靠港后船舶电力系统负荷分析
归三荣+郭燚+高松+王哲+万鹭+吴垠
摘要：为设计出符合实际要求的船舶岸电系统，对靠港后船舶电力系统负荷进行分析.对靠港后船舶的功率因数、负荷变化特性、负荷变化对岸电电压波动特性的影响以及岸电系统拓扑结构优化进行分析.选取负载的功率和工作概率作为随机变量，采用聚类分析方法对靠港后船舶电力系统负荷进行分析，计算出总功率需求.采用实船数据分析得出采用聚类分析方法可以对靠港后船舶负载进行分类，并以此为依据设计总的负荷需求，为船舶岸电系统负荷需求的确定提供思路.
关键词： 船舶； 岸电； 负荷特性； 聚类分析； 工作概率
中图分类号： U665.12
文献标志码： 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
船用岸電技术是船舶在停泊码头期间停止使用副机而改用岸上电源供电，从而获得其泵组、通风、照明、通信和其他设施所需电力.[13]近年来，对节能减排、环境保护的重视程度越来越高，国际上许多港口管理部门规定船舶靠港必须使用岸电.据统计，相关港口采用岸电后，靠港船舶排放的污染物明显减少，这对保护港口环境意义重大，同时对船舶所有人来说，靠港船舶使用岸电可降低30%的燃油成本[46]，具有明显的经济效益.
如何设计岸电电网容量并兼顾其他因素是岸电电网设计的关键.为满足靠港后船舶运行工况的用电要求，必须正确选择岸电电网的容量.岸电电网容量应根据靠港后船舶电力负荷计算结果确定.实际决定岸电电网容量时，需要仔细考虑岸电电网的功率因数、电压波动特性、负荷变化特性、电压等级、拓扑结构等.本文从上述问题入手寻找船舶岸电电网容量确定方法，同时对确定岸电电网容量的关键因素进行探讨，为岸电电网设计起到抛砖引玉的作用.
文献[7]根据电力负荷历史数据，按重要影响因素时间段类别及温度区间，进行聚类分析，设计一递归模型，该模型适用于短期电力负荷预测，对船舶靠港后电力系统负荷分析有一定的参考价值.文献[8]利用K均值聚类算法获得聚类负荷模型，利用其对发电系统充裕度进行评估.该方法对本文中K参数的确定有重要借鉴价值.文献[9]对船舶电力系统负荷特性进行分析，提出综合负荷仿真分析模型，但没有对靠港后船舶电力系统的负荷特性进行分析.
文献[10]提出适用于舰船电力负荷预测的多模自适应算法，利用该算法可对历史功率使用情况和未来功率需求情况进行较准确的预测，但没有分析船舶靠港后采用岸电的情况.该方法需要大量的历史数据，适用于靠港后船舶电力系统负荷分析，为岸电设计提供基础.文献[11]采用BP神经网络模型对电力系统负荷进行了短期有效预测，但该模型在船舶电力系统中很难实现，也不适用于靠港后船舶电力系统负荷分析.文献[12]提出了基于对象模型的船舶电力负荷表格计算系统，该系统方法是在设计船舶电力系统时所采用的一种静态估计方法，对靠港后船舶电力系统的负荷设计有很大的局限性，而且不能动态地反映负荷变化情况，也不能对未来趋势做出预测，但对船舶负荷特性的分析对本文的形成有一定帮助.
文献[13]分别对发电机组负荷、转速、电压和负荷转移等特性进行了试验研究，对本文分析负荷变化特别是负荷变化对船舶电网的影响起到了一定指导作用.
1 靠港后船舶负荷变化对船舶岸电电网电压波动的影响
船舶电气设备漏抗和电枢反应使岸电电网端电压急剧下降，不利于岸电电网运行.大功率电动机直接起动产生的瞬态电压降与岸电电网和电动机的基本参数有关，起动频繁程度对岸电电网电压降也有影响.对岸电电网容量及电压波动特性的要求是，突加的预期负载对其他运行中的负载没有任何恶劣影响.
通常，岸电电网在带载状态时起动电动机，其产生的瞬态电压降比空载时小，因此一般都按空载起动状态计算瞬态电压降.
