吳團結(jié), 劉鈞, 王云鶴

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

智能電網(wǎng)在艦船電力系統(tǒng)中應(yīng)用發(fā)展

吳團結(jié), 劉鈞, 王云鶴

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

隨著商用智能電網(wǎng)的研究和開發(fā)，針對商用智能電網(wǎng)的概念、特點和技術(shù)組成，結(jié)合艦船電力系統(tǒng)的特殊性和艦船綜合電力系統(tǒng)系統(tǒng)技術(shù)概念的提出，闡述了艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)展對智能電網(wǎng)的應(yīng)用需求；提出了艦船智能電網(wǎng)自愈、互動、優(yōu)質(zhì)電能、電磁兼容和抗攻擊性等基本特征和發(fā)展重點，以及與之相關(guān)的信息、通信、傳感和量測、智能設(shè)備、自動控制和決策支持等關(guān)鍵技術(shù)。

艦船電力系統(tǒng) 智能電網(wǎng) 綜合電力系統(tǒng)

0 引言

智能電網(wǎng)的概念涵蓋了電網(wǎng)的發(fā)，輸、變、配、用電等各個環(huán)節(jié)，智能電網(wǎng)正在給全球電力行業(yè)帶來新的機遇與挑戰(zhàn)，是2l世紀重大科技創(chuàng)新和變革趨勢，國內(nèi)外研究學(xué)者紛紛開始關(guān)注智能電網(wǎng)的研究和建設(shè)，以實現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級換代及電網(wǎng)運行控制新思路的改革。國家電網(wǎng)公司已明確提出我國至2020年全面建成統(tǒng)一“堅強智能電網(wǎng)”發(fā)展目標，并制定了規(guī)劃試點、全面建設(shè)和引領(lǐng)提升三階段發(fā)展規(guī)劃[1-3]。

艦船作為一種戰(zhàn)斗艦艇，相對陸上電網(wǎng)，艦船電力系統(tǒng)為移動的獨立的小型電力系統(tǒng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對較簡單。艦船電力系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的一個重要分支，因艦船的特殊需要，與陸地電力系統(tǒng)既密切相關(guān)又有所區(qū)別。隨著艦船電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴大和綜合電力系統(tǒng)概念的提出，電力系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運行模式和控制策略等方面較傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)都發(fā)生了較大的改變，對供電質(zhì)量、可靠性和生命力提出了更高的指標。傳統(tǒng)艦船電網(wǎng)的設(shè)備水平和管理方式已經(jīng)難以滿足艦船未來發(fā)展要求，迫切需要采取智能化措施提升設(shè)計理念和應(yīng)用層次，實現(xiàn)艦船電力系統(tǒng)的數(shù)字化、自動化、信息化和互動化，以期達到智能電網(wǎng)所具有的堅強、自愈、兼容、經(jīng)濟、集成、優(yōu)化等特征的目的。

本文結(jié)合當前陸地智能電網(wǎng)的概念、特點和技術(shù)組成，針對艦船電力系統(tǒng)電網(wǎng)的特殊性和未來發(fā)展趨勢，闡述了艦船電力系統(tǒng)發(fā)展對智能電網(wǎng)的應(yīng)用需求，提出了艦船智能電網(wǎng)的基本特征以及研究和建設(shè)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

1 艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展及對電網(wǎng)智能化需求

傳統(tǒng)艦船的動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是相對獨立的，動力系統(tǒng)通常由常規(guī)的熱機和其他機械裝置構(gòu)成，電力系統(tǒng)一般是作為輔助能源，與艦船推進并沒有直接的關(guān)聯(lián)。將電力系統(tǒng)與推進系統(tǒng)相結(jié)合形成艦船電力推進是最近幾十年發(fā)展的新技術(shù)。目前，無論是在民船，還是在軍用艦艇上，這種結(jié)合愈來愈顯示出強大的生命力。以電力作為艦船推進動力逐步成為明晰的發(fā)展方向，“綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，IPS）”的概念由此產(chǎn)生[4]。

