欢欢 迎迎 各各 位位 专专 家家 批批 评评 指指 正正 舰船综合电力系统区域供电技术研究 一、研究目的和作用二、国内外研究水平及趋势三、主要研究内容四、突破的关键技术五、技术实施过程舰船综合电力系统区域供电技术研究 汇 报 内 容一、研究目的和作用 ◆区域配电技术已成为未来新型舰船电力系统的发展主流； ◆使用新概念武器、有效提高舰船战斗力的迫切需求； ◆电力推进的发展，舰船电力系统的系统容量以几何曲线上 升，网络拓扑结构将会越来越复杂，传统的舰船供配电网络由 于其结构的特点，使得供电可靠性较低 ◆随着舰船的发展，若仍采用传统的舰船电网形式，新建舰 船的电缆数量会大量增加，从而导致穿过隔舱壁的电缆数目增 加，不仅布置上困难，并会使舰船建造成本上升；另一方面在 出现故障的时候，很难隔离故障，局部故障有可能直接影响整 个电力系统，从而不利于提高舰船电力系统的可靠性和生命力 ◆目前，大型水面舰船综合电力系统综合供电网络技术，包 括电力区域输配电及监控管理、电站及网络规划，以及电力系 统发生故障后的自动恢复在我国还是空白舰船综合电力系统区域供电技术研究 二、国内外研究水平及趋势●1994年美国海军提出了Integrated Power System（IPS，综 合电力系统）概念，区域供配电技术是IPS的核心内容。
●美国海军的DD(X) 型驱逐舰的电力系统设计已体现出区域供 电的思想，除了可以减少穿过隔舱壁电缆的数目，还结合了防 火要求●最近几年，美国海军的综合电力系统区域供电系统的最新发展主要表现在两个方面：①发展了适于区域供电的电力电子模块PEBB（Power Electric Building Block）；②在直流区域供电系统中进行了“综合持续作战电源”计划（Integrated Fight Through Power--IFTP）●目前，我国对舰船区域供电技术的研究只是停留在概念化的阶段，舰船电力系统的规划还停留在对小型舰船电力系统的规划基础上，网络拓扑结构为辐射状国外一些大型舰船已经由原来两个电站的干馈混合式供电发展为多电站环形或网形供电，以提高供电可靠性和生命力 舰船综合电力系统区域供电技术研究 三、主要研究内容★研究区域配电系统结构及其各功能模块根据舰船电站负载 的特性和对电源要求，划分供电区域，确定各区域之间的网络连接方式，采用环形电网进行区域供电 ★研究环形电网的短路电流计算方法 ★基于优化思想来获得区域配电网故障后的最优供电恢复策略 ★基于分布式控制思想，建立舰船电力系统的区域配电网络调度自动化系统。
舰船综合电力系统区域供电技术研究 四、突破的关键技术★舰船电力系统的区域配电系统结构借鉴美国海军“综合持续作战电源”计划，研究区域配电系统 的组成结构及各个模块的主要功能，为将来实际使用区域配电方式提供理论和设计依据★舰船环形区域配电系统的短路电流计算方法采用星－网变换和图论方法，提出适用于环形电力系统的短路电流计算方法 ★区域配电网络故障恢复技术研究研究基于混沌自适应遗传算法、克隆算法等的网络重构优化控制算法 ★区域配电系统的智能监控采用采用分布式和现场总线结构，将舰船的动力系统、电力推进系统、通信系统等综合成为一个智能化系统，实现信息共享 、能量统一调度和控制，以最大限度地发挥舰船战斗力舰船综合电力系统区域供电技术研究 五、技术实施过程１. 交流区域供电网络结构及其可靠性分析——定性如图所示，电力母线从船舱的两舷通过，连接船头、 中间和船尾的三组发电机组，形成一个环形网络左右两 舷的母线穿过水密舱；也可以将所有的母线均置于船体中 心处，上下两条母线相隔几层甲板，这种结构在舰船受到 攻击时，母线可以得到最大限度的保护采用环形网络后 ，每一个区域可以从线路的两个方向获得电源，所以任一 线路的故障不会使线路停止供电；同时，可在两舷母线上 安装断路器，将母线分成数个区间，如果某一区段发生故 障，则断路器动作，隔离故障区域，最大程度保证舰船生 命力。
