舰船电力系统中智能电网技术的应用浅析

王 琦 宋晓东 邢 剑 王云鹤

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064 2海军装备部，北京100071

舰船电力系统中智能电网技术的应用浅析

王 琦1宋晓东2邢 剑1王云鹤1

1中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064 2海军装备部，北京100071

智能电网技术具有能量优化分配、管理和控制方面的优势，但是舰船电力系统在能量来源、设计理念、可靠性等方面又有着特殊的要求。因此通过重点分析智能电网技术与舰船电力系统的协调性，探讨舰船电力系统应用和实现智能电网技术的重点和关键技术，提出舰船智能电网对信息集成技术、实时监测技术、智能决策技术的要求要远高于陆地智能电网，而且相应的智能装备研制，也必须考虑到应用的特殊环境，从而需要将自愈、智能对话、优质电能、电磁兼容和抗攻击性作为主要应用特征和发展重点，并重点关注和解决与之相关的灵活的电网结构、传感与测量技术、信息化技术、智能型设备等关键问题，开发出能与舰船系统有效结合的合适的智能电网，充分发挥智能电网技术的优势，推动舰船先进装备的研制，达到提高舰船整体作战能力的最终目的。

舰船电力系统；智能电网；集成

1 引言

舰船电力系统为小型独立电力系统，由陆地电力系统派生而来但又有所区别：舰船电力系统主要采用三相不接地系统，以减小损耗并增加安全性；电制为低压或中压等级，系统和变压器容量较小；电力网络由电缆构成，距离较短，仅相当于陆地配电网络部分；发电单元较少，系统抗干扰能力稍差，不具备无穷大母线假定条件；负荷数量和种类繁多，所需电力接口多样，许多设备对电能质量要求较高；不同工况下系统运行方式差异较大［1］。随着新型负载的应用，舰船的生命力、可靠性备受关注。同时，船舶电力系统正在不断向自动化、网络化、智能化的方向发展［2］。舰船电网能否可靠地运行直接关系到舰船的安全。如何增强舰船电网的供电可靠性、提高受扰动时的自愈能力、加快故障发生后的供电恢复，一直是舰船电力系统研究关注的重要方面。

智能电网（Smart Grid，SG），即电网的智能化，是一种使先进通信、决策、控制技术贯穿整个电力能源生产、分配、消费过程的有机载体。智能电网立足于集成的、高速双向通信网络，通过先进的传感和测量技术、控制方法、决策支持系统和配套的设备来增强供电的可靠性、安全性、经济性等。在能量分配、管理和控制中具有整体协调、反应快速、运行灵活的优势，满足舰船电力系统对能源高效利用和可靠使用的需求。智能电网涵盖面很广，但迄今却没有一个公认的统一而完整的定义［3］。因此智能电网技术的应用也因应用对象而异，必须综合考虑不同的使用需求和建设环境来确定技术发展重点，从而确保智能电网技术和应用对象两者结合的协调性。

本文在介绍舰船电力系统的现状、特点的基础上，立足于舰船的需求，剖析智能电网技术在舰船电力系统中的发展重点及特征，并将针对其结构设计、通信技术、智能新装备等几个关键技术在舰船上的实现进行分析，最后概括智能电网技术在舰船电力系统中的发展研究前景和影响。

2 国内外研究动态

国外（主要是美国）对智能电网进行了广泛的研究［4］，而我国关于智能电网方面的研究，则进展缓慢［5-8］。目前，智能电网的应用对象以陆地电力系统为主，研究分析主要基于陆地电力系统的特点。智能电网在舰船电力系统上的应用尚处于探讨阶段，国内舰用智能电网相关研究几乎还是空白。

3 舰用智能电网技术发展重点及特征

智能电网的概念在提出之初主要针对陆地大电网，其目的是对能源进行合理利用和获得更好的经济效益，但是智能电网本身并没有一个固定的发展模式，其智能化的目标主要依照各个电网的建设需要来设置。

对于舰船而言，智能电网技术的应用必须基于舰船系统的特点、现状和发展需求，有自身的发展重点和应用特征，主要表现在以下4个方面。

3.1 自愈

自愈几乎是各类智能电网最基本的特征，是电网智能化的重要标志。自愈性对于舰船电力系统则有着更加重要意义。因为舰船电网是独立电网，在舰船外出执行任务期间，舰船电网不但与外界电网完全孤立，而且发生故障后进行人工修护的条件也十分有限。所以，具有自愈性的智能电网不仅能提高舰船的可靠性，降低人工干预，还能带来较好的军事效益。

3.2 智能对话

具备智能对话功能是实现 “自愈”的必要前提。智能对话功能指的是控制层跟设备之间能够进行数据交互。控制层充分运用数据获取技术，通过智能的方法对设备实时监测数据进行分析，尽可能及时发现“不健康”因素，并且从整体协调的高度出发采取有效的预防控制手段，对设备状态作出相应调整，避免故障发生或降低故障对系统的有害影响。

3.3 优质电能

由于舰船电网用电设备的日趋数字化，舰用电气设备对电能质量越来越敏感。提供能够满足设备需求的电能质量是舰船智能电网必须具备的又一重要特征，也是实现高自动化的必要条件之一。

电能质量通常指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差［9］，其指标主要包括电压偏移、频率偏移、谐波、电压骤降和突升等。在舰船电网中采用智能化的手段，可以快速诊断并准确提出解决任何电能质量事件的方案。同时，在主要谐波源端利用合适的滤波器，可以防止谐波污染送入电网。

