船舶電站容量與機(jī)組配置的輔助設(shè)計(jì)軟件

徐亮，郭力峰，李瑋，許飛，華玲

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海 201108

0 引 言

電站設(shè)計(jì)是船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，將直接影響其經(jīng)濟(jì)性、可靠性、生命力和維修性，所以電站設(shè)計(jì)是船舶電氣設(shè)計(jì)水平的直接體現(xiàn)[1-2]。如果電站的設(shè)計(jì)容量偏大，將可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率較低（經(jīng)濟(jì)性差），且配套電氣設(shè)備的容量有所增加（成本增加），同時(shí)需占用機(jī)艙的有限空間；如果設(shè)計(jì)容量偏小，則可能導(dǎo)致負(fù)荷率較高，且功率裕度無(wú)法保障短時(shí)超載工況，從而導(dǎo)致船舶無(wú)法正常運(yùn)行。

船舶電站設(shè)計(jì)包括電站容量計(jì)算和發(fā)電機(jī)組配置這2 項(xiàng)內(nèi)容，其中電站容量的理論計(jì)算方法較簡(jiǎn)單，包括概率論方法、晝夜航行圖標(biāo)法、負(fù)荷系數(shù)法等[3-7]。目前，在工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的是負(fù)荷系數(shù)法，雖然某些手冊(cè)[3]和文獻(xiàn)[4-7]中都給出了原則性的參數(shù)設(shè)置方法，但其適用范圍非常寬泛，并沒(méi)有考慮實(shí)際工況，故其參考價(jià)值較低。在電站設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果沒(méi)有充分掌握設(shè)備性能，將可能造成負(fù)荷系數(shù)的選擇主觀性偏高，從而影響電站容量設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，最終導(dǎo)致實(shí)際投運(yùn)后容量偏大或偏小的不理想工況。

在完成電站容量計(jì)算之后，一般由設(shè)計(jì)人員根據(jù)各工況下的電力負(fù)荷來(lái)估算結(jié)果：首先，初步考慮需配置的機(jī)組數(shù)量和單機(jī)功率；然后，根據(jù)廠家設(shè)備樣本進(jìn)行機(jī)組選型；最后，根據(jù)選型結(jié)果來(lái)調(diào)整機(jī)組的配置數(shù)量和單機(jī)功率，從而確定合理的配置方案。顯而易見(jiàn)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力、主觀性強(qiáng)，同時(shí)，在初步明確機(jī)組的配置數(shù)量和單機(jī)功率之后，該方法一般僅針對(duì)不同廠家機(jī)組的參數(shù)、尺寸和價(jià)格等因素進(jìn)行對(duì)比選型，這實(shí)際上有可能導(dǎo)致最終的機(jī)組配置方案未必是最優(yōu)解。

雖然通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輔助設(shè)計(jì)是提高設(shè)計(jì)效率的有效手段[8-12]，但目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的船舶電氣設(shè)計(jì)軟件大多以電氣設(shè)備及系統(tǒng)的原理圖、接線(xiàn)圖、三維放樣等輔助設(shè)計(jì)為主，例如TRIBON，CATIA，SB3DS，SPD 等[10-11]，而鮮有電站容量計(jì)算與機(jī)組自動(dòng)配置等輔助設(shè)計(jì)功能。李銘志[10]開(kāi)發(fā)了一套船舶電氣智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)的自動(dòng)生成功能，但僅能計(jì)算給定工況下的電力負(fù)荷，且其負(fù)載均采用圖形表示；當(dāng)負(fù)載規(guī)模較大時(shí)，計(jì)算效率將明顯降低。王煥文等[12]開(kāi)發(fā)了基于C 語(yǔ)言的船舶電力負(fù)荷計(jì)算軟件，但僅支持4 種固定工況，且所有參數(shù)都需要手動(dòng)填寫(xiě)，與傳統(tǒng)的Excel 表格相比，其計(jì)算優(yōu)勢(shì)并不明顯。至于機(jī)組配置的輔助設(shè)計(jì)方法，尚無(wú)文獻(xiàn)可供參考。