舰船综合电力系统区域供电技术研究 五、技术实施过程１. 交流区域供电网络结构及其可靠性分析——定性舰船综合电力系统区域供电技术研究 每个区域的最重要负载通过自动或手动 转换开关连接到两个或三个区域供电板 上，区域供电板可以在相邻的区域中， 也可以在不相邻的区域中由另一区域 供电板引入的电缆为了不穿越水密仓， 可与母线并行放置这样，当某一区域 的供电系统出现故障后，仍能保持最重 要负载由另一区域供电板供电，这样就 更好的保证了对最重要负载的供电可靠 性，提高了舰船的生命力，同时具有较 高的经济性选用的方案五、技术实施过程１. 交流区域供电网络结构及其可靠性分析——定量舰船综合电力系统区域供电技术研究 网络结构可靠性定量分析方法：１）根据配电网络结构确定系统的可靠性框图； ２）对局部相对独立的串联或并联结构进行等效，化简可靠性框图； ３）对某负荷点j建立其与不同电源之间的不同的连接矩阵 ； ４）根据连接矩阵求出最小路集，进而求出最小割集； ５）利用SDP法消除共用设备对计算结果的影响； ６）计算负荷点可靠性参数和系统可靠性参数五、技术实施过程 １. 交流区域供电网络结构及其可靠性分析——定量舰船综合电力系统区域供电技术研究 最小割集法：可求得最小割集： 五、技术实施过程 １. 交流区域供电网络结构及其可靠性分析——定量舰船综合电力系统区域供电技术研究 SDP法：在应用最小路或最小割法进行可靠性分析时，消除 最小路或最小割中共用设备对评估结果的影响， 基本方法：根据割1表达式求出故障率1；然后在割1表达 式中去掉割2表达中所含有的项再取反(应用逻辑运算进 行化简，如果取反后多项中某项表示单一设备的“真”，如 x1，则其它多项式要乘上 下同)，然后与割2表达式逻 辑乘，根据结果表达式可求得故障率2；在割1表达式、 割2表达式之逻辑和中去掉割3表达式所含有的项再取反 ，然后与割3表达式逻辑乘，根据结果表达式求得故障率 3；……；将求得的所有的故障率相加，即是负荷点的故 障率。
五、技术实施过程 １. 交流区域供电网络结构及其可靠性分析舰船综合电力系统区域供电技术研究 辐射结构配电网示意图 环形结构 配电网示 意图带状结构配电网示意图（负荷中心双路连接） （负荷中心单路连接） 环形区域供电结构示意图 五、技术实施过程 １. 交流区域供电网络结构及其可靠性分析——定量舰船综合电力系统区域供电技术研究 设备可靠性参数表设备设备 名称故障率 （次/年）修复时间时间 （小时时）计检计检 率 （次/年）计检时间计检时间 （小时时）发电 机0.1120150主母线0.001300.530配电母线0.002300.530线路0.001200.540变压 器0.002400.520断路器0.007100.25隔离开关0.00380.15手动转换 开关0.004100.12自动转换 开关0.00150.12负荷断路器0.00580.25发电 机断路器0.004120.25联络 断路器0.007100.25五、技术实施过程 １. 交流区域供电网络结构及其可靠性分析——定量舰船综合电力系统区域供电技术研究 不同网络结构下的各个负荷点故障率比较负荷 名称FR/(次/年)辐射网环形网带状网(1)带状网(2)环形区域网CL-10.018610.018000.017000.017000.008321CL-20.018000.018000.017000.017000.008321CL-30.018000.018000.017000.017000.008321CL-40.018610.018000.017000.017000.008321IL-10.022610.022000.021000.021000.008110IL-20.019000.019000.018000.018000.008156IL-30.022000.022000.021000.021000.008156IL-40.019610.019000.018000.018000.008110五、技术实施过程 １. 