艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)展綜述

李維波，郝春昊，高佳俊，鄒振杰，潘峻峰

1 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070 2 西藏大學(xué) 工學(xué)院，西藏 拉薩 850012

0 引 言

艦船綜合電力系統(tǒng)（integrated power system，IPS）可為推進(jìn)系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)等提供全電能保障，實(shí)現(xiàn)艦船動(dòng)力的機(jī)械化向電氣化轉(zhuǎn)變、艦船信息的網(wǎng)絡(luò)化向集成化轉(zhuǎn)變、艦船設(shè)備的數(shù)字化向智能化轉(zhuǎn)變，從而確保全艦?zāi)芰抗芾砼c控制的精、準(zhǔn)、穩(wěn)，因此，IPS 代表了艦船未來的發(fā)展方向[1-3]。艦船IPS 的終極發(fā)展目標(biāo)是確保全船電力系統(tǒng)的高效、安全和可靠運(yùn)行，從而提升艦船移動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)斗力與生命力。美國(guó)艦船的IPS 由發(fā)電、電力變換、能量?jī)?chǔ)存、電力分配、推進(jìn)動(dòng)力、平臺(tái)負(fù)載和電力管理7 個(gè)部分組成，其中包含4 個(gè)子系統(tǒng)模塊（發(fā)電和推進(jìn)子系統(tǒng)、艦船日常用電配電子系統(tǒng)、區(qū)域配電子系統(tǒng)、監(jiān)視控制子系統(tǒng)），該配置模式既可以擴(kuò)大模塊在艦船上的通用性，還能最大程度地降低艦船設(shè)計(jì)方案的難度。然而，該配置模式也存在明顯不足，例如系統(tǒng)功率密度偏低、電力系統(tǒng)總體尺寸偏大等。英國(guó)艦船的IPS 則為推進(jìn)系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)專用供電電源，該配置模式具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度大等優(yōu)勢(shì)，但需配置大容量的電力電子器件和高變換效率的儲(chǔ)能裝置[4]。

鑒于艦船IPS 的特殊性，本文將以典型特點(diǎn)和硬件架構(gòu)作為切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究潮流計(jì)算、可靠性評(píng)估模型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法等應(yīng)用于IPS 的典型分析與評(píng)估技術(shù)，總結(jié)其經(jīng)典理論和固有缺陷。目前，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（ubiquitous electric internet of things，UEIOT）思想為電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的萬(wàn)物互聯(lián)、人機(jī)交互指明了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展方向[5-6]，因此，應(yīng)基于艦船IPS 的各個(gè)環(huán)節(jié)，在能量管理、故障重構(gòu)等領(lǐng)域借助具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活等優(yōu)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)和先進(jìn)通信技術(shù)，構(gòu)建以大數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)和分析手段的艦船IPS 智慧服務(wù)系統(tǒng)。同時(shí)，還需利用數(shù)據(jù)傳輸與匯集的實(shí)時(shí)性、CPU 數(shù)據(jù)運(yùn)算的快速性，來準(zhǔn)確完成邏輯分析、風(fēng)險(xiǎn)決策、操縱控制等重要處置動(dòng)作，從而全面提升艦船傳感量測(cè)、信息處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸和分析決策的智能化程度，為艦船IPS 未來發(fā)展過程中的瓶頸問題提供新的解決思路。

1 艦船 IPS 介紹

1.1 艦船IPS 的顯著特點(diǎn)

與陸地電網(wǎng)相比，艦船IPS 具有5 個(gè)顯著特點(diǎn)[7]：1）艦船IPS 是一個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，無(wú)需外界電力系統(tǒng)協(xié)助，僅靠自身動(dòng)態(tài)調(diào)控即可維持穩(wěn)定運(yùn)行；2）鑒于有限的艦船空間，電力系統(tǒng)的輸電距離較短，線路損耗也較小，但系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)緊密，容易相互影響；3）艦船IPS 的負(fù)載切換非常頻繁，而單個(gè)負(fù)載的容量較大，所以總負(fù)載的波動(dòng)變化量也較大；4）艦船IPS 的運(yùn)行工況較為惡劣（例如，海洋環(huán)境的濕度、鹽霧等），這就對(duì)設(shè)備的可靠性提出了嚴(yán)苛的要求，當(dāng)艦船電力系統(tǒng)受損時(shí)，應(yīng)最大限度地維持關(guān)鍵設(shè)備的正常供電，以確保艦船戰(zhàn)斗力和生命力；5）艦船IPS 安裝于密閉狹小的空間內(nèi)，而電力設(shè)備種類繁多、數(shù)量龐大，故其電磁環(huán)境非常復(fù)雜，這也增加了艦船IPS 抗電磁干擾設(shè)計(jì)的難度。