基于此，為了解決船舶電力系統(tǒng)中的電站容量與機(jī)組配置一站式輔助設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文擬開(kāi)發(fā)具備功能可擴(kuò)展性的輔助設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)電站容量的計(jì)算結(jié)果來(lái)一站式完成機(jī)組配置的自動(dòng)建議，從而突破常規(guī)繁瑣的人工配置方式。首先，將介紹基于插件技術(shù)的可擴(kuò)展架構(gòu)；然后，分析電站容量負(fù)荷計(jì)算功能的實(shí)現(xiàn)方法，以及電站機(jī)組配置最優(yōu)問(wèn)題的建模和求解方法；最后，將基于某 4 000 t 民船案例開(kāi)展有效性驗(yàn)證。

1 可擴(kuò)展架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

為了滿(mǎn)足船舶電力系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性要求，本文將采用基于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（.dll）的插件框架[13]來(lái)實(shí)現(xiàn)本軟件的可擴(kuò)展架構(gòu)。

1.1 可擴(kuò)展架構(gòu)的功能設(shè)計(jì)

按照插件框架的定義，本軟件將基于宿主程序和插件程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展架構(gòu)的功能。

宿主程序是插件框架的骨架部分，也是插件程序的宿主。本軟件宿主程序的功能為：實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理、插件集成管理、數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用、文件輸入/輸出、界面布局等通用性功能，且在不同的插件程序中都可以調(diào)用這些公共服務(wù)功能。另外，本文在宿主程序中還設(shè)計(jì)了3 類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)（標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)、設(shè)備資料庫(kù)、用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)），用以支撐各插件之間的數(shù)據(jù)交互，其中標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)用于存儲(chǔ)輔助設(shè)計(jì)中的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)備資料庫(kù)用于存儲(chǔ)典型電氣設(shè)備的物理參數(shù)，而用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)則用于存儲(chǔ)用戶(hù)輸入/輸出的數(shù)據(jù)表。

插件程序是按需設(shè)計(jì)的獨(dú)立功能模塊。本軟件設(shè)計(jì)了電力負(fù)荷計(jì)算插件程序和數(shù)據(jù)庫(kù)管理插件程序，均由人機(jī)交互模塊和核心算法模塊組成，其中電力負(fù)荷計(jì)算插件程序用于實(shí)現(xiàn)電站容量交互計(jì)算、機(jī)組自動(dòng)配置等功能，而數(shù)據(jù)庫(kù)管理插件程序則用于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)、設(shè)備資料庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)的管理維護(hù)。

可擴(kuò)展的電站容量與機(jī)組配置輔助設(shè)計(jì)軟件的總體架構(gòu)如圖1 所示。在該軟件中，本文將重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：1）采用C#的“接口-反射”機(jī)制，實(shí)現(xiàn)宿主程序與插件程序的接口功能；2）靈活運(yùn)用C#的典型控件，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷計(jì)算插件中電站容量計(jì)算的特色功能，主要包括3 種負(fù)荷計(jì)算方法集成、工況及設(shè)備分類(lèi)按需自定義、系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建議；3）采用建模與優(yōu)化求解的方法，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷計(jì)算插件中的電站機(jī)組自動(dòng)配置功能。

圖 1 可擴(kuò)展的軟件總體架構(gòu)Fig. 1 Extendable overall architecture of the presented software

1.2 可擴(kuò)展架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法

C#是一種面向?qū)ο蟮幕?NET 框架的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有可視化操作效果好、運(yùn)行效率高、語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)[14]。本文將采用C# 的“接口-反射”機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)插件框架，其中接口（interface 關(guān)鍵字）機(jī)制用于定義插件程序與宿主程序之間的通信方式，而反射（System.Reflection 命名空間）機(jī)制則用于實(shí)現(xiàn)插件程序的動(dòng)態(tài)加載，從而形成即插即用的可擴(kuò)展架構(gòu)。

1） 利用接口機(jī)制進(jìn)行接口定義。

在宿主程序中完成了接口定義之后，所有的插件程序都可以繼承宿主程序的接口，其遵循的規(guī)范為：第一，接口聲明將涵蓋屬性、方法、事件等在內(nèi)的接口成員，并規(guī)范所有繼承于該接口的類(lèi)，同時(shí)將其作為區(qū)別于其他類(lèi)的標(biāo)志；第二，繼承于接口的所有派生類(lèi)，都可以按照自身功能需求對(duì)接口聲明的所有成員進(jìn)行個(gè)性化實(shí)現(xiàn)。

