面向孤立島礁應用的微網供電裝備自主維護

米紅菊, 王維俊, 毛龍波, 溫亞東, 王文強

(1. 陸軍勤務學院軍事設施系， 重慶 401311； 2. 軍事科學院系統工程研究院， 北京 100091)

為了解決長期以來海島供電在安全風險、效能水平、成本代價、環境影響等方面的保障積弊，我軍已開始積極研究、規劃和建設應用于邊防海島的微電網系統，并將其列為后勤保障設施建設的重要內容。島礁微電網系統立足于利用當地豐富的風、光、海浪、潮汐等可再生資源，就地接入、轉化和消納，應用運行控制和能量管理等技術，實現多能互補融合、網絡協調聯動，改變了島礁依靠單一燃油來源進行發電的能源保障模式，極大地提升了島礁自我保障與生存能力。

與傳統島礁供電方式相比，由于在島礁微電網中引入了分布式能源、新型元件和設備等高新技術，使得其網絡結構更加復雜，系統運行維護及檢修等技術保障工作量也呈階梯式增長[1]。因此，在島礁微電網多尺度時空、多場景耦合、多能源互補等典型特性條件下，構建科學有效的供電裝備維修系統，對于實現安全、可靠、優質和經濟的供電目標具有十分重要的理論和現實意義。但在以往傳統的供電裝備及系統的維護管理實踐中，無論是維護觀念、維護技術還是維護決策等，均難以滿足微網模式的運行要求，無法達到全壽命周期管理的目標，島礁電力保障效能得不到充分發揮，亟待解決存在的現實矛盾，主要表現在如下2個方面：

1)維護方式與電力保障可持續發展要求之間的矛盾。傳統的供電裝備大都采取定期維護、例行巡檢以及故障應急搶修等被動反應式的維修方式，其預見性差、針對性弱、投機性強、效率低下，但卻成本高，工作量和強度較大，難以適應現代戰爭對供電裝備維修保障能力的要求[2]。特別是基于島礁應用背景，在面臨后場技術力量弱和備品備件準備時間短，同時受氣候條件、補給周期、船只可及性[3]等隨機因素的疊加影響下，采取傳統的被動維護，極易造成島礁供電系統在關鍵時間窗口內停機，嚴重影響島礁電力保障的可靠性，制約了前沿后勤的保障效能。

2)維護決策與裝備保障精確化要求之間的矛盾。微網供電系統作為一個復雜的分布式能源網絡，高新技術密集，信息化程度高，要素間耦合性強，對某節點或裝備的潛在隱患和故障的處置必然會影響整個島礁供電系統的運行。因此，其技術保障更加強調精確化決策，需要在供電可靠性、系統安全性、裝備可用性及成本經濟性等方面尋求一種全局性的最優化策略。以往的維護決策主要依靠經驗(如通過簡單的二元健康狀態判斷及經驗閾值)來驅動決策；或通過統計各類裝備的(如風電、儲能電池等)失效特征[4]，并將作為開展維護保障的依據，其決策可供參考的歷史數據很少，也未考慮裝備的未來健康狀態或退化趨勢，難以有效提高維修的針對性和精確化程度。因此，為充分發揮島礁微網供電系統保障效能，急需在規模化建設能源保障設施的同時，研究制定出整套科學量化、適合海島特殊環境應用的維修模式及決策方法。

筆者借鑒自主維護保障(Autonomic Logistics System，ALS)理念，依托信息化手段，將供電裝備維修保障要素綜合集成起來，提出一種無縫后勤管理思維模式，通過構建面向島礁應用的微網供電裝備自主維護系統，來應對供電裝備及系統服役所面臨的壓力與挑戰。

1 自主維護保障概念解析

ALS是一種基于預測預知的主動式保障系統，能實現由傳統的事后維修、定期維修向主動維修、基于狀態的預測性維修轉變，使保障模式由“粗放規模化”轉型為“精確敏捷型”。美軍在聯合攻擊機項目(Joint Strike Fighter，JSF)開發中，因采用自主維護保障系統，使維修人力減少了20%～40%，保障規模降低了50%，而飛機出動架次率卻提高了25%，使用壽命達8 000飛行小時[5]。從該成功案例中得到啟發，美軍“先進兩棲突擊車”“感知與響應后勤方案”等都正在開發和應用自主式保障理念及系統，自主式保障正成為裝備保障的發展方向。

