基于比例偽時(shí)序算法的艦船電力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)

詹錦皓，李維波，李齊，鄒振杰，孫萬峰

武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070

0 引 言

隨著未來艦船設(shè)備的更新?lián)Q代，越來越多的新研設(shè)備及高精度裝置將列裝上艦，這些設(shè)備的高能耗需求對(duì)艦船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。面對(duì)日趨復(fù)雜的艦船電力系統(tǒng)，一旦發(fā)生故障，如果艦員僅憑傳統(tǒng)的報(bào)警信息進(jìn)行操作決策，可能會(huì)因處理不及時(shí)而造成更為嚴(yán)重的后果，因此傳統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)將難以適應(yīng)未來大型艦船電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的保障需求。

國際上在艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究起步較晚，于上世紀(jì)70年代才首次提出此概念[1]。到80年代，我國也開始重視艦船可靠性方面的研究工作。與艦船電力系統(tǒng)相比，陸地電力系統(tǒng)評(píng)估體系的發(fā)展時(shí)間更早，也更為成熟，因此，目前艦船電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，更多的是對(duì)陸地電力系統(tǒng)可靠性研究成果的繼承與發(fā)展。然而，艦船電力系統(tǒng)不同于陸地電力系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，且海面環(huán)境復(fù)雜多變，如果直接沿用陸地電力系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)，難以滿足艦船電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)評(píng)估要求[2-3]。

為了對(duì)艦船電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，本文擬引入偽時(shí)序算法并進(jìn)行改進(jìn)，由此提出基于比例偽時(shí)序算法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)。首先，通過模擬裝置仿真采集艦船電力系統(tǒng)的電壓、功率和頻率信息，并通過組態(tài)界面可視化各電力物理量，進(jìn)而傳輸?shù)侥M裝置中；然后，基于模擬裝置對(duì)物理量進(jìn)行算法運(yùn)算，進(jìn)而對(duì)整體電力系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；最后，通過模擬不同的運(yùn)行工況，驗(yàn)證該評(píng)估系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)監(jiān)控穩(wěn)定性。根據(jù)艦船電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果和實(shí)船經(jīng)驗(yàn)，艦員即可作出決策判斷，從而對(duì)當(dāng)前電力狀況提出改進(jìn)措施。

1 改進(jìn)偽時(shí)序算法

傳統(tǒng)的偽時(shí)序算法是通過在采集數(shù)據(jù)庫中選取對(duì)評(píng)估指標(biāo)重要的各狀態(tài)變化部分，然后有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行抽樣，因而減少了計(jì)算時(shí)間。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)評(píng)估中常用的蒙特卡羅法相比，偽時(shí)序算法在狀態(tài)抽樣上效率更高，可以在同樣的時(shí)間內(nèi)完成更多、更復(fù)雜的運(yùn)算。偽時(shí)序算法可以根據(jù)電力系統(tǒng)狀態(tài)變化的時(shí)序特點(diǎn)，篩選出某一狀態(tài)變化過程的狀態(tài)量，并將所需狀態(tài)量建立集合，以綜合反映系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的變化情況。

傳統(tǒng)的偽時(shí)序算法雖然可以通過系統(tǒng)的時(shí)序特性來生成狀態(tài)序列，但其時(shí)序信息過于簡(jiǎn)單。為此，本文將根據(jù)艦船電力系統(tǒng)中各狀態(tài)的重要度，對(duì)各狀態(tài)量進(jìn)行排序篩選，排除對(duì)系統(tǒng)整體影響較小的狀態(tài)量，從而提高算法效率。各狀態(tài)重要度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為該狀態(tài)量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響程度，例如，假設(shè)從系統(tǒng)狀態(tài)集合中去除某狀態(tài)，通過判斷電力系統(tǒng)的狀態(tài)是否發(fā)生變化即可完成重要度劃分。圖1所示為改進(jìn)的偽時(shí)序算法系統(tǒng)狀態(tài)圖，本文假設(shè)了9個(gè)狀態(tài)量S1～S9，其中S1～S6為可接受狀態(tài)量，S7和S8為風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)量，S9為低重要度狀態(tài)量[4]。

圖1 偽時(shí)序算法的系統(tǒng)狀態(tài)圖Fig.1 System state diagram of pseudo time-series algorithm