在设计船舶岸电电网容量时，除根据电力负荷分析的结果外，还必须遵循以下原则：（1）岸电电网在额定值附近且不超过额定值运行时效率最高，通常以船舶靠港后工况所需的功率为基础.为使岸电电网不过载，岸电额定容量要有适当的储备量.（2）在确定岸电电网容量时，除考虑靠港后各类作业性负载工作外，还应考虑船舶安全和重要设备的供电，同时基本生活用电设备（包括适当的炊事、取暖、食品冷冻、机械通风、卫生和淡水等设备）也应得到保证.
2 靠港后船舶功率因数
由于船内大部分负载是感应电动机，含有较大的无功功率，其他负载也有无功功率，因此船舶靠港后其运行工况的总功率因数应接近0.80，一般在0.75～0.90之间.
3 岸电电网拓扑结构优化
船舶靠港后，若要接入岸电，需有相应的岸电电网与之相适应.可从两方面对岸电电网拓扑结构进行优化：一是空间分区上的就近供电，这能提高电力系统的经济性和減少施工量； 二是负载分区供电，这能使一个分区中的岸电总容量或变压器总容量减小，从而达到降低短路电流的目的.如，自带起货机的散货船需要被供电的主要是起货机（负责货物的起吊或卸载）和船体部分（指所有生活、生产辅助设施），因此可以在这两个区域分别设置配电中心，就近给各区域设备供电.关于岸电电网拓扑结构上的负载分区供电，通常可采用增加变压器阻抗和变压器分列运行的方法降低短路电流.
4 靠港后船舶负荷变化特性
船舶靠港后，主要考虑负荷变化非常急剧的负载，如变极电动机作为起货机的驱动电机时的负荷变化.取岸电电网容量最大值时安全性最好，但不经济；相反，取最小值时是不安全的.通常，采用需要系数法、三类负荷计算法、概率统计法及有关经验公式估算起货机的平均功率、最大功率和概率的置信系数，再确定岸电电网容量.
在确定靠港后船舶岸电电力系统负荷时，由于船舶靠港后需要运行的设备的功率、启动次数和持续工作时间一般带有随机性质，
而且不同类型船舶靠港后用电负荷也千差万别，所以对其进行精确计算是比较困难的.常规的处理方法是只抓住电力负荷某些特点，在符合工程要求的情况下，逐次进行近似估算，因此合理设计随机模型尤为关键.同时，传统上的需要系数法需要设计工程师具备多年的工作经验，而用三类负荷计算法确定的岸电电网容量过大，容易造成设计上的浪费，概率统计法本质上与需要系数法类似，而且需要大量实船数据.本文借鉴文献[6]的方法尝试对靠港后船舶电力系统负荷进行分析.
5 靠港后船舶电力系统负荷特性分析
5.1 基于聚类分析的靠港后船舶电力系统负载分类
5.5 实例分析
选择上海海事大学“育明”号远洋教学实习船进行研究.该船在装卸货和停泊两种工况下运行的设备有158台；在这两种工况下，连续工作的设备都是64台（工作概率为1）间歇工作的设备都是94台（工作概率小于1）.这里只研究装卸货和停泊两种工况下电力系统负荷需求情况，见表1.
从表1中提取出信息，见表2.
根据表1所示的信息，两种工况下：连续工作的设备所需功率相差很大，且该功率在设计模型中属于工作概率为1的情况，不需要采用聚类分析方法；间歇工作的设备所需功率相差较大.因此，应用间歇性负荷数据对随机模型进行验证.
综上，对靠港后船舶在停泊工况下的最大功率需求进行分析：
（1）连续工作的设备是64台，工作概率为1，总功率之和为658.0 kW.
（2）间歇工作的设备是94台，把相同或类似设备合并后有68种设备.这68种设备的工作概率和功率见表3.
运用逐步聚类法（这里k1取5，k2取4）把这68种负载分成15组，分类结果见表4.（3）根据式（11），可以得到最大总功率需求为1 114.8 kW.
6 结束语
从岸电电网设计的角度，采用聚类分析方法对靠港后船舶电力系统负荷进行了较详细的分析，对负载进行分类，并通过实船数据进行分析与验证，结果说明采用此方法可以对船舶靠港后的负荷进行分析，为港口岸电系统负荷需求确定提供了设计基础.同时，对岸电电网设计需要考虑的靠港后船舶的功率因数、负荷变化特性、负荷变化对岸电电压波动的影响以及岸电电网拓扑结构等进行详细的分析，为船舶岸电电网的设计提供思路.对不同船舶靠港后的不同负荷需求进行综合分析是采用岸电必须解决的重要问题，也是未来会继续研究的内容.