在IPS中，主動力系統(tǒng)與供電系統(tǒng)合并，艦船驅(qū)動依靠電力，大大壓縮了各種熱機的數(shù)量，“主機推進，輔機發(fā)電” 的概念將成為歷史。采用集成化發(fā)電技術(shù)、環(huán)形電網(wǎng)和區(qū)域配電方式，減少了艦船特種裝置所需發(fā)電機組、變流機組的種類和數(shù)量，這有利于簡化艦船動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布置，顯著提高戰(zhàn)斗破損情況時系統(tǒng)的生命力；同時也增強了艦船在高威脅環(huán)境下的生存能力和作戰(zhàn)效能，弱化了艦船的噪聲特性，使艦船可以采用更加靈活機動的方式，從而對艦船作戰(zhàn)方式產(chǎn)生積極的影響。綜合電力系統(tǒng)是將艦船發(fā)供電與推進用電、艦載設(shè)備用電集成在一個統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)，從而實現(xiàn)發(fā)電、配電與電力推進用電及其它設(shè)備用電統(tǒng)一調(diào)度和集中控制。綜合電力系統(tǒng)由發(fā)電模塊、電能調(diào)度及智能管理模塊、區(qū)域配電模塊、電力推進模塊、高能武器電力變換模塊和環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)等若干個模塊組成，每個模塊都是高度集成化的完整系統(tǒng)[5-8]。

顯然，艦船綜合電力系統(tǒng)就是用“電力集成”的技術(shù)思想來研究艦船電能的產(chǎn)生、輸送、變換、分配及利用電能實現(xiàn)艦船電力推進和高能武器發(fā)射。

艦船智能電網(wǎng)（Smart Grid, SM）目前還沒有一個完整的概念。與陸地智能電網(wǎng)類似，未來艦船電力系統(tǒng)同樣依賴先進的傳感測量、計算機、自動控制、信息通信等技術(shù)，與發(fā)電設(shè)備、電力變換設(shè)備、配電網(wǎng)絡(luò)和負載設(shè)備高度集成。通過標準化接入實現(xiàn)信息共享、智能決策和綜合調(diào)控，優(yōu)化電網(wǎng)運行，形成艦船“智能電網(wǎng)”。從這個意義上講，艦船智能電網(wǎng)與艦船綜合電力系統(tǒng)是“一個概念，兩種提法”。但從艦船總體角度來說，艦船智能電網(wǎng)是艦船綜合電力系統(tǒng)的一個重要組成部分，艦船綜合電力系統(tǒng)還包括艦船動力推進、高能武器發(fā)射等部分。

隨著技術(shù)的發(fā)展，未來艦船綜合電力系統(tǒng)在大中型艦艇上將獲得絕對的優(yōu)勢地位，帶來艦船性能的全面提高。全電力化艦船采用綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，更加可靠、高效和靈活，并有較強的戰(zhàn)斗力和生命力。

可見，艦船電網(wǎng)智能化是實現(xiàn)艦船綜合電力系統(tǒng)的需要和發(fā)展趨勢。

2 艦船智能電網(wǎng)主要特征

2.1 傳統(tǒng)艦船電網(wǎng)特征

艦船電力系統(tǒng)為小型獨立電力系統(tǒng)，由陸地電力系統(tǒng)派生而來但又有所區(qū)別。傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)主要采用三相不接地系統(tǒng)，以減小損耗并增加安全性；電制為低壓或中壓等級，系統(tǒng)和變壓器容量較??；電力網(wǎng)絡(luò)由電纜構(gòu)成，距離較短，僅相當于陸地配電網(wǎng)絡(luò)部分；發(fā)電單元較少，系統(tǒng)抗干擾能力稍差，不具備無窮大母線假定條件；負荷數(shù)量和種類繁多，所需電力接口多樣，許多設(shè)備對電能質(zhì)量要求較高，不同工況下系統(tǒng)運行方式差異較大。

