艦船電力系統中智能電網技術的應用淺析

王 琦 宋曉東 邢 劍 王云鶴

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064 2海軍裝備部，北京100071

艦船電力系統中智能電網技術的應用淺析

王 琦1宋曉東2邢 劍1王云鶴1

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064 2海軍裝備部，北京100071

智能電網技術具有能量優化分配、管理和控制方面的優勢，但是艦船電力系統在能量來源、設計理念、可靠性等方面又有著特殊的要求。因此通過重點分析智能電網技術與艦船電力系統的協調性，探討艦船電力系統應用和實現智能電網技術的重點和關鍵技術，提出艦船智能電網對信息集成技術、實時監測技術、智能決策技術的要求要遠高于陸地智能電網，而且相應的智能裝備研制，也必須考慮到應用的特殊環境，從而需要將自愈、智能對話、優質電能、電磁兼容和抗攻擊性作為主要應用特征和發展重點，并重點關注和解決與之相關的靈活的電網結構、傳感與測量技術、信息化技術、智能型設備等關鍵問題，開發出能與艦船系統有效結合的合適的智能電網，充分發揮智能電網技術的優勢，推動艦船先進裝備的研制，達到提高艦船整體作戰能力的最終目的。

艦船電力系統；智能電網；集成

1 引言

艦船電力系統為小型獨立電力系統，由陸地電力系統派生而來但又有所區別：艦船電力系統主要采用三相不接地系統，以減小損耗并增加安全性；電制為低壓或中壓等級，系統和變壓器容量較小；電力網絡由電纜構成，距離較短，僅相當于陸地配電網絡部分；發電單元較少，系統抗干擾能力稍差，不具備無窮大母線假定條件；負荷數量和種類繁多，所需電力接口多樣，許多設備對電能質量要求較高；不同工況下系統運行方式差異較大［1］。隨著新型負載的應用，艦船的生命力、可靠性備受關注。同時，船舶電力系統正在不斷向自動化、網絡化、智能化的方向發展［2］。艦船電網能否可靠地運行直接關系到艦船的安全。如何增強艦船電網的供電可靠性、提高受擾動時的自愈能力、加快故障發生后的供電恢復，一直是艦船電力系統研究關注的重要方面。

智能電網（Smart Grid，SG），即電網的智能化，是一種使先進通信、決策、控制技術貫穿整個電力能源生產、分配、消費過程的有機載體。智能電網立足于集成的、高速雙向通信網絡，通過先進的傳感和測量技術、控制方法、決策支持系統和配套的設備來增強供電的可靠性、安全性、經濟性等。在能量分配、管理和控制中具有整體協調、反應快速、運行靈活的優勢，滿足艦船電力系統對能源高效利用和可靠使用的需求。智能電網涵蓋面很廣，但迄今卻沒有一個公認的統一而完整的定義［3］。因此智能電網技術的應用也因應用對象而異，必須綜合考慮不同的使用需求和建設環境來確定技術發展重點，從而確保智能電網技術和應用對象兩者結合的協調性。

本文在介紹艦船電力系統的現狀、特點的基礎上，立足于艦船的需求，剖析智能電網技術在艦船電力系統中的發展重點及特征，并將針對其結構設計、通信技術、智能新裝備等幾個關鍵技術在艦船上的實現進行分析，最后概括智能電網技術在艦船電力系統中的發展研究前景和影響。

2 國內外研究動態

國外（主要是美國）對智能電網進行了廣泛的研究［4］，而我國關于智能電網方面的研究，則進展緩慢［5-8］。目前，智能電網的應用對象以陸地電力系統為主，研究分析主要基于陸地電力系統的特點。智能電網在艦船電力系統上的應用尚處于探討階段，國內艦用智能電網相關研究幾乎還是空白。

3 艦用智能電網技術發展重點及特征

智能電網的概念在提出之初主要針對陸地大電網，其目的是對能源進行合理利用和獲得更好的經濟效益，但是智能電網本身并沒有一個固定的發展模式，其智能化的目標主要依照各個電網的建設需要來設置。

