王志飞 肖 晗 隋 波

（1.海军装备部武汉军事代表局 武汉 430060）（2.海军工程大学电气工程学院 武汉430033）（3.海军驻大连地区第三军事代表室 大连 116021）

1 引言

舰船综合电力系统（Vessel Integrated Power System，VIPS）是指将发电、日常负荷用电、电力推进用电、高能武器和大功率探测设备用电综合为一体的新型动力系统［1～2］。VIPS技术能够实现电能的产生、分配、储存和转换一体化［3］，相较传统电力系统而言，VIPS具有低噪声、高生存性、投入原动机和燃油消耗更少，总体布置更方便等优点，是提高舰船声隐身性能的有效途径，是舰载高能武器的必由之路［1～2］。相对陆地电力系统而言，综合电力系统具有有限的发电量和惯性，包含大比例的动态负荷和非线性负荷，故需要对综合电力系统进行有效的能量管理［4］，而VIPS的能量管理研究相对较少，已有的VIPS能量管理研究主要包括以性能优化为目标的预防控制和以故障恢复为目标的恢复控制［4～5］。

本文对VIPS的预防控制方法进行了梳理和总结。首先简要回顾了VIPS的发展概况，并讨论了VIPS和陆地电力系统之间的区别和联系；归纳和总结了VIPS在能量管理方法方面的研究现状与发展趋势，并提出了预防控制研究的必要性；针对功角暂态稳定和电压暂态稳定问题，对预防控制方法进行了分类梳理；最后，对全文进行总结，并指明了下一步的研究方向。

2 舰船综合电力系统发展概况

从1992年开始，美国水面舰船动力装置预研规划局一直在开发舰船综合电力系统，最初是为了减少船只的采购和生命周期成本，同时满足所有船舶的性能要求，而VIPS概念的提出则是在1994年美国海军工程师协会日［6］。美国海军在VIPS技术的发展中投入显著，成功开发了VIPS，并应用于驱逐舰DDG1000，以最小的成本满足水面舰艇需求。除了在DDG1000上采用了VIPS，美国海军还在T-AKE1型舰船上采用了更多商业的VIPS解决方案，在LHD8和LHA6两栖攻击舰上面采用了一种混合的解决方案。在未来的几十年中，对舰船综合电力系统的发展需求将持续增长，而且，一些先进的探测设备和新型武器，如电磁轨道炮和激光武器等也将列装未来新型舰船，图1给出了美国未来舰船综合电力系统发展蓝图［7］。英国海军也从1994年正式开始了VIPS的研究，并应用于最新型的45型驱逐舰［8］。

图1 未来VIPS技术发展蓝图

国内舰船综合电力技术相关研究起步虽晚，但是海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室马伟明院士率先提出并构建了中压直流舰船综合电力系统，在全世界范围内首次掌握了中压直流综合电力技术，提出了我国发展舰船综合电力系统的对策［9］，并凝练了第二代舰船综合电力系统关键技术，提出了实现途径［2］，实验室相关课题组开展了多方面的研究工作［10～19］，实现了相关关键技术突破，目前，国内各船舶相关研究所、清华大学、武汉大学、华中科技大学也相继展开研究［20～24］。

与陆地电力系统相比，舰船电力系统具有有限的发电容量，动态负载容量比例大，会降低系统的稳定裕度和安全性，尤其是VIPS采用直流区域配电技术、电力电子装置有限的过载能力以及分区供电的特点，存在单台配电逆变器故障情况下所带日用负载失电，以及逆变器起动电动机等冲击性负载时的短时电流冲击等问题。而且，高能武器等冲击性负载在短时间内吸取或释放大量能量，导致系统电压和频率发生震荡［4］，使得系统电能品质恶化，这些均对系统运行安全提出了新课题。直流区域配电系统（Direct Current Zonal Electric Distribution System，DC-ZEDS）是一种全新的配电结构，目前仅在美国DDG1000驱逐舰开始了工程应用，对涉及直流区域配电系统处于不安全正常运行情况下的控制问题研究较少，即使有诸如逆变器起动电动机能力的要求也仅仅是停留在技术要求层面，针对可能出现问题的应对策略研究相对较少。高能武器等冲击性负载更是尚未有装船应用的实例，相关研究主要集中在脉冲功率及其影响分析［25］方面。