艦船供配電方式普遍采用低壓交流干饋混合的輻射供配電方式，由發(fā)電側(cè)流向供電測，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對較簡單，主要依靠功率冗余和多路(一般為兩路)供電保證系統(tǒng)安全可靠；功率控制方式采用集中發(fā)電方式，潮流控制方式單一；電網(wǎng)與負載之間沒有通信，只有電網(wǎng)向負載傳達控制信息，兩者之間沒有交互信息；保護裝置事先離線整定；監(jiān)控系統(tǒng)以發(fā)電設(shè)備和供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測為主，設(shè)備運行管理采用人工校核，設(shè)備出現(xiàn)故障、恢復(fù)時需要人工干預(yù)。實際使用過程主要依賴操作人員的經(jīng)驗實現(xiàn)運行操作管理，人為判斷系統(tǒng)故障或不正常運行情況，通過開關(guān)切換或配置應(yīng)急電力系統(tǒng)保證重要設(shè)備的電力供應(yīng)。

2.2 艦船智能電網(wǎng)特征

從宏觀上講，智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)管理運行模式不同。艦船智能電網(wǎng)是精細管理，它是一個完整的企業(yè)級信息框架和基礎(chǔ)設(shè)施體系，即以堅強網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等各個環(huán)節(jié)，覆蓋艦船所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，電網(wǎng)堅強可靠、經(jīng)濟高效、透明開放、友好互動。而艦船傳統(tǒng)電網(wǎng)是粗放控制，電力資源沒有被合理配置。發(fā)電裝置單一，功率有限；輸變配裝置效率低下，網(wǎng)絡(luò)損耗嚴重；負載“大馬拉小車”的能源浪費現(xiàn)象普遍，同時增加了運行噪聲。

從微觀上講，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，艦船智能電網(wǎng)進一步優(yōu)化了電網(wǎng)控制，構(gòu)建結(jié)構(gòu)扁平化，功能模塊化，系統(tǒng)組態(tài)化，是一種柔性體系結(jié)構(gòu)，通過集中與分散相結(jié)合，靈活變換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、智能重組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、最佳配置系統(tǒng)效能、優(yōu)化電網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)與傳統(tǒng)電網(wǎng)截然不同的電網(wǎng)構(gòu)成理念和體系。

艦船智能電網(wǎng)的發(fā)展目標是利用現(xiàn)代信息技術(shù)，通信技術(shù)、計算機技術(shù)、測量技術(shù)、自動化技術(shù)等先進技術(shù)，抵御各種事故損害，提高艦船電力系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)、輸變配電側(cè)、用電側(cè)的能源轉(zhuǎn)換和傳輸效率，確保電網(wǎng)運行更安全、更可靠、更靈活、更經(jīng)濟，電網(wǎng)與負載之間能進行實施的交互信息，為不同的負載用戶在不同工況下提供更高的供電質(zhì)量，而用電側(cè)（輔機）節(jié)能降噪是艦船永恒發(fā)展的重點。

基于艦船電力系統(tǒng)的獨有的特點、發(fā)展需求和目標，艦船智能電網(wǎng)特征主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

自愈性。自愈是電網(wǎng)智能化的重要標志。實時掌握電網(wǎng)運行狀態(tài)，預(yù)測電網(wǎng)運行趨勢，及時發(fā)現(xiàn)、快速診斷故障隱患和預(yù)防故障發(fā)生；故障發(fā)生時，在沒有人工干預(yù)下，能夠快速隔離故障、自我恢復(fù)，避免斷電事故的發(fā)生。自愈性對于艦船電力系統(tǒng)則有著更加重要意義，因為艦船電網(wǎng)是獨立電網(wǎng)，在艦船外出執(zhí)行任務(wù)期間，艦船電網(wǎng)不但與外界電網(wǎng)完全孤立，而且發(fā)生故障后進行人工修護的條件也十分有限，所以具有自愈性的智能電網(wǎng)不僅能提高艦船的可靠性，而且?guī)磔^好的軍事效益。

