论文部分内容阅读
【摘要】介绍了船舶综合电力系統实验室建设的必要性，说明了船舶综合电力系统的体系结构、组成及其可靠性，给出了监控体系结构以及基于VC++的部分监控界面。所建设的船舶综合电力系统实验室达到了预期目标，为师生进行相关学科的科学实验、研究提供了必要且较完善的平台。
【关键词】船舶;综合电力系统;可靠性;智能监控
引言
随着船舶电气化程度的不断提高，船舶电力系统的系统容量将不断上升，这使得传统的树型、放射型和混合型供配电网络形式成为影响船舶电力系统可靠性、稳定性和生命力的主要因素之一，同时使船舶建造成本上升，并会导致穿过隔舱壁的电缆数目增加，造成船舶耐压隔壁开孔密封问题。船舶综合电力系统可有效地解决这些问题[1]。
综合电力系统是国外舰船电气工程领域首先提出的新概念，是将舰船发供电与推进用电、舰载设备用电集成在一个统一的系统内，从而实现发电、配电与电力推进用电及其它设备用电统一调度和集中控制[2]。
综合电力系统可提高船舶电力系统的可靠性、稳定性和生命力，并可降低造船费用，提高造船效率。作为具有鲜明船舶行业特色的高校，为了更好地为船舶工业的发展提供人才保障和智力支撑，应紧跟时代的发展，不断地提高教学、科研水平。目前江苏科技大学的船舶电气类实验仅有船舶电站实验室，该实验室设备陈旧、简单，仅仅提供了简单的手动准同并车，其它方面完全与现代船舶上的电力系统相去甚远，所以船舶综合电力系统实验室的建设成为学校发展的必然选择。
1.船舶综合电力系统体系结构
为了紧跟船舶电力系统的发展趋势，切实保证船舶供电网络的可靠性和生命力。在参考文献[1-3]的基础上，提出了如图1所示的船舶综合电力系统体系结构。
图1 船舶综合电力系统体系结构示意图
船舶综合电力系统由两个电站和交流环网、直流环网等组成，交/直流电网均分成三个配电区域。
电站由三个10KW发电机组和一个30KW发电机组组成，三用一备;考虑到安全性和维护性，发电机组的原动机采用变频调速异步电动机来模拟。交流发电机组发出的交流电经整流后给直流电网供电。通过逆变器实现在重要交流负载失电时，保证其供电的持续性。
为了实现断路器的简单切换，实现目前民/商用船舶的电力系统仿真，在船舶电站内还配备了传统的负载屏。
2.可靠性分析
随着船舶自动化、电气程度的提高以及舰船电力系统规模的不断增加，船舶电力系统的网络结构日趋复杂，船舶电力系统可靠性问题达到了前所未有的重要度[4]。
陆地电力系统的可靠性分析指标分为负荷点可靠性指标和系统可靠性指标两类[5]。船舶配电系统电力系统虽然与陆地电力系统有较大的不同，但其可靠性分析的指标也分为负荷点可靠性指标和系统可靠性指标两类。
负荷点指标包括：故障率λ（次/年）、年停电总时间U（小时）和平均停电时间R（小时/次）。
系统可靠性指标包括[4][5]：
1）系统平均断电频率（SAIFI）=负荷点断电总次数/负荷点总数，即
指故障率为的设备总数。
2）系统平均断电持续时间（SAIDI）=负荷点断电持续时间总和/负荷点总数，即：
NUi指断电持续时间为Ui的设备总数。
3）平均用电有效度（ASAI）=负荷点用电小时数/负荷点需电小时数，即：
4）平均用电无效度（ASUI）=负荷点缺电小时数/负荷点需电小时数，即：
配电系统可靠性分析一般是先根据电力系统结构建立系统可靠性模型，然后选择合适的方法进行计算。常用的负荷点可靠性评估方法有：并联和串联约简法、关键件分解法、最小路径和最小割集生成法等[6]。
本文中可靠性分析采用最小路径和最小割集生成法，基本步骤是先根据系统结构画出可靠性框图，然后根据可靠性框图针对不同的负荷点建立不同的连接矩阵，通过“节点移除法”将连接矩阵最终转化为2×2阶矩阵，根据2×2矩阵可直接得到最小路径，再根据最小路径运用逻辑非、逻辑与和逻辑或进行逻辑运算得出最小割集，将已知的可靠性参数代入，即可求出负荷点的故障率，具体方法和步骤请参见文献[6]。系统可靠性指标计算较简单，直接应用上述公式即可求得。