1.2 艦船 IPS 的硬件架構(gòu)

艦船IPS 主要由6 個(gè)部分組成，分別為發(fā)電分系統(tǒng)、輸電分系統(tǒng)、儲(chǔ)能分系統(tǒng)、變配電分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)和用電設(shè)備。根據(jù)不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以將艦船 IPS 分為 2 種：1）第 1 代艦船 IPS，其顯著的特點(diǎn)是中壓交流與高頻交流相結(jié)合，例如美國(guó)海軍的“朱姆沃爾特”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，英國(guó)海軍的45 型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦和“伊麗莎白”級(jí)航空母艦；2）第2 代艦船IPS，其是以中壓直流供電為標(biāo)志，其電網(wǎng)功率密度和運(yùn)行可靠性均有所提高，這也是未來艦船IPS 的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著日益嚴(yán)苛的艦船電能質(zhì)量要求，分布式能源的應(yīng)用已逐漸普及，通過將發(fā)電、輸電、儲(chǔ)能、變配電和推進(jìn)等IPS 分系統(tǒng)和用電設(shè)備整合到一個(gè)總系統(tǒng)中[8]，即可對(duì)全船用電實(shí)現(xiàn)集中調(diào)控，其硬件架構(gòu)如圖1 所示。

圖 1 艦船IPS 的硬件架構(gòu)Fig. 1 Structural block diagram of shipboard IPS

艦船IPS 以設(shè)計(jì)高可靠性、大容量、智能化的新型IPS 為核心，涵蓋了發(fā)電、變電、用電和管理等多個(gè)環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相比，IPS 的最大改進(jìn)之處在于新能源的獲取與變換、超能武器電源的轉(zhuǎn)換與使用等方面，具體包括信號(hào)交互、傳感量測(cè)、外圍設(shè)備、艦員操控與決策支持等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合[9-11]，充分發(fā)揮了5G 通信技術(shù)在信息鏈控制能量鏈方面的潛在優(yōu)勢(shì)，如圖2 所示。

圖 2 艦船IPS 能量鏈與信息鏈的相互作用Fig. 2 Interaction between energy chain and information chain of shipboard IPS

2 艦船IPS 的典型分析與評(píng)估技術(shù)

2.1 潮流計(jì)算分析

潮流計(jì)算是艦船IPS 中非常重要的一種分析計(jì)算技術(shù)，據(jù)此可以獲取電力系統(tǒng)的整體狀態(tài)，通過綜合分析系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓及支路的功率分布，即可實(shí)時(shí)判斷電力系統(tǒng)工況。隨著分布式電源的大規(guī)模實(shí)船應(yīng)用，不僅改變了配電系統(tǒng)單向潮流的技術(shù)特點(diǎn)，還將傳統(tǒng)艦船的單電源輻射電力網(wǎng)絡(luò)變成了多電源電力網(wǎng)絡(luò)，但艦船IPS 統(tǒng)一規(guī)劃和使用安全的新問題也隨之而來，這將打破傳統(tǒng)艦船輸配電保護(hù)設(shè)備之間的既定配合關(guān)系，進(jìn)而影響繼電保護(hù)的動(dòng)作行為和動(dòng)作性能。因此，針對(duì)艦用大容量分布式電源的保護(hù)算法研究，已成為繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性技術(shù)。就潮流計(jì)算本身而言，艦船IPS 與陸地電力系統(tǒng)的共同點(diǎn)是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均為輻射狀或環(huán)狀，不同點(diǎn)是艦船IPS 是一個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，囿于狹小的安裝空間，且其輸電線路一般較短。

在潮流計(jì)算的發(fā)展歷程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾嘗試將前推回代潮流算法和節(jié)點(diǎn)法改進(jìn)之后應(yīng)用于艦船IPS，具體如表1 和表2 所示。