本軟件在接口中設(shè)計(jì)了插件程序必須具備的4 個(gè)基本特性：（1）1 個(gè)子窗體，用于顯示插件的交互界面；（2）顯示狀態(tài)標(biāo)識(shí)符，用于控制界面的隱藏與開(kāi)啟；（3）窗體標(biāo)題，用于標(biāo)識(shí)區(qū)分不同的插件窗體；（4）插件版本號(hào)，用于標(biāo)識(shí)插件版本。

2） 利用反射機(jī)制進(jìn)行插件動(dòng)態(tài)加載。

反射是指應(yīng)用程序可以訪(fǎng)問(wèn)、查詢(xún)、修改自身狀態(tài)和行為的能力，具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)反射機(jī)制可以獲得應(yīng)用程序中每個(gè)類(lèi)型（例如類(lèi)、結(jié)構(gòu)、委托、接口和枚舉等）的成員，包括方法、字段、屬性、事件以及構(gòu)造函數(shù)等，還可以獲得每個(gè)成員的名稱(chēng)、限定符和參數(shù)。

本軟件可以通過(guò)Assembly 程序集反射類(lèi)，來(lái)反射獲取插件程序（.dll 文件）中定義的類(lèi)，從而據(jù)此判斷該插件是否滿(mǎn)足接口規(guī)則，如果滿(mǎn)足，則對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。

2 船舶電站容量計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)各工況下用電設(shè)備的電力負(fù)荷情況，即可確定船舶電站容量，這是實(shí)現(xiàn)機(jī)組配置的基礎(chǔ)，也是電站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。相較于傳統(tǒng)的電站容量計(jì)算軟件[10,12]，為了提高計(jì)算自動(dòng)化程度和適用范圍，本文將重點(diǎn)改進(jìn)2 項(xiàng)核心功能：1）3 種負(fù)荷計(jì)算方法集成、工況和設(shè)備分類(lèi)按需自定義；2）系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建議。

2.1 3 種負(fù)荷計(jì)算方法集成、工況和設(shè)備分類(lèi)按需自定義

電站容量計(jì)算的準(zhǔn)確度依賴(lài)于用電設(shè)備明細(xì)是否確定、功率是否確定等負(fù)載輸入信息，為此，本軟件集成了3 種計(jì)算方法：在輸入信息完備的情況下，采用三類(lèi)負(fù)荷法、需要系數(shù)法來(lái)統(tǒng)計(jì)匯總各工況下的總負(fù)荷需求；在輸入信息不完備的情況下，例如投標(biāo)估算階段，則依據(jù)基于噸位的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

鑒于不同類(lèi)型船舶的運(yùn)行工況和設(shè)備專(zhuān)業(yè)類(lèi)別都不盡相同，本軟件設(shè)計(jì)了按需自定義的設(shè)置模式，既可以選擇軟件自帶的項(xiàng)目，也可以通過(guò)文本輸入實(shí)現(xiàn)自定義。當(dāng)用戶(hù)選擇不同的負(fù)荷計(jì)算方法、工況以及設(shè)備專(zhuān)業(yè)類(lèi)別時(shí)，其對(duì)應(yīng)的交互數(shù)據(jù)表也將有所不同。為此，本軟件采用了動(dòng)態(tài)生成交互界面的方法：采用TabControl 控件-TabPage 控件-DataGridView 控件 3 層嵌套結(jié)構(gòu)，每個(gè)專(zhuān)業(yè)類(lèi)別均對(duì)應(yīng)TabControl 控件中的一個(gè)TabPage 頁(yè)面，且每個(gè)TabPage 頁(yè)面均綁定數(shù)據(jù)表格DataGridView 控件，其中數(shù)據(jù)表格的表頭可以根據(jù)不同的計(jì)算方法和工況定義進(jìn)行個(gè)性化創(chuàng)建。計(jì)算模式、工況定義等參數(shù)的設(shè)定對(duì)話(huà)框和用戶(hù)交互界面如圖2 所示。

