艦船綜合電力系統(tǒng)分析技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

王守相，孟子涵

天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072

0 引 言

艦船綜合電力系統(tǒng)將傳統(tǒng)上相互獨(dú)立的機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)集成，以全電能形式為推進(jìn)、通信導(dǎo)航、特種作業(yè)和日常設(shè)備等提供能量，使艦船動(dòng)力從機(jī)械化走向電氣化，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)全船能量的精確高效控制，有助于實(shí)現(xiàn)艦船的信息化和智能化，是艦船發(fā)展的重要趨勢，在艦船系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位。

艦船綜合電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸配電、變配電、推進(jìn)、儲(chǔ)能、能量管理6個(gè)分系統(tǒng)組成。根據(jù)各分系統(tǒng)標(biāo)志性技術(shù)特征的不同，可將其劃分為第1代和2代艦船綜合電力系統(tǒng)。第1代艦船綜合電力系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)多為中壓交流和高頻交流；第2代艦船綜合電力系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)多為中壓直流，具有更高的功率密度和運(yùn)行的靈活性，代表了艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。我國采用第2代綜合電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為第1代綜合電力系統(tǒng)分系統(tǒng)設(shè)備供電，構(gòu)成了第1代半艦船綜合電力系統(tǒng)［1］。

本文將主要從潮流計(jì)算、短路故障檢測與分析、恢復(fù)性重構(gòu)、電壓控制與無功優(yōu)化、可靠性評(píng)估以及穩(wěn)定性分析等多個(gè)方面，對(duì)國內(nèi)外艦船綜合電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和成果進(jìn)行梳理及綜述，并進(jìn)行展望，以為后續(xù)開展更為深入的研究提供借鑒和參考。

1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

艦船綜合電力系統(tǒng)將艦船的發(fā)電、供電與推進(jìn)用電、艦載設(shè)備用電集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電、配電和電力推進(jìn)用電及其他設(shè)備用電的統(tǒng)一調(diào)度及集中控制［2］，其組成框圖如圖 1所示［1］。

圖1 艦船綜合電力系統(tǒng)的組成框圖Fig.1 Composition block diagram of the shipboard integrated power system

艦船綜合電力系統(tǒng)與陸地電力系統(tǒng)相比，在如下方面具有突出的特點(diǎn)［1-4］：

1）艦船綜合電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的小型電力系統(tǒng)，沒有外部電網(wǎng)的電力支撐，需要依賴自身的電壓頻率調(diào)整來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

2）電纜線路長度短，線路損耗小，但短路電流大，各設(shè)備耦合緊密，容易互相影響。

3）工況復(fù)雜，負(fù)載變化頻繁，單個(gè)負(fù)載容量大，且在不同工況下的負(fù)載變化量大。

4）工作環(huán)境惡劣，易受攻擊影響，對(duì)供電的可靠性和生命力要求高。

5）含大量電子負(fù)載，對(duì)電力中斷和電能質(zhì)量敏感。

2 潮流計(jì)算

潮流計(jì)算是獲取艦船電力系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要手段。它通過給定艦船綜合電力系統(tǒng)的電氣拓?fù)浜拓?fù)載條件，求解得到各節(jié)點(diǎn)電壓及支路的功率分布，來獲得系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)。艦船綜合電力系統(tǒng)與陸地配電系統(tǒng)相比，既有許多共同點(diǎn)，也有不同之處。共同點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均是輻射狀或弱環(huán)狀，線路的電抗/電阻比值小，必要時(shí)常接有分布式電源和儲(chǔ)能裝置；不同點(diǎn)主要在于艦船綜合電力系統(tǒng)是獨(dú)立系統(tǒng)，沒有外部電源供電，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷占比大，線路短，阻抗小。因此，需要研究適合于這種特殊性的潮流計(jì)算方法。

