船舶电力系统脆弱性综合评估的理论与方法

第1章 绪 论 各种科学方法均是随着社会实践和科学研究的深入而产生与发展的。船舶电力系统脆弱性评估的理论与方法的形成和发展也是如此，都经历了由初期的自然产生到自觉地应用拓展，进而不断向深层次发展的阶段。 1.1 船舶电力系统概述 船舶电力系统是电源、配电网和用电负载所组成的完整体系的总称。随着船舶大型化和现代化水平的要求越来越高，船舶电力系统容量越来越大，其网络的拓扑结构也越来越复杂。 1.1.1 船舶电力系统的组成 船舶电力系统由以下4个部分组成。 1. 发电部分 发电部分也称为电源装置，船舶上常用的电源装置是发电机组和蓄电池。发电机由原动机拖动，原动机可分为蒸汽机、汽轮机和燃气轮机等。 2. 配电部分 配电部分也称为配电装置，其作用是对电源进行分配、切换、保护、监视、控制。船舶配电装置可以分为总配电板、应急配电板、动力分配电板、照明分配电板和蓄电池充放电配电板等。 3. 供电部分 供电部分也称为电网，它是全船供电电缆和电线的总称，其作用是将电能传送给全船所有用电设备。船舶电网通常由动力电网、照明电网、应急电网、低压电网和弱电电网等部分构成。 4. 用电部分 用电部分也称为负载。负载可以分为：①各种船舶机械的电力拖动设备；②船舶电气照明；③船舶通信和电航设备；④其他用电设备。 1.1.2 船舶电力系统形式的发展过程 对于不同用途、不同吨位的船舶，其电力系统有很大的差异。船舶按其所包含电站的数量、电源种类及其与船舶能源系统的连接形式可以分为以下几个发展过程。 1. 单电站电力系统 单电站电力系统除配备主电站保证船舶正常运行工况下各种用电设备的供电外，还设置停泊电站或应急电站，用以保证船舶处于低负荷、应急或其他特殊工况下部分电气设备的供电。单电站电力系统中常设置两台以上的发电机组，以便在一台发电机组发生故障时使用，常用于各种民用船舶和军用辅助船舶。 2. 多主电站电力系统 多主电站电力系统是指船舶上设有两个以上主电站的电力系统。这些电站分布在船舶比较安全的部位，保证电力系统具有较高的供电可靠性和较强的生命力。多主电站电力系统常用于战斗舰艇、核动力船或其他对供电可靠性有较高要求的船舶上。 3. 交流电力推进系统 交流电力推进系统采用电力推进代替原来的动力推进系统，是一种全新的系统。该系统并不是供电和电力推进两个系统的简单相加，而是从船舶能源高度通盘考虑，真正地使电力与动力两大系统全面融合。它可以实施高度的模块化和通用化，既能发挥电力推进的长处，又能提高电网供电的可靠性。 4. 交直流混合电力系统 直至目前，世界各国船舶电力系统多数还是交流系统。随着近年来船舶的大型化，对船舶电力系统的供电质量要求越来越高，交流系统的劣势慢慢暴露了出来。于是，交直流混合电力系统方面的探索与研究逐步开展。目前，直流区域配电技术已经成为国内外专家的重点研究对象，也是船舶综合电力系统今后的主要发展方向。 与交流系统相比，交直流混合电力系统有着更大优势：**，交直流混合电力系统将发电机和电动机隔离，可以彻底解决两者之间的转速耦合问题，利于原动机和电动机的优化设计；第二，电流变换的电力电子器件比断路器更加敏捷，可提供有效的故障隔离和系统重构；第三，方便接入储能系统，为舰载高能武器的增加做准备。 新的电力系统形式还在不断涌现，船舶电力系统的形式和内容十分丰富，并不断地更新、发展、变化着。 1.2 电力系统脆弱性研究 脆弱性用来描述一个系统及其组成部分易于受到影响和破坏，并缺乏抗拒干扰、恢复其自身结构及功能的能力。电力系统脆弱性由Fouad[1]教授及其学生于1994年*次提出，他们利用神经网络的暂态能量函数分析电力网络的脆弱性。 