参考文献：
[1]彭传圣. 靠港船舶使用岸电技术的推广应用[J]. 港口装卸， 2012（6）： 15.
[2]吴振飞， 叶小松， 邢鸣. 浅谈船舶岸电关键技术[J]. 建筑电气， 2013（6）： 2226， 60.
[3]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（11）： 914.
[4]陈刚. 高压变频数字化船用岸电系统[J]. 港口装卸， 2010（6）： 1721.
[5]复旦大学. 概率论[M].北京： 高等教育出版社， 1986： 1522.
[6]宋业新， 吴晓平. 一种改进的船舶电力系统负荷分类随机模型[J]. 舰船科学技术， 2001（5）： 3639.
[7]包晓晖， 陈冲， 肖方顺. 一种基于聚类分析的短期电力负荷预测方法研究[J]. 浙江水利水电学院学报， 2015， 27（3）：8589.
[8]陈凡， 张雪娇， 黄正. 基于混合聚类方法的电力系统负荷概率模型[J]. 南京工程学院学报（自然科学版）， 2014， 12（1）： 4247.
[9]李小燕， 丁明， 徐宁舟. 面向运行规划可靠性的综合聚类负荷模型[J]. 电力系统自动化， 2010， 34（18）： 5660.
[10]李东亮， 张晓锋， 程刚， 等. 多模自适应舰船电力负荷预测算法[J]. 舰船科学技术， 2012， 34（12）： 8387.
[11]熊永胜. 基于BP神经网络的电力系统短期负荷预测[J]. 成都大学学报（自然科学版）， 2012， 31（2）： 167169.
[12]吕显强， 陶冶， 杨文莲， 等. 基于对象模型的船舶电力负荷表格计算系统[J]. 大连海洋大学学报， 2012， 27（4）： 377382.
[13]卢常胜. 浅析船舶电站负荷试验[J]. 科技与企业， 2015（9）： 177.
（编辑 赵勉）
摘要：为设计出符合实际要求的船舶岸电系统，对靠港后船舶电力系统负荷进行分析.对靠港后船舶的功率因数、负荷变化特性、负荷变化对岸电电压波动特性的影响以及岸电系统拓扑结构优化进行分析.选取负载的功率和工作概率作为随机变量，采用聚类分析方法对靠港后船舶电力系统负荷进行分析，计算出总功率需求.采用实船数据分析得出采用聚类分析方法可以对靠港后船舶负载进行分类，并以此为依据设计总的负荷需求，为船舶岸电系统负荷需求的确定提供思路.
关键词： 船舶； 岸电； 负荷特性； 聚类分析； 工作概率
中图分类号： U665.12
文献标志码： 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
船用岸電技术是船舶在停泊码头期间停止使用副机而改用岸上电源供电，从而获得其泵组、通风、照明、通信和其他设施所需电力.[13]近年来，对节能减排、环境保护的重视程度越来越高，国际上许多港口管理部门规定船舶靠港必须使用岸电.据统计，相关港口采用岸电后，靠港船舶排放的污染物明显减少，这对保护港口环境意义重大，同时对船舶所有人来说，靠港船舶使用岸电可降低30%的燃油成本[46]，具有明显的经济效益.
如何设计岸电电网容量并兼顾其他因素是岸电电网设计的关键.为满足靠港后船舶运行工况的用电要求，必须正确选择岸电电网的容量.岸电电网容量应根据靠港后船舶电力负荷计算结果确定.实际决定岸电电网容量时，需要仔细考虑岸电电网的功率因数、电压波动特性、负荷变化特性、电压等级、拓扑结构等.本文从上述问题入手寻找船舶岸电电网容量确定方法，同时对确定岸电电网容量的关键因素进行探讨，为岸电电网设计起到抛砖引玉的作用.