國內(nèi)外很多學(xué)者將陸地配電系統(tǒng)的前推回代潮流算法予以改進(jìn)，并應(yīng)用到了艦船綜合電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算中。例如，Baldwin等［5］介紹了3種經(jīng)典方法，并提出了一種改進(jìn)的前推回代方法用于輻射型艦船電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算，該方法減少了計(jì)算時(shí)間，提高了求解的收斂性能。Alfred［6］開發(fā)了另一種改進(jìn)的前推回代算法，建立了系統(tǒng)中重要負(fù)載（尤其是電動(dòng)機(jī)負(fù)荷）的模型，并提出了補(bǔ)償艦船綜合電力系統(tǒng)不接地特性的方法。為了處理弱環(huán)結(jié)構(gòu)和多源的情況，Medina等［7］結(jié)合前推回代算法、斷點(diǎn)補(bǔ)償和多電源簡化為一個(gè)電源等方法，解決了系統(tǒng)輻射狀、環(huán)形結(jié)構(gòu)和多源等問題?？弟姷龋?］基于前推回代算法，利用解環(huán)點(diǎn)處電流補(bǔ)償技術(shù)處理弱環(huán)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，采用PV節(jié)點(diǎn)電流補(bǔ)償技術(shù)解決了系統(tǒng)多源的問題。

此外，艦船綜合電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法是在原有節(jié)點(diǎn)法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到。例如，冀欣和Lan等［9-10］針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷特別是電動(dòng)機(jī)負(fù)荷多，且發(fā)電機(jī)組數(shù)量多、容量小以及需考慮其功率分配關(guān)系等特點(diǎn)，提出了改進(jìn)節(jié)點(diǎn)電勢法的潮流算法，該算法具有精度高、收斂速度快、計(jì)算步驟清晰、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。Yeleti和Fu［11］研究了電壓源轉(zhuǎn)換器的控制方式，其采用節(jié)點(diǎn)法中的牛頓—拉夫遜法（Newton-Raphson method）求解了含電壓源轉(zhuǎn)換器的中壓交、直流艦船綜合電力系統(tǒng)的潮流。然而，上述研究未考慮艦船綜合電力系統(tǒng)的不確定性，建立的模型都是確定性模型，且建模相對(duì)簡單，僅有少數(shù)文獻(xiàn)的研究考慮了電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的建模。

在直流系統(tǒng)潮流計(jì)算方面，Su 和 Yeh［12］提出一種基于概率的交、直流潮流安全分析方法，計(jì)算分析了發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的變化；蘭海等［13］建立了系統(tǒng)潮流計(jì)算數(shù)學(xué)模型，并基于直流牛頓—拉夫遜法進(jìn)行改進(jìn)，提出了中壓艦船電力系統(tǒng)的交、直流混合潮流計(jì)算方法。

該領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問題如下：

1）實(shí)際的艦船綜合電力系統(tǒng)復(fù)雜程度很高，而現(xiàn)階段國內(nèi)外進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)采用的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，未來應(yīng)研究更貼近于實(shí)際系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法。

2）在現(xiàn)有的艦船綜合電力系統(tǒng)潮流算法中，對(duì)發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的建模比較簡單，有必要研究獨(dú)立運(yùn)行電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷精細(xì)建模的問題。

3）現(xiàn)有的艦船綜合電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法都是確定性的，其抗干擾能力弱、適應(yīng)性差，未來應(yīng)深入關(guān)注潮流的不確定性研究。

3 短路故障檢測與分析

現(xiàn)代艦船綜合電力系統(tǒng)中，電子負(fù)載越來越多，對(duì)電力供應(yīng)和電能質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格，對(duì)系統(tǒng)故障診斷的快速性和準(zhǔn)確性也提出了更高要求。由于艦船系統(tǒng)需求變化頻繁，不間斷供電是其重要要求。若發(fā)生系統(tǒng)故障，可能會(huì)中斷電力服務(wù)的連續(xù)性，甚至導(dǎo)致電氣設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。因此，故障分析就顯得尤為重要。艦船綜合電力系統(tǒng)可能產(chǎn)生的故障包括單相接地故障、相間故障、兩相接地故障以及三相故障等，當(dāng)發(fā)生上述故障時(shí)，就有必要進(jìn)行故障檢測，分析其對(duì)系統(tǒng)的影響。

早期在硬件方面，有學(xué)者將微處理器用于故障控制，采用連續(xù)熱監(jiān)測裝置和電弧故障探測器來檢測開關(guān)板內(nèi)的電?。?4］。在軟件方面，很多國內(nèi)外學(xué)者通過規(guī)則庫系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測。例如，Momoh 和 Boswell［15］擴(kuò)展了規(guī)則庫系統(tǒng)等控制技術(shù)解決電弧故障的能力，提出了一種防止電弧故障威脅的混合方法。該方法可加速電弧故障的檢測速度，優(yōu)化規(guī)則庫的規(guī)則，但需要進(jìn)行大量的計(jì)算。翁藍(lán)天和晉建廠［16］利用艦員或用電設(shè)備終端上報(bào)的停電信息判斷故障發(fā)生的區(qū)域，提出了一種基于負(fù)荷停電信息的艦船綜合電力系統(tǒng)故障定位方法。

