艦船電力系統(tǒng)中智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用淺析

王 琦 宋曉東 邢 劍 王云鶴

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064 2海軍裝備部，北京100071

艦船電力系統(tǒng)中智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用淺析

王 琦1宋曉東2邢 劍1王云鶴1

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064 2海軍裝備部，北京100071

智能電網(wǎng)技術(shù)具有能量?jī)?yōu)化分配、管理和控制方面的優(yōu)勢(shì)，但是艦船電力系統(tǒng)在能量來源、設(shè)計(jì)理念、可靠性等方面又有著特殊的要求。因此通過重點(diǎn)分析智能電網(wǎng)技術(shù)與艦船電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，探討艦船電力系統(tǒng)應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)技術(shù)的重點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，提出艦船智能電網(wǎng)對(duì)信息集成技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能決策技術(shù)的要求要遠(yuǎn)高于陸地智能電網(wǎng)，而且相應(yīng)的智能裝備研制，也必須考慮到應(yīng)用的特殊環(huán)境，從而需要將自愈、智能對(duì)話、優(yōu)質(zhì)電能、電磁兼容和抗攻擊性作為主要應(yīng)用特征和發(fā)展重點(diǎn)，并重點(diǎn)關(guān)注和解決與之相關(guān)的靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、傳感與測(cè)量技術(shù)、信息化技術(shù)、智能型設(shè)備等關(guān)鍵問題，開發(fā)出能與艦船系統(tǒng)有效結(jié)合的合適的智能電網(wǎng)，充分發(fā)揮智能電網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)艦船先進(jìn)裝備的研制，達(dá)到提高艦船整體作戰(zhàn)能力的最終目的。

艦船電力系統(tǒng)；智能電網(wǎng)；集成

1 引言

艦船電力系統(tǒng)為小型獨(dú)立電力系統(tǒng)，由陸地電力系統(tǒng)派生而來但又有所區(qū)別：艦船電力系統(tǒng)主要采用三相不接地系統(tǒng)，以減小損耗并增加安全性；電制為低壓或中壓等級(jí)，系統(tǒng)和變壓器容量較??；電力網(wǎng)絡(luò)由電纜構(gòu)成，距離較短，僅相當(dāng)于陸地配電網(wǎng)絡(luò)部分；發(fā)電單元較少，系統(tǒng)抗干擾能力稍差，不具備無窮大母線假定條件；負(fù)荷數(shù)量和種類繁多，所需電力接口多樣，許多設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量要求較高；不同工況下系統(tǒng)運(yùn)行方式差異較大［1］。隨著新型負(fù)載的應(yīng)用，艦船的生命力、可靠性備受關(guān)注。同時(shí)，船舶電力系統(tǒng)正在不斷向自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展［2］。艦船電網(wǎng)能否可靠地運(yùn)行直接關(guān)系到艦船的安全。如何增強(qiáng)艦船電網(wǎng)的供電可靠性、提高受擾動(dòng)時(shí)的自愈能力、加快故障發(fā)生后的供電恢復(fù)，一直是艦船電力系統(tǒng)研究關(guān)注的重要方面。

智能電網(wǎng)（Smart Grid，SG），即電網(wǎng)的智能化，是一種使先進(jìn)通信、決策、控制技術(shù)貫穿整個(gè)電力能源生產(chǎn)、分配、消費(fèi)過程的有機(jī)載體。智能電網(wǎng)立足于集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)，通過先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、控制方法、決策支持系統(tǒng)和配套的設(shè)備來增強(qiáng)供電的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等。在能量分配、管理和控制中具有整體協(xié)調(diào)、反應(yīng)快速、運(yùn)行靈活的優(yōu)勢(shì)，滿足艦船電力系統(tǒng)對(duì)能源高效利用和可靠使用的需求。智能電網(wǎng)涵蓋面很廣，但迄今卻沒有一個(gè)公認(rèn)的統(tǒng)一而完整的定義［3］。因此智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也因應(yīng)用對(duì)象而異，必須綜合考慮不同的使用需求和建設(shè)環(huán)境來確定技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)，從而確保智能電網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用對(duì)象兩者結(jié)合的協(xié)調(diào)性。

