歸三榮+郭燚+高松+王哲+萬鷺+吳垠

摘要：為設(shè)計(jì)出符合實(shí)際要求的船舶岸電系統(tǒng)，對靠港后船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行分析.對靠港后船舶的功率因數(shù)、負(fù)荷變化特性、負(fù)荷變化對岸電電壓波動特性的影響以及岸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行分析.選取負(fù)載的功率和工作概率作為隨機(jī)變量，采用聚類分析方法對靠港后船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行分析，計(jì)算出總功率需求.采用實(shí)船數(shù)據(jù)分析得出采用聚類分析方法可以對靠港后船舶負(fù)載進(jìn)行分類，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)總的負(fù)荷需求，為船舶岸電系統(tǒng)負(fù)荷需求的確定提供思路.

關(guān)鍵詞： 船舶； 岸電； 負(fù)荷特性； 聚類分析； 工作概率

中圖分類號： U665.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： In order to design the shoretoship power supply system meeting the actual requirements， the load analysis of the power system of ships berthed in ports is carried out. For the ships berthed in ports， the analysis on their power factors， their load variation characteristics， the impact of their load variation on voltage fluctuation characteristics of the shore power and the topology optimization of the shore power system is made. The load power and the load use probability are chosen as random variables， and then the load of the power system of ships berthed in ports is analyzed by the clustering analysis method. The total power demand is calculated. The analysis on real data of ships shows that the clustering analysis method can be used to classify the loads of ships berthed in ports. Based on the above， the total load demand is designed， which provides idea for load demand determination of the shoretoship power supply system.

Key words： ship； shore power； load characteristics； clustering analysis； use probability

0 引 言

船用岸電技術(shù)是船舶在停泊碼頭期間停止使用副機(jī)而改用岸上電源供電，從而獲得其泵組、通風(fēng)、照明、通信和其他設(shè)施所需電力.[13]近年來，對節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的重視程度越來越高，國際上許多港口管理部門規(guī)定船舶靠港必須使用岸電.據(jù)統(tǒng)計(jì)，相關(guān)港口采用岸電后，靠港船舶排放的污染物明顯減少，這對保護(hù)港口環(huán)境意義重大，同時(shí)對船舶所有人來說，靠港船舶使用岸電可降低30%的燃油成本[46]，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益.

如何設(shè)計(jì)岸電電網(wǎng)容量并兼顧其他因素是岸電電網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.為滿足靠港后船舶運(yùn)行工況的用電要求，必須正確選擇岸電電網(wǎng)的容量.岸電電網(wǎng)容量應(yīng)根據(jù)靠港后船舶電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果確定.實(shí)際決定岸電電網(wǎng)容量時(shí)，需要仔細(xì)考慮岸電電網(wǎng)的功率因數(shù)、電壓波動特性、負(fù)荷變化特性、電壓等級、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等.本文從上述問題入手尋找船舶岸電電網(wǎng)容量確定方法，同時(shí)對確定岸電電網(wǎng)容量的關(guān)鍵因素進(jìn)行探討，為岸電電網(wǎng)設(shè)計(jì)起到拋磚引玉的作用.

文獻(xiàn)[7]根據(jù)電力負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)，按重要影響因素時(shí)間段類別及溫度區(qū)間，進(jìn)行聚類分析，設(shè)計(jì)一遞歸模型，該模型適用于短期電力負(fù)荷預(yù)測，對船舶靠港后電力系統(tǒng)負(fù)荷分析有一定的參考價(jià)值.文獻(xiàn)[8]利用K均值聚類算法獲得聚類負(fù)荷模型，利用其對發(fā)電系統(tǒng)充裕度進(jìn)行評估.該方法對本文中K參數(shù)的確定有重要借鑒價(jià)值.文獻(xiàn)[9]對船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷特性進(jìn)行分析，提出綜合負(fù)荷仿真分析模型，但沒有對靠港后船舶電力系統(tǒng)的負(fù)荷特性進(jìn)行分析.