舰船电网中使用优质电能，能够减少耗能、进一步提高用电设备的动作可靠性。

3.4 电磁兼容

仪器设备的高度集中，是舰船空间局限带来的必然现象。在有限的空间内安装多种电子仪器，其电磁特性会相互影响，所以舰船智能电网对电磁兼容性的要求往往比陆地电网要高得多，各仪器设备具备好的电磁兼容性能够相应提高电网的控制可靠性。

3.5 抗攻击

舰船独特的任务使命要求舰船电网必须能够“抗攻击”。相对于陆地电网，舰船电网不仅需要考虑环境的干扰，还应包括对于战斗破损的应急防御和修护，抗攻击性体现为降低物理攻击和网络攻击的危害，维护系统的安全。舰船智能电网的安全策略包含威慑、预防、检测、反应，从电网的设计和运行控制都将强化阻止攻击的能力，尽量减少和减轻对电网的影响，进而确保船员安全。

4 实现舰船智能电网的关键技术分析

在现有的舰船上实现智能电网，需要研发和应用一系列关键技术可以归纳为4点。

4.1 灵活的电网结构

随着新型设备的应用，电网的安全稳定性问题越来越引起关注，对舰船电力网络结构的规划设计要求也相应地提高。灵活的电网结构能够有效应对舰船面临的灾害性事件，为确保重要负载的供电连续性作出贡献。

灵活的电网结构是智能控制方法实现的载体。在不同的运行工况下，采用智能控制方法来分析、诊断和预测电网状态，通过及时调整、改变电网结构来排除、缓解或者避免工况变换引起的能量分配、电能质量中可能出现的不妥事件。同时，在舰船电网中，灵活的电网结构除了需要设计适当的供电途径冗余度外，还应该尽可能的让电网结构相对简单，进而对空间进行优化利用。

4.2 传感与测量技术

传感与测量是智能电网必不可少的信息获取手段，通过传感和测量才能够为决策系统提供及时的数据信息，用于评估当前状况。

舰船智能电网中应用到的传感与测量技术不但应针对电气设备、输电线状况信息，还应该包括温度、湿度、盐度、大气压力等环境信息，同时对传感器本身防腐、抗振能力以及测量精度也提出了更高的要求。

4.3 信息化技术

信息化平台将为电网运行管理提供全方位的信息服务，也将在舰船智能电网中扮演重要的角色。采用通信系统的开放式架构，可以对网络智能传感器和控制装置、控制中心、保护系统和用户建立一个安全的“即插即用”的应用环境［10］。只有建立起高速的、全面集成的双向通信技术架构，才能让智能电网中的信息网络变成一个动态的、可交互的信息脉络，进而发挥智能电网智能控制、总体调节的优势。

4.4 智能型设备

与目前舰船中应用的装备不同，智能型设备必须既能够向决策系统输出信息，又能够接受决策系统的控制信号，甚至有些智能型装备应该具备“独立思考”的能力，当某些紧急事件发生时，能够快速执行一些救急措施。当然，对于舰船上应用的智能型设备而言，“独立思考”的出发点必须建立在整体效益上，因为对于舰船这个独立电力系统来说，整体利益要比个体利益大的多，“顾全大局”的思维方式是舰船智能型设备必须具备的特征。所以，舰船智能型设备的开发必须针对肩负不同任务的特定船只，往往不能与陆地电网采用的智能型设备通用。

5 结 论

从技术上讲，舰船智能电网应该是最先进的通信、传感器、控制等产业的集成，也是先进网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术的整体体现，对于推动舰船电力系统新技术改革具有直接的综合效果。

结合舰船特点，发展智能电网能够直接或间接地起到如下功效：

1）提高供电效率，减少能量损耗；

2）改善供电质量，提高设备动作可靠性和精确度；

3）快速、智能地对事件作出反应，确保对重要负载的供电连续性；

4）提高舰船整体作战能力；

5）优化艇员配置。

舰船智能电网的发展必须从舰船自身需求和固有特征入手。只有这样才能够实现与舰船系统的有效结合。其中，对信息集成技术、实时监测技术、智能决策技术的要求远远高于陆地智能电网，而且相应的智能装备研制，也必须考虑到应用的特殊环境。舰船智能电网的发展，不仅仅是电气方面的变化，还会推动舰船系统的整体深度改革。舰船智能电网的发展必定会促进先进装备的研制，进而提高舰船的整体作战能力。

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Application of Smart Grid Technology to Shipboard Power System

Wang Qi1Song Xiao-dong2Xing Jian1Wang Yun－he1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064， China 2 Naval Armament Department of PLAN，Beijing 100071，China

Smart Grid （SG） has a range of advantages in power distribution， management and control.But shipboard power system poses specific requirements on power source， design and reliability.The purpose of this paper is to address the adaptability issue of SG technology and shipboard power system，with discussion on the design aspects that is pivotal to the application of naval power system and SG technology integration.SG technology applied in ship plays more demanding requirements on information integration， real－time monitoring， intelligent decision－making than that ever used in land.Smart devices must also be adaptable to the special environment in ship， with main characteristics of self－healing，smart intercommunion， high quality of power， electromagnetic compatibility and anti－attack capability.Key issues concerning to flexible grid infrastructure， sensor and measurement，information communication and smart devices are highlighted in this paper.Developing a SG capable of integrating with shipboard power system and taking full advantage of this technology will drive the requirement for the stateof－the－art system development and finally enhance the overall combat ability of warship.

shipboard power system；Smart Grid；integration

U665.12

A

1673－3185（2012）02－72－03

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.013

2011-08-01

王 琦（1982－ ），女，博士，工程师。 研究方向：舰船电气。E-mail：wjwhwq＠126.com

宋晓东（1976－），男，工程师。研究方向：装备管理。

王 琦。

［责任编辑：喻 菁］