将文献[7]中的辐射结构船舶电网改为环形区域配电结构，并采用文献[7]中的可靠性参数进行分析、比较，得出所设计的船舶综合电力系统的可靠性满足实验室的建设要求。
3.监控体系设计
船舶综合电力系统的智能监控系统监控整个综合电力系统的电网，基于系统化、模块化和智能化思想，采用综合集成的方法，将船舶的动力系统、电力推进系统、通信系统等综合成为一个智能化系统，实现信息共享、能量统一调度和控制、各系统设备的协同动作。
系统的监控软件是为了实现配电网络的工作状况的实时状态显示，动态显示各区域配电实时参数，针对越限参数和信号进行声光报警，判断故障所在区域等具体故障信息，并根据特定算法对故障后系统如何重构给出详细建议和进行故障恢复，同时保存或打印实时数据、报警信息以及故障诊断和诊断建议。
监控系统软件采用VC++进行编程。整个系统包括以下几个部分：三区域断路器状态总视图、各区域实时数据与断路器控制、系统供电参数图、报警信息、故障诊断、历史记录等。
其中，三交流区域断路器状态总视图作为交流监控的主界面，用来显示交流配电区域的总状态一览图。断路器的状态分别显示于各个断路器ID后面，三种状态依次是：闭合、断开和故障。每个断路器的状态根据所采集到的数据进行实时更新。断路器的闭合用绿灯表示，断开用黄灯表示，故障用红灯表示。绿灯代表此点各项供电参数状态正常。黄灯代表断路器断开的情况有两种：一是断路器所在线路出现短路、过流，过压等情况，断路器自动进行跳闸动作;二是操作员进行区域配电控制，进行手动断开断路器。红灯代表断路器采集到的数据异常，是由断路器本身故障或者配电区域异常引起的，需要进行人工查修。界面下方的按钮分别用来查看各区域实时数据，历史记录，报警信息以及故障诊断等。 在三个交流区域实时数据显示与断路器控制界面，每个区域包括16个断路器，显示采集到的16个断路器所测量到的三相相间电压和三相相电流，同时将数据添加进到历史记录数据库中。在界面左侧每个对应的断路器都有三个操作按钮，分别是闭合、断开和复位，以便操作员进行手动操作。当数据出现异常时，根据设定的报警值，弹出一个MessageBox 消息提示操作员出现报警，同时将报警时间、区域、断路器ID以及报警详情写进报警信息中，以待查看。当系统区域网络出现故障时，首先判断故障类型，然后根据事先设定的算法，经过程序运算，得出最优的系统重构方案，进行相应的断路器操作和负载的卸载，并将此故障信息和重构方案记录进故障诊断数据库中。
4.结论
船舶综合电力系统技术是多学科交叉的新的技术领域，其研究内容主要包括：船舶电站、电能分配与管理、电力推进、电力系统保护、电力系统故障恢复等，涉及范围广。所建设的船舶综合电力系统实验室达到了预期目标，已成为本科生、研究生和教师验证、研究、创新、承担研究课题、应用开发的重要基地，也将成为江苏科技大学电子信息学院学生学习综合应用信息电子技术、电力电子技术、智能监控技术、通信技术和先进控制技术等的实验基地和科研的实验基地，并将为船舶综合平台管理系统的建设提供有效的接口。
参考文献
[1]钱志刚，李亚旭编译.美国海军用的综合电力系统[J].船电技术，1999（3）：48-60.
[2]马伟明.舰船动力发展的方向——综合电力系统[J].海军工程大学学报，2002（6）：1-9.
[3]陈虹.基于直流配电系统的船舶综合电力系统[J].舰船科学技术，2005.
[4]喻浩，焦绍光.舰船电力系统可靠性研究初探[J].船电技术，2006（4）：21-24.
[5]夏岩，刘明波，邱朝明.带有复杂分支子馈线的配电系统可靠性评估[J].电力系统自动化，2002，26（4）：40-44.
[6]Way Kuo，Ming J.Zuo.Optimal Reliability Modeling-Principles and Applications.John Wiley & Sons，INC.2003.