1.1 自主維護保障的內涵

目前，國內外學者對自主維護保障(也稱“自主式后勤”)的概念并沒有一個嚴格統一的定義。DREYER[6]認為ALS是一種在保障行為中能對器材、設施、人員、采購、維修和運輸等實施管理的軍事實體和系統，具有自動診斷、維修決策、保障實施等能力。陳春良等[7]將裝備自診斷子系統，網絡化、信息化的保障信息子系統和維修子系統密切協同所形成的綜合保障體系定義為ALS。本質上講，自主式保障的理念源自人體自主式神經系統，是基于知識的先導式保障，在需求辨識、資源管理以及部件和系統可靠性與安全性等綜合信息的基礎上，支持裝備任務的執行，能最大程度地識別問題并自主啟動正確的響應[8]。

自主維護保障系統主要由故障預測與健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)系統和聯合分布式信息系統(Joint Distribution Information System，JDIS)等組成，其中：PHM負責對裝備的健康狀態進行管理，其利用各類先進的傳感器實時監測裝備運行的各類狀態參數和特征信號，借助各種智能算法和模型，評估裝備健康狀態，包括部件正常工作的時間長度、剩余使用壽命和累計損傷等，在其故障發生前對故障進行預測，并結合各種可利用的資源提供一系列的維修保障決策支持信息[9]；JDIS負責信息的傳輸與管理，是在裝備平臺、使用分隊、維修保障機構、軍工廠和各級器材倉庫之間實現實時的全資產可視、全事件可控和全信息共享的聯系紐帶和信息通道，由分布式嵌入設備和數據庫構成，對各種事件做出響應，制定裝備使用、維修和訓練程式，評估資源需求和任務要求的合理程度等。通過JDIS可使信息實時到達維護保障系統所需要的任何地方[10-11]。

1.2 面向島礁微網實施ALS的要素條件

由前述分析可以看出，在自主式維護保障系統構建中，感知觸發和神經中樞響應是最根本的核心內容。因此，面向島礁微網實施ALS，需要具備有類似PHM與JSIS功能的要素條件，具體如下：

1) PHM在供電裝備及系統的發展與應用為自主維護保障系統奠定技術基礎。PHM作為信息化時代提高重大裝備設施的可靠性、安全性和經濟承受性，實現自主式維護保障和基于狀態維修的關鍵使能技術[9,12-14]，引起國內外軍方和工業界的廣泛關注：歐美各國都借助各種資助計劃來大力推動PHM關鍵技術在軍民領域的開發與應用[15]；我國在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》[16]中也將重大產品和重大設施健康評估與壽命預測技術作為前沿技術進行重點支持。當前，已有部分學者和團隊開展了針對供電設備及系統的PHM研究。文獻[17-20]的作者以高鐵牽引供電系統為研究對象，提出了基于PHM主動維護技術及理論的平臺構建方法，并對系統可靠性、剩余壽命預測、風險評估、維修決策優化進行了深入探討，豐富了PHM在牽引供電領域的發展與研究；鄭小倩[21]對在供配電系統中應用PHM需要解決的關鍵技術進行梳理分析；文獻[22-24]的作者分別針對電力變壓器、風力發電機、光伏組件等關鍵設備給出了基于PHM的解決思路。在能源保障需求日益增加的形勢下，前沿島礁供電保障對供電系統的安全穩定運行、防范抵御事故風險及搶修搶建等能力的要求將越來越高，PHM在該領域必將發揮巨大的作用。

2) 微網本身具備的信息架構與監控平臺為自主維護保障系統提供信息支撐。雙向能量流和互動信息流是微網的一個顯著特征[25]，這也是電力智能化的基本要求。通過這種機制和手段，可以在電能供給與電能使用之間建立起平衡關系，有效地提高風、光等間歇性可再生能源的利用效率，維持電網穩定性，因此，需要建立計算機化的信息架構，來執行測量、監視、保護以及實現高級控制策略。事實上，監控在實現微網的實時能量調度與管理、跟蹤、監測等方面具有舉足輕重的作用，已成為微電網系統的核心技術之一，也是國內外學者重點研究的方向。我國頒布了微電網監控系統相應的技術標準，對微電網數據、系統運行、信息能力、安全防護、體系結構等[26]進行規范，使微網可采集各種關鍵設備信息，并具備信息流轉交互功能，因此，微電網本身具有的監控平臺為構建自主維護保障系統提供了良好的信息支撐條件。