圖 2 容量計(jì)算的參數(shù)設(shè)定Fig. 2 Parameters setting of the capacity calculation

2.2 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建議

為了方便用戶(hù)在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行系數(shù)選取，同時(shí)規(guī)范用戶(hù)系數(shù)選取的主觀性，本軟件設(shè)計(jì)了系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建議功能，即：在負(fù)荷計(jì)算的交互界面中增加“設(shè)備類(lèi)型”下拉列，其中設(shè)備類(lèi)型預(yù)設(shè)為常見(jiàn)的各專(zhuān)業(yè)典型設(shè)備；同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)中存儲(chǔ)這些典型設(shè)備在各工況下的負(fù)荷系數(shù)、同時(shí)系數(shù)、需要系數(shù)、負(fù)荷類(lèi)別建議值等。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)下拉列表選擇對(duì)應(yīng)的設(shè)備類(lèi)型時(shí)，軟件將自動(dòng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)功能，并將查詢(xún)所得的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)回填至交互界面數(shù)據(jù)表中，從而自動(dòng)計(jì)算設(shè)備在不同工況下的功率需求。對(duì)于非典型設(shè)備和非典型工況，仍保留用戶(hù)手動(dòng)輸入的功能。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)

標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)可以通過(guò)SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，本文在宿主程序中實(shí)現(xiàn)了SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用函數(shù)的封裝功能[15]，用以在各插件中傳參并調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用，其具體實(shí)現(xiàn)的操作包括：設(shè)置連接語(yǔ)句SetConnectionString、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)CreateDB、創(chuàng)建表NewTable、查詢(xún)表ExecuteQuery、僅讀取表ExecuteReader、修改表ExecuteNonQuery、批量存儲(chǔ)表ImportToSqliteBatch 等，可以滿(mǎn)足各插件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的需要。

標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)中存儲(chǔ)了常見(jiàn)典型設(shè)備在各工況下的負(fù)荷系數(shù)、同時(shí)系數(shù)、需要系數(shù)、負(fù)荷類(lèi)別建議值等數(shù)據(jù)，這些標(biāo)準(zhǔn)化建議值經(jīng)由專(zhuān)家組討論確定后才能存入標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)，并且可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理插件的交互界面隨時(shí)維護(hù)更新。

2.2.2 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建議功能

系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建議功能的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)為：一是下拉列的用法；二是用戶(hù)設(shè)置“設(shè)備類(lèi)型”之后，隨時(shí)響應(yīng)自動(dòng)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)給出的系數(shù)建議。本軟件的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1）采用 DataGridViewComboBoxColumn 控件實(shí)現(xiàn)下拉列，其中DataSource 屬性用于設(shè)置該下拉列綁定的數(shù)據(jù)源，DataPropertyName 屬性用于設(shè)置該下拉列在數(shù)據(jù)源中對(duì)應(yīng)的列屬性名稱(chēng)，DefaultCellStyle.NullValue 屬性用于設(shè)置下拉列的默認(rèn)選項(xiàng)，HeaderText 屬性用于設(shè)置下拉列的列名。

按照不同的設(shè)備專(zhuān)業(yè)分類(lèi)，即可設(shè)置“設(shè)備類(lèi)型”下拉列表中的典型設(shè)備，以便用戶(hù)快速選擇，如圖 3 所示。首先，采用 List＜string＞數(shù)據(jù)類(lèi)型表示“設(shè)備類(lèi)型”下拉列d 中的項(xiàng)目；然后，將該下拉列d 添加至當(dāng)前數(shù)據(jù)表dgv 中，即dgv.Columns.Add(d)。

圖 3 設(shè)備類(lèi)型的下拉列表Fig. 3 Drop down list of device types

2）通過(guò)CellValueChanged 事件對(duì)用戶(hù)設(shè)置“設(shè)備類(lèi)型”予以響應(yīng)，自動(dòng)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)并給出建議，其中事件綁定采用的委托方式為：

dgv.CellValueChanged += new DataGridView-CellEventHandler(dgv_CellValueChanged)。

基于此，一旦單元格的數(shù)值發(fā)生改變，即可觸發(fā)該事件，通過(guò)判斷列名（if(dgv.Columns[e.Column-Index].Name == "設(shè)備類(lèi)型")）即可確定本列數(shù)據(jù)是否改變，進(jìn)而根據(jù)“設(shè)備類(lèi)型”的列內(nèi)容查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，并回填結(jié)果至交互界面。