本文在介紹艦船電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀、特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，立足于艦船的需求，剖析智能電網(wǎng)技術(shù)在艦船電力系統(tǒng)中的發(fā)展重點(diǎn)及特征，并將針對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信技術(shù)、智能新裝備等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在艦船上的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，最后概括智能電網(wǎng)技術(shù)在艦船電力系統(tǒng)中的發(fā)展研究前景和影響。

2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

國(guó)外（主要是美國(guó)）對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行了廣泛的研究［4］，而我國(guó)關(guān)于智能電網(wǎng)方面的研究，則進(jìn)展緩慢［5-8］。目前，智能電網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)象以陸地電力系統(tǒng)為主，研究分析主要基于陸地電力系統(tǒng)的特點(diǎn)。智能電網(wǎng)在艦船電力系統(tǒng)上的應(yīng)用尚處于探討階段，國(guó)內(nèi)艦用智能電網(wǎng)相關(guān)研究幾乎還是空白。

3 艦用智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)及特征

智能電網(wǎng)的概念在提出之初主要針對(duì)陸地大電網(wǎng)，其目的是對(duì)能源進(jìn)行合理利用和獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，但是智能電網(wǎng)本身并沒有一個(gè)固定的發(fā)展模式，其智能化的目標(biāo)主要依照各個(gè)電網(wǎng)的建設(shè)需要來設(shè)置。

對(duì)于艦船而言，智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用必須基于艦船系統(tǒng)的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和發(fā)展需求，有自身的發(fā)展重點(diǎn)和應(yīng)用特征，主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

3.1 自愈

自愈幾乎是各類智能電網(wǎng)最基本的特征，是電網(wǎng)智能化的重要標(biāo)志。自愈性對(duì)于艦船電力系統(tǒng)則有著更加重要意義。因?yàn)榕灤娋W(wǎng)是獨(dú)立電網(wǎng)，在艦船外出執(zhí)行任務(wù)期間，艦船電網(wǎng)不但與外界電網(wǎng)完全孤立，而且發(fā)生故障后進(jìn)行人工修護(hù)的條件也十分有限。所以，具有自愈性的智能電網(wǎng)不僅能提高艦船的可靠性，降低人工干預(yù)，還能帶來較好的軍事效益。

3.2 智能對(duì)話

具備智能對(duì)話功能是實(shí)現(xiàn) “自愈”的必要前提。智能對(duì)話功能指的是控制層跟設(shè)備之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。控制層充分運(yùn)用數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，通過智能的方法對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，盡可能及時(shí)發(fā)現(xiàn)“不健康”因素，并且從整體協(xié)調(diào)的高度出發(fā)采取有效的預(yù)防控制手段，對(duì)設(shè)備狀態(tài)作出相應(yīng)調(diào)整，避免故障發(fā)生或降低故障對(duì)系統(tǒng)的有害影響。

3.3 優(yōu)質(zhì)電能

由于艦船電網(wǎng)用電設(shè)備的日趨數(shù)字化，艦用電氣設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量越來越敏感。提供能夠滿足設(shè)備需求的電能質(zhì)量是艦船智能電網(wǎng)必須具備的又一重要特征，也是實(shí)現(xiàn)高自動(dòng)化的必要條件之一。

電能質(zhì)量通常指電壓或電流的幅值、頻率、波形等參量距規(guī)定值的偏差［9］，其指標(biāo)主要包括電壓偏移、頻率偏移、諧波、電壓驟降和突升等。在艦船電網(wǎng)中采用智能化的手段，可以快速診斷并準(zhǔn)確提出解決任何電能質(zhì)量事件的方案。同時(shí)，在主要諧波源端利用合適的濾波器，可以防止諧波污染送入電網(wǎng)。

