艦船綜合電力系統(tǒng)預防控制方法綜述

王志飛 肖 晗 隋 波

（1.海軍裝備部武漢軍事代表局 武漢 430060）（2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢430033）（3.海軍駐大連地區(qū)第三軍事代表室 大連 116021）

1 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)（Vessel Integrated Power System，VIPS）是指將發(fā)電、日常負荷用電、電力推進用電、高能武器和大功率探測設(shè)備用電綜合為一體的新型動力系統(tǒng)［1～2］。VIPS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電能的產(chǎn)生、分配、儲存和轉(zhuǎn)換一體化［3］，相較傳統(tǒng)電力系統(tǒng)而言，VIPS具有低噪聲、高生存性、投入原動機和燃油消耗更少，總體布置更方便等優(yōu)點，是提高艦船聲隱身性能的有效途徑，是艦載高能武器的必由之路［1～2］。相對陸地電力系統(tǒng)而言，綜合電力系統(tǒng)具有有限的發(fā)電量和慣性，包含大比例的動態(tài)負荷和非線性負荷，故需要對綜合電力系統(tǒng)進行有效的能量管理［4］，而VIPS的能量管理研究相對較少，已有的VIPS能量管理研究主要包括以性能優(yōu)化為目標的預防控制和以故障恢復為目標的恢復控制［4～5］。

本文對VIPS的預防控制方法進行了梳理和總結(jié)。首先簡要回顧了VIPS的發(fā)展概況，并討論了VIPS和陸地電力系統(tǒng)之間的區(qū)別和聯(lián)系；歸納和總結(jié)了VIPS在能量管理方法方面的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，并提出了預防控制研究的必要性；針對功角暫態(tài)穩(wěn)定和電壓暫態(tài)穩(wěn)定問題，對預防控制方法進行了分類梳理；最后，對全文進行總結(jié)，并指明了下一步的研究方向。

2 艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)展概況

從1992年開始，美國水面艦船動力裝置預研規(guī)劃局一直在開發(fā)艦船綜合電力系統(tǒng)，最初是為了減少船只的采購和生命周期成本，同時滿足所有船舶的性能要求，而VIPS概念的提出則是在1994年美國海軍工程師協(xié)會日［6］。美國海軍在VIPS技術(shù)的發(fā)展中投入顯著，成功開發(fā)了VIPS，并應(yīng)用于驅(qū)逐艦DDG1000，以最小的成本滿足水面艦艇需求。除了在DDG1000上采用了VIPS，美國海軍還在T-AKE1型艦船上采用了更多商業(yè)的VIPS解決方案，在LHD8和LHA6兩棲攻擊艦上面采用了一種混合的解決方案。在未來的幾十年中，對艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展需求將持續(xù)增長，而且，一些先進的探測設(shè)備和新型武器，如電磁軌道炮和激光武器等也將列裝未來新型艦船，圖1給出了美國未來艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)展藍圖［7］。英國海軍也從1994年正式開始了VIPS的研究，并應(yīng)用于最新型的45型驅(qū)逐艦［8］。

圖1 未來VIPS技術(shù)發(fā)展藍圖

國內(nèi)艦船綜合電力技術(shù)相關(guān)研究起步雖晚，但是海軍工程大學艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室馬偉明院士率先提出并構(gòu)建了中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)，在全世界范圍內(nèi)首次掌握了中壓直流綜合電力技術(shù)，提出了我國發(fā)展艦船綜合電力系統(tǒng)的對策［9］，并凝練了第二代艦船綜合電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，提出了實現(xiàn)途徑［2］，實驗室相關(guān)課題組開展了多方面的研究工作［10～19］，實現(xiàn)了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)突破，目前，國內(nèi)各船舶相關(guān)研究所、清華大學、武漢大學、華中科技大學也相繼展開研究［20～24］。