近年來，越來越多的人工智能技術(shù)被應(yīng)用于故障檢測中。例如，Alfred［6］介紹了一種基于多智能體系統(tǒng)的框架，可為故障的快速診斷和分析提供一種工具，這種方法靈活性很高。Li［17］采用多項(xiàng)式混沌理論對(duì)傳感器進(jìn)行驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的高可靠性。針對(duì)傳感器驗(yàn)證涉及故障檢測、隔離以及缺失數(shù)據(jù)重建的問題，胡紅錢等［18］通過以太網(wǎng)彌補(bǔ)現(xiàn)場總線的不足，并結(jié)合相關(guān)性理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量進(jìn)行了監(jiān)測和故障診斷。Chanda和Fu［19］提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、利用故障電壓和電流波形中的瞬態(tài)信息來進(jìn)行故障分類及位置判斷的方法。

同時(shí)，很多國內(nèi)外學(xué)者也研究了中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)的故障檢測問題。例如，Li等［20］提出了一種基于小波變換與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的多分辨率分析技術(shù)，以研究中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)中的故障檢測和分類。Ford等［21］提出了一種基于噪聲模式分析的接地故障定位方法，以分析該故障定位方法對(duì)源—地電容耦合的靈敏度。Soto等［22］對(duì)模塊化多電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行改進(jìn)，提高了中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)在故障隔離和重新供電時(shí)的性能及響應(yīng)時(shí)間。Diendorfer等［23］介紹了一種基于圖論的中壓直流艦船電力系統(tǒng)差動(dòng)故障保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)規(guī)劃和故障隔離步驟生成的方法。

艦船綜合電力系統(tǒng)中開關(guān)整定值的設(shè)置依賴于短路計(jì)算的結(jié)果，因而其供電安全性和可靠性與短路計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大關(guān)系。陸上配電系統(tǒng)短路計(jì)算的等效電壓源法和疊加法等都可用于計(jì)算艦船綜合電力系統(tǒng)短路電流。在艦船綜合電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化下，可采用計(jì)算速度快的等效電壓源法，不過該方法的準(zhǔn)確性不高。在進(jìn)行艦船綜合電力系統(tǒng)短路計(jì)算時(shí)，對(duì)未考慮異步電機(jī)負(fù)荷反充電流與考慮了異步電機(jī)負(fù)荷反充電流的影響進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)考慮了異步電機(jī)負(fù)荷反充電流時(shí)誤差更?。?4］。

該領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問題如下：

1）應(yīng)包含各種故障類型，可采用多智能體或人工智能算法以更準(zhǔn)確地檢測和自動(dòng)識(shí)別故障類型，從而更好地保護(hù)艦船綜合電力系統(tǒng)。

2）艦船綜合電力系統(tǒng)中的電機(jī)負(fù)荷容量大，在計(jì)算短路電流時(shí)，應(yīng)計(jì)及電機(jī)負(fù)荷的饋入電流影響。

4 恢復(fù)性重構(gòu)

當(dāng)艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)生元件損壞或系統(tǒng)故障時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)負(fù)荷尤其是重要負(fù)荷停電，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，艦船綜合電力系統(tǒng)的快速恢復(fù)性重構(gòu)非常重要。故障發(fā)生后，艦船綜合電力系統(tǒng)的恢復(fù)性重構(gòu)是指通過開關(guān)操作，改變其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而隔離系統(tǒng)故障，恢復(fù)丟失的負(fù)荷，同時(shí)可實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的某些性能。艦船綜合電力系統(tǒng)的恢復(fù)性重構(gòu)是典型的多目標(biāo)非線性離散優(yōu)化問題，具有眾多的離散變量和附加約束。艦船綜合電力系統(tǒng)因網(wǎng)絡(luò)損耗較小，一般不以網(wǎng)絡(luò)損失最小化作為重構(gòu)的目標(biāo)。雖然陸地電力系統(tǒng)常將最小化網(wǎng)絡(luò)損耗也作為優(yōu)化目標(biāo)，但兩者顯著不同。