除此外，以下3 個(gè)方面的潮流計(jì)算問題將是未來的研究熱點(diǎn)：

1） 現(xiàn)階段潮流計(jì)算所依據(jù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，未來將重點(diǎn)關(guān)注更復(fù)雜、更契合IPS 實(shí)際工況的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2） 基于仿真模型進(jìn)行潮流算法分析時(shí)，由于仿真模型的局限性，一般無(wú)法充分體現(xiàn)IPS 的實(shí)際狀態(tài)，因此需研究精細(xì)化建模方法。

3） 目前，潮流計(jì)算的主要對(duì)象為已確定的艦船電力系統(tǒng)，未來將針對(duì)IPS 的不確定性開展潮流計(jì)算算法研究。

此外，如果將交流配電網(wǎng)與直流配電網(wǎng)分開，利用基于改進(jìn)牛頓-拉夫遜法引申而來的交替迭代法單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行求解，直至均收斂，可以適用于任何交、直流混合系統(tǒng)的潮流計(jì)算問題。

表 1 陸地電網(wǎng)潮流計(jì)算算法對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of power flow calculation algorithms for land power grid

表 2 節(jié)點(diǎn)法改進(jìn)算法對(duì)比分析Table 2 Comparative analysis of improved nodal algorithm

2.2 可靠性評(píng)估模型

可靠性評(píng)估對(duì)艦船航行任務(wù)的順利開展和艦員安全保障起著至關(guān)重要的作用。所謂可靠性，即該系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成指定任務(wù)的能力。軍用艦船的可靠性還需對(duì)其生命力開展進(jìn)一步研究。所謂生命力，即艦船在外界作用力影響下可以繼續(xù)維持供電的能力。

隨著電磁炮、電磁發(fā)射器、激光武器等新型武器系統(tǒng)的列裝上艦，必將對(duì)艦船IPS 的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大沖擊[20]，而如何檢測(cè)并有效平抑控制這些沖擊對(duì)其他武器裝備的影響、謹(jǐn)慎處理導(dǎo)彈類敏感裝備之間的耦合作用，是當(dāng)前可靠性評(píng)估領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難題。

根據(jù)實(shí)際電磁環(huán)境的測(cè)量數(shù)據(jù)，如果采用傳統(tǒng)方法評(píng)估設(shè)備之間的相互耦合作用，對(duì)傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)而言是適用的；然而鑒于艦船IPS 的復(fù)雜性和特殊性，其測(cè)量成本、測(cè)量工作量和數(shù)據(jù)處理量都將顯著增加，這會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)測(cè)量評(píng)估方法的風(fēng)險(xiǎn)很高。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，對(duì)于負(fù)載點(diǎn)而言，陸地電力系統(tǒng)將重點(diǎn)關(guān)注3 個(gè)可靠性指標(biāo)，即年故障率、年停電時(shí)間和年平均停電時(shí)間?；谂灤琁PS 的特殊性，還需要重點(diǎn)關(guān)注6 個(gè)可靠性指標(biāo)，即平均斷電頻次、平均斷電持續(xù)時(shí)間、平均用電有效度、平均用電無(wú)效度、總電量不足和平均電量不足[21]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于這9 個(gè)可靠性指標(biāo)，采用不同的算法開展了大量卓有成效的研究工作，如表3 所示。

表 3 可靠性評(píng)估的研究成果Table 3 Research achievements in reliability assessment

通過調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，未來需重點(diǎn)關(guān)注以下3 個(gè)方面的問題：

1） 應(yīng)借鑒陸地電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性評(píng)估分析，并選擇有利于提高艦船IPS 可靠性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究相關(guān)的評(píng)估規(guī)律。

2） 當(dāng)前的可靠性評(píng)估策略與評(píng)估指標(biāo)都是基于陸地電網(wǎng)發(fā)展而來，應(yīng)針對(duì)艦船IPS 自身的特殊性，例如負(fù)載功率大、設(shè)備干擾強(qiáng)等，提出適用于實(shí)船工況的評(píng)估指標(biāo)。