與陸地電力系統(tǒng)相比，艦船電力系統(tǒng)具有有限的發(fā)電容量，動態(tài)負載容量比例大，會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和安全性，尤其是VIPS采用直流區(qū)域配電技術(shù)、電力電子裝置有限的過載能力以及分區(qū)供電的特點，存在單臺配電逆變器故障情況下所帶日用負載失電，以及逆變器起動電動機等沖擊性負載時的短時電流沖擊等問題。而且，高能武器等沖擊性負載在短時間內(nèi)吸取或釋放大量能量，導致系統(tǒng)電壓和頻率發(fā)生震蕩［4］，使得系統(tǒng)電能品質(zhì)惡化，這些均對系統(tǒng)運行安全提出了新課題。直流區(qū)域配電系統(tǒng)（Direct Current Zonal Electric Distribution System，DC-ZEDS）是一種全新的配電結(jié)構(gòu)，目前僅在美國DDG1000驅(qū)逐艦開始了工程應(yīng)用，對涉及直流區(qū)域配電系統(tǒng)處于不安全正常運行情況下的控制問題研究較少，即使有諸如逆變器起動電動機能力的要求也僅僅是停留在技術(shù)要求層面，針對可能出現(xiàn)問題的應(yīng)對策略研究相對較少。高能武器等沖擊性負載更是尚未有裝船應(yīng)用的實例，相關(guān)研究主要集中在脈沖功率及其影響分析［25］方面。

3 艦船綜合電力系統(tǒng)能量管理研究

VIPS在各種正常及非正常工況下的運行控制通常由能量管理系統(tǒng)完成，電力系統(tǒng)能量管理的目的與系統(tǒng)的運行狀態(tài)密切相關(guān)，常規(guī)電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)分為安全正常運行狀態(tài)、不安全正常（或者警戒）狀態(tài)、緊急狀態(tài)和恢復狀態(tài)［4，6］。安全正常運行狀態(tài)（即N-1安全狀態(tài)）是指所有的變量（潮流、電壓、頻率）都在技術(shù)標準約束范圍內(nèi)，而且在某個元件（如發(fā)電機，線路變壓器等，通常匯流條不考慮在內(nèi)）故障后仍然不超過該范圍；不安全正常（或者警戒）狀態(tài)是指所有的變量在技術(shù)標準約束范圍內(nèi)，但是假設(shè)單個故障條件下，某些變量存在超出約束范圍的可能；緊急狀態(tài)是指系統(tǒng)各變量發(fā)生越界；恢復狀態(tài)是指系統(tǒng)中某些負載被切除而處于待恢復的狀態(tài)［26］。

在安全正常運行狀態(tài)下，能量管理以經(jīng)濟運行為目標，保持系統(tǒng)安全狀態(tài)下系統(tǒng)運行代價最小；在警戒狀態(tài)下，能量管理以提高系統(tǒng)的安全性為目標，提出預防控制策略；在緊急狀態(tài)下，能量管理以保持系統(tǒng)穩(wěn)定為目標，通過緊急控制迅速恢復系統(tǒng)安全或警戒運行狀態(tài)，但直接從緊急狀態(tài)恢復到安全或警戒狀態(tài)難以實現(xiàn)，系統(tǒng)將進入恢復狀態(tài)，時系統(tǒng)滿足穩(wěn)定與安全約束，但部分負載將停運［4，6］。

基于不同的目標函數(shù)和控制變量，能量管理方法可分為發(fā)電調(diào)度、負荷管理、電壓/無功控制和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)四類方法，由于單個控制方程參考值的調(diào)整并不一定能滿足所有的安全約束，故衍生出不同方法之間的協(xié)調(diào)控制［4，6］。

在發(fā)電調(diào)度方面，主要以減少長期平均油耗為目標，建立最優(yōu)發(fā)電調(diào)度的離散時間馬爾可夫決策模型，通過動態(tài)規(guī)劃算法獲取最優(yōu)調(diào)度解［27］；在負荷管理方面，主要考慮系統(tǒng)運行約束、負荷優(yōu)先級以及脈沖負荷變化對電能質(zhì)量的影響，以最大化電力負荷為目標，建立了動態(tài)負荷管理模型，并基于人工勢能函數(shù)的多代理系統(tǒng)協(xié)同控制方法，給出了直流區(qū)域負荷開關(guān)狀態(tài)的控制策略，通過PSCAD/EMTDC 驗證了其可行性［28～32］；在電壓/無功控制方面，美國密蘇里科技大學實時電力與智能系統(tǒng)實驗室的Mitra Pinaki等提出了一種新的基于人工免疫系統(tǒng)的自適應(yīng)控制策略應(yīng)用于全電船配電靜止同步補償器［33］；在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方面，德克薩斯大學的Jayabalan R.和Fahimi B。致力于減少系統(tǒng)重構(gòu)和恢復時間［34］，通用電氣全球研究部的Seenumani Gayathri側(cè)重于為全電船的動態(tài)重構(gòu)提供框架［35］，而堪薩斯州立大學電氣與計算機工程系的Das Sanjoy等則側(cè)重于負荷開關(guān)的重構(gòu)順序［36］；在各種方法協(xié)調(diào)控制方面，組合式控制研究主要有發(fā)電機出力與負荷共同調(diào)度［37］，發(fā)電調(diào)度與電壓控制［38］，發(fā)電機出力、負荷共同調(diào)度與電壓控制［39］。

