船舶電力推進系統狀態評估方法研究

楊俊飛，梁樹甜

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

船舶電力推進系統狀態評估方法研究

楊俊飛，梁樹甜

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

本文分析了國內外設備狀態評估相關研究內容和發展現狀，介紹了艦船電力推進系統狀態評估技術的相關內容，為后續的研究提供了參考。

船舶電力推進系統 狀態評估 模糊綜合評判

0 引言

船舶電力推進系統設備的可靠性、安全性是保證系統可持續運行的必要條件。對船舶電力推進系統進行有效的狀態評估，及時發現和排除故障，從而減少船員維修工作量，改善工作條件，實現電力推進系統對系統設備狀態的檢測和自動化控制。

設備維修管理的發展歷程分為三個階段。第一個階段為事后維修，事后維修是設備發生故障后，由船員來檢查設備的狀態，分析原因、逐步排查，找到故障點再進行維修，這種方式稱為被動設備管理。第二個階段是預防維修，預防維修分為計劃預修制和預防維修制兩種，首先依靠制定設備維修計劃，然后定期停機對系統設備進行狀態檢查，排除可能存在的故障隱患，相應會產生維修不足和過度維修的問題，這種維修方式對系統的運行和設備狀態的管理均有不利影響。第三個階段是狀態維修，狀態維修是基于計算機處理數據，通過對設備的實時檢測和檢查，掌握和評估設備的狀態、預測會發生的故障，進行維修決策的管理方法，是比較完善的設備管理方法，同時正確、有效的狀態評估是狀態維修的基礎。文獻[1]討論電力變壓器的狀態評估，文獻[2]討論高壓斷路器的狀態評估，文獻[3]討論電力系統的狀態評估。本文將對電力推進狀態評估方法進行討論。

1 船舶電力推進系統

與傳統的船舶動力系統（柴油機、汽輪機做動力源）相比，電力推進系統的動力源為電動機，具有調速比高、啟動轉矩大等，對船舶總體設計有布局靈活、安裝維修方便等優點。

船舶電力推進系統由發電系統、配電系統、推進系統、推進監控系統等組成。發電系統由柴油發電機組、機旁控制箱等設備組成，配電系統由功率管理系統、主配電板（發電機控制屏、主推進屏、母聯屏等）、日用變壓器、輔配電板（海水泵啟動屏、滑油泵啟動屏等）等設備組成，推進系統是由推進變壓器、推進變頻器、推進電動機、螺旋槳等設備構成，推進監控系統由駕駛室推進控制臺、集控室集中控制臺等設備組成。電力推進系統的組成設備數量多、結構相對復雜，由于運行中各設備是相互聯系的，各個設備的狀態對整個系統的穩定運行有不同程度的影響，需要對電力推進系統中各個設備的歷史狀態、運行狀態進行全方面的評估。

2 電力推進系統模糊狀態綜合評估

2.1 電力推進系統狀態評估的總體思路

電力推進系統狀態評估各指標因素包括確定性指標和非確定性指標，如電壓、電流、轉速、頻率、功率等可量化指標，屬于確定性因素；而絕緣狀態、家族質量史等，無法量化的指標，表述時采用自然語言，運用模糊概念，屬于模糊因素，只給出一個模糊的評估。鑒于此，采用模糊綜合評估對電力推進系統進行狀態評估是一種較好的方法。

狀態評估的具體內容包括評估的指標體系、評估流程、評估模型、評估方法等。本文首先對影響各種電力推進系統運行安全狀態的因素進行分類，運用模糊綜合評價原理，建立模糊綜合評估模型，最后得出狀態評估結果。總體思路如圖1所示。