文獻(xiàn)[10]提出適用于艦船電力負(fù)荷預(yù)測的多模自適應(yīng)算法，利用該算法可對歷史功率使用情況和未來功率需求情況進(jìn)行較準(zhǔn)確的預(yù)測，但沒有分析船舶靠港后采用岸電的情況.該方法需要大量的歷史數(shù)據(jù)，適用于靠港后船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷分析，為岸電設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ).文獻(xiàn)[11]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對電力系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行了短期有效預(yù)測，但該模型在船舶電力系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)，也不適用于靠港后船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷分析.文獻(xiàn)[12]提出了基于對象模型的船舶電力負(fù)荷表格計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)方法是在設(shè)計(jì)船舶電力系統(tǒng)時(shí)所采用的一種靜態(tài)估計(jì)方法，對靠港后船舶電力系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)計(jì)有很大的局限性，而且不能動態(tài)地反映負(fù)荷變化情況，也不能對未來趨勢做出預(yù)測，但對船舶負(fù)荷特性的分析對本文的形成有一定幫助.

文獻(xiàn)[13]分別對發(fā)電機(jī)組負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、電壓和負(fù)荷轉(zhuǎn)移等特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對本文分析負(fù)荷變化特別是負(fù)荷變化對船舶電網(wǎng)的影響起到了一定指導(dǎo)作用.

1 靠港后船舶負(fù)荷變化對船舶岸電電網(wǎng)電壓波動的影響

船舶電氣設(shè)備漏抗和電樞反應(yīng)使岸電電網(wǎng)端電壓急劇下降，不利于岸電電網(wǎng)運(yùn)行.大功率電動機(jī)直接起動產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓降與岸電電網(wǎng)和電動機(jī)的基本參數(shù)有關(guān)，起動頻繁程度對岸電電網(wǎng)電壓降也有影響.對岸電電網(wǎng)容量及電壓波動特性的要求是，突加的預(yù)期負(fù)載對其他運(yùn)行中的負(fù)載沒有任何惡劣影響.

通常，岸電電網(wǎng)在帶載狀態(tài)時(shí)起動電動機(jī)，其產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓降比空載時(shí)小，因此一般都按空載起動狀態(tài)計(jì)算瞬態(tài)電壓降.

在設(shè)計(jì)船舶岸電電網(wǎng)容量時(shí)，除根據(jù)電力負(fù)荷分析的結(jié)果外，還必須遵循以下原則：（1）岸電電網(wǎng)在額定值附近且不超過額定值運(yùn)行時(shí)效率最高，通常以船舶靠港后工況所需的功率為基礎(chǔ).為使岸電電網(wǎng)不過載，岸電額定容量要有適當(dāng)?shù)膬淞?（2）在確定岸電電網(wǎng)容量時(shí)，除考慮靠港后各類作業(yè)性負(fù)載工作外，還應(yīng)考慮船舶安全和重要設(shè)備的供電，同時(shí)基本生活用電設(shè)備（包括適當(dāng)?shù)拇妒?、取暖、食品冷凍、機(jī)械通風(fēng)、衛(wèi)生和淡水等設(shè)備）也應(yīng)得到保證.

2 靠港后船舶功率因數(shù)

由于船內(nèi)大部分負(fù)載是感應(yīng)電動機(jī)，含有較大的無功功率，其他負(fù)載也有無功功率，因此船舶靠港后其運(yùn)行工況的總功率因數(shù)應(yīng)接近0.80，一般在0.75～0.90之間.

3 岸電電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

船舶靠港后，若要接入岸電，需有相應(yīng)的岸電電網(wǎng)與之相適應(yīng).可從兩方面對岸電電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：一是空間分區(qū)上的就近供電，這能提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和減少施工量； 二是負(fù)載分區(qū)供電，這能使一個分區(qū)中的岸電總?cè)萘炕蜃儔浩骺側(cè)萘繙p小，從而達(dá)到降低短路電流的目的.如，自帶起貨機(jī)的散貨船需要被供電的主要是起貨機(jī)（負(fù)責(zé)貨物的起吊或卸載）和船體部分（指所有生活、生產(chǎn)輔助設(shè)施），因此可以在這兩個區(qū)域分別設(shè)置配電中心，就近給各區(qū)域設(shè)備供電.關(guān)于岸電電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的負(fù)載分區(qū)供電，通?？刹捎迷黾幼儔浩髯杩购妥儔浩鞣至羞\(yùn)行的方法降低短路電流.