國內(nèi)艦船綜合電力系統(tǒng)能量管理方面的研究成果較少，基本上集中在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與恢復控制方面［24，40］，僅文獻［41］提出了不同工況下對VIPS的動態(tài)優(yōu)先管理策略，文獻［42］總結(jié)了VIPS的能量管理研究現(xiàn)狀和混合動力船舶推進系統(tǒng)的能量管理策略研究情況。

上述研究圍繞VIPS的能量管理展開，主要包括安全正常運行狀態(tài)下的系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度與控制和故障后的恢復控制與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，而涉及預想故障或特定工況條件下的預防控制策略較少。

4 艦船綜合電力系統(tǒng)預防控制研究

對于立足作戰(zhàn)使命的艦船綜合電力系統(tǒng)而言，不安全正常運行情況下的預防控制方法與策略研究能夠提升艦船的運行安全性和戰(zhàn)斗力，具有很強的應(yīng)用價值。隨著VIPS的工程應(yīng)用，其新結(jié)構(gòu)、新裝置、新模式對系統(tǒng)運行安全提出了新課題，而不安全正常運行情況下的預防控制方法與策略研究則是保證其供電連續(xù)性和系統(tǒng)安全與穩(wěn)定不可或缺的一環(huán)，有必要根據(jù)特定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)要求建立滿足安全約束的VIPS預防控制模型。

雖然VIPS在能量管理方面的研究不在少數(shù)，尤其是國外已經(jīng)進行了相關(guān)的理論嘗試與實船應(yīng)用，但是其中關(guān)于預防控制方法的相關(guān)研究相對較少，而常規(guī)電力系統(tǒng)和獨立電網(wǎng)的相關(guān)研究成果可以作為VIPS預防控制研究的有益借鑒。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)預防控制研究主要集中在功角暫態(tài)穩(wěn)定預防控制和電壓暫態(tài)穩(wěn)定預防控制等方面，具體的控制策略包括發(fā)電量的重新調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)開關(guān)操作、無功補償和切負荷等。

對第①層級案例的資料收集整理可見，鄉(xiāng)村民宿建造呈現(xiàn)3種模式：對老民居進行改造（暮云四合院、慢屋·攬清等），偏重參考當?shù)孛窬舆M行解構(gòu)抽象后新建（即下山），又或者偏重結(jié)合對場地條件的認知來進行新建（40英尺）。以上可看出鄉(xiāng)村民宿的設(shè)計現(xiàn)有代碼2）包含了當?shù)貍鹘y(tǒng)民居的本體與其抽象內(nèi)涵、場所條件。從符號學角度來說，人們對傳統(tǒng)民居的印象已經(jīng)形成一種現(xiàn)有意識，是隱含于人們大腦中的慣用語體系，是一種既有信息的來源。此外，地塊的現(xiàn)狀條件（包括地形、氣候、文化等）作為一種長久滲透生活的要素，也是鄉(xiāng)村民宿表義設(shè)計中必不可少的歷時性因素。

4.1 功角暫態(tài)穩(wěn)定預防控制

傳統(tǒng)的功角暫態(tài)穩(wěn)定預防控制主要通過調(diào)整系統(tǒng)發(fā)電量來達到預防控制的目的。功角暫態(tài)穩(wěn)定預防控制模型往往建立在基于功角穩(wěn)定約束的最優(yōu)潮流模型的基礎(chǔ)上，故根據(jù)模型分析方法的不同，功角暫態(tài)穩(wěn)定預防控制的研究主要有暫態(tài)穩(wěn)定裕度及其靈敏度分析和模式識別等方法。

在暫態(tài)穩(wěn)定裕度及其靈敏度分析法方面，主要以提高發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定裕度和調(diào)整發(fā)電機有功輸出為目標，采用基于等面積準則或擴展等面積準則對發(fā)電機的暫態(tài)穩(wěn)定裕度及其靈敏度進行了分析［43～48］；也有學者從暫態(tài)仿真的角度，以優(yōu)化控制成本為目標，提出了變參數(shù)追蹤（Parameter-Switching Tracing，PST）的暫態(tài)穩(wěn)定分析與控制方法［49］。