[7]李紅江，鲁宗相，王淼等.基于可靠性模型的船舶电网拓朴结构对比分析[J].电工技术学报，2006，21（11）：47-53.
【关键词】船舶;综合电力系统;可靠性;智能监控
引言
随着船舶电气化程度的不断提高，船舶电力系统的系统容量将不断上升，这使得传统的树型、放射型和混合型供配电网络形式成为影响船舶电力系统可靠性、稳定性和生命力的主要因素之一，同时使船舶建造成本上升，并会导致穿过隔舱壁的电缆数目增加，造成船舶耐压隔壁开孔密封问题。船舶综合电力系统可有效地解决这些问题[1]。
综合电力系统是国外舰船电气工程领域首先提出的新概念，是将舰船发供电与推进用电、舰载设备用电集成在一个统一的系统内，从而实现发电、配电与电力推进用电及其它设备用电统一调度和集中控制[2]。
综合电力系统可提高船舶电力系统的可靠性、稳定性和生命力，并可降低造船费用，提高造船效率。作为具有鲜明船舶行业特色的高校，为了更好地为船舶工业的发展提供人才保障和智力支撑，应紧跟时代的发展，不断地提高教学、科研水平。目前江苏科技大学的船舶电气类实验仅有船舶电站实验室，该实验室设备陈旧、简单，仅仅提供了简单的手动准同并车，其它方面完全与现代船舶上的电力系统相去甚远，所以船舶综合电力系统实验室的建设成为学校发展的必然选择。
1.船舶综合电力系统体系结构
为了紧跟船舶电力系统的发展趋势，切实保证船舶供电网络的可靠性和生命力。在参考文献[1-3]的基础上，提出了如图1所示的船舶综合电力系统体系结构。
图1 船舶综合电力系统体系结构示意图
船舶综合电力系统由两个电站和交流环网、直流环网等组成，交/直流电网均分成三个配电区域。
电站由三个10KW发电机组和一个30KW发电机组组成，三用一备;考虑到安全性和维护性，发电机组的原动机采用变频调速异步电动机来模拟。交流发电机组发出的交流电经整流后给直流电网供电。通过逆变器实现在重要交流负载失电时，保证其供电的持续性。
为了实现断路器的简单切换，实现目前民/商用船舶的电力系统仿真，在船舶电站内还配备了传统的负载屏。
2.可靠性分析
随着船舶自动化、电气程度的提高以及舰船电力系统规模的不断增加，船舶电力系统的网络结构日趋复杂，船舶电力系统可靠性问题达到了前所未有的重要度[4]。
陆地电力系统的可靠性分析指标分为负荷点可靠性指标和系统可靠性指标两类[5]。船舶配电系统电力系统虽然与陆地电力系统有较大的不同，但其可靠性分析的指标也分为负荷点可靠性指标和系统可靠性指标两类。
负荷点指标包括：故障率λ（次/年）、年停电总时间U（小时）和平均停电时间R（小时/次）。
系统可靠性指标包括[4][5]：
1）系统平均断电频率（SAIFI）=负荷点断电总次数/负荷点总数，即
指故障率为的设备总数。
2）系统平均断电持续时间（SAIDI）=负荷点断电持续时间总和/负荷点总数，即：
NUi指断电持续时间为Ui的设备总数。
3）平均用电有效度（ASAI）=负荷点用电小时数/负荷点需电小时数，即：
4）平均用电无效度（ASUI）=负荷点缺电小时数/负荷点需电小时数，即：
配电系统可靠性分析一般是先根据电力系统结构建立系统可靠性模型，然后选择合适的方法进行计算。常用的负荷点可靠性评估方法有：并联和串联约简法、关键件分解法、最小路径和最小割集生成法等[6]。
本文中可靠性分析采用最小路径和最小割集生成法，基本步骤是先根据系统结构画出可靠性框图，然后根据可靠性框图针对不同的负荷点建立不同的连接矩阵，通过“节点移除法”将连接矩阵最终转化为2×2阶矩阵，根据2×2矩阵可直接得到最小路径，再根据最小路径运用逻辑非、逻辑与和逻辑或进行逻辑运算得出最小割集，将已知的可靠性参数代入，即可求出负荷点的故障率，具体方法和步骤请参见文献[6]。系统可靠性指标计算较简单，直接应用上述公式即可求得。
将文献[7]中的辐射结构船舶电网改为环形区域配电结构，并采用文献[7]中的可靠性参数进行分析、比较，得出所设计的船舶综合电力系统的可靠性满足实验室的建设要求。