2.2 模糊綜合評判理論

模糊綜合評判(Fuzzy Comprehensive Evaluation，FCE)[4]是以模糊數學為基礎的量化綜合評價事物的數學工具，主要評價步驟如下：

1）確定被評價的對象X；

2）建立評價因素集(即評價指標體系)U

設定被評價的對象X有n個影響因素，分別為u1, u2,···, un，則因素集U={u1, u2,···, un}；

3）建立表示評價結果等級的評價集V

設vi為評價等級，等級數為m，則評價集V={v1, v2,···, vm}；

4）確定權重集W

權重集是指某因素對被評價對象的重要程度(權重)，設u1, u2,···, un的權重分別為w1, w2,···, wn，且滿足如下關系式：

定義權重集W={w1, w2,···, wn}。

5）確定綜合評價矩陣R

R為U與V的模糊關系矩陣(模糊隸屬矩陣)，定義為：

為使結果歸一化，令rij滿足

式中，rij——影響因素ui在評價等級vj上的隸屬度，即rij是表征ui屬于vj程度的數量指標。

圖1 電力推進系統狀態評估總體思路

6）進行模糊綜合評價運算

8）根據評價結果對被評對象的作出相應的對策。

3.3 用模糊綜合評價對電力推進系統狀態評估

應用模糊綜合評價理論進行電力推進系統狀態評估的具體步驟如下：

第一步：確定被評價的對象X

確定X為整個船舶電力推進系統。第二步：建立因素集U

影響電力推進系統狀態的因素很多，一般來說，其狀態的評估應該基于各方面的試驗(包括在線監測得到的信息)、系統自身的設計制造水平、系統歷史狀態、系統運行環境、投運時間以及領域專家對該系統的判斷等。基于這個原則，可以取影響電力推進系統狀態評估的因素集為：

式中：u1為電力推進系統自身系列歷史缺陷；u2為基于試驗數據(包括在線監測數據)判斷得出的系統的狀態；u3為系統歷史運行狀態；u4為領域專家對系統的判斷；u5為系統投運時間。

第三步：建立評價集V

建立評價集的方法有多種，如百分制法、顏色法等。本文采用顏色法，故將電力推進系統運行安全狀態的級別，由高到低分為4級，分別為:紅(4)、橙(3)、藍(2)、綠(1)。

評語集可表示為：V={v1, v2, v3, v4}={紅，橙，藍，綠}={4,3,2,1}，各等級表示的安全狀態情況大致如下：

紅色(4)，嚴重故障狀態：部分重要設備無法運轉，需立即進行修理，或更換部件。船舶無法航行。例如：柴油發電機組故障不能發電、推進變頻器故障不能運行等。

橙色(3)，故障狀態：多數設備運轉正常，部分設備需要進行修理，更換部件，但船舶暫時仍能勉強航行。例如：推進變壓器冷卻風機故障、推進電機冷卻風機故障等。

藍色(2)，良好狀態：絕大多數設備運轉正常，部分設備需要進行簡單維護、修理，但不影響船舶任務的執行。例如：配電板內熔斷器故障只需簡單更換。

綠色(1)，優異狀態：設備狀況運轉良好，各項設備功能檢查結果符合要求，各項監測參數未出現異常。

上述等級顏色對應的數字可理解為相應等級數值范圍的中間值，即紅色等級的數值范圍為(3.5,4.5]，橙色等級的數值范圍為(2.5,3.5]，藍色等級的數值范圍為(1.5,2.5]，綠色等級的數值范圍為[0.5,1.5]。

第四步：確定權重集W和綜合評價矩陣R

確定權重W及其綜合評價矩陣R的方法很多，主要有統計法、模糊分布法、專家打分法、層次分析法等。權重和綜合評價矩陣確定的好壞直接影響著狀態評估系統的性能。對于電力推進系統來說，我們需要實時得出狀態評估結果，并以此做出相應的決策。所以，不論采取何種確定方法，W和R應是根據電力推進系統的具體情況和運行中的不同工況而實時變化的。

第五步：計算結果并做出決策。

4 實例驗證

設某一電力推進系統，根據其歷史故障記錄數據并結合電力推進系統的特點和專家分析經驗，確定與U相對應的權重W={0.3,0.3,0.15,0.15,0.1}。該系統的綜合評價矩陣R經過確定隸屬度確定如下：

最后得Vresult=2.15。得出系統處于良好的狀態，只需對個別設備進行簡單維護，不影響系統正常運行。

5 結語

本文利用模糊綜合評估法對電力推進系統運行安全狀態進行整體上的評估，最后通過舉例驗證證明此方法簡單有效，提出的評估總體思路和評估方法對于現代電力推進系統設備的安全管理具有理論意義和實際參考價值。

[1] 李邦云, 涂彥明. 電力變壓器狀態評估[J]. 四川電力技術, 2006, 29(3): 53-55.

[2] 李宇, 張國鋼, 耿英三. 基于模糊理論的高壓斷路器狀態評估研究[J]. 高壓電器, 2007, 43(4): 274-277.

[3] 余建星, 杜尊峰, 溫晶晶. 船舶電力系統狀態評估方法研究[J]. 船舶工程, 2008(30): 39-41.

[4] 楊綸標, 高英儀. 模糊數學原理及應用[M]. 廣州: 華南理工大學出版社, 2001.

Condition Assessment Method of Marine Electric Propulsion System

Yang Junfei, Liang Shutian
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

Relevant research situation and development direction of equipment's condition assessment at home and abroad are analyzed. The condition assessment technology of marine electric propulsion system is introduced, which provides reference for future study.

marine electric propulsion system; condition assessment, FCE

TM728

A

1003-4862（2015）06-0048-03

2015-03-09

楊俊飛（1979-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。