文献[7]根据电力负荷历史数据，按重要影响因素时间段类别及温度区间，进行聚类分析，设计一递归模型，该模型适用于短期电力负荷预测，对船舶靠港后电力系统负荷分析有一定的参考价值.文献[8]利用K均值聚类算法获得聚类负荷模型，利用其对发电系统充裕度进行评估.该方法对本文中K参数的确定有重要借鉴价值.文献[9]对船舶电力系统负荷特性进行分析，提出综合负荷仿真分析模型，但没有对靠港后船舶电力系统的负荷特性进行分析.
文献[10]提出适用于舰船电力负荷预测的多模自适应算法，利用该算法可对历史功率使用情况和未来功率需求情况进行较准确的预测，但没有分析船舶靠港后采用岸电的情况.该方法需要大量的历史数据，适用于靠港后船舶电力系统负荷分析，为岸电设计提供基础.文献[11]采用BP神经网络模型对电力系统负荷进行了短期有效预测，但该模型在船舶电力系统中很难实现，也不适用于靠港后船舶电力系统负荷分析.文献[12]提出了基于对象模型的船舶电力负荷表格计算系统，该系统方法是在设计船舶电力系统时所采用的一种静态估计方法，对靠港后船舶电力系统的负荷设计有很大的局限性，而且不能动态地反映负荷变化情况，也不能对未来趋势做出预测，但对船舶负荷特性的分析对本文的形成有一定帮助.
文献[13]分别对发电机组负荷、转速、电压和负荷转移等特性进行了试验研究，对本文分析负荷变化特别是负荷变化对船舶电网的影响起到了一定指导作用.
1 靠港后船舶负荷变化对船舶岸电电网电压波动的影响
船舶电气设备漏抗和电枢反应使岸电电网端电压急剧下降，不利于岸电电网运行.大功率电动机直接起动产生的瞬态电压降与岸电电网和电动机的基本参数有关，起动频繁程度对岸电电网电压降也有影响.对岸电电网容量及电压波动特性的要求是，突加的预期负载对其他运行中的负载没有任何恶劣影响.
通常，岸电电网在带载状态时起动电动机，其产生的瞬态电压降比空载时小，因此一般都按空载起动状态计算瞬态电压降.
在设计船舶岸电电网容量时，除根据电力负荷分析的结果外，还必须遵循以下原则：（1）岸电电网在额定值附近且不超过额定值运行时效率最高，通常以船舶靠港后工况所需的功率为基础.为使岸电电网不过载，岸电额定容量要有适当的储备量.（2）在确定岸电电网容量时，除考虑靠港后各类作业性负载工作外，还应考虑船舶安全和重要设备的供电，同时基本生活用电设备（包括适当的炊事、取暖、食品冷冻、机械通风、卫生和淡水等设备）也应得到保证.
2 靠港后船舶功率因数
由于船内大部分负载是感应电动机，含有较大的无功功率，其他负载也有无功功率，因此船舶靠港后其运行工况的总功率因数应接近0.80，一般在0.75～0.90之间.
3 岸电电网拓扑结构优化
船舶靠港后，若要接入岸电，需有相应的岸电电网与之相适应.可从两方面对岸电电网拓扑结构进行优化：一是空间分区上的就近供电，这能提高电力系统的经济性和減少施工量； 二是负载分区供电，这能使一个分区中的岸电总容量或变压器总容量减小，从而达到降低短路电流的目的.如，自带起货机的散货船需要被供电的主要是起货机（负责货物的起吊或卸载）和船体部分（指所有生活、生产辅助设施），因此可以在这两个区域分别设置配电中心，就近给各区域设备供电.关于岸电电网拓扑结构上的负载分区供电，通常可采用增加变压器阻抗和变压器分列运行的方法降低短路电流.
4 靠港后船舶负荷变化特性
船舶靠港后，主要考虑负荷变化非常急剧的负载，如变极电动机作为起货机的驱动电机时的负荷变化.取岸电电网容量最大值时安全性最好，但不经济；相反，取最小值时是不安全的.通常，采用需要系数法、三类负荷计算法、概率统计法及有关经验公式估算起货机的平均功率、最大功率和概率的置信系数，再确定岸电电网容量.