根據(jù)傳統(tǒng)的偽時(shí)序算法流程對(duì)S1～S9進(jìn)行隨機(jī)采樣，當(dāng)采取到風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，流程將轉(zhuǎn)換到下一個(gè)步驟，否則，繼續(xù)采樣，其中S9為低重要度的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)量。以S7（風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)）為例，如果接下來的采樣結(jié)果為S4，即狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程為S7-S4，系統(tǒng)將變?yōu)檎顟B(tài)，否則，重新進(jìn)行隨機(jī)采樣；如果接下來的采樣結(jié)果為S8（風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)），則需繼續(xù)對(duì)S8-S5和S8-S9進(jìn)行采樣。按照偽時(shí)序算法，當(dāng)采集到S9（風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)）時(shí)，需對(duì)S9繼續(xù)進(jìn)行采樣，而S9接下來的狀態(tài)路徑只有S6（正常狀態(tài)），則此次狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程的故障序列為S7-S8-S9-S6。

通過對(duì)偽時(shí)序算法進(jìn)行改進(jìn)（圖1），S9將被判定為重要度較低的狀態(tài)量，雖然其存在風(fēng)險(xiǎn)，但依然可以被認(rèn)定為安全狀態(tài)。經(jīng)過改進(jìn)偽時(shí)序算法的處理，S7-S8-S9-S6的故障序列可以簡(jiǎn)化為S7-S8-S9。當(dāng) S8-S9的狀態(tài)轉(zhuǎn)移結(jié)束之后，即可判定系統(tǒng)回歸正常，從而減少了從S9向后繼續(xù)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的步驟。

改進(jìn)偽時(shí)序算法與傳統(tǒng)偽時(shí)序算法的對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。

表1 偽時(shí)序算法的對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of pseudo time-series algorithms

改進(jìn)的偽時(shí)序算法通過將處于判斷依據(jù)臨界的狀態(tài)量篩選出來，省去了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)無用的正常狀態(tài)以及低重要度狀態(tài)的檢驗(yàn)過程，簡(jiǎn)化了算法，豐富了狀態(tài)集合，并提高了算法精度與計(jì)算效率[5]。改進(jìn)偽時(shí)序算法的流程如圖2所示，包括獲取設(shè)備狀態(tài)原始數(shù)據(jù)流程（圖2（a））和判斷風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)流程（圖2（b））。

圖2 改進(jìn)偽時(shí)序算法的流程Fig.2 Flow chart of improved pseudo time-series algorithm

由圖2可知，首先采用標(biāo)準(zhǔn)化放大系統(tǒng)的重要度，隨后采集系統(tǒng)各狀態(tài)的重要度，并將重要度較低的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)視為安全狀態(tài)予以處理，最后，即可獲取各設(shè)備狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)；當(dāng)原始數(shù)據(jù)獲取完畢之后，即可對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)抽樣，需要判斷抽樣狀態(tài)是否為可接受狀態(tài)，如果是，則繼續(xù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行抽樣；反之，判定該狀態(tài)為風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

2 艦船電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)

所謂風(fēng)險(xiǎn)，即描述某一事故發(fā)生的可能性或事故惡性影響的程度。本文定義的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指在客觀認(rèn)識(shí)系統(tǒng)存在風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上，判斷事故發(fā)生的可能性及產(chǎn)生損害的程度，從而制定合理的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)在線實(shí)時(shí)評(píng)估的定義為：艦船在某一運(yùn)行工況下，由于某種風(fēng)險(xiǎn)因素可能引起某種事故的發(fā)生，需評(píng)估事故發(fā)生的概率和事故產(chǎn)生的影響程度[6-7]。

與艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)Risk相關(guān)的要素為式中：L為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；K為風(fēng)險(xiǎn)類型；P為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率；S為風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度。艦船電力系統(tǒng)中存在著影響設(shè)備狀態(tài)的大量因素，但在表現(xiàn)形式上都可以體現(xiàn)為參數(shù)的變化，因此，本文將根據(jù)艦船電力系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，選取電壓風(fēng)險(xiǎn)、概率風(fēng)險(xiǎn)和頻率風(fēng)險(xiǎn)作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，從而建立艦船電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系[8]。