艦船綜合電力系統(tǒng)恢復(fù)性重構(gòu)常見的目標(biāo)函數(shù)包括系統(tǒng)負(fù)荷供電總量、開關(guān)操作代價(jià)、發(fā)電機(jī)效率均衡、負(fù)荷分配失衡度、聯(lián)絡(luò)線容量裕度。

系統(tǒng)負(fù)荷供電總量：

式中：N1，N2和 N3分別為 1，2，3級(jí)負(fù)荷的個(gè)數(shù)，負(fù)荷總數(shù)NL=N1+N2+N3；L1i，L2j和L3k分別為1，2，3級(jí)負(fù)荷的功率；λ1，λ2和λ3分別為1，2，3級(jí)負(fù)荷的加權(quán)系數(shù)；xi，xj和xk分別為1，2，3級(jí)負(fù)荷的供電狀態(tài)。

開關(guān)操作代價(jià)：

式中：yG，yM和yA分別為艦船綜合電力系統(tǒng)負(fù)荷在發(fā)生故障后恢復(fù)過程中操作發(fā)電機(jī)的出口開關(guān)、手動(dòng)開關(guān)以及自動(dòng)開關(guān)數(shù)目；kG，kM和kA分別為對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，且kG＞kM＞kA。

發(fā)電機(jī)效率均衡：

式中：PGi為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率；PGiN為第i臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率額定值。

負(fù)荷分配失衡度：

聯(lián)絡(luò)線容量裕度：

式中：IiN為聯(lián)絡(luò)線i額定電流的有效值。

艦船綜合電力系統(tǒng)恢復(fù)性重構(gòu)的約束條件包括如下：

1）運(yùn)行約束，包含母線電壓約束和支路電流約束：

2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束：

式中：gk為重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；G為所有可行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集合。

鎮(zhèn)長再次見到牛皮糖，是一個(gè)月以后，在鎮(zhèn)上的衛(wèi)生院門口。牛皮糖端著一碗湯米粉蹲在院門口的桂花樹下稀溜溜的喝，鼻涕流下來都顧不上擦。牛皮爹吃早餐？鎮(zhèn)長主動(dòng)的先打招呼。

艦船綜合電力系統(tǒng)在故障條件下的恢復(fù)性重構(gòu)問題作為電力系統(tǒng)重構(gòu)的一個(gè)分支，得到越來越多的機(jī)構(gòu)和學(xué)者的研究。例如，美國德州農(nóng)工大學(xué)的 Srivastava和 Butler-Burry等［25］提出了一種將專家系統(tǒng)理論和地理信息系統(tǒng)故障檢測相結(jié)合的方法，來實(shí)現(xiàn)艦船綜合電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。Huang等［26-27］分別提出了一種利用分布式多智能體系統(tǒng)進(jìn)行艦船綜合電力系統(tǒng)的環(huán)狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的方法。目前，解決艦船綜合電力系統(tǒng)恢復(fù)性重構(gòu)問題的方法分為2類：集中式方法和分布式方法。其中，集中式方法包含啟發(fā)式搜索方法、圖論、網(wǎng)絡(luò)流方法、專家系統(tǒng)等；而分布式方法則指多智能體系統(tǒng)方法。集中式方法容易出現(xiàn)單點(diǎn)失效的問題，而分布式方法則可有效避開單點(diǎn)失效問題，無需迭代計(jì)算，所以可提高信息處理的速度。

此外，也有學(xué)者研究了混合交、直流艦船綜合電力系統(tǒng)的重構(gòu)問題。例如，Bose等［28］提出低復(fù)雜度的凸逼近是求解最優(yōu)解的有效方法；Shariatzadeh等［29］通過考慮負(fù)載優(yōu)先級(jí)、負(fù)載大小以及同時(shí)結(jié)合這兩種情況，在3個(gè)不同的可能場景中對(duì)艦船電網(wǎng)進(jìn)行了重構(gòu)；Zohrabi等［30］提出了一種基于模型預(yù)測控制的非線性中壓直流船舶電力系統(tǒng)重構(gòu)方法；Babaei等［31］設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的模擬退火重構(gòu)技術(shù)；Ouyang等［32］提出了一種適用于艦船電力系統(tǒng)重構(gòu)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃優(yōu)化方法。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)艦船電網(wǎng)重構(gòu)問題做了大量的研究，其將目前流行的一些智能優(yōu)化算法（例如，遺傳算法、粒子群算法等）進(jìn)行改進(jìn)，再結(jié)合艦船電網(wǎng)重構(gòu)的實(shí)例，以取得更好的重構(gòu)效果。如表1所示，現(xiàn)有國內(nèi)研究大多采用單一的智能優(yōu)化算法或其改進(jìn)算法，這些方法尋優(yōu)時(shí)間較長，且研究的艦船綜合電力系統(tǒng)都是確定性的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