3） 隨著新興武器的列裝上艦，需相應(yīng)調(diào)整可靠性評(píng)估策略。此外，如何根據(jù)不同的運(yùn)行狀況對(duì)可靠性評(píng)估策略進(jìn)行切換，也是未來的研究熱點(diǎn)。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估算法

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論的興起雖然晚于可靠性評(píng)估，但其繼承和完善了可靠性評(píng)估的發(fā)展理念，并將研究重點(diǎn)放在了艦船風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與系統(tǒng)應(yīng)對(duì)方案上，這一點(diǎn)完全不同于可靠性評(píng)估技術(shù)[26-27]。作為艦船IPS 安全分析的研究重點(diǎn)，近年來，我國(guó)開展了電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究，主要分為以下3 種[28]：

1） 元件級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，即針對(duì)某一種器件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過定量分析電力系統(tǒng)中的器件功能，研究器件故障對(duì)艦船電力系統(tǒng)的影響。

2） 系統(tǒng)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其主要對(duì)象是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的不確定性因素，是對(duì)艦船IPS 整體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的一種綜合性評(píng)估。

3） 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，即基于成熟風(fēng)險(xiǎn)體系已有的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，建立合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。

因此，艦船IPS 的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程為：

1） 基于艦船IPS 的各個(gè)器件，構(gòu)建全船的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系；

2） 采用層次分析法，得出IPS 各個(gè)子系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重（系數(shù)）；

3） 基于系統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)度，求解全船的總風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如圖3 所示。

圖 3 艦船IPS 的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程Fig. 3 Risk assessment process of shipboard IPS

如圖4 所示，艦船IPS 的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系分為目標(biāo)層、分目標(biāo)層和指標(biāo)層3 個(gè)層次。目標(biāo)層是艦船運(yùn)行時(shí)的總評(píng)估目標(biāo)，即電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。作為評(píng)估體系中的具體目標(biāo)分類，分目標(biāo)層具體包括3 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)：電壓越限、功率不匹配和頻率偏移。指標(biāo)層是對(duì)各個(gè)分目標(biāo)層具體狀態(tài)的進(jìn)一步細(xì)分，包括過電壓指標(biāo)和低電壓指標(biāo)、過載指標(biāo)和輕載指標(biāo)，以及頻率偏移指標(biāo)等。

隨著精確制導(dǎo)武器的大量應(yīng)用，艦船遭受攻擊而受損的概率急劇增加。輕微時(shí)，船體受損，進(jìn)而導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、電子系統(tǒng)等受損；嚴(yán)重時(shí)，艦船完全喪失戰(zhàn)斗力甚至傾覆、沉沒。因此，需要通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)來對(duì)艦船戰(zhàn)損時(shí)的生命力進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，從而快速掌握戰(zhàn)損艦船的浮性和穩(wěn)性參數(shù)，準(zhǔn)確評(píng)定損傷等級(jí)，并據(jù)此制定科學(xué)的搶修方案。

在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，未來的研究重點(diǎn)如下：

1） 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的選取問題?，F(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)僅對(duì)艦船電力系統(tǒng)進(jìn)行了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的分類，在后續(xù)研究中，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的分類將越來越多，也將更為詳細(xì)。

2） 系統(tǒng)設(shè)備的權(quán)重參數(shù)和故障概率不夠精確的問題。目前，由于艦船數(shù)據(jù)庫(kù)還不夠完善，所以相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果也不夠準(zhǔn)確。但隨著我國(guó)對(duì)艦船電力系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累，將逐漸提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的可靠性。

圖 4 艦船IPS 的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系Fig. 4 Risk assessment system of shipboard IPS

3） 隨著艦船大功率作戰(zhàn)系統(tǒng)的投入使用，大容量脈沖功率特種負(fù)載的突加/突卸勢(shì)必會(huì)對(duì)全船電網(wǎng)帶來明顯的影響，因此，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的對(duì)象不能僅局限于小型負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊。

針對(duì)上述問題，可以考慮采用改進(jìn)的偽時(shí)序算法來對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的時(shí)序過程進(jìn)行分析優(yōu)化，從而提高蒙特卡羅法的評(píng)估效率。如何對(duì)改進(jìn)偽時(shí)序算法的數(shù)學(xué)處理過程進(jìn)行優(yōu)化，也是未來的研究方向。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息集成與共享技術(shù)

