多電站多分區供配電系統設計準則研究

壽海明，關 濤，許軼楠

應用研究

多電站多分區供配電系統設計準則研究

壽海明，關 濤，許軼楠

（海軍研究院，北京 100161）

隨著系統容量的增加，艦船電力系統供配電形式正向多電站多分區的區域供配電技術方向發展，傳統基于前后電站、左右分區電力系統的設計原則、配電方式、標準規范已不能完全適用。本文在典型船舶電力系統特點及發展趨勢分析基礎上，研究了現有標準體系的主要問題，提出了多電站多分區供配電系統基本設計準則。

電力系統 多電站 多分區 設計準則

0 引言

隨著我國艦船用電設備不斷增多，用電規模不斷增大，在大型艦船中采用多電站多分區供電模式已逐漸成為主流形式。傳統的基于前后雙電站、左右雙分區的電力系統按100%電站冗余設計的設計原則、配電方式、標準規范已不能完全適用，而應根據實際情況優化設計。為滿足大型船舶用電需求，針對大容量多電站多分區供配電系統，建立合適的電力系統供配電設計準則，研究提出合適的連續供配電方案迫在眉睫。

1 多電站多分區電力系統典型應用樣式

二十世紀九十年代初，美國海軍研究提出區域配電網絡結構，交流區域配電網絡結構迅速得到了推廣應用，自1993年起先后應用于DDG51驅逐艦后續艦、LPD－17、LHD-8兩棲艦、CVN21航空母艦，交流區域配電已成為美國海軍艦船配電網絡標準型式之一。

美國阿利·伯克級驅逐艦已建造三型：I型（DDG51-71）、II型（DDG72-78）、IIA型（79-112），其中I、II型主要采用環形配電方式，IIA型則均采用交流區域配電方案。DDG79-90艦交流區域配電系統如圖1所示，全艦設置3個電站，15個負載中心，配電網絡通過左右兩舷兩條交流主電纜為全艦15個負載中心供電；DDG91級后續艦增加至22個負載中心。這種配電網絡結構可以根據負載和總體布置需要向兩側不斷延伸，系統拓展性較強，但是這種可拓展性也造成了配電系統監控復雜性不斷增加。

圖1 美國DDG79-90艦交流區域配電系統結構圖

福特號航母是美國最新一代核動力航母，該艦代表了目前美國航母技術發展的最新成就，其滿載排水量10萬噸級，全艦設置4個電站，2個汽輪機電站，各配置了2臺大功率汽輪發電機組；2個柴油機電站，各配置了2臺應急柴油發電機組，電站總功率達到了百兆瓦級，是目前電站容量最大的艦船。福特號航母主電網采用中壓交流電制，通過分布在全艦的多個區域配電中心和4套中壓主配電板組向全艦負荷供電；低壓電網采用交流區域配電方式，配置了數十臺中壓變壓器，從區域配電中心取電并將13.8 kV中壓交流電能轉換為450 V低壓交流電能，接入各區負載中心（LC）。

朱姆沃爾特級大型驅逐艦是美國DD21、DD(X)項目的延續，該艦排水量約1.5萬噸，最大航速大于30節。朱姆沃爾特級驅逐艦是第一艘采用綜合電力系統的萬噸級驅逐艦。發電模塊采用2臺36 MW的MT-30燃氣輪機發電機組和2臺4 MW的RR-4500燃氣輪機輪機發電機組；主電網電壓等級為交流4160V。該艦低壓網絡采用直流區域配電系統[1~3]，如圖2所示，全艦分為若干分區。其中PCM-4將中壓交流4160 V變換成直流1000 V，功率為1.5 MW不等；PCM-1將直流1000 V電制變換成直流800 V電制，功率為750 kW不等，實現直流區域配電；PCM-2將直流800 V電制變換成交流60 Hz，功率500 kW不等，或者變換成400 Hz滿足不同負載電力需求。

鑒于直流區域配電系統的諸多優點，國內也在積極開展直流區域配電系統相關技術研究，有關院校在該系統頂層設計、運行特性分析、系統穩定性、系統保護等方面開展了深入的研究工作[5]。

圖2 美國朱姆沃爾特級驅逐艦直流區域配電系統

2 艦船供配電系統現有標準體系及存在問題

一是現有國家軍用標準體系的適用范圍難以滿足當前艦船發展需求。當前，艦船電力系統設計、研制、使用，總體上遵循國家軍用標準《艦船通用規范》GJB4000-2000，在科研、生產和使用中正在發揮重要作用；2002年～2019年期間，又進行了多次修改，基本可以滿足常規船舶電力系統工程應用需求。但是，當前船舶電力系統容量快速增長，電力系統電制已經推廣到中壓交流、直流等多種電制。GJB4000-2000中規定的設計準則，如供電的連續性和安全性、供電生命力、系統線制和電制等均難以適應當前艦船發展需求。