2 島礁微網供電裝備自主維護保障構架

2.1 體系結構分析

面向島礁微網構建ALS系統，旨在掌握供電系統及裝備健康狀態，科學制定維修計劃，高效及時地提供維修資源，從而提高島礁供電系統與裝備維護管理的綜合效益[27]。按照目標牽引、內容支撐及技術實現的思路，確定島礁微網供電裝備ALS體系三維結構，如圖1所示。

其中：目標體系體現了微網實施維護保障的期望與指向，強調安全、可靠、優質、經濟、快速、高效等供電要求對維護的驅動和牽引作用；內容體系是自主維護保障要完成的主要工作，是支撐目標體系的細化方案，主要由以狀態監測或預測為依據的健康評估體系、以多目標優化為途徑的自主決策體系和以效率效益為優化標準的維護資源調度供應體系等組成；技術體系主要是實現微網自主維護與管理的各項關鍵技術，包括狀態感知與信息融合技術、狀態評估與壽命預測技術、決策與優化技術以及成本管理與控制技術。

2.2 島礁微網自主維護保障系統運行框架

微網自主維護保障系統運行框架體現基于PHM的監測及預測信息所觸發的維護行為的響應流程，在時間和空間域上具有典型的動態特性。筆者假定礁群按3層級駐守，則島礁微網供電系統的自主維護保障可部署為“前沿在島級”“礁群中繼級”“后場陸基級”，其網絡及運行如圖2所示。

前沿在島級微網自主維護保障系統主要由各分布式電源PHM系統、維護管理與決策系統、保障資源系統等構成。考慮可再生能源利用效率及島礁場地限制，風、光、柴、儲等關鍵供電裝備大都就勢、就地部署，需有獨立的PHM子系統；同時由于受天氣情況、能源利用水平、工況模式和戰備態勢等影響，使系統正常運行中出現故障的不確定性增大，需要能源互補以及“源-荷-網-儲”協調統一，將各分布式能源PHM信息進行融合，建立全局PHM系統來提高決策能力。維護與管理決策系統主要功能是把整個環境下的維護任務、保障力量、保障資源統籌為一體，通過對保障活動的計劃、組織、協調、控制及指導，實現快速化、精確化的自主維護保障決策。

后場陸基級可接收前沿在島級或礁群中繼級保障系統的支援申請，并與各維修廠家、軍工企業及承研單位等建立完整的信息與資源共享通道和機制，在自主維護保障決策支持下，啟動后場人力派遣、物資籌措及前送等計劃，最終實現對遠海或近海島礁微網供電系統的閉環式維護保障響應。

由圖2可以看出：在自主維護保障網絡中，自主維護行為由島礁微網PHM系統實現運行狀態信息的感知，通過各分布式電源的PHM系統進行信息采集與處理，并在微網系統級PHM的支持下進行綜合狀態推理及預測；管理與維護決策系統接收上述數據信息，參照歷史數據開展趨勢分析，并據此來觸發驅動資源管理器實施維護規劃，確定所需資源、備件可用狀態、合適的維護人員及維護策略建議等：當所需資源滿足維護保障需求時，即下達供應指示，開始實施維護保障；當出現本級維修力量或維修資源不足時，經評估之后，系統向“礁群中繼級”或“后場陸基級”自主維護保障系統發出同級或越級支援申請，并上傳故障診斷、健康評估及維修決策信息，供上級指揮機構決策參考。

3 預測驅動的自主維護決策

微網維護策略的制定需要在保障供電安全、可靠及經濟等多方面尋求平衡。根據其觸發機制、決策支持方式以及所使用技術的不同，維護策略一般可分為修復性維護、定期維護、基于狀態的維護以及預測性維護等。其中：修復性維護也稱事后維修，由于其非計劃性的特點，造成系統停機時間長，成本高，屬于被動維護；定期維護雖能在一定程度上預防故障發生，但無法動態選擇科學有效的時間窗口，仍屬被動行為。本文所述的微網供電裝備自主維護采用基于預測驅動的決策思路。

3.1 自主維護的預測驅動機理分析

預測性維護 (Predictive Maintenance，PdM)是“工業4.0”的關鍵內容之一[28]，也是使能ALS的核心功能體現。它是從“狀態監測(Condition Based Maintenance,CBM)”的概念發展而來，但卻有別于CBM。CBM[29]是一種視情維修策略，通過采用一定的狀態監測技術對裝備設施可能發生的功能性故障的各種物理信息進行周期性檢測、診斷，據此判斷性能狀態，并根據狀態安排維修。其決策機制基于閾值，當性能參數到達設定閾值，立即執行維修任務。為保證設備具有一定的可用性，維修活動必須在對象的P-F間隔期，也即故障即將或正在發生的潛在故障點(P)與功能故障點(F)之間完成。