對于艦船而言，智能電網技術的應用必須基于艦船系統的特點、現狀和發展需求，有自身的發展重點和應用特征，主要表現在以下4個方面。

3.1 自愈

自愈幾乎是各類智能電網最基本的特征，是電網智能化的重要標志。自愈性對于艦船電力系統則有著更加重要意義。因為艦船電網是獨立電網，在艦船外出執行任務期間，艦船電網不但與外界電網完全孤立，而且發生故障后進行人工修護的條件也十分有限。所以，具有自愈性的智能電網不僅能提高艦船的可靠性，降低人工干預，還能帶來較好的軍事效益。

3.2 智能對話

具備智能對話功能是實現 “自愈”的必要前提。智能對話功能指的是控制層跟設備之間能夠進行數據交互?？刂茖映浞诌\用數據獲取技術，通過智能的方法對設備實時監測數據進行分析，盡可能及時發現“不健康”因素，并且從整體協調的高度出發采取有效的預防控制手段，對設備狀態作出相應調整，避免故障發生或降低故障對系統的有害影響。

3.3 優質電能

由于艦船電網用電設備的日趨數字化，艦用電氣設備對電能質量越來越敏感。提供能夠滿足設備需求的電能質量是艦船智能電網必須具備的又一重要特征，也是實現高自動化的必要條件之一。

電能質量通常指電壓或電流的幅值、頻率、波形等參量距規定值的偏差［9］，其指標主要包括電壓偏移、頻率偏移、諧波、電壓驟降和突升等。在艦船電網中采用智能化的手段，可以快速診斷并準確提出解決任何電能質量事件的方案。同時，在主要諧波源端利用合適的濾波器，可以防止諧波污染送入電網。

艦船電網中使用優質電能，能夠減少耗能、進一步提高用電設備的動作可靠性。

3.4 電磁兼容

儀器設備的高度集中，是艦船空間局限帶來的必然現象。在有限的空間內安裝多種電子儀器，其電磁特性會相互影響，所以艦船智能電網對電磁兼容性的要求往往比陸地電網要高得多，各儀器設備具備好的電磁兼容性能夠相應提高電網的控制可靠性。

3.5 抗攻擊

艦船獨特的任務使命要求艦船電網必須能夠“抗攻擊”。相對于陸地電網，艦船電網不僅需要考慮環境的干擾，還應包括對于戰斗破損的應急防御和修護，抗攻擊性體現為降低物理攻擊和網絡攻擊的危害，維護系統的安全。艦船智能電網的安全策略包含威懾、預防、檢測、反應，從電網的設計和運行控制都將強化阻止攻擊的能力，盡量減少和減輕對電網的影響，進而確保船員安全。

4 實現艦船智能電網的關鍵技術分析

在現有的艦船上實現智能電網，需要研發和應用一系列關鍵技術可以歸納為4點。

4.1 靈活的電網結構

隨著新型設備的應用，電網的安全穩定性問題越來越引起關注，對艦船電力網絡結構的規劃設計要求也相應地提高。靈活的電網結構能夠有效應對艦船面臨的災害性事件，為確保重要負載的供電連續性作出貢獻。

靈活的電網結構是智能控制方法實現的載體。在不同的運行工況下，采用智能控制方法來分析、診斷和預測電網狀態，通過及時調整、改變電網結構來排除、緩解或者避免工況變換引起的能量分配、電能質量中可能出現的不妥事件。同時，在艦船電網中，靈活的電網結構除了需要設計適當的供電途徑冗余度外，還應該盡可能的讓電網結構相對簡單，進而對空間進行優化利用。