3 船舶電站的機(jī)組配置功能

本軟件突破了常規(guī)繁瑣的人工配置方式，基于電站容量的計(jì)算結(jié)果，即可一站式完成機(jī)組配置自動(dòng)建議，其實(shí)現(xiàn)思路為：通過(guò)遍歷機(jī)組庫(kù)中的所有機(jī)組，找到一定約束條件下各工況平均負(fù)荷率最高的一組配置。

考慮到船舶電站機(jī)組配置的實(shí)際約束條件，本軟件中機(jī)組自動(dòng)配置方法的6 條前提假設(shè)為：

1）不計(jì)及備用機(jī)組，主電站的機(jī)組數(shù)量不大于4 臺(tái)。

2）考慮到機(jī)組并網(wǎng)的平穩(wěn)性要求，以及實(shí)際維護(hù)要求，電站配置的機(jī)組種類(lèi)不超過(guò)2 種。

3）在最大工況下，除了備用機(jī)組之外，所有機(jī)組均參與投運(yùn)，且負(fù)荷率不低于70%，最大負(fù)荷率 ηmax設(shè)定為 0.85～0.9。

4）在所有工況下，以電站運(yùn)行平均負(fù)荷率最高為目標(biāo)函數(shù)。

5）若有應(yīng)急電站，則僅配置1 臺(tái)應(yīng)急機(jī)組，且不與主發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)。

6）若有僅停泊用電站，則僅配置1 臺(tái)停泊用停泊機(jī)組，且不與主發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)。

基于上述假設(shè)，由于應(yīng)急電站機(jī)組、僅停泊用停泊機(jī)組只在1 種工況下運(yùn)行，所以應(yīng)急電站機(jī)組和僅停泊用停泊機(jī)組的配置約束條件為：相應(yīng)工況下所配置機(jī)組的負(fù)荷率最高，且不高于指定的最大允許負(fù)荷率，這是個(gè)單變量約束問(wèn)題，故本文不再詳述。

對(duì)于主電站機(jī)組的配置方案，則可以將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解：假設(shè)機(jī)組I 的額定功率為 F1，配置 N1臺(tái)；機(jī)組 II 的額定功率為 F2，配置N2臺(tái)；工況 i 下的負(fù)荷為 Pi（i=1,2,···,M，其中 M 為運(yùn)行工況數(shù)量），其中最大負(fù)荷值為Pmax，最小負(fù)荷值為 Pmin；n1i，n2i分別為工況 i 下機(jī)組 I 和機(jī)組II 的最優(yōu)起動(dòng)臺(tái)數(shù)，則式中：J 為目標(biāo)函數(shù)；Φ 為機(jī)組數(shù)據(jù)庫(kù) Units 中符合用戶(hù)指定條件的機(jī)組。Units 存放于設(shè)備資料庫(kù)，涵蓋了市場(chǎng)上主要生產(chǎn)廠家的不同功率等級(jí)的機(jī)組信息，例如型號(hào)、功率、電壓、頻率、功率因數(shù)、尺寸、重量、排放等級(jí)；柴油機(jī)型號(hào)、柴油機(jī)功率、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)廠家；發(fā)電機(jī)型號(hào)、發(fā)電機(jī)功率、發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)電機(jī)廠家等信息。

上述最優(yōu)化問(wèn)題屬于離散型規(guī)劃問(wèn)題，其通用求解方法包括割平面法、啟發(fā)式搜索算法以及枚舉法等。對(duì)于本文而言，目標(biāo)函數(shù)和約束條件的計(jì)算并不復(fù)雜，采用枚舉法即可滿(mǎn)足離線(xiàn)尋優(yōu)要求，其具體求解過(guò)程如下：

1） 尋找機(jī)組配置方案的可行解。

如果平均負(fù)荷率η(k)優(yōu)于最優(yōu)負(fù)荷率ηbest，則令 ηbest=η(k)，最優(yōu)配置方案 Γbest= Γ(k)。同時(shí)，判斷遍歷是否完成，如果未完成，則令k=k+1，跳轉(zhuǎn)至第1 步；否則結(jié)束，輸出最優(yōu)機(jī)組配置方案Γbest。

基于此，根據(jù)多項(xiàng)約束條件來(lái)不斷縮小可行域，然后對(duì)可行域內(nèi)的機(jī)組配置方案的負(fù)荷率進(jìn)行逐一對(duì)比，如果平均負(fù)荷率變大，則接受；否則維持不變，最終選擇符合上述約束條件的最優(yōu)解，并作為主電站的最優(yōu)配置方案。