圖3為CBM與PdM工作機理的對比[30]。可以看出：在P-F間隔期內，基于CBM和PdM應用的維護活動都具有足夠的響應時間，可以降低因裝備功能失效而造成停機的概率，但是CBM參照的P-F間隔期通常是基于機理模型，即根據裝備產品資料、過去的經驗知識或歷史故障而確定的[31]；相比之下，PdM在監測狀態信息的基礎上，綜合環境、態勢等數據，運用統計模型來識別、解讀、模擬裝備運行規律，預測其未來狀態的發展趨勢。由于模型輸出信息包含對象目標的耗損與壽命變化趨勢以及運轉中斷等預測數據，PdM可采取更主動，更具有針對性的維護；同時，可在綜合技術力量、備品備件等各類維護要素情況，以及整個系統中其他裝備的維護需求，能在最佳維護機會窗口內獲得最佳力量配置、庫存水平及維修順序等。

島礁微網供電裝備(如風機、儲能電池等)的故障均存在于漸變行為過程中[32]，因此體現故障的參數值也具有相應的變化趨勢。對裝備開展基于預測驅動的自主維護，可以得到動態的P-F窗口，找到供電裝備性能退化(剩余壽命)趨勢的臨界值區間，并將微網未來的供能需求和產能狀態納入該預測框架，以確定合適維修時機，使因可再生能源的隨機性、間歇性而造成的停機時間最短、風險影響最低，同時降低維護頻率，節約島礁微網維護成本。以風機為例，通過機器學習等智能算法對風機運行的參數值變化趨勢進行預測，識別P-F間隔區間，獲取風機性能退化(剩余壽命)臨界值，再結合維護保障系統知識庫，運用統計模型與算法，預測未來風能供給的低值概率區間[Ls，Le]，進而估計維修窗口[MTs，MTe]。

3.2 自主維護決策基本思路

島礁微網自主維護決策算法流程如圖4所示。可以看出：1)通過微網監控系統、終端監測裝置等，收集整理風機、光伏、儲能電池等供電裝備和設施的運行數據，如齒輪振動，發電機溫度，葉片噪音，電池的電壓、電流、溫度、內阻等，構成維護保障系統知識庫；2)在PHM系統支持下，對各供電裝備狀態進行評估，并融合歷史和當前狀態數據開展剩余壽命預測；3)當預測驅動條件成立，即性能參數在經過狀態評估和預測得到的P-F間隔期內，即可進行維修決策優化。本文所構建的島礁微網供電裝備自主維護系統，主要從供電可靠性與維護經濟性 2個維度進行決策優化建模。

1) 可靠性，可采用極大化的可靠性目標。即在啟動并實施自主維護的情況下，微網的供電能力或電力儲備量可滿足島礁一定范圍的用能需求，同時，可實現微網系統的可持續運行。一方面，由于維護的介入，微網系統的電力產出減少，滿足島礁負荷用電需求的可能性必然降低，島礁對供電保障的滿意度下降；另一方面，由于維護工作的開展，各供電設施設備的性能退化趨勢得到抑制或緩解，降低了島礁供電保障的安全風險。因此，基于極大化微網供電可靠性目標的決策優化模型，可從電力需求滿意度和供電安全風險度2方面來描述。

2) 經濟性，對于考量經濟性的維護調度及決策問題來說，極小化成本是眾多文獻采用的目標[33]，關鍵在于不同應用場景下對相關成本費用的分析。從構成上看，島礁微網供電系統維護成本包括直接成本和間接成本[34-35]。直接成本主要由海上運輸，監測評估，備品備件消耗等構成，間接成本由維護作業期間引起的停機電量損失構成。為了保持微網供電系統在某段關鍵時間窗口內的電力保障效能，需要重點考慮和分析裝備健康狀態評估、更換組件維護、備品備件儲運供給、庫存持有、越級支援或協同支援維修等成本。

但是，系統可靠性與運行經濟性實際上是一對共生矛盾體：尋求高可靠性，必然加大對設備設施或系統維修維護的投入，追求經濟上的最低成本，自然會減少維修維護，供電可靠性又得不到保障。因此，針對島礁微網維修這種復雜的技術經濟性決策，需要綜合考慮可靠性和成本目標，設定約束條件，通過建立模型和優化算法來求取維護參數和決策變量。

