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1、华中科技大学 硕士学位论文 船舶电力系统拓扑分析与潮流计算研究 姓名：周容华 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：潘垣 20090527 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 船舶电力系统重构方案是否可行，需要分析重构后的网络结构，并对重构后网络 进行一些分析计算。这些需要以重构后的拓扑结构，以及潮流计算数据为基础。船舶 电力系统有别于陆地电力系统，如特殊的电网结构、负荷比重大、负荷波动大以及发 电机之间按照容量均分功率等。如何根据这些特点对船舶电网进行拓扑分析，选择合 适的潮流计算方法是很有必要的。 本文
2、的研究围绕这一问题展开， 主要做了以下工作： 首先，研究船舶电气元件的拓扑建模和拓扑分析。由于船舶电力系统拓扑分析不 仅要描述船舶上电气元件及其关系，拓扑分析结果还需要满足潮流计算、网络重构这 些应用要求，本文采用无向图方法对船舶电力系统进行拓扑建模。该模型简单、直观 并且每类元件可以设置相应的电气参数。根据船舶电力系统结构常常是辐射状这一特 点，本文采用树搜索法进行拓扑分析，节点编号，并编写了相关程序，算例表明本文 采用的方法以及程序设计、编写的正确性。 其次，由于船舶电力系统结构与陆地配网结构类似，借鉴陆地配网潮流算法，针 对其负荷波动大、机组间按照容量均分负荷特点，提出了基于前推回代的动
3、态潮流， 即在前推回代潮流模型的基础上考虑发电机以及负荷的频率调节特性，不平衡功率由 所有具有调节能力的发电机和负荷共同承担，这更符合实际。而负荷模型不仅考虑了 电压特性，还考虑了频率特性，模型更精确，潮流结果也更精确。此外，本文完成了 相关程序设计与编写。 最后，本文用广度搜索法进行节点、支路的重新编号和分层，实现拓扑程序与潮 流程序之间的接口即数据的传递，完成了接口程序的编写，算例验证其正确性。 关键词：船舶电力系统，拓扑分析，前推回代法，动态潮流 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract It requires
4、analysis of ship power system network and other analysis to determine the feasibility of reconfiguration proposal after reconfiguration of shipboard power system. These need to be established in topology, based on power flow calculation. Ship power system is different from land-based power systems,
5、such as special grid structure, the larger load, the larger fluctuations in load and power-sharing between the generators in accordance with the capacity. According to the characters of shipboard power system, it is necessary to carry out topology analysis and select a suitable method of power flow
6、calculation. Around this problem, this paper has done some study of the following: First of all, the topology model and topology analysis of the electrical components in the ship are researched. The topology model not only need to describe the ship and the relationship between electrical components,
7、 but also need to satisfy these applications, such as the power flow calculation, network reconfiguration. In response to these requests, the paper adopts the method of undirected graph to model the ship power system. The model is simple, intuitive and can be set the electrical parameters of all typ
8、es of components. Because the network is radial, this paper adopts the tree_search method for topology analysis, node number and the design of the relevant program. Some examples show that the methods and program are right. Secondly, considering the characters of ship power system, such as radial st
9、ructure, larger load, large fluctuations in load and power-sharing between the generators in accordance with the capacity, this paper learns from the methods of distribution power flow calculation and gives a method of power flow: Dynamic Power Flow based on Back/Forward Sweep that all generators an
10、d loads share the imbalance of power which is more realistic. Load model which not only takes into account the voltage characteristics, but also considers the frequency characteristics is more accurate. In addition, the paper completes the design and preparation of related programs. Finally, the int
11、erface between the program of power flow and topology analysis is 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III researched. To achieve the transmission of data between the power flow and topology analysis, the paper uses the method of breadth-first search to re-enable the slip number and strati
12、fication. The paper accomplishes the preparation of the interface program and verifies the correctness. Keywords: Shipboard Power System, Topology Analysis, Back/Forward Sweep Method, Dynamic Power Flow 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成
13、果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日
14、日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 船舶电力系统作为一个独立活动的有限电网，在遭受到攻击后，电源可能受到损 伤，使一些负荷甚至重要负荷失去供电。这就需要对船舶电力系统进行网络重构，保 证在大范围内维持供电，保证对最重要设备的不间断供电，将电力设备和网络战斗破 损的影响缩小和限制在最小范围内，提高舰船生命力、战斗力1。建立合适的重构数 学模型，用各种合适的算法计算全局或局部最优的重构方案，重构方案是否可行，需 要对网络进行分析和计算，首先需要得到拓扑分析与潮流计算这两个基本模块。
15、船舶 电力系统具有辐射状结构、负荷比重大、负荷波动也大，机组间按照容量均分功率等 特点。因此根据船舶电力系统的特点对重构后的船舶电力系统进行拓扑分析，选择合 适的潮流计算方法，并实现其拓扑分析与潮流计算的自动化，为快速进行网络重构作 准备是很有必要的。 此外，随着现在船舶日趋大型化和自动化，其电力系统容量日益增大，在评估船 舶电力系统界面电能品质指标和供电的可靠性、分析系统在各种运行方式下的稳定 性，大型负荷的启停、运行方式之间的切换，也都需要提供一个准确可靠、快捷有效 的潮流分析手段 。 1.2 船舶电力系统特点 现代船舶都配备有独立供电的系统，即船舶电力系统。船舶电力系统与陆地系统 有很多
16、的不同，主要表现在网络结构、电压等级、电站容量、负荷等方面。 1.2.1 船舶电网网络结构 目前国内外船舶采用的电网形式，主要可以分成 3 种类型，即辐射形网络、环形 网络和网状形网络13。 辐射状网络的优点是，各用电负荷用单独的馈线直接从主配电板取得电能的供电 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 方式。电网结构简单，控制方便、各馈线间互不影响。 环形网络的优点是， 可以构成较多的电源至负载的通路， 具有较高的供电可靠性。 环形网络又可分为局部环形网络和完整环形网络。局部环形网络实际是一种电源环形 供电方式和辐射式配电网络的复合结构，形成了电源左右舷的多路径供电，提高了可 靠性和生命力，该网络是电源端的多路径供电，对负载端而言，仍与辐射电网结构相 同，这是目前国外大型舰船最常用的一种网络。 网状形网络是由环形网络发展而成的，在舰艇发电机组和负载较多的情况下，其 电源连线形成了至少两个以上的环形网络，但是其调度非常复杂2。目前大多数只是 闭