3 舰船综合电力系统能量管理研究

VIPS在各种正常及非正常工况下的运行控制通常由能量管理系统完成，电力系统能量管理的目的与系统的运行状态密切相关，常规电力系统的运行状态分为安全正常运行状态、不安全正常（或者警戒）状态、紧急状态和恢复状态［4，6］。安全正常运行状态（即N-1安全状态）是指所有的变量（潮流、电压、频率）都在技术标准约束范围内，而且在某个元件（如发电机，线路变压器等，通常汇流条不考虑在内）故障后仍然不超过该范围；不安全正常（或者警戒）状态是指所有的变量在技术标准约束范围内，但是假设单个故障条件下，某些变量存在超出约束范围的可能；紧急状态是指系统各变量发生越界；恢复状态是指系统中某些负载被切除而处于待恢复的状态［26］。

在安全正常运行状态下，能量管理以经济运行为目标，保持系统安全状态下系统运行代价最小；在警戒状态下，能量管理以提高系统的安全性为目标，提出预防控制策略；在紧急状态下，能量管理以保持系统稳定为目标，通过紧急控制迅速恢复系统安全或警戒运行状态，但直接从紧急状态恢复到安全或警戒状态难以实现，系统将进入恢复状态，时系统满足稳定与安全约束，但部分负载将停运［4，6］。

基于不同的目标函数和控制变量，能量管理方法可分为发电调度、负荷管理、电压/无功控制和网络重构四类方法，由于单个控制方程参考值的调整并不一定能满足所有的安全约束，故衍生出不同方法之间的协调控制［4，6］。

在发电调度方面，主要以减少长期平均油耗为目标，建立最优发电调度的离散时间马尔可夫决策模型，通过动态规划算法获取最优调度解［27］；在负荷管理方面，主要考虑系统运行约束、负荷优先级以及脉冲负荷变化对电能质量的影响，以最大化电力负荷为目标，建立了动态负荷管理模型，并基于人工势能函数的多代理系统协同控制方法，给出了直流区域负荷开关状态的控制策略，通过PSCAD/EMTDC 验证了其可行性［28～32］；在电压/无功控制方面，美国密苏里科技大学实时电力与智能系统实验室的Mitra Pinaki等提出了一种新的基于人工免疫系统的自适应控制策略应用于全电船配电静止同步补偿器［33］；在网络重构方面，德克萨斯大学的Jayabalan R.和Fahimi B。致力于减少系统重构和恢复时间［34］，通用电气全球研究部的Seenumani Gayathri侧重于为全电船的动态重构提供框架［35］，而堪萨斯州立大学电气与计算机工程系的Das Sanjoy等则侧重于负荷开关的重构顺序［36］；在各种方法协调控制方面，组合式控制研究主要有发电机出力与负荷共同调度［37］，发电调度与电压控制［38］，发电机出力、负荷共同调度与电压控制［39］。

国内舰船综合电力系统能量管理方面的研究成果较少，基本上集中在网络重构与恢复控制方面［24，40］，仅文献［41］提出了不同工况下对VIPS的动态优先管理策略，文献［42］总结了VIPS的能量管理研究现状和混合动力船舶推进系统的能量管理策略研究情况。

上述研究围绕VIPS的能量管理展开，主要包括安全正常运行状态下的系统经济优化调度与控制和故障后的恢复控制与网络重构，而涉及预想故障或特定工况条件下的预防控制策略较少。

4 舰船综合电力系统预防控制研究

对于立足作战使命的舰船综合电力系统而言，不安全正常运行情况下的预防控制方法与策略研究能够提升舰船的运行安全性和战斗力，具有很强的应用价值。随着VIPS的工程应用，其新结构、新装置、新模式对系统运行安全提出了新课题，而不安全正常运行情况下的预防控制方法与策略研究则是保证其供电连续性和系统安全与稳定不可或缺的一环，有必要根据特定网络结构和系统参数要求建立满足安全约束的VIPS预防控制模型。