3.3 自主維護決策的時空約束條件分析

由于惡劣海洋氣候及海上運輸條件的影響，開展維護作業的時間和空間必然受到限制和約束，因此,與其他供電系統的維護相比，海島微網的自主維護決策具有更明顯的時空約束特點，是在構建面向島礁的自主維護決策模型時必須考慮的內容。

3.3.1 天氣約束

當遭遇惡劣天氣時，如強風、大浪、海上風暴、雷電、大霧等，一方面，維護作業無法按時開展；另一方面，海運船只的可及性會受到影響，使維修資源難以及時到達維護地域，進而產生維護響應延遲。設響應延遲窗口為TDelay，則

(1)

式中：tw為氣象等待時間，是指遭遇大風、雷雨、高溫等惡劣天氣時預計的持續時間；D為維護資源海上航行距離；V為船機平均速度；wsp為天氣條件適宜的概率，當遭遇惡劣氣象條件(如風速vj>12 m/s、浪高>2 m、氣溫>30 ℃，或遇強雷雨天氣等)，需停止運輸及維護作業。郭慧東等[34]認為風速與浪高具有一定的相關性，通過分析風速對維護的影響，得出

(2)

由于在TDelay內停止維護，此時段維護狀態為0，則有約束

(3)

式中：Mi,t為在時間段t內第i(i=1,2,…,m)個維護的裝備狀態，如維護響應延遲，則取值為0，反之則取1；R為全部維護任務中所經歷的響應延遲TDelay的集合。

3.3.2 船運機會約束

海上運輸條件(如船只類型選擇、是否列入船機計劃等)也會影響自主維護的實施。筆者假設船只類型已定，僅考慮維護資源因籌措未到位而錯過乘船時機的情況，即船運機會約束。船運機會約束限制了維護資源在某個時間段到達目的海島的次數，使其不能享有超過該時間段內總班次數的船運機會，則

(4)

式中：DKt為維護資源需要的海上運輸次數；PKt為在某時間段t內計劃開行的船運班次。

4 研究展望

目前，針對島礁后勤設施建設與裝備運維管理，可供借鑒的外軍經驗十分有限，必須立足面向海洋戰略需求的背景，把握島礁后勤的特點規律，理清裝備技術保障的支撐要素，從理論方法、基礎工程以及關鍵技術等方面加強研究和攻關：

1) 加強島礁骨干裝備自主維護理論與方法研究。傳統逐級線式的被動保障模式已無法適應海島應用條件下維修保障的時空特性需要，必須從觀念到行動，全程貫穿主動服務、主動保障理念[36]。立足島礁后勤保障需求，需要從運行特性、功能指標、資源條件、行為動力以及能力評估等入手，豐富并完善自主維護理論框架及實施路徑；

2) 加強島礁后勤大數據系統工程研究。實現島礁微網自主維護，PdM的“科學預知”能力是前提，本質上需要島礁后勤大數據的支持。目前，針對國防領域大數據工程，大多數面臨著數據“不夠用、不可用、不會用、不敢用”[37]的困境，需要在數據獲取與融合、組織與分析、存儲與安全，平臺與接口等基礎領域加大研究力度。

3) 加強微網自主維護多尺度決策及優化研究。微網是一個多能源耦合系統，各要素間存在著較強的結構、隨機和經濟依賴性[38]，需要在充分把握供電裝備性能、系統運行方式以及不同類型故障間依賴性的基礎上，研究設備層、子系統層和網絡系統層間的耦合關系、狀態轉移規律和表達形式，解決自主維護多尺度決策優化問題。

5 結論

筆者著眼島礁微網供電系統面臨的運行維護挑戰，通過對自主維護保障內涵，自主行為模式，預測驅動機理以及維護決策算法流程等內容的分析研究，提出了一套面向島礁微網供電系統的自主維護體系框架與決策思路，并對實施自主維護保障所需的研究領域和方向進行梳理，研究成果可為我國遠、近海島礁重大后勤設施及裝備的維修性技術保障提供理論與方法上的借鑒。目前，研究還處于自主維護框架和決策流程設計的初步階段，需要作進一步調整和細化，并深入研究維護模型、決策優化、科學預測等理論和方法，探究實現工程化的路徑與手段。