鑒于物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，5G 通信技術(shù)、多核CPU 技術(shù)和信息交互融合技術(shù)必將成為智能艦船必不可少的基礎(chǔ)條件。通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于艦船IPS 的頂層設(shè)計(jì)中，構(gòu)建電能質(zhì)量監(jiān)視、能量管理、故障重構(gòu)等子系統(tǒng)，以及全船云端存儲(chǔ)與可視化平臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)具有可靠性、實(shí)時(shí)性、便捷性和全船數(shù)據(jù)共享性的多層結(jié)構(gòu)，以及局域加廣域的監(jiān)視功能[29]。

與陸地電力系統(tǒng)的智能化構(gòu)建工作類似，艦船IPS 的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和管理等所有環(huán)節(jié)都必須采用信息化手段，這是艦船IPS智能化建造與設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[30]。通過采用高速、集成、交互式的通信架構(gòu)，借助5G 手段，即可確保實(shí)時(shí)信息傳輸和電力變換操動(dòng)的智能化運(yùn)行，這將有效提高艦船IPS 的供電可靠性、抗干擾性、生命力、戰(zhàn)斗力和總體空間使用率。

3.1 智能化傳感量測(cè)技術(shù)

智能化傳感量測(cè)手段是艦船IPS 信息化構(gòu)建必不可少的物理平臺(tái)。關(guān)鍵性參數(shù)的傳感器選型與量測(cè)處理是艦船IPS 信息化的重要組成部分，在獲得全船關(guān)重件的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)并將其合理變換與處理之后，需借助物聯(lián)網(wǎng)載體進(jìn)一步調(diào)制或轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息流，如圖5 所示。

由圖5 可知，艦船IPS 的智能化傳感量測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備智能化感知、不同形式數(shù)據(jù)信息的快速傳輸和深度融合處理。從功能角度來說，智能化傳感量測(cè)系統(tǒng)可以分為4 層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，即物理層、感知層、傳輸層和應(yīng)用層。借助傳感器和智能檢測(cè)儀表，感知層可以實(shí)時(shí)采集并獲取物理層各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)信息，經(jīng)由傳輸層至應(yīng)用層，即可實(shí)現(xiàn)判斷、決策、數(shù)據(jù)融合等應(yīng)用功能，以及信息深加工功能（顯示、存儲(chǔ)和分析等），從而為艦船IPS 各子系統(tǒng)提供關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)源。由此可見，通過利用智能化量測(cè)技術(shù)，可以準(zhǔn)確評(píng)估艦船IPS 的實(shí)時(shí)工況及完整性。

3.2 智能化能量管理技術(shù)

隨著艦船全電力推進(jìn)技術(shù)以及綜合電力系統(tǒng)的深入發(fā)展，以美、英為代表的西方國(guó)家均在艦船能量管理系統(tǒng)領(lǐng)域投入了大量的人力和物力，其中美國(guó)的高智能化能量管理系統(tǒng)已列裝于DDG-1000 級(jí)驅(qū)逐艦，英國(guó)也早在1994 年正式啟動(dòng)了相關(guān)研究工作。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，目前，上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所通過對(duì)低壓電站監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件、軟件進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，研制了國(guó)產(chǎn)能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了配電管理、負(fù)載管理、信息管理和系統(tǒng)分析等功能，可以為推進(jìn)負(fù)載和日用負(fù)載提供穩(wěn)定、連續(xù)的優(yōu)質(zhì)電能。

艦船IPS 的智能化能量管理系統(tǒng)集控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)和管理于一體，其主要功能為：1）負(fù)責(zé)IPS各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)施控制、故障診斷與繼電保護(hù)；2）自動(dòng)協(xié)調(diào)發(fā)電機(jī)組和電力推進(jìn)功率；3）實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)事件信息及系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)[31]。隨著艦船電力系統(tǒng)容量的井噴式增長(zhǎng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，高能負(fù)載也呈多樣化發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)全船電能的集中管理提出了很高的設(shè)計(jì)要求。

艦船IPS 的智能化能量管理系統(tǒng)可以采用冗余式雙層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中頂層為基于綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)；底層為由CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)和控制網(wǎng)，如圖6 所示。

圖 5 艦船IPS 的智能化傳感量測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 5 Architecture of intelligent detection system for shipboard IPS