2.1.1 電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

電力系統(tǒng)的電壓越限風(fēng)險(xiǎn)，是指因系統(tǒng)電壓過高或過低而超過極限值所引起的危害。電壓過高，可能會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備擊穿，使電機(jī)溫度升高，從而損害電力系統(tǒng)；電壓過低，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)振蕩，從而降低有功負(fù)荷能力。對(duì)于系統(tǒng)中的第k個(gè)設(shè)備，其電壓越限嚴(yán)重度指標(biāo)Skv為

式中：Δvk為第k個(gè)設(shè)備的實(shí)際電壓與額定電壓之間的差值；k=1, 2, ···，N，為系統(tǒng)設(shè)備序號(hào)，其中N為序號(hào)最大值；Vk為第k個(gè)設(shè)備的額定電壓。

因此，電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)Rv為

式中，Pkv為系統(tǒng)中第k個(gè)設(shè)備發(fā)生電壓越限故障的概率。

2.1.2 功率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

電力系統(tǒng)的功率越限，是指因過載大電流而導(dǎo)致機(jī)組發(fā)熱和系統(tǒng)壓力過大，有可能燒壞各路設(shè)備或線路而存在安全風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)中第k個(gè)設(shè)備的過載嚴(yán)重度指標(biāo)Skp為

式中，PkI和Pek分別為第k個(gè)設(shè)備發(fā)生過載故障時(shí)的實(shí)際功率和額定功率。

功率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)RP為

式中，Pkr為系統(tǒng)中第k個(gè)設(shè)備發(fā)生過載故障的概率。

2.1.3 頻率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

電力系統(tǒng)的頻率偏移風(fēng)險(xiǎn)一般是由于發(fā)電機(jī)組發(fā)生頻率波動(dòng)而無法穩(wěn)定工作所致。頻率偏移將降低電網(wǎng)的供電質(zhì)量，進(jìn)而影響負(fù)載工作，例如艦船水面航行的質(zhì)量。系統(tǒng)中第k個(gè)設(shè)備的頻率偏移嚴(yán)重度指標(biāo)Skf為

式中，fkp和fk分別為系統(tǒng)中第k個(gè)設(shè)備的實(shí)際頻率和額定頻率。

2.1.4 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)優(yōu)化

艦船電力系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備存在一定的優(yōu)先級(jí)關(guān)系，不同設(shè)備的狀態(tài)變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響不同，同一種風(fēng)險(xiǎn)類型對(duì)不同設(shè)備造成的影響也不盡相同。評(píng)價(jià)某一風(fēng)險(xiǎn)的參考指標(biāo)包括設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、設(shè)備靈敏度、設(shè)備損害的危害度等多種因素，因此，本文擬將以上各種因素整合為重要度予以考慮。通過在算法流程中引入重要度，可以進(jìn)一步優(yōu)化各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。

電壓越限嚴(yán)重度指標(biāo)優(yōu)化之后的表達(dá)式Skv1為

式中，rk為系統(tǒng)中第k個(gè)設(shè)備的重要度。根據(jù)GJB 13A-1997《艦船電氣規(guī)范》，環(huán)網(wǎng)電機(jī)的重要度最高，負(fù)載次之，配電板最低。

功率過載嚴(yán)重度指標(biāo)優(yōu)化之后的表達(dá)式Skp1為

對(duì)頻率偏移嚴(yán)重度指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化后的表達(dá)式Skf1為

2.2 風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)

陸地電網(wǎng)在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)研究方面已有多年的發(fā)展歷程，具有一定的參考價(jià)值。根據(jù)艦船電力系統(tǒng)的運(yùn)行保障要求和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并參考陸地電網(wǎng)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，本文將艦船電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分1級(jí)風(fēng)險(xiǎn)、2級(jí)風(fēng)險(xiǎn)和3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)等級(jí)[9]，如圖3所示。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)示意圖Fig.3 Risk diagram

為了增加區(qū)分度，本文采用極端情況下的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)作為分級(jí)閾值，其參考標(biāo)準(zhǔn)為：1）1級(jí)與2級(jí)：系統(tǒng)在安全范圍內(nèi)正常運(yùn)行，僅個(gè)別或少量設(shè)備參數(shù)波動(dòng)異常，屬于中風(fēng)險(xiǎn)水平；2）2級(jí)與3級(jí)：電力系統(tǒng)中出現(xiàn)明顯的故障點(diǎn)或嚴(yán)重威脅艦船安全的風(fēng)險(xiǎn)問題，屬于高風(fēng)險(xiǎn)水平，且根據(jù)嚴(yán)重程度可能發(fā)出故障告警。