艦船電網(wǎng)中使用優(yōu)質(zhì)電能，能夠減少耗能、進(jìn)一步提高用電設(shè)備的動(dòng)作可靠性。

3.4 電磁兼容

儀器設(shè)備的高度集中，是艦船空間局限帶來的必然現(xiàn)象。在有限的空間內(nèi)安裝多種電子儀器，其電磁特性會(huì)相互影響，所以艦船智能電網(wǎng)對(duì)電磁兼容性的要求往往比陸地電網(wǎng)要高得多，各儀器設(shè)備具備好的電磁兼容性能夠相應(yīng)提高電網(wǎng)的控制可靠性。

3.5 抗攻擊

艦船獨(dú)特的任務(wù)使命要求艦船電網(wǎng)必須能夠“抗攻擊”。相對(duì)于陸地電網(wǎng)，艦船電網(wǎng)不僅需要考慮環(huán)境的干擾，還應(yīng)包括對(duì)于戰(zhàn)斗破損的應(yīng)急防御和修護(hù)，抗攻擊性體現(xiàn)為降低物理攻擊和網(wǎng)絡(luò)攻擊的危害，維護(hù)系統(tǒng)的安全。艦船智能電網(wǎng)的安全策略包含威懾、預(yù)防、檢測(cè)、反應(yīng)，從電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制都將強(qiáng)化阻止攻擊的能力，盡量減少和減輕對(duì)電網(wǎng)的影響，進(jìn)而確保船員安全。

4 實(shí)現(xiàn)艦船智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

在現(xiàn)有的艦船上實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)，需要研發(fā)和應(yīng)用一系列關(guān)鍵技術(shù)可以歸納為4點(diǎn)。

4.1 靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

隨著新型設(shè)備的應(yīng)用，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性問題越來越引起關(guān)注，對(duì)艦船電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求也相應(yīng)地提高。靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠有效應(yīng)對(duì)艦船面臨的災(zāi)害性事件，為確保重要負(fù)載的供電連續(xù)性作出貢獻(xiàn)。

靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是智能控制方法實(shí)現(xiàn)的載體。在不同的運(yùn)行工況下，采用智能控制方法來分析、診斷和預(yù)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)，通過及時(shí)調(diào)整、改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來排除、緩解或者避免工況變換引起的能量分配、電能質(zhì)量中可能出現(xiàn)的不妥事件。同時(shí)，在艦船電網(wǎng)中，靈活的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)除了需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓╇娡緩饺哂喽韧猓€應(yīng)該盡可能的讓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，進(jìn)而對(duì)空間進(jìn)行優(yōu)化利用。

4.2 傳感與測(cè)量技術(shù)

傳感與測(cè)量是智能電網(wǎng)必不可少的信息獲取手段，通過傳感和測(cè)量才能夠?yàn)闆Q策系統(tǒng)提供及時(shí)的數(shù)據(jù)信息，用于評(píng)估當(dāng)前狀況。

艦船智能電網(wǎng)中應(yīng)用到的傳感與測(cè)量技術(shù)不但應(yīng)針對(duì)電氣設(shè)備、輸電線狀況信息，還應(yīng)該包括溫度、濕度、鹽度、大氣壓力等環(huán)境信息，同時(shí)對(duì)傳感器本身防腐、抗振能力以及測(cè)量精度也提出了更高的要求。

4.3 信息化技術(shù)

信息化平臺(tái)將為電網(wǎng)運(yùn)行管理提供全方位的信息服務(wù)，也將在艦船智能電網(wǎng)中扮演重要的角色。采用通信系統(tǒng)的開放式架構(gòu)，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)智能傳感器和控制裝置、控制中心、保護(hù)系統(tǒng)和用戶建立一個(gè)安全的“即插即用”的應(yīng)用環(huán)境［10］。只有建立起高速的、全面集成的雙向通信技術(shù)架構(gòu)，才能讓智能電網(wǎng)中的信息網(wǎng)絡(luò)變成一個(gè)動(dòng)態(tài)的、可交互的信息脈絡(luò)，進(jìn)而發(fā)揮智能電網(wǎng)智能控制、總體調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)。