圖 6 艦船IPS 的智能化能量管理系統(tǒng)的架構(gòu)Fig. 6 Architecture of intelligent energy management system for shipboard IPS

通過采集多路數(shù)字量來獲取當(dāng)前電站的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)讀入數(shù)字量和集控臺(tái)下達(dá)的指令來輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，用以控制各底層設(shè)備，即可確保艦船能量管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行[32]。圖7 所示為基于ARM 控制器的能量管理系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的硬件架構(gòu)圖，主要包括頂層集控臺(tái)、數(shù)字量信號(hào)處理模塊以及底層各個(gè)電站開關(guān)量獲取模塊，其處理流程如下：首先，由具備光耦隔離功能的數(shù)字輸入DI 模塊和數(shù)字輸出DO 模塊實(shí)時(shí)獲取各個(gè)電站的出口斷路器狀態(tài)信號(hào)、反饋量信號(hào)和配電板輸入指令信號(hào)等；然后，通過I2C 總線將所有的數(shù)字量輸入/輸出電平信號(hào)傳輸至信號(hào)處理控制器，進(jìn)行信號(hào)處理；最后，通過CAN 總線和以太網(wǎng)與集控臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。與此同時(shí)，當(dāng)集控臺(tái)操作數(shù)字量控制器時(shí)，信號(hào)處理控制器可以根據(jù)所采集的信號(hào)來控制參考電壓，同時(shí)控制配電板上的指示燈，從而確保被控對(duì)象完成相應(yīng)的動(dòng)作，避免底層器件出現(xiàn)誤操作的情況[33]。

圖 7 基于ARM 控制器的能量管理系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備硬件架構(gòu)Fig. 7 Hardware architecture of energy management system monitoring equipment based on ARM controller

3.3 智能化故障重構(gòu)技術(shù)

艦船IPS 可以分為平臺(tái)與載荷2 個(gè)部分，其中平臺(tái)部分用于維持艦船的正常行駛，由艦船保障系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和船體系統(tǒng)等組成[34]；而載荷部分則是滿足戰(zhàn)時(shí)設(shè)備的供電需求，由通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、警戒探測(cè)系統(tǒng)、水聲系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)、艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)、艦艦導(dǎo)彈系統(tǒng)、主炮系統(tǒng)、副炮系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、艦載反潛系統(tǒng)、直升機(jī)系統(tǒng)和直升機(jī)艦面系統(tǒng)等組成[35]。一旦艦船電力系統(tǒng)的某電力設(shè)備出現(xiàn)故障，尤其是電磁炮、電磁彈射裝置等大容量脈沖功率武器設(shè)備，勢(shì)必對(duì)全船電力系統(tǒng)造成極大的挑戰(zhàn)。此時(shí)，艦船電力系統(tǒng)需立即對(duì)網(wǎng)絡(luò)線路進(jìn)行自適應(yīng)重構(gòu)，在維持動(dòng)力系統(tǒng)正常供電的同時(shí)，最大限度地恢復(fù)作戰(zhàn)系統(tǒng)供電，確保全艦的生命力與戰(zhàn)斗力。

在電力系統(tǒng)產(chǎn)生故障之后，應(yīng)按照既定的重構(gòu)策略來操作斷路器，以改變電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而將故障部位隔離在系統(tǒng)之外，同時(shí)恢復(fù)失電的負(fù)載。與陸地電力系統(tǒng)不同，艦船IPS 一般不以網(wǎng)絡(luò)損耗最小化作為重構(gòu)的目的，兩者之間存在本質(zhì)的區(qū)別。

目前，艦船電網(wǎng)拓?fù)淇梢苑殖奢椛湫汀h(huán)型和網(wǎng)狀型3 種類型。輻射型是以電源為中心，經(jīng)主配電板、區(qū)域配電板、分配電箱，最終傳輸至負(fù)載端的發(fā)散形拓?fù)洌@是一種縱向接線方式，負(fù)載只能由一個(gè)電源供電；環(huán)型是一種電源環(huán)型供電和輻射式配電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合拓?fù)?，通過主配電板以環(huán)型聯(lián)結(jié)發(fā)電機(jī)，由多個(gè)電源通過區(qū)域配電板及分配電板對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電；網(wǎng)狀型是環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的一種高級(jí)形式，在艦船發(fā)電機(jī)組和負(fù)載較多時(shí)，其電源連線可以形成至少2 個(gè)以上的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑥亩@著提高系統(tǒng)的冗余性和可靠性。