4.2 傳感與測量技術

傳感與測量是智能電網必不可少的信息獲取手段，通過傳感和測量才能夠為決策系統提供及時的數據信息，用于評估當前狀況。

艦船智能電網中應用到的傳感與測量技術不但應針對電氣設備、輸電線狀況信息，還應該包括溫度、濕度、鹽度、大氣壓力等環境信息，同時對傳感器本身防腐、抗振能力以及測量精度也提出了更高的要求。

4.3 信息化技術

信息化平臺將為電網運行管理提供全方位的信息服務，也將在艦船智能電網中扮演重要的角色。采用通信系統的開放式架構，可以對網絡智能傳感器和控制裝置、控制中心、保護系統和用戶建立一個安全的“即插即用”的應用環境［10］。只有建立起高速的、全面集成的雙向通信技術架構，才能讓智能電網中的信息網絡變成一個動態的、可交互的信息脈絡，進而發揮智能電網智能控制、總體調節的優勢。

4.4 智能型設備

與目前艦船中應用的裝備不同，智能型設備必須既能夠向決策系統輸出信息，又能夠接受決策系統的控制信號，甚至有些智能型裝備應該具備“獨立思考”的能力，當某些緊急事件發生時，能夠快速執行一些救急措施。當然，對于艦船上應用的智能型設備而言，“獨立思考”的出發點必須建立在整體效益上，因為對于艦船這個獨立電力系統來說，整體利益要比個體利益大的多，“顧全大局”的思維方式是艦船智能型設備必須具備的特征。所以，艦船智能型設備的開發必須針對肩負不同任務的特定船只，往往不能與陸地電網采用的智能型設備通用。

5 結 論

從技術上講，艦船智能電網應該是最先進的通信、傳感器、控制等產業的集成，也是先進網絡技術、通信技術、傳感器技術、電力電子技術的整體體現，對于推動艦船電力系統新技術改革具有直接的綜合效果。

結合艦船特點，發展智能電網能夠直接或間接地起到如下功效：

1）提高供電效率，減少能量損耗；

2）改善供電質量，提高設備動作可靠性和精確度；

3）快速、智能地對事件作出反應，確保對重要負載的供電連續性；

4）提高艦船整體作戰能力；

5）優化艇員配置。

艦船智能電網的發展必須從艦船自身需求和固有特征入手。只有這樣才能夠實現與艦船系統的有效結合。其中，對信息集成技術、實時監測技術、智能決策技術的要求遠遠高于陸地智能電網，而且相應的智能裝備研制，也必須考慮到應用的特殊環境。艦船智能電網的發展，不僅僅是電氣方面的變化，還會推動艦船系統的整體深度改革。艦船智能電網的發展必定會促進先進裝備的研制，進而提高艦船的整體作戰能力。

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Application of Smart Grid Technology to Shipboard Power System

Wang Qi1Song Xiao-dong2Xing Jian1Wang Yun－he1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064， China 2 Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China

Smart Grid （SG） has a range of advantages in power distribution， management and control.But shipboard power system poses specific requirements on power source， design and reliability.The purpose of this paper is to address the adaptability issue of SG technology and shipboard power system，with discussion on the design aspects that is pivotal to the application of naval power system and SG technology integration.SG technology applied in ship plays more demanding requirements on information integration， real－time monitoring， intelligent decision－making than that ever used in land.Smart devices must also be adaptable to the special environment in ship， with main characteristics of self－healing，smart intercommunion， high quality of power， electromagnetic compatibility and anti－attack capability.Key issues concerning to flexible grid infrastructure， sensor and measurement，information communication and smart devices are highlighted in this paper.Developing a SG capable of integrating with shipboard power system and taking full advantage of this technology will drive the requirement for the stateof－the－art system development and finally enhance the overall combat ability of warship.

shipboard power system；Smart Grid；integration

U665.12

A

1673－3185（2012）02－72－03

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.013

2011-08-01

王 琦（1982－ ），女，博士，工程師。 研究方向：艦船電氣。E-mail：wjwhwq＠126.com

宋曉東（1976－），男，工程師。研究方向：裝備管理。

王 琦。

［責任編輯：喻 菁］