由此可見，在確定1級(jí)、2級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)閾值時(shí)，必須令2級(jí)風(fēng)險(xiǎn)涵蓋不超過故障界限的所有高風(fēng)險(xiǎn)情況，具體方法為：選取系統(tǒng)中重要度最低且故障概率最高的一個(gè)設(shè)備，將該設(shè)備的各參數(shù)設(shè)置為故障臨界值，其他重要設(shè)備（例如電機(jī)、負(fù)載等）均為額定狀態(tài)，從而計(jì)算出此時(shí)系統(tǒng)的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并將其定義為1級(jí)、2級(jí)的分級(jí)閾值。確定2級(jí)、3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)閾值時(shí)，必須令3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)涵蓋超過最低故障界限的高風(fēng)險(xiǎn)情況，具體方法為：選取系統(tǒng)中重要度最高且故障概率最低的一個(gè)設(shè)備，將該設(shè)備的各參數(shù)設(shè)置為故障臨界值，其他重要設(shè)備均為額定狀態(tài)，從而計(jì)算出此時(shí)系統(tǒng)的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并將其定義為2級(jí)、3級(jí)的分級(jí)閾值[10-12]。

3 比例偽時(shí)序算法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程及測(cè)試平臺(tái)

3.1 艦船電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文研究的艦船電力系統(tǒng)采用的是環(huán)形網(wǎng)絡(luò)（圖4），該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能提供更多的連通路徑，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇最優(yōu)路徑，具備較高的穩(wěn)定性和靈活性。與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中處于可工作狀態(tài)的多臺(tái)電機(jī)可以為電網(wǎng)提供更大容量和更高質(zhì)量的電能，從而顯著提高電力系統(tǒng)的冗余度和抗干擾能力，因此該結(jié)構(gòu)更符合當(dāng)前艦船系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用需求。

圖4中，DG為電機(jī)，L為負(fù)載，PDB為配電板，各設(shè)備參數(shù)設(shè)置參考了GJB 13A-1997《艦船電氣規(guī)范》，且故障臨界值均按照10%的額定值予以考慮。

圖4 艦船電力系統(tǒng)拓?fù)淠MFig.4 Simulation of ship power system topology

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)預(yù)警體系相比，本文的艦船電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系不是直接把各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)與對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行比較后作出判斷，而是把當(dāng)前狀態(tài)下每一類參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行狀態(tài)獲取和指標(biāo)計(jì)算，然后再與各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)閾值進(jìn)行比較后完成評(píng)估，具體的流程如圖5所示。圖中，狀態(tài)獲取階段為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采集數(shù)據(jù)信息的過程，基于改進(jìn)的偽時(shí)序算法，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)中判斷并提各狀態(tài)量，然后將其放入指標(biāo)計(jì)算序列[13]；指標(biāo)計(jì)算階段指通過各設(shè)備的故障概率和嚴(yán)重度以及電氣參數(shù)來計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值的過程，單純的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果無法直觀地表示風(fēng)險(xiǎn)影響的程度，因此需要進(jìn)行必要的分級(jí)預(yù)警；分級(jí)預(yù)警階段是通過對(duì)比各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分級(jí)閾值與風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算值，從而確定系統(tǒng)狀態(tài)所處的風(fēng)險(xiǎn)水平并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警[14]。

圖5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程圖Fig.5 Risk assessment process

由圖5可知：首先，在狀態(tài)獲取階段實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)的同時(shí)，對(duì)各電力模擬量進(jìn)行賦值并獲取系統(tǒng)狀態(tài)量，從而確定系統(tǒng)狀態(tài)過程并生成指標(biāo)計(jì)算序列；然后，提取系統(tǒng)各設(shè)備的故障概率、電氣參數(shù)和重要度，在指標(biāo)計(jì)算階段計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并與各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的分級(jí)閾值進(jìn)行比較，從而判斷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；最后，在分級(jí)預(yù)警階段對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分析和預(yù)警。