在确定靠港后船舶岸电电力系统负荷时，由于船舶靠港后需要运行的设备的功率、启动次数和持续工作时间一般带有随机性质，
而且不同类型船舶靠港后用电负荷也千差万别，所以对其进行精确计算是比较困难的.常规的处理方法是只抓住电力负荷某些特点，在符合工程要求的情况下，逐次进行近似估算，因此合理设计随机模型尤为关键.同时，传统上的需要系数法需要设计工程师具备多年的工作经验，而用三类负荷计算法确定的岸电电网容量过大，容易造成设计上的浪费，概率统计法本质上与需要系数法类似，而且需要大量实船数据.本文借鉴文献[6]的方法尝试对靠港后船舶电力系统负荷进行分析.
5 靠港后船舶电力系统负荷特性分析
5.1 基于聚类分析的靠港后船舶电力系统负载分类
5.5 实例分析
选择上海海事大学“育明”号远洋教学实习船进行研究.该船在装卸货和停泊两种工况下运行的设备有158台；在这两种工况下，连续工作的设备都是64台（工作概率为1）间歇工作的设备都是94台（工作概率小于1）.这里只研究装卸货和停泊两种工况下电力系统负荷需求情况，见表1.
从表1中提取出信息，见表2.
根据表1所示的信息，两种工况下：连续工作的设备所需功率相差很大，且该功率在设计模型中属于工作概率为1的情况，不需要采用聚类分析方法；间歇工作的设备所需功率相差较大.因此，应用间歇性负荷数据对随机模型进行验证.
综上，对靠港后船舶在停泊工况下的最大功率需求进行分析：
（1）连续工作的设备是64台，工作概率为1，总功率之和为658.0 kW.
（2）间歇工作的设备是94台，把相同或类似设备合并后有68种设备.这68种设备的工作概率和功率见表3.
运用逐步聚类法（这里k1取5，k2取4）把这68种负载分成15组，分类结果见表4.（3）根据式（11），可以得到最大总功率需求为1 114.8 kW.
6 结束语
从岸电电网设计的角度，采用聚类分析方法对靠港后船舶电力系统负荷进行了较详细的分析，对负载进行分类，并通过实船数据进行分析与验证，结果说明采用此方法可以对船舶靠港后的负荷进行分析，为港口岸电系统负荷需求确定提供了设计基础.同时，对岸电电网设计需要考虑的靠港后船舶的功率因数、负荷变化特性、负荷变化对岸电电压波动的影响以及岸电电网拓扑结构等进行详细的分析，为船舶岸电电网的设计提供思路.对不同船舶靠港后的不同负荷需求进行综合分析是采用岸电必须解决的重要问题，也是未来会继续研究的内容.
参考文献：
[1]彭传圣. 靠港船舶使用岸电技术的推广应用[J]. 港口装卸， 2012（6）： 15.
[2]吴振飞， 叶小松， 邢鸣. 浅谈船舶岸电关键技术[J]. 建筑电气， 2013（6）： 2226， 60.
[3]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（11）： 914.
[4]陈刚. 高压变频数字化船用岸电系统[J]. 港口装卸， 2010（6）： 1721.
[5]复旦大学. 概率论[M].北京： 高等教育出版社， 1986： 1522.
[6]宋业新， 吴晓平. 一种改进的船舶电力系统负荷分类随机模型[J]. 舰船科学技术， 2001（5）： 3639.
[7]包晓晖， 陈冲， 肖方顺. 一种基于聚类分析的短期电力负荷预测方法研究[J]. 浙江水利水电学院学报， 2015， 27（3）：8589.
[8]陈凡， 张雪娇， 黄正. 基于混合聚类方法的电力系统负荷概率模型[J]. 南京工程学院学报（自然科学版）， 2014， 12（1）： 4247.
[9]李小燕， 丁明， 徐宁舟. 面向运行规划可靠性的综合聚类负荷模型[J]. 电力系统自动化， 2010， 34（18）： 5660.
[10]李东亮， 张晓锋， 程刚， 等. 多模自适应舰船电力负荷预测算法[J]. 舰船科学技术， 2012， 34（12）： 8387.
[11]熊永胜. 基于BP神经网络的电力系统短期负荷预测[J]. 成都大学学报（自然科学版）， 2012， 31（2）： 167169.
[12]吕显强， 陶冶， 杨文莲， 等. 基于对象模型的船舶电力负荷表格计算系统[J]. 大连海洋大学学报， 2012， 27（4）： 377382.
[13]卢常胜. 浅析船舶电站负荷试验[J]. 科技与企业， 2015（9）： 177.
（编辑 赵勉）