交流区域供电网络结构及其可靠性分析——定量舰船综合电力系统区域供电技术研究 不同网络结构下系统可靠性指标比较系统指标五不同结构 辐射网环形网带状网(1)带状网(2)环形区域网 SAIFI0.0195540.0192500.0182500.0182500.012672 SAIDI0.1419400.1350410.0600210.1250390.008355 ASAI0.9999840.9999850.9999930.9999860.999999 ASUI0.0000160.0000150.0000070.0000140.000001从上述比较结果可以看出，无论是普通负荷点还是重要负荷点 ，环形母线区域供电结构的可靠性指标都是最好的。
五、技术实施过程 ２. 环形交流区域供电网络短路电流研究舰船综合电力系统区域供电技术研究 基于等效原则和星-网变换的短路电流计算 等效原则： 对于发电机，当某电站内发生故障时，对该电站各发电 机分别进行计算，而将其余电站的发电机按电站为单元分 别进行等效；对于短路发生在环形母线或负载区域内时， 各电站的发电机分别等效为一个发电机，即有几个电站就 有几个等效的发电机 对于电动机，如果短路发生在某电动机的端口，则该区 域内的其他电动机等效为一台电动机，其他区域内的电动 机按区域进行等效；当短路发生在环形母线上、电站内或 区域供电母线上时，所有电动机分别按区域进行等效 五、技术实施过程 ２. 环形交流区域供电网络短路电流研究舰船综合电力系统区域供电技术研究 基于等效原则和星-网变换的短路电流计算 星－网变换： 所谓星网变换就是将星形网络变换成网形网络设网络的某 一部分由节点n和另外m个节点组成，节点n与m个节点中的每个 节点都有一条支路相接，该网络即为星形网络星网变换就是把 节点n消去而变换成以1，2.，……m为顶点的网络，该网络即为 网形网络五、技术实施过程 ２. 环形交流区域供电网络短路电流研究舰船综合电力系统区域供电技术研究 基于图论的短路电流计算 图论基本知识 网络的有向图 有向图的树有向图的余树 网络的割集 五、技术实施过程 ２. 环形交流区域供电网络短路电流研究舰船综合电力系统区域供电技术研究 基于图论的短路电流计算 图论法求线路导纳矩阵 通过图论 法，应用式：可求得线路导纳矩阵。
式中 表示线路关联矩阵； 表示原始的导纳矩阵； 表示 转置矩阵 第一步：获得原始导纳矩阵 第二步：获得关联矩阵 第三步：求线路导纳矩阵计算步骤：五、技术实施过程２. 环形交流区域供电网络短路电流研究 舰船综合电力系统区域供电技术研究 基于图论的短路电流计算——图论法求线路阻抗矩阵 假定一有m个独立节点的无源网络的阻抗矩阵为在该无源网络的节点p上加树枝pk，如图所示，则原 阻抗矩阵的维数将加1，矩阵变为：原始阻抗矩阵 原矩阵与新 树枝pk间的 互阻抗矩阵 原矩阵与新 树枝pk间的 互阻抗矩阵 树枝pk的矩阵 五、技术实施过程 ２. 环形交流区域供电网络短路电流研究舰船综合电力系统区域供电技术研究 令则，当pk与已存在的树枝或链路之间存在互阻抗时， j=1,2,…m,j≠k 基于图论的短路电流计算——图论法求线路阻抗矩阵 五、技术实施过程 ２. 环形交流区域供电网络短路电流研究舰船综合电力系统区域供电技术研究 令如果pk与已存在的任一树枝或链路之间不存在互阻抗，则 如果新的树枝是加在p与参考节点0之间，则 基于图论的短路电流计算——图论法求线路阻抗矩阵 五、技术实施过程 ２. 环形交流区域供电网络短路电流研究舰船综合电力系统区域供电技术研究 如果在原网络结构上加一链路，如左图所示。
由于k不是系 统的新的节点，线路阻抗矩阵的维数不变，但线路阻抗的 元素将发生改变。