4 靠港后船舶負(fù)荷變化特性

船舶靠港后，主要考慮負(fù)荷變化非常急劇的負(fù)載，如變極電動機(jī)作為起貨機(jī)的驅(qū)動電機(jī)時(shí)的負(fù)荷變化.取岸電電網(wǎng)容量最大值時(shí)安全性最好，但不經(jīng)濟(jì)；相反，取最小值時(shí)是不安全的.通常，采用需要系數(shù)法、三類負(fù)荷計(jì)算法、概率統(tǒng)計(jì)法及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式估算起貨機(jī)的平均功率、最大功率和概率的置信系數(shù)，再確定岸電電網(wǎng)容量.

在確定靠港后船舶岸電電力系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)，由于船舶靠港后需要運(yùn)行的設(shè)備的功率、啟動次數(shù)和持續(xù)工作時(shí)間一般帶有隨機(jī)性質(zhì)，

而且不同類型船舶靠港后用電負(fù)荷也千差萬別，所以對其進(jìn)行精確計(jì)算是比較困難的.常規(guī)的處理方法是只抓住電力負(fù)荷某些特點(diǎn)，在符合工程要求的情況下，逐次進(jìn)行近似估算，因此合理設(shè)計(jì)隨機(jī)模型尤為關(guān)鍵.同時(shí)，傳統(tǒng)上的需要系數(shù)法需要設(shè)計(jì)工程師具備多年的工作經(jīng)驗(yàn)，而用三類負(fù)荷計(jì)算法確定的岸電電網(wǎng)容量過大，容易造成設(shè)計(jì)上的浪費(fèi)，概率統(tǒng)計(jì)法本質(zhì)上與需要系數(shù)法類似，而且需要大量實(shí)船數(shù)據(jù).本文借鑒文獻(xiàn)[6]的方法嘗試對靠港后船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行分析.

5 靠港后船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷特性分析

5.1 基于聚類分析的靠港后船舶電力系統(tǒng)負(fù)載分類

5.5 實(shí)例分析

選擇上海海事大學(xué)“育明”號遠(yuǎn)洋教學(xué)實(shí)習(xí)船進(jìn)行研究.該船在裝卸貨和停泊兩種工況下運(yùn)行的設(shè)備有158臺；在這兩種工況下，連續(xù)工作的設(shè)備都是64臺（工作概率為1）間歇工作的設(shè)備都是94臺（工作概率小于1）.這里只研究裝卸貨和停泊兩種工況下電力系統(tǒng)負(fù)荷需求情況，見表1.

從表1中提取出信息，見表2.

根據(jù)表1所示的信息，兩種工況下：連續(xù)工作的設(shè)備所需功率相差很大，且該功率在設(shè)計(jì)模型中屬于工作概率為1的情況，不需要采用聚類分析方法；間歇工作的設(shè)備所需功率相差較大.因此，應(yīng)用間歇性負(fù)荷數(shù)據(jù)對隨機(jī)模型進(jìn)行驗(yàn)證.

綜上，對靠港后船舶在停泊工況下的最大功率需求進(jìn)行分析：

（1）連續(xù)工作的設(shè)備是64臺，工作概率為1，總功率之和為658.0 kW.

（2）間歇工作的設(shè)備是94臺，把相同或類似設(shè)備合并后有68種設(shè)備.這68種設(shè)備的工作概率和功率見表3.

運(yùn)用逐步聚類法（這里k1取5，k2取4）把這68種負(fù)載分成15組，分類結(jié)果見表4.（3）根據(jù)式（11），可以得到最大總功率需求為1 114.8 kW.

6 結(jié)束語

從岸電電網(wǎng)設(shè)計(jì)的角度，采用聚類分析方法對靠港后船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，對負(fù)載進(jìn)行分類，并通過實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與驗(yàn)證，結(jié)果說明采用此方法可以對船舶靠港后的負(fù)荷進(jìn)行分析，為港口岸電系統(tǒng)負(fù)荷需求確定提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ).同時(shí)，對岸電電網(wǎng)設(shè)計(jì)需要考慮的靠港后船舶的功率因數(shù)、負(fù)荷變化特性、負(fù)荷變化對岸電電壓波動的影響以及岸電電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)的分析，為船舶岸電電網(wǎng)的設(shè)計(jì)提供思路.對不同船舶靠港后的不同負(fù)荷需求進(jìn)行綜合分析是采用岸電必須解決的重要問題，也是未來會繼續(xù)研究的內(nèi)容.

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（編輯 趙勉）