二是現行標準對于多電站多分區供配電系統有較大的局限性。隨著供電區域的增多，傳統的基于前后電站、左右分區的電力系統設計原則、配電方式、標準規范已不能完全適用。例如，根據生命力設計要求，雙電站、雙分區按100%電站冗余設計，前電站戰損退出運行，后電站仍能滿足全艦滿負荷用電需求，因此設置左右兩舷電源轉換裝置可無需考慮電源過載問題。但是采用多電站多分區電力系統，由于系統容量較大，按100%冗余設計總體資源過于浪費；且對于n個獨立分區的系統，一個分區故障退出，系統容量只損失1/n，適當考慮容量冗余即可保證全艦用電需求。因此，對于多電站多分區系統，原有標準體系和設計準則已不適用，應根據實際情況優化設計。

三是當前國家軍用標準體系尚缺乏綜合電力系統設計、研制、試驗和使用要求的相關標準。制定科學、適用和有效的標準，是在工作實踐中貫徹實施標準、充分發揮標準作用，以標準為準則全面落實質量管理要求，以標準為依據實現科學論證，取得預期的軍事效益的前提。制定裝備標準，需要針對裝備論證的科學發展和規范化管理的實際需要，以長期積累的專業技術和論證工作成果為基礎，以行業或者專業標準體系表為依據，通過研究、計算、試驗、仿真、借鑒等多種技術手段，固化成熟的技術與經驗成為技術準則。我國綜合電力系統技術發展路線與美國等發達國家有較大差異，是一種全新的技術體系，只能自己建標，沒有捷徑可走。

四是現行標準對于電力系統供電間斷的處理已難以滿足現代化裝備的發展需求。GJB4000-2000規定，重要設備采用多路電源供電，從正常電源轉接至備用電源的轉換時間一般應在0.5~20 s的范圍內；從正常電源轉接至應急電源的轉換時間一般應在10~30 s的范圍內；對向大容量動力負載供電的特殊有限間斷電源，最長轉換時間不應超過2 min。當前，艦船設備信息化、電子化程度越來越高，對供電連續性的要求也越來越高，電力電子裝備對供電連續性的要求通常在10 ms以內。對此，通常有三種做法：一是為每套信息化設備分布配置一套不間斷電源系統，臨時支撐設備不間斷運行；二是艦船平臺集中統一配置一套不間斷電源系統，支撐重要設備的不間斷運行；三是配置快速電源轉換裝置，對失電區域通過快速電源轉換裝置實現不間斷電源轉換。前兩種做法均需要占用較多的總體資源，蓄電池需要定期更換；第三種做法一般基于固態開關實現，可靠性不如機械轉換裝置，同時會增加一定損耗，但相對來說總體資源可以得到優化。例如，美國DDG51級驅逐艦采用固態電源轉換裝置作為重要負載的電源轉換開關，其轉換時間為約為5 ms。該裝置還具有集中監控和管理功能，能夠在頂層對重要設備的供電電源進行優化配置和管理。

綜合分析，當前國家軍用標準GJB4000-2000在針對多電站多分區艦船電力系統方面存在的局限性突出表現在兩個方面：一是對艦船電力系統生命力的考慮對于論證、設計、使用多電站多分區電力系統方面不盡合理；二是對于艦船電力系統供電連續性難以滿足當前日益發展的信息化電子設備類負載的供電連續性要求。

圖3 美國DDG51級驅逐艦采用的SABT固態轉換裝置

3 多電站多分區供配電系統的設計準則 研究

多電站多分區供配電系統設計與傳統單電站或雙電站左右兩舷供配電方式發生了較大變化，現有的GJB4000-2000難以有效支撐裝備論證、設計和使用需求。在新的裝備論證、設計和使用中，應根據新技術新方案的應用，綜合評估使用要求，合理配置系統設備和網絡結構，提升電力系統的生命力和供電可靠性、連續性，充分發揮系統效能。結合國內外多電站多分區供配電系統的典型應用樣式和關于電力系統生命力、供電連續性要求的現狀分析，我們認為在多電站多分區供配電系統論證和設計中應重點考慮供電生命力設計、供電連續性設計、功率儲備設計等方面設計因素，在原則遵循GJB4000-2000標準基礎上，進行合理優化和調整。