3.3 比例補(bǔ)償優(yōu)化

在圖4所示的電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有6臺(tái)電機(jī)可為電網(wǎng)供電，但在實(shí)船航行過程中，這6臺(tái)電機(jī)不會(huì)一直處于并網(wǎng)工作狀態(tài)。根據(jù)不同的航行工況，并網(wǎng)電機(jī)的數(shù)量會(huì)有所不同，電力系統(tǒng)的電壓、功率及頻率的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，由于上文所采用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程沒有考慮這一點(diǎn)，故需開展進(jìn)一步的優(yōu)化。

艦船電力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)必須達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控評(píng)估的效果，即工況發(fā)生變化、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí)，評(píng)估系統(tǒng)依然可以根據(jù)當(dāng)前的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋并分級(jí)預(yù)警，所以在評(píng)估流程中必須加入實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前系統(tǒng)工況的環(huán)節(jié)，以滿足實(shí)際使用需求。

由于計(jì)算方法不變，即6臺(tái)電機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)的分級(jí)閾值計(jì)算方式與2臺(tái)或3臺(tái)電機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)的相同，且各負(fù)載的重要度遠(yuǎn)低于電機(jī)，所以負(fù)載變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的影響較小。因此為簡(jiǎn)化流程，本文的工況變化將僅考慮電機(jī)并入數(shù)量所導(dǎo)致的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。

以6臺(tái)電機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)的各風(fēng)險(xiǎn)量分級(jí)閾值作為標(biāo)準(zhǔn)值1，其他工況下的采用比例補(bǔ)償系數(shù)。根據(jù)代入評(píng)估算法中的實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可確定各工況下的電壓、功率和頻率分級(jí)閾值的比例補(bǔ)償系數(shù)，如表2所示。

表2 比例補(bǔ)償系數(shù)Table 2 Proportional compensation coefficient

引入比例補(bǔ)償系數(shù)后的電壓越限嚴(yán)重度指標(biāo)Skv2為

式中，Kv為電壓分級(jí)閾值的比例補(bǔ)償系數(shù)。

引入比例補(bǔ)償系數(shù)后的功率過載嚴(yán)重度指標(biāo)Skp2為

式中，Kp為功率分級(jí)閾值的比例補(bǔ)償系數(shù)。

引入比例補(bǔ)償系數(shù)后的頻率偏移嚴(yán)重度指標(biāo)Skf2為

式中，Kf為頻率分級(jí)閾值的比例補(bǔ)償系數(shù)。

經(jīng)過比例補(bǔ)償優(yōu)化后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程如圖6所示，包括匹配比例系數(shù)與狀態(tài)獲取流程（圖6（a）），以及風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算與預(yù)警流程（圖6（b））。首先，對(duì)各模擬量進(jìn)行賦值，判斷當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行工況；然后，分別為電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、功率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、頻率風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)匹配不同的比例補(bǔ)償系數(shù)；最后，獲取系統(tǒng)各狀態(tài)量進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算。由此可見，優(yōu)化后的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算流程不僅可以評(píng)估當(dāng)前系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，還可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)來優(yōu)化自身算法，從而選取適合當(dāng)前工況的算法來計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

圖6 優(yōu)化后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程Fig.6 Optimized risk assessment process

3.4 組態(tài)測(cè)試平臺(tái)

本文的在線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)硬件平臺(tái)由3大部分組成：參數(shù)仿真軟件控制器（電腦PC1模擬）、底層控制器和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件控制器（電腦PC2模擬），如圖7所示。首先，采用電腦PC1組態(tài)軟件模擬艦船電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況，將各設(shè)備參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送給底層控制器，并通過界面控制發(fā)送系統(tǒng)運(yùn)行電壓、功率和頻率等各個(gè)參數(shù)的狀態(tài)量；然后，采用ARM芯片控制底層控制器，通過串口接收設(shè)備完成數(shù)據(jù)接收，并將改進(jìn)時(shí)序算法的運(yùn)算結(jié)果上傳至風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件控制器；最后，采用電腦PC2模擬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件控制器，用以接收底層控制器所上傳的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并顯示在用戶界面上。

圖7 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.7 Hardware platform structure

底層控制器實(shí)物如圖8所示。

圖8 底層控制器Fig.8 Bottom controller object

3.4.1 參數(shù)仿真軟件界面

在電腦PC1上，由組態(tài)軟件所構(gòu)建的參數(shù)仿真軟件界面如圖9所示，其中，①為信息總覽部分，通過該部分，可以直觀地顯示每一個(gè)設(shè)備的參數(shù)，便于后期的實(shí)機(jī)測(cè)試；②為功能按鈕部分，可以配合參數(shù)設(shè)定界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)的下發(fā)和復(fù)位等功能；③為參數(shù)設(shè)定部分，通過點(diǎn)擊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中的設(shè)備，即可在參數(shù)設(shè)定界面進(jìn)行電壓、頻率和功率等參數(shù)的設(shè)定。