該領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問題如下：

1）上述研究多采用遺傳算法、粒子群算法等智能優(yōu)化算法來對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，但人工智能算法的尋優(yōu)時(shí)間較長。因此，需進(jìn)一步通過優(yōu)化或組合，提出既能盡量縮短艦船綜合電力系統(tǒng)重構(gòu)的時(shí)間，又能獲得全局或近似全局最優(yōu)解的算法，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在故障后的快速恢復(fù)，這是今后努力的一個(gè)方向。

2）現(xiàn)階段學(xué)者對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的研究均未考慮不確定性，如何對(duì)這些不確定性信息進(jìn)行符合實(shí)際的表達(dá)和利用，以提高系統(tǒng)恢復(fù)性重構(gòu)結(jié)果優(yōu)化的可信度，是提高重構(gòu)算法適用性的現(xiàn)實(shí)要求。

表1 艦船綜合電力系統(tǒng)重構(gòu)問題的文獻(xiàn)對(duì)比Table 1 Comparison of literatures on the reconstruction of the shipboard integrated power system

5 電壓控制與無功優(yōu)化

電壓質(zhì)量是衡量艦船綜合電力系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，對(duì)全系統(tǒng)和各負(fù)荷的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及基本的日常用電有著很大影響，所以，電壓控制是艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)之一。在艦船綜合電力系統(tǒng)中，電壓水平偏低的一個(gè)重要原因是無功調(diào)節(jié)不合理。若艦船綜合電力系統(tǒng)因負(fù)荷小而產(chǎn)生無功過剩的情況，電壓會(huì)升高，造成系統(tǒng)運(yùn)行成本增加，甚至危及系統(tǒng)和設(shè)備的安全；反之，電壓會(huì)降低，造成系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，負(fù)荷不能正常工作。而實(shí)現(xiàn)無功最優(yōu)補(bǔ)償是解決此問題的重要手段。

針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的電壓控制，Bosich等［42］為解決非線性負(fù)載可能會(huì)引起危險(xiǎn)的電壓振蕩問題，提出了電壓致動(dòng)器方法；Falahi等［43］提出了一種新的基于動(dòng)態(tài)電壓無功控制的系統(tǒng)電壓控制方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)的無功控制輸入，以最大限度地減小電壓偏差。

艦船綜合電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化問題是包含多個(gè)變量、多個(gè)約束的混合非線性規(guī)劃問題，求解此類問題的主要算法包括數(shù)值算法、啟發(fā)式算法和智能算法等。其中數(shù)值算法可用于處理連續(xù)變量，但對(duì)于離散變量的處理存在不足，容易陷于局部最優(yōu)解；智能算法可以很好地處理離散變量。基于數(shù)值算法，唐卓貞等［44］采用現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)法，并在傳統(tǒng)艦船綜合電力系統(tǒng)無功優(yōu)化模型等式約束中增加了線路傳輸功率約束。董龍龍等［45］基于智能算法，采用自適應(yīng)粒子群算法，有效克服了標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法在優(yōu)化過程中前期易陷入局部最優(yōu)、后期收斂速度慢的缺點(diǎn)，使優(yōu)化后的艦船綜合電力系統(tǒng)的電壓分布更加合理，運(yùn)行更安全穩(wěn)定?，F(xiàn)有算法在處理多目標(biāo)優(yōu)化問題時(shí)容易陷入局部最優(yōu)，收斂速度慢，目前的研究還沒能很好地解決無功優(yōu)化的多目標(biāo)權(quán)衡問題。