互動性。實現(xiàn)與負載用戶的智能互動，按需供給和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和集約管理，提供最佳的電能質(zhì)量和供電可靠性。具備智能互動是智能電網(wǎng)實現(xiàn)“自愈”的必要前提。

優(yōu)質(zhì)電能。由于艦船負荷數(shù)量和種類繁多，所需電力接口多樣，許多設(shè)備對電能質(zhì)量要求較高，不同工況下系統(tǒng)運行方式差異較大。提供能夠滿足用電設(shè)備需求的電能質(zhì)量是艦船智能電網(wǎng)必須具備的又一重要特征。電網(wǎng)與負載之間能進行實施的交互信息，為不同的負載用戶在不同工況下提供更高的供電質(zhì)量。

電磁兼容。儀器、設(shè)備布置的高度集中是艦船空間局限帶來的必然，在有限的空間內(nèi)安裝多種類型的電子儀器儀表以及眾多的電氣設(shè)備、控制裝置等，其電磁特性會相互影響，所以艦船智能電網(wǎng)對電磁兼容性的要求往往比陸地電網(wǎng)要高得多，各儀器、設(shè)備具備好的電磁兼容性才能夠提高電網(wǎng)的可靠性。

抵御攻擊。艦船獨特的任務(wù)使命要求艦船電網(wǎng)必須具有“抗攻擊”的能力。相對于陸地電網(wǎng)，艦船電網(wǎng)不僅需要考慮環(huán)境的干擾，還應(yīng)包括對于戰(zhàn)斗破損的應(yīng)急防御和修護?？构粜泽w現(xiàn)為降低物理攻擊和網(wǎng)絡(luò)攻擊的危害，維護電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。實時信息技術(shù)使得智能電網(wǎng)能夠快速隔離受影響的區(qū)域并重新調(diào)整潮流，具有快速恢復(fù)供電的能力。

3 艦船智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)展艦船智能電網(wǎng)必須結(jié)合艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展需求，融合信息、通信、傳感和量測、智能設(shè)備、自動控制和決策支持等關(guān)鍵技術(shù)[3][9-11]，以標準化接入為基礎(chǔ)，以信息共享、智能決策和綜合調(diào)控為主要手段，具有多指標自趨優(yōu)運營能力，適應(yīng)未來艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，提高電網(wǎng)運行效率，提高能源利用效率，提高供電的安全性和可靠性，減少電網(wǎng)損耗，降低電力設(shè)備運行噪聲，實現(xiàn)與負載用戶間的互動。

信息技術(shù)。智能化信息技術(shù)貫穿艦船電力系統(tǒng)發(fā)、輸、變、配、用等各個環(huán)節(jié)，是艦船智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容和堅強支撐，為電網(wǎng)運行管理提供全方位的信息服務(wù)。信息技術(shù)是集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和利用于一體，利用面向服務(wù)的架構(gòu)體系，整合相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個數(shù)據(jù)集中、業(yè)務(wù)整合、符合模型標準、應(yīng)用可擴展的輔助分析系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲，統(tǒng)一管理，系統(tǒng)分析，形成智能決策。建立統(tǒng)一的信息平臺，研究符合艦船特點的電源、電網(wǎng)、負載三側(cè)統(tǒng)一融合的標準信息模型和信息交換模型，制定統(tǒng)一信息編碼標準和統(tǒng)一信息模型標準，深入研究對信息的整理和挖掘，以實現(xiàn)實時和非實時信息的高度集成、共享與利用。

通信技術(shù)。建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。一方面，智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制都需要通信系統(tǒng)的支持；另一方面，建立以電網(wǎng)和通信緊密聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)是智能電網(wǎng)的目標和主要特征。以通信技術(shù)為基礎(chǔ)的智能電網(wǎng)通過自我監(jiān)測和校正，并利用先進的信息技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)各部分的自愈功能，提高電網(wǎng)供電的可靠性，抵御電網(wǎng)所受到的各種攻擊和破壞。