针对陆地互联电力系统，近年来国内外众多学者开展了电力系统脆弱性的研究，脆弱性已成为电力系统安全性的一个重要方面。对于电力系统脆弱性的研究主要包括还原论[2]和系统论[3]两类方法。还原论方法先建立电网中各元件的精确数学模型，并在此基础上描述系统的整体特性[4]。但该方法在深入分析电力系统连锁故障和大面积停电机理等系统临界动力学行为方面已经表现出明显的局限性，难以揭示出系统的整体动态行为特征[5]。系统论方法则是将研究对象视为由若干要素以一定结构连接而成的具有某种功能的有机整体，包括系统、要素、结构和功能4个方面。该方法认为结构决定功能，即从结构的角度分析系统的功能。但系统组成设备的运行行为对系统的影响关注度不够。20世纪80年代兴起的复杂性科学，特别是复杂网络理论，吸引了国内外许多科学工作者的注意，并在各学科领域得到了广泛的应用。复杂网络理论的研究思路是还原论和系统论两者兼顾的。一方面，复杂网络理论建立了实际网络的详细数学模型，遵循了还原论的基本观点；另一方面，复杂网络理论从整体上分析结构对网络性能的影响，遵循了系统论的基本观点。将复杂网络理论应用到陆地互联电网安全性的研究成果较为成熟，应用也较为广泛，主要集中在：从复杂网络拓扑角度建立电网静态或动态的拓扑模型并进行电网脆弱性分析；利用自组织临界性理论模拟、预测、优化控制系统的运行状态和演化趋势等。 基于复杂网络理论，对小世界网络模型和无标度网络模型等网络特性的研究和应用为探索电力系统的结构脆弱性提供了理论基础。结构脆弱性通常是指网络中某一单元退出运行（连锁故障模式）后，网络保持拓扑结构完整并正常运行的能力[6]。对于任一给定电力系统，其网络拓扑结构反映了系统内在本质的特征，从这一角度来看，结构脆弱性是电力系统固有脆弱性的反映。以复杂网络为理论基础的电力系统结构脆弱性评估，是从电力系统网络拓扑结构角度分析故障的传播机理，从网络中有选择地移去某个节点或某条线路，通过系统相关性能下降的程度来衡量该节点或线路的脆弱程度，进而对电力系统的脆弱性进行分析。从拓扑结构来看，网络脆弱性评估模型可以分为无权电力网络脆弱性评估模型和有权电力网络脆弱性评估模型。无权网络模型仅从拓扑结构角度对电力系统脆弱性进行评估，一定程度上反映了系统脆弱性的规律；有权网络模型通常将电力系统的电气特性等相关参数作为权重引入网络模型中，使得评估更加贴合实际。 1.3 船舶电力系统脆弱性评估的目的与任务 随着船舶大型化和现代化水平的要求越来越高，船舶电力系统容量越来越大，其网络拓扑结构也越来越复杂。重要用电设备对电能质量和供电连续性的要求不断提高，特别是采用新设备（电力电子变流设备）和新结构（直流区域配电结构）的船舶综合电力系统[7]的应用，更是给船舶电力系统结构的优化设计带来不小的难度。传统的基于经验并结合工程校验的设计方法已逐渐显现出适用于现代大型船舶综合电力系统设计的不足，并制约了船舶电力系统安全性的提高。如何对船舶电力系统的脆弱性开展合理有效的评估，在船舶电力系统设计之初就有效地规避系统的脆弱环节，提高设计工作的科学性，是船舶电力系统设计面临的新问题。 船舶电力系统有着以下不同的特点[8， 9]。 （1）在电力系统脆弱性研究中，系统脆弱环节的辨识是一项重要的研究内容。陆地互联电力系统利用复杂网络理论从系统结构寻找系统固有脆弱环节，通过系统中元件故障对系统的影响程度来进行排序和分析。而船舶电力系统中的电气设备处在船舶舱室这样一个特殊环境，其高盐、高湿、高温的特点会对设备可靠性产生较大影响。