基于故障重構(gòu)優(yōu)化算法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)艦船電力系統(tǒng)的故障重構(gòu)開展了一系列研究，如表4所示。

表 4 故障重構(gòu)算法對(duì)比分析Table 4 Comparative analysis of fault reconstruction algorithms

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，未來會(huì)重點(diǎn)關(guān)注以下3 個(gè)方面的問題：

1） 基于遺傳算法、粒子群算法等智能算法進(jìn)行故障重構(gòu)的尋優(yōu)時(shí)間普遍較長(zhǎng)，且效率較低，因此，需進(jìn)一步通過優(yōu)化組合提出兼顧故障重構(gòu)時(shí)間和最優(yōu)策略的算法，從而讓艦船電網(wǎng)能夠在故障之后迅速恢復(fù)正常。

2） 現(xiàn)階段對(duì)艦船IPS 故障重構(gòu)的研究成果均未考慮不確定性因素的影響，如何將IPS 實(shí)船應(yīng)用中的不確定性數(shù)據(jù)納入故障重構(gòu)智能算法，以增加系統(tǒng)故障重構(gòu)結(jié)果的置信度，是有待解決的問題。

3）隨著新興武器的不斷列裝，大容量脈沖功率設(shè)備已逐漸在艦船IPS 中嶄露頭角，根據(jù)艦船戰(zhàn)時(shí)與航行時(shí)的不同模式，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整故障重構(gòu)策略，從而針對(duì)不同的運(yùn)行狀態(tài)靈活切換故障重構(gòu)模式。

針對(duì)上述問題，可以考慮采用將孤島劃分與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)相結(jié)合的方法，以排除與聯(lián)絡(luò)開關(guān)支路相連的節(jié)點(diǎn)，并減少孤立支路和節(jié)點(diǎn)，從而有效縮減故障重構(gòu)時(shí)間。該方法適用于各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將成為未來的研究重點(diǎn)。

3.4 基于5G 的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著艦船管理水平的不斷提高，艦載設(shè)備已逐漸進(jìn)入了智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化時(shí)代，但仍然不夠成熟。以艦船電機(jī)為例，其普遍存在的管理問題為：1）過于分散的電機(jī)布局，一旦需手動(dòng)啟動(dòng)或停止電機(jī)，操作人員就必須往返于各個(gè)電機(jī)所在的位置進(jìn)行操作，既增加了工作量，也帶來了操作風(fēng)險(xiǎn)；2）操作人員過多，既帶來了操作不便的問題，也進(jìn)一步加劇了空間位置的矛盾[40]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種新興的共享基礎(chǔ)架構(gòu)方法和云計(jì)算技術(shù)，具有彌漫性及無(wú)所不在的分布性和社會(huì)性特征，可以將巨大的系統(tǒng)池連接在一起以提供各種IT 服務(wù)[41]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以解決艦船電機(jī)管理不足的問題，通過采用通信技術(shù)（例如 RS485，RS422，RS232）對(duì)智能化電機(jī)進(jìn)行分散布置和集中管理[42]，不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中的啟動(dòng)、停止常規(guī)功能，還可以全過程監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[43]。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的艦船信息處理系統(tǒng)可以采用B/S 三層體系結(jié)構(gòu)[44]，如圖8 所示。第1 層是艦船信息處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，主要用于采集艦船航行的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，然后儲(chǔ)存于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)；第2 層是過渡層，主要用于接收、處理和分析上一層的采集數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，最終實(shí)現(xiàn)與用戶之間的交互功能；第3 層是核心層，主要用于統(tǒng)計(jì)艦船信息，并完成信息發(fā)布及業(yè)務(wù)管理工作。

圖 8 艦船信息處理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig. 8 Network architecture of ship information processing system