圖9 參數(shù)仿真界面Fig.9 Parameter simulation interface

3.4.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件界面

在電腦PC2上，由組態(tài)軟件所構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件如圖10所示，其界面主體為艦船電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，以便直觀了解當(dāng)前電力系統(tǒng)所接入設(shè)備或負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征。其中，①為參數(shù)顯示部分，通過點(diǎn)擊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中的設(shè)備，即可顯示該設(shè)備當(dāng)前的工作參數(shù)；②為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估部分，即底層控制器上傳的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)信息；③為系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估部分，其可以根據(jù)顯示的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)改變顏色，從而使報(bào)警信息更為直觀；④為風(fēng)險(xiǎn)分析部分，即根據(jù)當(dāng)前電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)情況給出的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)論。

圖10 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估界面Fig.10 Risk assessment interface

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)機(jī)測(cè)試與結(jié)果分析

圖11所示為由底層控制器與2臺(tái)PC電腦組成的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)機(jī)測(cè)試裝置。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)機(jī)測(cè)試Fig.11 In-site joint test

4.1 故障工況1

以6臺(tái)機(jī)組并入電網(wǎng)為例，設(shè)置2臺(tái)機(jī)組發(fā)生越限故障，其實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖12所示（各指標(biāo)的定量結(jié)果均在算法程序底層完成計(jì)算，圖12所示為項(xiàng)目成果界面）。此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)顯示為“等級(jí)3”，系統(tǒng)健康評(píng)估狀態(tài)指示燈為紅色，風(fēng)險(xiǎn)分析欄提示了具體的分析結(jié)論。

圖12 6臺(tái)機(jī)組中2臺(tái)故障的實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果Fig.12 Joint commissioning test result for two faults of six units

4.2 故障工況2

以6臺(tái)機(jī)組并入電網(wǎng)為例，設(shè)置1臺(tái)機(jī)組發(fā)生越限故障，其實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖13所示。此時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)顯示為“等級(jí)2”，系統(tǒng)健康評(píng)估狀態(tài)指示燈為紅綠交替，風(fēng)險(xiǎn)分析欄提示了具體的分析結(jié)論。

圖13 6臺(tái)機(jī)組中1臺(tái)故障的實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果Fig.13 Joint commissioning test result for one faults of six units

4.3 故障工況3

以6臺(tái)機(jī)組并入電網(wǎng)為例，設(shè)置1臺(tái)機(jī)組故障以及部分負(fù)載故障，其實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖14所示。此時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)顯示為“等級(jí)3”，系統(tǒng)健康評(píng)估狀態(tài)指示燈為紅色，風(fēng)險(xiǎn)分析欄提示了具體的分析結(jié)論。

圖14 6臺(tái)機(jī)組中1臺(tái)故障且部分負(fù)載故障的實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果Fig.14 Joint commissioning test result for one of six units and partial load fault

由上述實(shí)機(jī)測(cè)試結(jié)果可知，本文搭建的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行工況對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，可以通過調(diào)整算法來提高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估的精確度?；诠收显O(shè)備的重要度和故障概率來綜合考量系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)情況，有助于艦員在故障之前預(yù)先發(fā)現(xiàn)高威脅的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，從而保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合艦船電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題，建立了基于改進(jìn)偽時(shí)序算法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，可以針對(duì)電力系統(tǒng)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的電壓、功率和頻率這3種參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)評(píng)估，從而直觀、準(zhǔn)確地可視化系統(tǒng)當(dāng)前的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)水平，以便艦員根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)當(dāng)前工況進(jìn)行監(jiān)控或維護(hù)，有利于提高艦船電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。然而，目前該方案僅限于模擬平臺(tái)運(yùn)行，所有數(shù)據(jù)與仿真狀態(tài)均為試驗(yàn)?zāi)M工況，下一步，將準(zhǔn)備開展艦船移動(dòng)平臺(tái)測(cè)試工作，用以推進(jìn)后續(xù)的實(shí)船應(yīng)用。