智能電網在艦船電力系統中應用發展

吳團結, 劉鈞, 王云鶴

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

智能電網在艦船電力系統中應用發展

吳團結, 劉鈞, 王云鶴

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

隨著商用智能電網的研究和開發，針對商用智能電網的概念、特點和技術組成，結合艦船電力系統的特殊性和艦船綜合電力系統系統技術概念的提出，闡述了艦船綜合電力系統發展對智能電網的應用需求；提出了艦船智能電網自愈、互動、優質電能、電磁兼容和抗攻擊性等基本特征和發展重點，以及與之相關的信息、通信、傳感和量測、智能設備、自動控制和決策支持等關鍵技術。

艦船電力系統 智能電網 綜合電力系統

0 引言

智能電網的概念涵蓋了電網的發，輸、變、配、用電等各個環節，智能電網正在給全球電力行業帶來新的機遇與挑戰，是2l世紀重大科技創新和變革趨勢，國內外研究學者紛紛開始關注智能電網的研究和建設，以實現傳統電網的升級換代及電網運行控制新思路的改革。國家電網公司已明確提出我國至2020年全面建成統一“堅強智能電網”發展目標，并制定了規劃試點、全面建設和引領提升三階段發展規劃[1-3]。

艦船作為一種戰斗艦艇，相對陸上電網，艦船電力系統為移動的獨立的小型電力系統，電網結構相對較簡單。艦船電力系統作為電力系統的一個重要分支，因艦船的特殊需要，與陸地電力系統既密切相關又有所區別。隨著艦船電力系統規模日益擴大和綜合電力系統概念的提出，電力系統配置、網絡結構、運行模式和控制策略等方面較傳統艦船電力系統都發生了較大的改變，對供電質量、可靠性和生命力提出了更高的指標。傳統艦船電網的設備水平和管理方式已經難以滿足艦船未來發展要求，迫切需要采取智能化措施提升設計理念和應用層次，實現艦船電力系統的數字化、自動化、信息化和互動化，以期達到智能電網所具有的堅強、自愈、兼容、經濟、集成、優化等特征的目的。

本文結合當前陸地智能電網的概念、特點和技術組成，針對艦船電力系統電網的特殊性和未來發展趨勢，闡述了艦船電力系統發展對智能電網的應用需求，提出了艦船智能電網的基本特征以及研究和建設所涉及的關鍵技術。

1 艦船綜合電力系統的發展及對電網智能化需求

傳統艦船的動力系統和電力系統是相對獨立的，動力系統通常由常規的熱機和其他機械裝置構成，電力系統一般是作為輔助能源，與艦船推進并沒有直接的關聯。將電力系統與推進系統相結合形成艦船電力推進是最近幾十年發展的新技術。目前，無論是在民船，還是在軍用艦艇上，這種結合愈來愈顯示出強大的生命力。以電力作為艦船推進動力逐步成為明晰的發展方向，“綜合電力系統（Integrated Power System，IPS）”的概念由此產生[4]。

在IPS中，主動力系統與供電系統合并，艦船驅動依靠電力，大大壓縮了各種熱機的數量，“主機推進，輔機發電” 的概念將成為歷史。采用集成化發電技術、環形電網和區域配電方式，減少了艦船特種裝置所需發電機組、變流機組的種類和數量，這有利于簡化艦船動力系統的結構和布置，顯著提高戰斗破損情況時系統的生命力；同時也增強了艦船在高威脅環境下的生存能力和作戰效能，弱化了艦船的噪聲特性，使艦船可以采用更加靈活機動的方式，從而對艦船作戰方式產生積極的影響。綜合電力系統是將艦船發供電與推進用電、艦載設備用電集成在一個統一的系統內，從而實現發電、配電與電力推進用電及其它設備用電統一調度和集中控制。綜合電力系統由發電模塊、電能調度及智能管理模塊、區域配電模塊、電力推進模塊、高能武器電力變換模塊和環形供電網絡等若干個模塊組成，每個模塊都是高度集成化的完整系統[5-8]。

顯然，艦船綜合電力系統就是用“電力集成”的技術思想來研究艦船電能的產生、輸送、變換、分配及利用電能實現艦船電力推進和高能武器發射。

艦船智能電網（Smart Grid, SM）目前還沒有一個完整的概念。與陸地智能電網類似，未來艦船電力系統同樣依賴先進的傳感測量、計算機、自動控制、信息通信等技術，與發電設備、電力變換設備、配電網絡和負載設備高度集成。通過標準化接入實現信息共享、智能決策和綜合調控，優化電網運行，形成艦船“智能電網”。從這個意義上講，艦船智能電網與艦船綜合電力系統是“一個概念，兩種提法”。但從艦船總體角度來說，艦船智能電網是艦船綜合電力系統的一個重要組成部分，艦船綜合電力系統還包括艦船動力推進、高能武器發射等部分。