至于岸基人員管理，例如岸基監(jiān)管機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠商、系統(tǒng)設(shè)計(jì)部門等，均可通過云端監(jiān)視層來獲取艦船IPS 監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和遠(yuǎn)程診斷信息，其中云端監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖9 所示。在本地服務(wù)器和百度云服務(wù)器的Web Access軟件中新建工程，設(shè)置通信端口；在本地服務(wù)器和云服務(wù)器中同時(shí)啟用監(jiān)控，即可將感知層獲取的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳到云端監(jiān)控系統(tǒng)。在岸基使用手機(jī)、平板或PC 機(jī)等移動(dòng)終端打開瀏覽器，登陸云服務(wù)器公網(wǎng)IP 地址，即可查看云端Web Access Dashboard 開發(fā)的監(jiān)視系統(tǒng)界面。除了集中顯示電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，繪制電壓、電流的相量圖之外，云端監(jiān)視系統(tǒng)還可以記錄歷史數(shù)據(jù)和故障事件，例如故障報(bào)警信號(hào)。

圖 9 云端監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程Fig. 9 Process design of cloud monitoring system

由于艦船航行時(shí)經(jīng)常會(huì)遭遇惡劣的海洋氣候環(huán)境，同時(shí)空間約束又進(jìn)一步導(dǎo)致其富含電磁干擾，因此，為了保證艦船信息處理系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，必須選用性能優(yōu)、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、精度高的硬件設(shè)備。此外，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用過程中，需重點(diǎn)研究以下2 個(gè)問題：

1） 目前，我國(guó)艦船傳統(tǒng)信息處理系統(tǒng)的運(yùn)行速度較慢，而系統(tǒng)的響應(yīng)速度又與艦船IPS 的可靠性密切相關(guān)，因此，如何減少信息在產(chǎn)生、傳遞與接收階段的耗時(shí)是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2） 信號(hào)處理服務(wù)端可以接收來自全船的各種信息，但并不是每一條信息都需要顯示出來，如何合理選取這些信息并做出相應(yīng)的處理，也是未來的研究重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外艦船IPS 的潮流計(jì)算分析、可靠性評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等典型的分析與評(píng)估技術(shù)，并進(jìn)行了研究展望。預(yù)計(jì)至2030 年，隨著特種傳感器技術(shù)、碳化硅功率器件、5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟發(fā)展，必將催生基于5G 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化傳感量測(cè)技術(shù)、智能化能量管理技術(shù)和智能化故障重構(gòu)技術(shù)，從而推動(dòng)艦船IPS 的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、運(yùn)維、管理、操控等模式的根本性改變，主要體現(xiàn)為：

1） 在實(shí)際運(yùn)行中，艦船IPS 往往會(huì)出現(xiàn)大量不確定性因素，故需構(gòu)建信息平臺(tái)并做出正確的響應(yīng)，同時(shí)，信息平臺(tái)應(yīng)具備自愈與故障恢復(fù)機(jī)制。鑒于高速局域網(wǎng)的自恢復(fù)能力，艦船IPS 的各個(gè)設(shè)備可以采用高速局域網(wǎng)來構(gòu)建數(shù)字化信息平臺(tái)，從而有效保證采集信息的服務(wù)質(zhì)量。此外，全船數(shù)字化信息平臺(tái)的構(gòu)建，也體現(xiàn)了艦船IPS信息集中管理的設(shè)計(jì)理念。

2） 目前，艦船IPS 的各種算法與關(guān)鍵技術(shù)均是基于簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而展開，IPS 各個(gè)設(shè)備信息的拾取、處理和變換等不同過程均是通過CPU及其外圍器件或設(shè)備的配合而實(shí)現(xiàn)。由此可見，大量數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算、功能分析與邏輯判斷等特殊過程均依賴于CPU，因此，必須重視發(fā)展多核CPU 技術(shù)。

3） 囿于艦船IPS 設(shè)備空間位置的約束性，艦船輸配電技術(shù)上艦需解決復(fù)雜電磁環(huán)境下多個(gè)智能化設(shè)備的兼容性問題以及網(wǎng)絡(luò)安全問題。為此，首先需建立開放的通信架構(gòu)，保障艦船IPS 各個(gè)設(shè)備之間的信息可以通過網(wǎng)絡(luò)互通、互聯(lián)；其次，應(yīng)細(xì)化信息模型，對(duì)模型擴(kuò)充方法與原則做出規(guī)定；最后，應(yīng)統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。