设备可靠性较差、故障率较高，容易造成与之相连的路径失效，从而成为系统中的脆弱环节。因此，船舶电力系统脆弱环节的辨识需要从网络拓扑结构和元件可靠性两个方面综合考虑，有必要建立考虑元件可靠性的船舶电力系统脆弱环节辨识模型。 （2）船舶电力系统相对陆地互联电力系统而言更新换代的速度较快，而且系统规模较小，有必要吸收先进的技术成果开展新的系统设计。这就使得在新的船舶电力系统设计之初，应该对船舶电力系统结构性能进行量化评估，而船舶电力系统的结构性能可以通过系统脆弱程度来反映，因此，对船舶电力系统脆弱程度进行整体量化评估能够比较不同系统结构性能的差异，为船舶电力系统优化设计提供理论指导。 （3）船舶处于恶劣的环境下时，电力系统可能会因损伤或设备本身的问题而发生故障，为保证船舶持续的生存能力，需要提升船舶电力系统的结构性能。系统结构性能的提升可以通过改善电力系统的网络拓扑结构和增加设备元件备品数的方式来完成。但是，船舶上的资源是有限的，不可能无限量地携带大量备品备件上船，而且网络节点设备的布置及节点之间的连接关系也需要考虑船舶的结构限制及操作代价，因此，有必要研究船舶电力系统拓扑网络结构和备件配置方案对船舶电力系统脆弱程度的影响，从网络结构优化和配置合理数量的备件这两个角度提出适用于船舶电力系统的结构性能优化策略，为提高船舶电力系统的安全性和设计工作的科学性提供理论依据。 综上所述，针对船舶电力系统的特点，利用复杂网络理论，开展船舶电力系统脆弱性综合评估具有重大的军事、经济与实用价值，可以为提升船舶电力系统结构性能提供重要的理论支撑。 本章参考文献 [1]ZHOU Q，DAVIDSON J L，FOUAD A A. Application of artificial neural network in power system security and vulnerability assessment[J]. IEEE Transactions on Power Systems，1994，9（1）：525-532. [2]方锦清，汪小帆，刘曾荣. 略论复杂性问题和非线性复杂网络系统的研究[J]. 科技导报，2004，（2）：9-12，64. [3]许国志. 系统科学[M]. 上海：上海科技教育出版社，2000. [4]张伯明. 高等电力网路分析[M]. 北京：清华大学出版社，2000. [5]曹一家，陈彦如，曹丽华，等. 复杂系统理论在电力系统中的应用研究展望[J]. 中国电机工程学报，2012，32（19）：1-9. [6]林涛，范杏元，徐遐龄. 电力系统脆弱性评估方法研究综述[J]. 电力科学与技术学报，2010，25（4）：20-24. [7]马伟明. 舰船动力发展的方向—综合电力系统[J]. 海军工程大学学报，2002，14（6）：1-11. [8]孙诗南. 舰船电力系统的研究与设计[M]. 北京：国防工业出版社，1990. [9]王文义. 船舶电站[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006. 从复杂网络理论的角度来看，大部分的复杂系统可以抽象为节点之间相互作用的网络，而网络的结构决定系统的功能。电力系统作为世界上*复杂的人造系统之一，同样可以简化为一个由节点和边构成的网络，这一直以来都被作为复杂网络理论的重要研究对象。电力系统脆弱性评估主要以复杂网络理论为基础，通过对电力网络拓扑结构特性分析和故障模拟仿真来探索故障传播的机理，进而寻找电力网络结构本身固有的脆弱性[1-3]。对于给定的电力系统，其拓扑结构是唯一的，其结构脆弱性是电力系统固有脆弱程度的反映。