虽然VIPS在能量管理方面的研究不在少数，尤其是国外已经进行了相关的理论尝试与实船应用，但是其中关于预防控制方法的相关研究相对较少，而常规电力系统和独立电网的相关研究成果可以作为VIPS预防控制研究的有益借鉴。传统的电力系统预防控制研究主要集中在功角暂态稳定预防控制和电压暂态稳定预防控制等方面，具体的控制策略包括发电量的重新调度、网络开关操作、无功补偿和切负荷等。

对第①层级案例的资料收集整理可见，乡村民宿建造呈现3种模式：对老民居进行改造（暮云四合院、慢屋·揽清等），偏重参考当地民居进行解构抽象后新建（即下山），又或者偏重结合对场地条件的认知来进行新建（40英尺）。以上可看出乡村民宿的设计现有代码2）包含了当地传统民居的本体与其抽象内涵、场所条件。从符号学角度来说，人们对传统民居的印象已经形成一种现有意识，是隐含于人们大脑中的惯用语体系，是一种既有信息的来源。此外，地块的现状条件（包括地形、气候、文化等）作为一种长久渗透生活的要素，也是乡村民宿表义设计中必不可少的历时性因素。

4.1 功角暂态稳定预防控制

传统的功角暂态稳定预防控制主要通过调整系统发电量来达到预防控制的目的。功角暂态稳定预防控制模型往往建立在基于功角稳定约束的最优潮流模型的基础上，故根据模型分析方法的不同，功角暂态稳定预防控制的研究主要有暂态稳定裕度及其灵敏度分析和模式识别等方法。

在暂态稳定裕度及其灵敏度分析法方面，主要以提高发电机暂态稳定裕度和调整发电机有功输出为目标，采用基于等面积准则或扩展等面积准则对发电机的暂态稳定裕度及其灵敏度进行了分析［43～48］；也有学者从暂态仿真的角度，以优化控制成本为目标，提出了变参数追踪（Parameter-Switching Tracing，PST）的暂态稳定分析与控制方法［49］。

在模式识别法方面，土耳其伊斯坦布尔科技大学的Istemihan Genc等以燃油经济性为优化目标，提出了一种通过决策树规则确定决策变量空间安全域与安全边界的方法来制定预防控制措施，该方法利用基于相角稳定裕度的灵敏度指标来确定能够用于重新调度的发电机组，将这些发电机组的输出功率作为决策树的知识储备，通过系统安全分类获取决策树的学习集，对于任意一种故障，利用知识储备来训练决策树识别出最影响系统安全的发电机输出量，构成系统的安全域［50］。

4.2 电压暂态稳定预防控制

传统的电压暂态稳定预防控制是指提前采取措施使得当系统发生大扰动（如系统故障、失去发电机和回路的事故）情况下仍能保证系统电压稳定，主要通过发电量的重新调度、网络的主动重构、无功补偿和切负荷来提高电压稳定裕度和增加系统无功储备，达到预防控制的目的。电压暂态稳定预防控制模型往往建立在基于电压稳定约束的最优潮流模型的基础上，故根据潮流求解方法的不同，电压暂态稳定预防控制研究主要有内点法和灵敏度分析等方法。

在内点法方面，主要以优化控制成本和提高电压的稳定裕度为目标，分别考虑切负荷的潮流约束、电压稳定不等式约束和薄弱支路有功功率约束等约束条件，采用预测-校正原始对偶内点算法，给出电力系统的预防控制策略［51～52］。

在灵敏度分析法方面，主要以提高电压稳定裕度、最小化无功功率输出、优化控制成本为目标，考虑无功储备约束、发电机功率分配因子等，通过电压稳定裕度的灵敏度分析、线性规划等方法，建立预防控制的最优潮流模型，利用内点法进行模型求解，给出预防控制策略［53～58］。

4.3 基于安全分析的预防控制方法

传统的电力系统稳定分析方法不能反映电力系统的概率属性，不能确定系统经济性与安全性的取舍关系，基于概率和风险理论的安全分析与预防控制方法和基于安全域理论的预防控制方法应运而生。

基于概率和风险理论的安全分析与预防控制方法主要考虑线路过载、电压越限、电压崩溃以及连锁故障等几个方面的风险，以最小化风险指标为目标，通过改变系统的运行状态从而降低系统的运行风险，达到预防控制的目的［59］。根据考虑风险类型和调控方法的不同，基于风险的预防控制方法研究主要包括风险指标分析、模糊综合评估、关键线路辨识法和基于贝叶斯网络的模型法等。