3.监控体系设计
船舶综合电力系统的智能监控系统监控整个综合电力系统的电网，基于系统化、模块化和智能化思想，采用综合集成的方法，将船舶的动力系统、电力推进系统、通信系统等综合成为一个智能化系统，实现信息共享、能量统一调度和控制、各系统设备的协同动作。
系统的监控软件是为了实现配电网络的工作状况的实时状态显示，动态显示各区域配电实时参数，针对越限参数和信号进行声光报警，判断故障所在区域等具体故障信息，并根据特定算法对故障后系统如何重构给出详细建议和进行故障恢复，同时保存或打印实时数据、报警信息以及故障诊断和诊断建议。
监控系统软件采用VC++进行编程。整个系统包括以下几个部分：三区域断路器状态总视图、各区域实时数据与断路器控制、系统供电参数图、报警信息、故障诊断、历史记录等。
其中，三交流区域断路器状态总视图作为交流监控的主界面，用来显示交流配电区域的总状态一览图。断路器的状态分别显示于各个断路器ID后面，三种状态依次是：闭合、断开和故障。每个断路器的状态根据所采集到的数据进行实时更新。断路器的闭合用绿灯表示，断开用黄灯表示，故障用红灯表示。绿灯代表此点各项供电参数状态正常。黄灯代表断路器断开的情况有两种：一是断路器所在线路出现短路、过流，过压等情况，断路器自动进行跳闸动作;二是操作员进行区域配电控制，进行手动断开断路器。红灯代表断路器采集到的数据异常，是由断路器本身故障或者配电区域异常引起的，需要进行人工查修。界面下方的按钮分别用来查看各区域实时数据，历史记录，报警信息以及故障诊断等。 在三个交流区域实时数据显示与断路器控制界面，每个区域包括16个断路器，显示采集到的16个断路器所测量到的三相相间电压和三相相电流，同时将数据添加进到历史记录数据库中。在界面左侧每个对应的断路器都有三个操作按钮，分别是闭合、断开和复位，以便操作员进行手动操作。当数据出现异常时，根据设定的报警值，弹出一个MessageBox 消息提示操作员出现报警，同时将报警时间、区域、断路器ID以及报警详情写进报警信息中，以待查看。当系统区域网络出现故障时，首先判断故障类型，然后根据事先设定的算法，经过程序运算，得出最优的系统重构方案，进行相应的断路器操作和负载的卸载，并将此故障信息和重构方案记录进故障诊断数据库中。
4.结论
船舶综合电力系统技术是多学科交叉的新的技术领域，其研究内容主要包括：船舶电站、电能分配与管理、电力推进、电力系统保护、电力系统故障恢复等，涉及范围广。所建设的船舶综合电力系统实验室达到了预期目标，已成为本科生、研究生和教师验证、研究、创新、承担研究课题、应用开发的重要基地，也将成为江苏科技大学电子信息学院学生学习综合应用信息电子技术、电力电子技术、智能监控技术、通信技术和先进控制技术等的实验基地和科研的实验基地，并将为船舶综合平台管理系统的建设提供有效的接口。
参考文献
[1]钱志刚，李亚旭编译.美国海军用的综合电力系统[J].船电技术，1999（3）：48-60.
[2]马伟明.舰船动力发展的方向——综合电力系统[J].海军工程大学学报，2002（6）：1-9.
[3]陈虹.基于直流配电系统的船舶综合电力系统[J].舰船科学技术，2005.
[4]喻浩，焦绍光.舰船电力系统可靠性研究初探[J].船电技术，2006（4）：21-24.
[5]夏岩，刘明波，邱朝明.带有复杂分支子馈线的配电系统可靠性评估[J].电力系统自动化，2002，26（4）：40-44.
[6]Way Kuo，Ming J.Zuo.Optimal Reliability Modeling-Principles and Applications.John Wiley & Sons，INC.2003.
[7]李紅江，鲁宗相，王淼等.基于可靠性模型的船舶电网拓朴结构对比分析[J].电工技术学报，2006，21（11）：47-53.