隨著技術的發展，未來艦船綜合電力系統在大中型艦艇上將獲得絕對的優勢地位，帶來艦船性能的全面提高。全電力化艦船采用綜合電力系統結構形式，更加可靠、高效和靈活，并有較強的戰斗力和生命力。

可見，艦船電網智能化是實現艦船綜合電力系統的需要和發展趨勢。

2 艦船智能電網主要特征

2.1 傳統艦船電網特征

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。傳統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。

艦船供配電方式普遍采用低壓交流干饋混合的輻射供配電方式，由發電側流向供電測，電網結構相對較簡單，主要依靠功率冗余和多路(一般為兩路)供電保證系統安全可靠；功率控制方式采用集中發電方式，潮流控制方式單一；電網與負載之間沒有通信，只有電網向負載傳達控制信息，兩者之間沒有交互信息；保護裝置事先離線整定；監控系統以發電設備和供電網絡監測為主，設備運行管理采用人工校核，設備出現故障、恢復時需要人工干預。實際使用過程主要依賴操作人員的經驗實現運行操作管理，人為判斷系統故障或不正常運行情況，通過開關切換或配置應急電力系統保證重要設備的電力供應。

2.2 艦船智能電網特征

從宏觀上講，智能電網與傳統電網管理運行模式不同。艦船智能電網是精細管理，它是一個完整的企業級信息框架和基礎設施體系，即以堅強網架為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含發電、輸電、變電、配電、用電等各個環節，覆蓋艦船所有電壓等級，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合，電網堅強可靠、經濟高效、透明開放、友好互動。而艦船傳統電網是粗放控制，電力資源沒有被合理配置。發電裝置單一，功率有限；輸變配裝置效率低下，網絡損耗嚴重；負載“大馬拉小車”的能源浪費現象普遍，同時增加了運行噪聲。

從微觀上講，與傳統電網相比，艦船智能電網進一步優化了電網控制，構建結構扁平化，功能模塊化，系統組態化，是一種柔性體系結構，通過集中與分散相結合，靈活變換網絡結構、智能重組系統結構、最佳配置系統效能、優化電網服務質量，實現與傳統電網截然不同的電網構成理念和體系。

艦船智能電網的發展目標是利用現代信息技術，通信技術、計算機技術、測量技術、自動化技術等先進技術，抵御各種事故損害，提高艦船電力系統在發電側、輸變配電側、用電側的能源轉換和傳輸效率，確保電網運行更安全、更可靠、更靈活、更經濟，電網與負載之間能進行實施的交互信息，為不同的負載用戶在不同工況下提供更高的供電質量，而用電側（輔機）節能降噪是艦船永恒發展的重點。

基于艦船電力系統的獨有的特點、發展需求和目標，艦船智能電網特征主要表現為以下幾個方面：

自愈性。自愈是電網智能化的重要標志。實時掌握電網運行狀態，預測電網運行趨勢，及時發現、快速診斷故障隱患和預防故障發生；故障發生時，在沒有人工干預下，能夠快速隔離故障、自我恢復，避免斷電事故的發生。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，而且帶來較好的軍事效益。

互動性。實現與負載用戶的智能互動，按需供給和調節，實現資源的優化配置和集約管理，提供最佳的電能質量和供電可靠性。具備智能互動是智能電網實現“自愈”的必要前提。

優質電能。由于艦船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。提供能夠滿足用電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。電網與負載之間能進行實施的交互信息，為不同的負載用戶在不同工況下提供更高的供電質量。

電磁兼容。儀器、設備布置的高度集中是艦船空間局限帶來的必然，在有限的空間內安裝多種類型的電子儀器儀表以及眾多的電氣設備、控制裝置等，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才能夠提高電網的可靠性。

抵御攻擊。艦船獨特的任務使命要求艦船電網必須具有“抗攻擊”的能力。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，維護電網系統的安全。實時信息技術使得智能電網能夠快速隔離受影響的區域并重新調整潮流，具有快速恢復供電的能力。