在模式識別法方面，土耳其伊斯坦布爾科技大學的Istemihan Genc等以燃油經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，提出了一種通過決策樹規(guī)則確定決策變量空間安全域與安全邊界的方法來制定預防控制措施，該方法利用基于相角穩(wěn)定裕度的靈敏度指標來確定能夠用于重新調(diào)度的發(fā)電機組，將這些發(fā)電機組的輸出功率作為決策樹的知識儲備，通過系統(tǒng)安全分類獲取決策樹的學習集，對于任意一種故障，利用知識儲備來訓練決策樹識別出最影響系統(tǒng)安全的發(fā)電機輸出量，構(gòu)成系統(tǒng)的安全域［50］。

4.2 電壓暫態(tài)穩(wěn)定預防控制

傳統(tǒng)的電壓暫態(tài)穩(wěn)定預防控制是指提前采取措施使得當系統(tǒng)發(fā)生大擾動（如系統(tǒng)故障、失去發(fā)電機和回路的事故）情況下仍能保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，主要通過發(fā)電量的重新調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)的主動重構(gòu)、無功補償和切負荷來提高電壓穩(wěn)定裕度和增加系統(tǒng)無功儲備，達到預防控制的目的。電壓暫態(tài)穩(wěn)定預防控制模型往往建立在基于電壓穩(wěn)定約束的最優(yōu)潮流模型的基礎(chǔ)上，故根據(jù)潮流求解方法的不同，電壓暫態(tài)穩(wěn)定預防控制研究主要有內(nèi)點法和靈敏度分析等方法。

在內(nèi)點法方面，主要以優(yōu)化控制成本和提高電壓的穩(wěn)定裕度為目標，分別考慮切負荷的潮流約束、電壓穩(wěn)定不等式約束和薄弱支路有功功率約束等約束條件，采用預測-校正原始對偶內(nèi)點算法，給出電力系統(tǒng)的預防控制策略［51～52］。

在靈敏度分析法方面，主要以提高電壓穩(wěn)定裕度、最小化無功功率輸出、優(yōu)化控制成本為目標，考慮無功儲備約束、發(fā)電機功率分配因子等，通過電壓穩(wěn)定裕度的靈敏度分析、線性規(guī)劃等方法，建立預防控制的最優(yōu)潮流模型，利用內(nèi)點法進行模型求解，給出預防控制策略［53～58］。

4.3 基于安全分析的預防控制方法

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析方法不能反映電力系統(tǒng)的概率屬性，不能確定系統(tǒng)經(jīng)濟性與安全性的取舍關(guān)系，基于概率和風險理論的安全分析與預防控制方法和基于安全域理論的預防控制方法應(yīng)運而生。

基于概率和風險理論的安全分析與預防控制方法主要考慮線路過載、電壓越限、電壓崩潰以及連鎖故障等幾個方面的風險，以最小化風險指標為目標，通過改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)從而降低系統(tǒng)的運行風險，達到預防控制的目的［59］。根據(jù)考慮風險類型和調(diào)控方法的不同，基于風險的預防控制方法研究主要包括風險指標分析、模糊綜合評估、關(guān)鍵線路辨識法和基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的模型法等。

基于安全域理論的預防控制方法，根據(jù)安全距離和負荷越限等信息，給出了配電網(wǎng)絡(luò)的主動預防策略［60～61］，該方法簡單明了，實時性強，具有很好的工程應(yīng)用前景，可以為直流區(qū)域配電系統(tǒng)中典型不安全正常運行情況的預防控制研究提供有益參考。

因此，文獻［62］和［63］分別針對單臺逆變器故障造成的部分負載失電和逆變器交流側(cè)電動機起動帶來的電流沖擊等問題，對DC-ZEDS進行了相應(yīng)的安全域分析，給出了合理的預防控制策略，保證了系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能實現(xiàn)和穩(wěn)定安全運行。

4.3.1 艦船DC-ZEDS安全域模型分析

針對某典型艦船綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，文獻［62］給出配電系統(tǒng)的安全域模型如下：

為了對上述安全域模型進行簡化分析，假設(shè)所有聯(lián)絡(luò)線路的傳輸容量大于轉(zhuǎn)供的負荷量，k=1.0，根據(jù)N-1安全準則，此時的模型可表示為

