升输送和船载电缆下行时自动对接目标电缆、收引目标电缆，有效提高电缆连接效率。

针对风、浪、流导致的电缆提升输送装置载荷突变和结构应力分布不均衡等难题，采用有限元分析软件，对升降装置、倾斜装置、旋转装置和输送装置的力学性能进行计算和仿真，建立多体耦合动力分析模型，揭示多种工况环境下电缆提送与收引装置的载荷与应力分布规律。基于S/N曲线影响因子的疲劳计算理论，对电缆提送和收引装置关键部位进行疲劳寿命分析，优化整体结构，使强度、刚度和疲劳寿命均满足电缆提升装置极限工况下的设计要求。

针对岸电电缆质量大且不易弯曲、船舶靠泊方式多样、输送流程复杂等问题，采用基于船体距离实时监测的臂架位置闭环控制，能够根据水位变化自适应调整电缆接头位置，实现电缆上船的精准对接。针对电缆输送过程中因潮涨潮落、船舶摇摆引起的电缆松弛或崩断等现象，提出提升、输送、卷缆等多机构速度链协同匹配控制算法，实现电缆自动平稳高效收放。对臂架位置、姿态、受力状态进行信息融合，研发碰撞预警系统，实现电缆提升输送过程中的智能化防碰撞，提高复杂工况条件下作业的安全性。

2.5　船岸连接自动逃逸防撞系统

船岸连接自动逃逸防撞系统的雷达传感器安装在电缆提升装置的臂架最远端两侧（输送轮总成），雷达控制器安装在电器房内，传感器与控制器之间通过线缆连接。雷达传感器分别检测向左、向右运动方向上是否有物体。雷达控制器直接连接PLC的I/O模块。控制台上安装信号指示灯以提示电缆提升装置操作者。雷达安装位置见图7。

船岸连接自动逃逸功能主要是由电缆张力管理系统和岸电连接器脱扣机构实现的。电缆张力管理系统对电缆剩余长度进行实时预测，并做出预警，通过执行机构对电缆连接器执行脱钩动作。电缆张力管理系统通过检测电缆卷盘上旋转编码器的脉冲信号，计算并判断电缆收放长度。当剩余长度小于预设值时，系统将发出超限报警信号，可在电缆提送装置端和远程监控系统端实现本地和远程的同时预警，并在报警的同时切断岸电连接断路器，确保系统安全。船岸连接自动逃逸结构示意图见图8。

03

结　论

智能化港口岸电引接系统是集岸电供电技术、船岸交互技术、先进制造技术为一体的高新技术装备，其发展将带动江苏省岸电引接技术、并网技术、电力连接技术、电力物联网技术等相关产业的发展，促进新一代通信技术和新能源技术在船舶和海洋工程产业中的应用。