有學(xué)者將啟發(fā)式算法與數(shù)值算法相結(jié)合，用于解決艦船綜合電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化問題。與其他啟發(fā)式算法相比，Duman等［46］提出的萬有引力搜索算法魯棒性更強(qiáng)，能取得更好的優(yōu)化結(jié)果?？紤]到現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)法主要用于求解大規(guī)模非線性規(guī)劃問題，顧彬騰等［47］提出了萬有引力—內(nèi)點(diǎn)算法來求解艦船綜合電力系統(tǒng)無功優(yōu)化問題，以降低系統(tǒng)的有功損耗，提高系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，使艦船綜合電力系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在直流電壓和功率控制方面，中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)是電壓穩(wěn)定。鑒于此，Sulligoi等［48］提出利用發(fā)電系統(tǒng)作為穩(wěn)定電源的方法來穩(wěn)定中壓直流總線，并提出了一種主動(dòng)阻尼方法。Vicenzutti等［49］介紹了一種中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并針對(duì)中壓直流總線電壓控制問題，提出交流發(fā)電機(jī)+二極管整流器+DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最佳選擇的觀點(diǎn)。Kankanala等［50］提出了2種智能計(jì)算算法：遺傳算法和基于生物地理學(xué)的優(yōu)化方法，并分別用于中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)的最優(yōu)直流電壓和功率控制。Bosich 和 Sulligoi［51］介紹了一種用于混合電力推進(jìn)的低壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)，其利用集中調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了母線電壓調(diào)節(jié)、功率共享和穩(wěn)定性控制。

該領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問題如下：

1）無功優(yōu)化問題是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，但現(xiàn)階段多目標(biāo)無功優(yōu)化模型中對(duì)于多個(gè)目標(biāo)的權(quán)衡問題尚未得到很好的解決，未來需更深入研究基于多目標(biāo)優(yōu)化理論的無功優(yōu)化方法。

2）針對(duì)區(qū)域配電結(jié)構(gòu)的艦船綜合電力系統(tǒng)無功優(yōu)化很少，這是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

3）在艦船電壓小擾動(dòng)控制方面，應(yīng)結(jié)合先進(jìn)的控制方法實(shí)現(xiàn)艦船電壓穩(wěn)定控制，以提升抗干擾能力。

6 可靠性評(píng)估

艦船綜合電力系統(tǒng)的可靠性研究包括2個(gè)層次：一是正常工況下的可靠性評(píng)估；二是戰(zhàn)損情況下的生命力評(píng)估［52］。正常工況下的可靠性評(píng)估是指正常運(yùn)行狀態(tài)下元件或系統(tǒng)在給定條件和時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力；戰(zhàn)損情況下的生命力評(píng)估是指系統(tǒng)在非正常條件以外，仍然可以保持正常狀態(tài)、恢復(fù)供電的能力［53］。對(duì)于作戰(zhàn)任務(wù)的成功和人員的安全問題，可靠性評(píng)估起著至關(guān)重要的作用。艦船綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷可能導(dǎo)致關(guān)鍵負(fù)荷失去供電，甚至對(duì)任務(wù)和人員構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為確保艦船負(fù)荷處于正常狀態(tài)、最小化服務(wù)中斷的頻率，需要對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，以提高系統(tǒng)可靠性。

在艦船綜合電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行期間都應(yīng)對(duì)其進(jìn)行可靠性評(píng)估。在艦船綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，若可能發(fā)生單個(gè)組件故障、供電中斷，其主要取決于2個(gè)因素：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)荷及發(fā)電機(jī)所處的相對(duì)位置。由于艦船綜合電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的小型電力系統(tǒng)，所有負(fù)荷緊密耦合，發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性相互影響很大，因此必須將整個(gè)艦船綜合電力系統(tǒng)作為評(píng)估對(duì)象，采用一體化的可靠性評(píng)估方法。

