基于N-1＋1準(zhǔn)則的艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理性量化評估研究

王志飛

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢 430060）

0 引言

對艦船電力系統(tǒng)的基本要求在于，系統(tǒng)能以規(guī)范規(guī)定的品質(zhì)向全艦電力負(fù)荷連續(xù)供電。可見，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是否合理，電力負(fù)荷供電連續(xù)性水平是最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)單位通常均對負(fù)荷供電連續(xù)性給予了充分的考慮，但是，連續(xù)性水平究竟如何，并沒有給出一個(gè)量化的數(shù)據(jù)。事實(shí)上，在艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并沒有進(jìn)行過類似研究，迄今沒有一個(gè)量化計(jì)算的方法和評判標(biāo)準(zhǔn)。對于傳統(tǒng)艦船，如國內(nèi)已建的各型驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦，因?yàn)槠潆娏ο到y(tǒng)容量較小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，借鑒國外艦船電力系統(tǒng)及已有艦船電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)即可完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)并使得系統(tǒng)具備較好的供電連續(xù)性，對供電連續(xù)性的量化數(shù)據(jù)要求不高。但是對于未來大型、特大型艦船的大容量、特大容量電力系統(tǒng)以及艦船綜合電力系統(tǒng)等新型電力系統(tǒng)，國內(nèi)甚至國外的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)有限，如果按照以前的做法直接完成設(shè)計(jì)，將很可能因?yàn)楣╇娺B續(xù)性考慮不足而導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)、甚至整艘艦船設(shè)計(jì)的失敗，給我海軍事業(yè)發(fā)展帶來不可估量的負(fù)面影響。

為了評價(jià)艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性，同時(shí)也是為了就艦船電力系統(tǒng)供電連續(xù)性水平給出一個(gè)可供參考的量化計(jì)算結(jié)果，本文開展了以負(fù)荷失電概率為主要計(jì)算指標(biāo)的艦船電力網(wǎng)絡(luò)合理性量化判斷方法研究。

1 N-1+1準(zhǔn)則

為了計(jì)算艦船電力系統(tǒng)負(fù)荷失電概率，本文采用了逐一模擬負(fù)荷供電故障，進(jìn)而尋找恢復(fù)供電路徑的研究思路，為此，借鑒了陸地電力系統(tǒng)N-1+1規(guī)則。

所謂N-1+1規(guī)則，就是當(dāng)一條線路發(fā)生故障而被切除時(shí)（在本項(xiàng)工作中故障的發(fā)生以相應(yīng)的開關(guān)斷開模擬），需要閉合一個(gè)開關(guān)以恢復(fù)供電，即斷一合一。具體流程圖如圖1所示：

2 基于 N-1+1準(zhǔn)則的艦船典型電力網(wǎng)絡(luò)合理性量化計(jì)算分析

簡化環(huán)形船舶典型電力網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。根據(jù)圖1所述N－1＋1規(guī)則分析流程編制了仿真程序，對圖2典型網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷失電概率進(jìn)行了計(jì)算。各發(fā)電機(jī)、聯(lián)絡(luò)線路、負(fù)荷額定容量（標(biāo)幺值）及負(fù)載優(yōu)先等級如表1所示。

圖2 船舶綜合電力系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖

故障前主供電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)為：發(fā)電機(jī)G1，G3，G4通過聯(lián)絡(luò)線和聯(lián)絡(luò)開關(guān)并聯(lián)運(yùn)行，發(fā)電機(jī) G2停機(jī)，推進(jìn)負(fù)荷L2按滿額定功率投入運(yùn)行，圖中除開關(guān) CB2、CB5、CB13斷開外，其余開關(guān)全部閉合。各負(fù)荷均由正常路徑供電。

該系統(tǒng)包含開關(guān)共62個(gè)，負(fù)荷共26個(gè)，分考慮自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)動(dòng)作和不考慮自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)動(dòng)作兩種情況，計(jì)算了該系統(tǒng)N－1+1規(guī)則下負(fù)荷失電概率，計(jì)算結(jié)果如下：

由上述結(jié)果可見，當(dāng)設(shè)置合理的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)情況下，該系統(tǒng)可以保證重要負(fù)荷、次重要負(fù)荷失電概率為零，一般負(fù)荷失電概率僅為 2.9%，實(shí)例系統(tǒng)供電連續(xù)性水平較高。上述算例同樣證明了N－1+1規(guī)則用于艦船電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理性分析的有效性。

3 基于 N-2+2準(zhǔn)則的艦船典型電力網(wǎng)絡(luò)合理性量化計(jì)算分析

考慮到艦船電力系統(tǒng)使用中，特別是戰(zhàn)斗情況下，極易出現(xiàn)雙重、甚至多重故障，因此，有必要對其在多重故障情況下系統(tǒng)失電概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本文已二重故障為例，將N－1＋1規(guī)則擴(kuò)展為N－2+2規(guī)則，對圖2典型網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷失電概率進(jìn)行了進(jìn)一步計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如下：

由上述結(jié)果可見，當(dāng)二重故障情況下，系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)了重要及次重要負(fù)荷失電情況，但失電概率僅為 4%，實(shí)例系統(tǒng)在二重故障下仍然保持了較高的供電連續(xù)性水平。上述算例同樣表明，對于二重故障下艦船電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理性分析，可以采用在 N－1＋1規(guī)則基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的 N－2＋2規(guī)則。

4 結(jié)論

借鑒陸地電力系統(tǒng)N－1＋1規(guī)則，對艦船典型電力網(wǎng)絡(luò)供電連續(xù)性進(jìn)行了量化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，該量化指標(biāo)可以有效地反應(yīng)系統(tǒng)供電連續(xù)性水平。在此基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)艦船電力系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，方便分析系統(tǒng)在戰(zhàn)斗損傷等情況下可能出現(xiàn)的多重故障時(shí)的供電連續(xù)性，在N－1＋1規(guī)則基礎(chǔ)上提出了N－2＋2規(guī)則，以二重故障為例，對艦船典型電力網(wǎng)絡(luò)供電連續(xù)性進(jìn)行了量化計(jì)算，結(jié)果同樣表明，得到的量化指標(biāo)合理有效。本文的工作可以為艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理性評估提供有益的理論支撐。

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