此時的安全域存在N個邊界Bl，且Bl為分區(qū)線性不等式，根據(jù)超平面的定義可知，每一個區(qū)域不等式的邊界即為一個歐式空間的超平面，故DC-ZEDS的安全邊界可近似為N個歐氏空間的超平面，而安全域則是由這些超平面圍成的。

4.3.2 考慮電動機啟動的DC-ZEDS最大供電能力模型

分別考慮逆變器之間的直接聯(lián)絡(luò)和相鄰區(qū)域的間接聯(lián)絡(luò)關(guān)系，即電動機所在逆變器交流端負荷的一次轉(zhuǎn)供和考慮同區(qū)域內(nèi)其他聯(lián)絡(luò)逆變器短時過載系數(shù)的二次轉(zhuǎn)供兩種情況，可分別得到相應(yīng)的最大供電能力（Total Supply Capability，TSC）模型如式（3）和式（4）所示［64］。

4.3.3 基于負荷轉(zhuǎn)供的DC-ZEDS預防控制模型

根據(jù)文獻［63］中典型逆變器交流端負荷轉(zhuǎn)供接線情況，分別給出直接聯(lián)絡(luò)逆變器交流端負荷的一次轉(zhuǎn)供預防控制模型和間接聯(lián)絡(luò)逆變器交流端負荷的二次轉(zhuǎn)供預防控制模型分別如式（5）和式（6）所示。

根據(jù)負荷轉(zhuǎn)供預防控制模型給出DC-ZEDS重載詢問流程圖2。

根據(jù)DC-ZEDS重載詢問流程可以給出考慮單臺電動機啟動的DC-ZEDS預防控制策略，將處于臨界安全狀態(tài)的系統(tǒng)恢復到正常安全狀態(tài)，提高系統(tǒng)的供電連續(xù)性，避免可能出現(xiàn)的重要負載失電。

5 結(jié)語

與陸地電力系統(tǒng)相比，艦船電力系統(tǒng)具有有限的發(fā)電容量，動態(tài)負載容量比例大，會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和安全性，尤其是VIPS采用直流區(qū)域配電技術(shù)、電力電子裝置有限的過載能力以及分區(qū)供電的特點，存在逆變器起動電動機等沖擊性負載時的短時電流沖擊等問題。而且，高能武器等沖擊性負載在短時間內(nèi)吸取或釋放大量能量，導致系統(tǒng)電壓和頻率發(fā)生震蕩，使得系統(tǒng)電能品質(zhì)惡化，這些均對系統(tǒng)運行安全提出了新課題。

圖2 直流區(qū)域配電系統(tǒng)重載詢問流程

為了減小系統(tǒng)在特定工況下發(fā)生連鎖故障和保護誤操作的可能性，保證潛在威脅情況下系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，降低系統(tǒng)發(fā)生故障的風險和故障發(fā)生后的影響，需要評估系統(tǒng)的運行狀態(tài)，進而，通過采取相應(yīng)的措施，將處于臨界安全狀態(tài)的系統(tǒng)恢復到正常安全狀態(tài)，提高系統(tǒng)的供電連續(xù)性，避免可能出現(xiàn)的重要負載失電和全系統(tǒng)失穩(wěn)或崩潰等嚴重事故，以及由此帶來的災(zāi)難性后果。因此，有必要針對特定問題進行分析，研究應(yīng)對措施，給出合理的預防控制策略，保證系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能實現(xiàn)和穩(wěn)定安全運行。

VIPS預防控制方法的相關(guān)研究相對較少，而常規(guī)電力系統(tǒng)和獨立電網(wǎng)的相關(guān)研究成果主要集中在功角暫態(tài)穩(wěn)定預防控制、電壓暫態(tài)穩(wěn)定預防控制、基于安全分析的預防控制方法等，具體的控制策略包括發(fā)電量的重新調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)開關(guān)操作、無功補償和切負荷等。其中，基于安全域理論的預防控制方法為VIPS直流區(qū)域配電系統(tǒng)中典型不安全正常運行情況的預防控制研究提供了有益參考，但并未解決高能武器并網(wǎng)帶來的震蕩和沖擊，因此，如何解決掛接于直流主網(wǎng)的不同類型的高能武器負載投入帶來的主網(wǎng)電壓突降等問題是值得考慮的課題。