傳感與測量技術(shù)。艦船電力系統(tǒng)參數(shù)的量測是智能電網(wǎng)基本的組成部分，先進的智能化量測技術(shù)是實現(xiàn)艦船智能電網(wǎng)的手段，通過量測獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，實時提供給決策支持系統(tǒng)，以評估電網(wǎng)及所屬設(shè)備實時狀況。通過遠方監(jiān)視和管理，電網(wǎng)或設(shè)備出現(xiàn)故障后，自適應(yīng)保護和孤島化，自動控制電力的使用。

智能設(shè)備技術(shù)。智能電網(wǎng)將廣泛應(yīng)用先進的智能型設(shè)備和技術(shù)，以提高輸配電系統(tǒng)的性能。與陸地電網(wǎng)不同，對于艦船這個獨立電力系統(tǒng)來說，所采用的新技術(shù)和新設(shè)備并不是商用上的最新研究成果，而是基于艦船作戰(zhàn)使命要求，在提高供電可靠性基礎(chǔ)上，通過采用新設(shè)備或利用新技術(shù)改造現(xiàn)有設(shè)備，在電網(wǎng)和負荷特性之間尋求最佳的平衡點，來提高電能質(zhì)量、功率密度和轉(zhuǎn)換效率。

控制技術(shù)。智能化控制技術(shù)是指智能分析、診斷電網(wǎng)和預(yù)測電網(wǎng)狀態(tài)，并確定和采取適當?shù)拇胧┮韵p輕和防止供電中斷和電能質(zhì)量擾動的控制方法。智能化控制技術(shù)能自動優(yōu)化艦船電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸電、配電和負載側(cè)的控制方法，實現(xiàn)電網(wǎng)功率的合理分配。智能化控制技術(shù)的分析和診斷功能，凸現(xiàn)了智能電網(wǎng)自愈特性，能極大地提高電網(wǎng)的可靠性，而可靠性是艦船電網(wǎng)必須的保證。

決策支持技術(shù)。智能化決策支持技術(shù)將復(fù)雜的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)運行人員可理解的信息，利用數(shù)據(jù)展示技術(shù)，以幫助指揮員認識、分析和處理緊急問題，使指揮員能及時準確做出決策。

4 結(jié)束語

智能電網(wǎng)是未來艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。隨著我國艦船的型號、噸位和數(shù)量不斷增加，對電力系統(tǒng)的要求越來越高，開展智能電網(wǎng)技術(shù)研究是艦船發(fā)展的必然和需求。長期以來，我國艦船電力系統(tǒng)的許多技術(shù)和裝備仍處于跟蹤和研仿的地位，若能緊跟國家智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的契機并借鑒相關(guān)經(jīng)驗，大力開展艦船智能電網(wǎng)技術(shù)研究，從頂層規(guī)劃，分步實施，逐步推進，必將實現(xiàn)我國海軍裝備技術(shù)水平的整體飛躍和提升。

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Research on Smart Grid of Warship Power System

Wu Tuanjie, Liu Jun, Wang Yunhe

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

With research and development of the commercial smart grid(SG)，based on the general definition, basic characteristic and technical composing of the commercial smart grid, as well as concept of the warship integrated power system(IPS), the characteristics of the warship smart grid such as self-healing, smart intercommunion, high quality of power, electromagnetic compatibility and anti-attack have been discussed, and key technologies of the warship smart grid concerning to information, communication, sensor and measurement, smart devices, autocontrol, decision-making and sustainment are highlighted in this paper.

warship electric power system; smart grid; integrated power system

TM711

A

1003-4862（2013）05-0008-04

2012-09-10

吳團結(jié)（1971-），男，高級工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)及其自動化。