針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，李紅江等［54-55］采用基于鄰接矩陣的最小割集方法，建立了艦船綜合電力系統(tǒng)通用的可靠性評(píng)估算法，對(duì)輻射狀、環(huán)狀以及區(qū)域配電結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行了定性分析和定量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)區(qū)域配電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性水平高于其他兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。Stevens等［56-57］利用馬爾科夫仿真模型，對(duì)幾種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的艦船綜合電力系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了比較，基于其組件故障導(dǎo)致的設(shè)備負(fù)荷中斷的頻率和持續(xù)時(shí)間，得出了基于一個(gè)半斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)更可靠的結(jié)論，且一個(gè)半斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)整體服務(wù)中斷率比環(huán)形總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中斷率低17.8%，比雙總線、雙斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低40.0%。此外，通過粒子群優(yōu)化算法可確定一個(gè)半斷路器系統(tǒng)的負(fù)荷及發(fā)電機(jī)的相對(duì)位置，進(jìn)一步提高了艦船綜合電力系統(tǒng)的可靠性。Doerry和Amy［58］提出了一種服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)用來幫助設(shè)計(jì)艦船綜合電力系統(tǒng)，并說明影響服務(wù)質(zhì)量的主要因素是原動(dòng)機(jī)的額定值、可靠性及故障點(diǎn)、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備、負(fù)載設(shè)備和系統(tǒng)配置，其所提的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)主要針對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)的選擇，例如發(fā)電機(jī)功率大小和控制接口等。Dubey和Santoso［59］應(yīng)用連續(xù)最小路徑生成算法，設(shè)計(jì)了一種由單一電源或多電源供電的艦船全電力區(qū)域配電電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用的導(dǎo)體少、網(wǎng)絡(luò)可靠性高。Capasso等［60］驗(yàn)證了直流孤島和儲(chǔ)能系統(tǒng)有助于提高整個(gè)艦船電力系統(tǒng)的效率、質(zhì)量和供電連續(xù)性。梅丹等［61］在研究艦船電力系統(tǒng)中元件的可靠性時(shí)，將電源與負(fù)載間連接路徑的可達(dá)性疊加到電網(wǎng)的綜合脆弱性中考慮并進(jìn)行了分析。

針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的運(yùn)行，目前已提出了一系列類似于陸地電力系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。對(duì)于每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，有3個(gè)基本可靠性指標(biāo)：故障率、年停電總時(shí)間和平均停電時(shí)間。對(duì)于全系統(tǒng)，有6個(gè)可靠性指標(biāo)：系統(tǒng)平均斷電頻率指標(biāo)、系統(tǒng)平均斷電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)、平均用電有效度指標(biāo)、平均用電無效度指標(biāo)、系統(tǒng)總電量不足、系統(tǒng)平均電量不足。由于上述可靠性指標(biāo)都是基于陸地電力系統(tǒng)提出的，所以并不能很好地反映艦船綜合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)。

該領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問題如下：

1）未來可以考慮從陸地電力系統(tǒng)變電站借鑒其他拓?fù)浞绞?，并分析研究不同拓?fù)湎掳l(fā)電機(jī)和設(shè)備負(fù)載的位置，以使系統(tǒng)可靠性更高。

2）現(xiàn)階段艦船綜合電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估指標(biāo)都是基于陸地電力系統(tǒng)提出的，未來應(yīng)多提出一些能夠體現(xiàn)艦船綜合電力系統(tǒng)自身特點(diǎn)的可靠性評(píng)估指標(biāo)。

7 穩(wěn)定性分析

艦船綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在正常運(yùn)行工況下受到擾動(dòng)后恢復(fù)到原狀態(tài)或過渡到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)的能力。艦船綜合電力系統(tǒng)負(fù)荷的突變和短路故障等都是有可能影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的擾動(dòng)問題。

國外很多學(xué)者針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題開展了研究。Salehi等［62］的研究表明，不同的脈沖負(fù)荷特性（即負(fù)荷幅值和持續(xù)時(shí)間、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制器主要參數(shù)）會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來影響。Xiong等［63］提出了一種新的基于模塊化多電平型固態(tài)轉(zhuǎn)換器的艦船綜合電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此提高直流母線的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。Zhang等［64］提出了基于量子粒子群算法的艦船電力系統(tǒng)穩(wěn)定器優(yōu)化的方法。

國內(nèi)學(xué)者針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析主要采用時(shí)域仿真算法和基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的直接法。例如，李文才和郝國芬［65］以艦船綜合電力系統(tǒng)的時(shí)域分析為基礎(chǔ)，通過適合的仿真算法，對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；梁世清等［66］主要采用Lyapunov指數(shù)數(shù)值方法定性地對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)雙機(jī)工況下的非線性模型進(jìn)行了研究，分析了當(dāng)系統(tǒng)存在電磁擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)變化的動(dòng)態(tài)過程，給出了系統(tǒng)發(fā)生混沌的條件；方雄偉等［67］采用適用于艦船綜合電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的判據(jù)，同時(shí)考慮了原動(dòng)機(jī)、調(diào)速器和勵(lì)磁器的動(dòng)態(tài)變化與嚴(yán)重故障、運(yùn)行方式切換及大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等因素對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。上述研究或采用時(shí)域仿真算法，或采用基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的直接法，均未將這兩種方法結(jié)合起來進(jìn)行艦船綜合電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的分析。