4 實(shí)船驗(yàn)證

本文基于C#語(yǔ)言、SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)和.NET Framework 2.0 SP2 運(yùn)行環(huán)境軟件，開(kāi)發(fā)了可擴(kuò)展的船舶電站容量與機(jī)組配置輔助設(shè)計(jì)Windows窗體程序。本節(jié)將以某4 000 t 全電力推進(jìn)船舶為例進(jìn)行有效性驗(yàn)證，該船電力系統(tǒng)包含7 種運(yùn)行工況，約350 余項(xiàng)用電設(shè)備。

首先，利用本軟件的工況和設(shè)備分類(lèi)定義、用電設(shè)備負(fù)荷導(dǎo)入、以及系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建議等功能，計(jì)算各工況下的總電力負(fù)荷，結(jié)果如表1 所示，軟件界面的匯總表如圖4 所示。

表 1 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果Table 1 Load calculation results

圖 4 負(fù)荷匯總表Fig. 4 Summary of the power loads

然后，對(duì)電站形式參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體如下：?jiǎn)为?dú)配置1 臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，主電站總臺(tái)數(shù)不多于4 臺(tái)，最大允許負(fù)荷率不超過(guò)0.88，機(jī)組頻率為50 Hz，其他指標(biāo)不進(jìn)行限制，設(shè)置界面如圖5 所示。其中機(jī)組參數(shù)存儲(chǔ)于設(shè)備參數(shù)庫(kù)中，涵蓋了42 種常用機(jī)組。

圖 5 電站形式的參數(shù)預(yù)設(shè)Fig. 5 Parameters preset of the power station configuration

最后，根據(jù)用戶(hù)所選電站形式的參數(shù)和總負(fù)荷需求，軟件系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組配置自動(dòng)尋優(yōu)建議，輸出電站機(jī)組配置建議表，為用戶(hù)提供3 組配置方案，平均負(fù)荷率分別為80.17%，75.61%，69.87%，其中最佳方案——方案1 的參數(shù)如圖6 所示。

由圖6 可知，最佳方案為配置1 個(gè)主電站，包含 2 臺(tái) 2 940 kW 機(jī)組 和 2 臺(tái) 760 kW 機(jī) 組，配置1 個(gè)應(yīng)急電站，包含 1 臺(tái) 230 kW 機(jī)組，其最大負(fù)荷率85.69%，最小負(fù)荷率為68.58%，平均負(fù)荷率為80.17%。經(jīng)人工離線(xiàn)校核，在給定機(jī)組庫(kù)條件下，該機(jī)組配置模式為最優(yōu)。

圖 6 機(jī)組配置輔助設(shè)計(jì)Fig. 6 Aided design of the unit configuration

需注意的是，在該案例中配置不大于4 臺(tái)主機(jī)機(jī)組和1 臺(tái)應(yīng)急機(jī)組的預(yù)設(shè)條件下，且搜索對(duì)象為42 種常用機(jī)組時(shí)，本文軟件的求解耗時(shí)在1 s以?xún)?nèi)。對(duì)于常規(guī)的電站設(shè)計(jì)而言，主流發(fā)電機(jī)組的廠家數(shù)量有限，同一廠家的機(jī)組功率分級(jí)一般呈離散型分布，加之各項(xiàng)機(jī)組指標(biāo)因素的篩選，所以符合預(yù)設(shè)條件的機(jī)組規(guī)模往往小于本案例，因此，本軟件可以滿(mǎn)足電站設(shè)計(jì)中離線(xiàn)配置機(jī)組的實(shí)際工程要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研發(fā)了可擴(kuò)展的船舶電站容量與機(jī)組配置輔助設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)將電站容量計(jì)算與機(jī)組自動(dòng)配置相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了船舶電力系統(tǒng)電站一站式設(shè)計(jì)，并基于某 4 000 t 民船開(kāi)展了案例驗(yàn)證。本文提出的輔助設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)了3 種計(jì)算方法集成、用電設(shè)備的負(fù)荷系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建議、負(fù)荷自動(dòng)計(jì)算以及機(jī)組自動(dòng)配置等功能，有助于提高船舶電站的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)精細(xì)程度。