4.4 智能型設(shè)備

與目前艦船中應(yīng)用的裝備不同，智能型設(shè)備必須既能夠向決策系統(tǒng)輸出信息，又能夠接受決策系統(tǒng)的控制信號(hào)，甚至有些智能型裝備應(yīng)該具備“獨(dú)立思考”的能力，當(dāng)某些緊急事件發(fā)生時(shí)，能夠快速執(zhí)行一些救急措施。當(dāng)然，對(duì)于艦船上應(yīng)用的智能型設(shè)備而言，“獨(dú)立思考”的出發(fā)點(diǎn)必須建立在整體效益上，因?yàn)閷?duì)于艦船這個(gè)獨(dú)立電力系統(tǒng)來說，整體利益要比個(gè)體利益大的多，“顧全大局”的思維方式是艦船智能型設(shè)備必須具備的特征。所以，艦船智能型設(shè)備的開發(fā)必須針對(duì)肩負(fù)不同任務(wù)的特定船只，往往不能與陸地電網(wǎng)采用的智能型設(shè)備通用。

5 結(jié) 論

從技術(shù)上講，艦船智能電網(wǎng)應(yīng)該是最先進(jìn)的通信、傳感器、控制等產(chǎn)業(yè)的集成，也是先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)的整體體現(xiàn)，對(duì)于推動(dòng)艦船電力系統(tǒng)新技術(shù)改革具有直接的綜合效果。

結(jié)合艦船特點(diǎn)，發(fā)展智能電網(wǎng)能夠直接或間接地起到如下功效：

1）提高供電效率，減少能量損耗；

2）改善供電質(zhì)量，提高設(shè)備動(dòng)作可靠性和精確度；

3）快速、智能地對(duì)事件作出反應(yīng)，確保對(duì)重要負(fù)載的供電連續(xù)性；

4）提高艦船整體作戰(zhàn)能力；

5）優(yōu)化艇員配置。

艦船智能電網(wǎng)的發(fā)展必須從艦船自身需求和固有特征入手。只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)與艦船系統(tǒng)的有效結(jié)合。其中，對(duì)信息集成技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能決策技術(shù)的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地智能電網(wǎng)，而且相應(yīng)的智能裝備研制，也必須考慮到應(yīng)用的特殊環(huán)境。艦船智能電網(wǎng)的發(fā)展，不僅僅是電氣方面的變化，還會(huì)推動(dòng)艦船系統(tǒng)的整體深度改革。艦船智能電網(wǎng)的發(fā)展必定會(huì)促進(jìn)先進(jìn)裝備的研制，進(jìn)而提高艦船的整體作戰(zhàn)能力。

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Application of Smart Grid Technology to Shipboard Power System

Wang Qi1Song Xiao-dong2Xing Jian1Wang Yun－h(huán)e1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064， China 2 Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China

Smart Grid （SG） has a range of advantages in power distribution， management and control.But shipboard power system poses specific requirements on power source， design and reliability.The purpose of this paper is to address the adaptability issue of SG technology and shipboard power system，with discussion on the design aspects that is pivotal to the application of naval power system and SG technology integration.SG technology applied in ship plays more demanding requirements on information integration， real－time monitoring， intelligent decision－making than that ever used in land.Smart devices must also be adaptable to the special environment in ship， with main characteristics of self－h(huán)ealing，smart intercommunion， high quality of power， electromagnetic compatibility and anti－attack capability.Key issues concerning to flexible grid infrastructure， sensor and measurement，information communication and smart devices are highlighted in this paper.Developing a SG capable of integrating with shipboard power system and taking full advantage of this technology will drive the requirement for the stateof－the－art system development and finally enhance the overall combat ability of warship.

shipboard power system；Smart Grid；integration

U665.12

A

1673－3185（2012）02－72－03

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.013

2011-08-01

王 琦（1982－ ），女，博士，工程師。 研究方向：艦船電氣。E-mail：wjwhwq＠126.com

宋曉東（1976－），男，工程師。研究方向：裝備管理。

王 琦。

［責(zé)任編輯：喻 菁］