基于安全域理论的预防控制方法，根据安全距离和负荷越限等信息，给出了配电网络的主动预防策略［60～61］，该方法简单明了，实时性强，具有很好的工程应用前景，可以为直流区域配电系统中典型不安全正常运行情况的预防控制研究提供有益参考。

因此，文献［62］和［63］分别针对单台逆变器故障造成的部分负载失电和逆变器交流侧电动机起动带来的电流冲击等问题，对DC-ZEDS进行了相应的安全域分析，给出了合理的预防控制策略，保证了系统战术技术性能实现和稳定安全运行。

4.3.1 舰船DC-ZEDS安全域模型分析

针对某典型舰船综合电力系统结构，文献［62］给出配电系统的安全域模型如下：

为了对上述安全域模型进行简化分析，假设所有联络线路的传输容量大于转供的负荷量，k=1.0，根据N-1安全准则，此时的模型可表示为

此时的安全域存在N个边界Bl，且Bl为分区线性不等式，根据超平面的定义可知，每一个区域不等式的边界即为一个欧式空间的超平面，故DC-ZEDS的安全边界可近似为N个欧氏空间的超平面，而安全域则是由这些超平面围成的。

4.3.2 考虑电动机启动的DC-ZEDS最大供电能力模型

分别考虑逆变器之间的直接联络和相邻区域的间接联络关系，即电动机所在逆变器交流端负荷的一次转供和考虑同区域内其他联络逆变器短时过载系数的二次转供两种情况，可分别得到相应的最大供电能力（Total Supply Capability，TSC）模型如式（3）和式（4）所示［64］。

4.3.3 基于负荷转供的DC-ZEDS预防控制模型

根据文献［63］中典型逆变器交流端负荷转供接线情况，分别给出直接联络逆变器交流端负荷的一次转供预防控制模型和间接联络逆变器交流端负荷的二次转供预防控制模型分别如式（5）和式（6）所示。

根据负荷转供预防控制模型给出DC-ZEDS重载询问流程图2。

根据DC-ZEDS重载询问流程可以给出考虑单台电动机启动的DC-ZEDS预防控制策略，将处于临界安全状态的系统恢复到正常安全状态，提高系统的供电连续性，避免可能出现的重要负载失电。

5 结语

与陆地电力系统相比，舰船电力系统具有有限的发电容量，动态负载容量比例大，会降低系统的稳定裕度和安全性，尤其是VIPS采用直流区域配电技术、电力电子装置有限的过载能力以及分区供电的特点，存在逆变器起动电动机等冲击性负载时的短时电流冲击等问题。而且，高能武器等冲击性负载在短时间内吸取或释放大量能量，导致系统电压和频率发生震荡，使得系统电能品质恶化，这些均对系统运行安全提出了新课题。

图2 直流区域配电系统重载询问流程

为了减小系统在特定工况下发生连锁故障和保护误操作的可能性，保证潜在威胁情况下系统的安全与稳定，降低系统发生故障的风险和故障发生后的影响，需要评估系统的运行状态，进而，通过采取相应的措施，将处于临界安全状态的系统恢复到正常安全状态，提高系统的供电连续性，避免可能出现的重要负载失电和全系统失稳或崩溃等严重事故，以及由此带来的灾难性后果。因此，有必要针对特定问题进行分析，研究应对措施，给出合理的预防控制策略，保证系统战术技术性能实现和稳定安全运行。

VIPS预防控制方法的相关研究相对较少，而常规电力系统和独立电网的相关研究成果主要集中在功角暂态稳定预防控制、电压暂态稳定预防控制、基于安全分析的预防控制方法等，具体的控制策略包括发电量的重新调度、网络开关操作、无功补偿和切负荷等。其中，基于安全域理论的预防控制方法为VIPS直流区域配电系统中典型不安全正常运行情况的预防控制研究提供了有益参考，但并未解决高能武器并网带来的震荡和冲击，因此，如何解决挂接于直流主网的不同类型的高能武器负载投入带来的主网电压突降等问题是值得考虑的课题。