1）系統生命力設計

對照電力系統生命力要求，多電站（至少3個電站）多分區供配電系統論證和設計中建議遵循以下原則：一是電力系統的生命力要求應與艦船生命力等級相匹配。電力系統生命力是艦船生命力的重要組成部分，它為許多重要戰斗器材設備提供能源，是確保遭受戰斗破損和事故破損情況下重要戰斗器材設備繼續保持系統功能的基本保障，因此艦船電力系統生命力應適當高于電動武備、主要電動技術裝備的生命力，與平臺總體生命力相匹配。二是任一單個電站容量儲備至少應能夠滿足艦船重要負荷即一級負荷的供電需要，以保障艦船生命力，并保障自身供電能力的恢復。三是加強區域配電網絡重構的信息化、智能化，合理匹配網絡層級和電力負荷重要設備優先級，避免產生級聯雪崩效應。

2）系統供電連續性設計

綜合分析我國艦船電力負載發展現狀，借鑒國外艦船先進配電技術經驗，對于多電站多分區供配電系統連續性設計提出以下設計原則：一是應根據艦船的不同使命、不同的電站和供電區域設置和配置、重要用電設備的數量、容量和排序以及供電轉換的延時許可等來合理確定所采取的主備電源轉換配置方案，或合理配置有限間斷電源裝置的供電范圍。二是當有限間斷電源的使用受到備用供電區域的容量限制時，對未采用有限間斷電源供電的重要用電設備應通過手動轉換開關實現兩路或多路供電，以確保在各種不同工況(如停泊、巡航、功能和應急工況)下對重要用電設備的供電連續性和可靠性。三是應根據負載類型和負載重要級別采取措施控制典型斷電時間，避免突然轉移負載對正常供電區域產生沖擊。

3）系統功率儲備設計

電力系統的功率儲備用于描述配置電站的電站總功率與艦船全功能戰斗工況下所需電力負荷的關系，是反應電力系統戰損或故障情況下，剩余系統能夠滿足艦船功能執行能力的重要指標。結合當前我國艦船發展實際，多電站（至少3個電站）多分區供配電系統論證和設計建議遵循以下原則：一是多電站多分區供配電系統的功率儲備設計應對照艦船生命力等級和電力系統生命力等級進行設計。論證和設計階段，應結合電力負荷統計計算不同戰損條件下重要負載的電力負荷，分層級進行統一配置管理，合理匹配各種典型戰損情況下的電力系統供配電能力。二是多電站供配電系統的功率儲備設計應與艦船不沉性要求相適應，滿足總體不沉性要求的條件下，能夠通過網絡重構盡量恢復重要設備供電能力。三是多電站多分區供配電系統的功率儲備設計應綜合分析各種戰損情況下的功率儲備要求，沒有特殊情況下，應按最嚴酷、最高功率儲備要求進行設計。

4 小結

現代武器裝備均以電能為基本能源，為此艦船電力系統容量需求越來越大，艦船電力系統采用多電站多分區供配電方案成為裝備和技術發展的重要趨勢。我國在多電站多分區供配電系統方面的研究和體系建設還比較薄弱，尚缺乏與之配套的標準體系和設計準則，還處在邊研究邊發展的階段特別是對電力系統功率儲備、生命力要求等方面還有爭議。本文分析了多電站多分區供配電系統的典型樣式、技術特點，并對現有標準體系及存在的問題進行了分析，在此基礎上提出了艦船多電站多分區供配電系統幾點設計準則的基本考慮。

[1] Doerry H, Fireman H. Designing all electric ships[C]. Proceedings of the Ninth International Marine DesignConference, 2006: 475-498.

[2] Seetharama R R, Anurag K S, Suresh C S, et al. Smallsignal stability analysis of a shipboard MVDC powersystem[C]. IEEE Electric Ship Technologies Symposium, Maryland, USA, 2009: 135-141.

[3] Kevin P L. Intelligent diagnostic requirements offuture all electric ship integrated power system[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2007, 43(1): 139-149.

[4] 馬偉明等. 電力電子在艦船電力系統中的典型應用, [J], 電工技術學報, 2011, 26(05).

[5] 張懷亮, 呂敬高, 王瑞田等. 艦船綜合電力系統直流區域配電實驗研究[J]. 船電技術, 2013, 33(06).

Study on Design Principles of Ship Electric Power Distribution System of Multiple Stations and Distribution Zones

Shou Haiming，Guan Tao，Xu Yinan

(Navy Research Academy, Beijing 100161, China)

TM73

A

1003-4862(2021)04-0032-04

2020-10-09

壽海明(1979-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣工程。E-mail: 55541002@qq.com