3 艦船智能電網發展的關鍵技術

發展艦船智能電網必須結合艦船綜合電力系統的發展需求，融合信息、通信、傳感和量測、智能設備、自動控制和決策支持等關鍵技術[3][9-11]，以標準化接入為基礎，以信息共享、智能決策和綜合調控為主要手段，具有多指標自趨優運營能力，適應未來艦船綜合電力系統發展的需要，提高電網運行效率，提高能源利用效率，提高供電的安全性和可靠性，減少電網損耗，降低電力設備運行噪聲，實現與負載用戶間的互動。

信息技術。智能化信息技術貫穿艦船電力系統發、輸、變、配、用等各個環節，是艦船智能電網建設的重要內容和堅強支撐，為電網運行管理提供全方位的信息服務。信息技術是集數據采集、傳輸、存儲和利用于一體，利用面向服務的架構體系，整合相關業務數據，構建一個數據集中、業務整合、符合模型標準、應用可擴展的輔助分析系統，實現數據的集中存儲，統一管理，系統分析，形成智能決策。建立統一的信息平臺，研究符合艦船特點的電源、電網、負載三側統一融合的標準信息模型和信息交換模型，制定統一信息編碼標準和統一信息模型標準，深入研究對信息的整理和挖掘，以實現實時和非實時信息的高度集成、共享與利用。

通信技術。建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎。一方面，智能電網的數據獲取、保護和控制都需要通信系統的支持；另一方面，建立以電網和通信緊密聯系的網絡是智能電網的目標和主要特征。以通信技術為基礎的智能電網通過自我監測和校正，并利用先進的信息技術，實現電網各部分的自愈功能，提高電網供電的可靠性，抵御電網所受到的各種攻擊和破壞。

傳感與測量技術。艦船電力系統參數的量測是智能電網基本的組成部分，先進的智能化量測技術是實現艦船智能電網的手段，通過量測獲得的相關數據并將其轉換成數據信息，實時提供給決策支持系統，以評估電網及所屬設備實時狀況。通過遠方監視和管理，電網或設備出現故障后，自適應保護和孤島化，自動控制電力的使用。

智能設備技術。智能電網將廣泛應用先進的智能型設備和技術，以提高輸配電系統的性能。與陸地電網不同，對于艦船這個獨立電力系統來說，所采用的新技術和新設備并不是商用上的最新研究成果，而是基于艦船作戰使命要求，在提高供電可靠性基礎上，通過采用新設備或利用新技術改造現有設備，在電網和負荷特性之間尋求最佳的平衡點，來提高電能質量、功率密度和轉換效率。

控制技術。智能化控制技術是指智能分析、診斷電網和預測電網狀態，并確定和采取適當的措施以消除、減輕和防止供電中斷和電能質量擾動的控制方法。智能化控制技術能自動優化艦船電力系統中發電、輸電、配電和負載側的控制方法，實現電網功率的合理分配。智能化控制技術的分析和診斷功能，凸現了智能電網自愈特性，能極大地提高電網的可靠性，而可靠性是艦船電網必須的保證。

決策支持技術。智能化決策支持技術將復雜的電力系統數據轉化為系統運行人員可理解的信息，利用數據展示技術，以幫助指揮員認識、分析和處理緊急問題，使指揮員能及時準確做出決策。

4 結束語

智能電網是未來艦船電力系統的發展趨勢。隨著我國艦船的型號、噸位和數量不斷增加，對電力系統的要求越來越高，開展智能電網技術研究是艦船發展的必然和需求。長期以來，我國艦船電力系統的許多技術和裝備仍處于跟蹤和研仿的地位，若能緊跟國家智能電網建設和發展的契機并借鑒相關經驗，大力開展艦船智能電網技術研究，從頂層規劃，分步實施，逐步推進，必將實現我國海軍裝備技術水平的整體飛躍和提升。

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Research on Smart Grid of Warship Power System

Wu Tuanjie, Liu Jun, Wang Yunhe

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

With research and development of the commercial smart grid(SG)，based on the general definition, basic characteristic and technical composing of the commercial smart grid, as well as concept of the warship integrated power system(IPS), the characteristics of the warship smart grid such as self-healing, smart intercommunion, high quality of power, electromagnetic compatibility and anti-attack have been discussed, and key technologies of the warship smart grid concerning to information, communication, sensor and measurement, smart devices, autocontrol, decision-making and sustainment are highlighted in this paper.

warship electric power system; smart grid; integrated power system

TM711

A

1003-4862（2013）05-0008-04

2012-09-10

吳團結（1971-），男，高級工程師。研究方向：艦船電力系統及其自動化。