同時(shí)，在艦船綜合電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性研究方面，有學(xué)者針對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了基于連續(xù)潮流方法的系統(tǒng)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析［68-69］。例如，胡健等［70］提出了同時(shí)考慮增益裕度約束和相位裕度約束的改進(jìn)廣義導(dǎo)抗穩(wěn)定性分析方法。綜上所述，艦船綜合電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性分析的基本模型是電力系統(tǒng)的連續(xù)潮流模型，它本質(zhì)上是將臨界潮流解視為電壓穩(wěn)定的極限，艦船綜合電力系統(tǒng)的失穩(wěn)機(jī)理是恒功率負(fù)載的負(fù)阻特性與電力電子裝置級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的阻抗不匹配。

在直流艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方面，Qi［71］建立了一種用于艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究測試的計(jì)算機(jī)模型，提出了靜態(tài)電壓穩(wěn)定指數(shù)和動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定指數(shù)這2個(gè)新指標(biāo)，分別用于電壓穩(wěn)定性的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。Cooper和Nehrir［72］利用非線性技術(shù)建立了中壓直流艦船電力系統(tǒng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則。Liu等［73］在不平衡和諧波電壓條件下，給出并討論了考慮非線性船艏推進(jìn)器負(fù)載和大功率壓載水泵負(fù)載的艦船實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析了壓載泵啟動(dòng)過程中的電壓下降問題。

該領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的問題如下：

1）針對(duì)大型艦船綜合電力系統(tǒng)仿真速度慢的問題，需要研究提高仿真速度的先進(jìn)手段和新的建模方法。

2）將時(shí)域仿真算法與基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的直接法相結(jié)合，開展艦船綜合電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析。

3）系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定不僅要求系統(tǒng)具有平衡點(diǎn)，而且是小干擾穩(wěn)定平衡點(diǎn)。因此，需要研究脈沖負(fù)載影響艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的機(jī)理。

4）艦船綜合電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載多，未來應(yīng)研究非線性負(fù)載的干擾對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響。

8 結(jié) 語

本文總結(jié)了目前國內(nèi)外關(guān)于艦船綜合電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算、短路故障檢測與分析、恢復(fù)性重構(gòu)、電壓控制與無功優(yōu)化、可靠性評(píng)估以及穩(wěn)定性分析等關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，對(duì)其進(jìn)行了歸類研究。未來我國艦船綜合電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究方向建議如下：

1）考慮到艦船綜合電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中存在許多不確定性因素，未來應(yīng)研究如何對(duì)這些不確定性信息進(jìn)行符合實(shí)際的表達(dá)和利用，進(jìn)而提出考慮了不確定性因素的艦船綜合電力系統(tǒng)區(qū)間仿射潮流算法。

2）艦船綜合電力系統(tǒng)中各元件的建模有待加強(qiáng)，有必要研究獨(dú)立運(yùn)行的電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的精細(xì)建模問題。目前的艦船綜合電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型簡單，而實(shí)際上其復(fù)雜度很高，今后應(yīng)研究更貼近實(shí)際的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3）當(dāng)前，人工智能技術(shù)發(fā)展越來越快，其具有計(jì)算能力強(qiáng)、計(jì)算速度快、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，所以應(yīng)將人工智能算法更多地運(yùn)用到艦船綜合電力系統(tǒng)的各領(lǐng)域研究中。

4）直流艦船綜合電力系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，消除了系統(tǒng)頻率的限制，降低了系統(tǒng)對(duì)原動(dòng)機(jī)調(diào)速特性的要求，極大地減小了設(shè)備體積和重量，提高了系統(tǒng)效率及供電連續(xù)性，但其發(fā)展面臨很大挑戰(zhàn)，未來應(yīng)更多關(guān)注直流問題，研究應(yīng)用于直流艦船綜合電力系統(tǒng)的新技術(shù)。