智能电网在舰船电力系统中应用发展

吴团结, 刘钧, 王云鹤

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

智能电网在舰船电力系统中应用发展

吴团结, 刘钧, 王云鹤

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

随着商用智能电网的研究和开发，针对商用智能电网的概念、特点和技术组成，结合舰船电力系统的特殊性和舰船综合电力系统系统技术概念的提出，阐述了舰船综合电力系统发展对智能电网的应用需求；提出了舰船智能电网自愈、互动、优质电能、电磁兼容和抗攻击性等基本特征和发展重点，以及与之相关的信息、通信、传感和量测、智能设备、自动控制和决策支持等关键技术。

舰船电力系统 智能电网 综合电力系统

0 引言

智能电网的概念涵盖了电网的发，输、变、配、用电等各个环节，智能电网正在给全球电力行业带来新的机遇与挑战，是2l世纪重大科技创新和变革趋势，国内外研究学者纷纷开始关注智能电网的研究和建设，以实现传统电网的升级换代及电网运行控制新思路的改革。国家电网公司已明确提出我国至2020年全面建成统一“坚强智能电网”发展目标，并制定了规划试点、全面建设和引领提升三阶段发展规划[1-3]。

舰船作为一种战斗舰艇，相对陆上电网，舰船电力系统为移动的独立的小型电力系统，电网结构相对较简单。舰船电力系统作为电力系统的一个重要分支，因舰船的特殊需要，与陆地电力系统既密切相关又有所区别。随着舰船电力系统规模日益扩大和综合电力系统概念的提出，电力系统配置、网络结构、运行模式和控制策略等方面较传统舰船电力系统都发生了较大的改变，对供电质量、可靠性和生命力提出了更高的指标。传统舰船电网的设备水平和管理方式已经难以满足舰船未来发展要求，迫切需要采取智能化措施提升设计理念和应用层次，实现舰船电力系统的数字化、自动化、信息化和互动化，以期达到智能电网所具有的坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征的目的。

本文结合当前陆地智能电网的概念、特点和技术组成，针对舰船电力系统电网的特殊性和未来发展趋势，阐述了舰船电力系统发展对智能电网的应用需求，提出了舰船智能电网的基本特征以及研究和建设所涉及的关键技术。

1 舰船综合电力系统的发展及对电网智能化需求

传统舰船的动力系统和电力系统是相对独立的，动力系统通常由常规的热机和其他机械装置构成，电力系统一般是作为辅助能源，与舰船推进并没有直接的关联。将电力系统与推进系统相结合形成舰船电力推进是最近几十年发展的新技术。目前，无论是在民船，还是在军用舰艇上，这种结合愈来愈显示出强大的生命力。以电力作为舰船推进动力逐步成为明晰的发展方向，“综合电力系统（Integrated Power System，IPS）”的概念由此产生[4]。

在IPS中，主动力系统与供电系统合并，舰船驱动依靠电力，大大压缩了各种热机的数量，“主机推进，辅机发电” 的概念将成为历史。采用集成化发电技术、环形电网和区域配电方式，减少了舰船特种装置所需发电机组、变流机组的种类和数量，这有利于简化舰船动力系统的结构和布置，显著提高战斗破损情况时系统的生命力；同时也增强了舰船在高威胁环境下的生存能力和作战效能，弱化了舰船的噪声特性，使舰船可以采用更加灵活机动的方式，从而对舰船作战方式产生积极的影响。综合电力系统是将舰船发供电与推进用电、舰载设备用电集成在一个统一的系统内，从而实现发电、配电与电力推进用电及其它设备用电统一调度和集中控制。综合电力系统由发电模块、电能调度及智能管理模块、区域配电模块、电力推进模块、高能武器电力变换模块和环形供电网络等若干个模块组成，每个模块都是高度集成化的完整系统[5-8]。

显然，舰船综合电力系统就是用“电力集成”的技术思想来研究舰船电能的产生、输送、变换、分配及利用电能实现舰船电力推进和高能武器发射。

舰船智能电网（Smart Grid, SM）目前还没有一个完整的概念。与陆地智能电网类似，未来舰船电力系统同样依赖先进的传感测量、计算机、自动控制、信息通信等技术，与发电设备、电力变换设备、配电网络和负载设备高度集成。通过标准化接入实现信息共享、智能决策和综合调控，优化电网运行，形成舰船“智能电网”。从这个意义上讲，舰船智能电网与舰船综合电力系统是“一个概念，两种提法”。但从舰船总体角度来说，舰船智能电网是舰船综合电力系统的一个重要组成部分，舰船综合电力系统还包括舰船动力推进、高能武器发射等部分。

随着技术的发展，未来舰船综合电力系统在大中型舰艇上将获得绝对的优势地位，带来舰船性能的全面提高。全电力化舰船采用综合电力系统结构形式，更加可靠、高效和灵活，并有较强的战斗力和生命力。

可见，舰船电网智能化是实现舰船综合电力系统的需要和发展趋势。

2 舰船智能电网主要特征

2.1 传统舰船电网特征

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。传统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。

舰船供配电方式普遍采用低压交流干馈混合的辐射供配电方式，由发电侧流向供电测，电网结构相对较简单，主要依靠功率冗余和多路(一般为两路)供电保证系统安全可靠；功率控制方式采用集中发电方式，潮流控制方式单一；电网与负载之间没有通信，只有电网向负载传达控制信息，两者之间没有交互信息；保护装置事先离线整定；监控系统以发电设备和供电网络监测为主，设备运行管理采用人工校核，设备出现故障、恢复时需要人工干预。实际使用过程主要依赖操作人员的经验实现运行操作管理，人为判断系统故障或不正常运行情况，通过开关切换或配置应急电力系统保证重要设备的电力供应。

2.2 舰船智能电网特征

从宏观上讲，智能电网与传统电网管理运行模式不同。舰船智能电网是精细管理，它是一个完整的企业级信息框架和基础设施体系，即以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含发电、输电、变电、配电、用电等各个环节，覆盖舰船所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，电网坚强可靠、经济高效、透明开放、友好互动。而舰船传统电网是粗放控制，电力资源没有被合理配置。发电装置单一，功率有限；输变配装置效率低下，网络损耗严重；负载“大马拉小车”的能源浪费现象普遍，同时增加了运行噪声。

从微观上讲，与传统电网相比，舰船智能电网进一步优化了电网控制，构建结构扁平化，功能模块化，系统组态化，是一种柔性体系结构，通过集中与分散相结合，灵活变换网络结构、智能重组系统结构、最佳配置系统效能、优化电网服务质量，实现与传统电网截然不同的电网构成理念和体系。

舰船智能电网的发展目标是利用现代信息技术，通信技术、计算机技术、测量技术、自动化技术等先进技术，抵御各种事故损害，提高舰船电力系统在发电侧、输变配电侧、用电侧的能源转换和传输效率，确保电网运行更安全、更可靠、更灵活、更经济，电网与负载之间能进行实施的交互信息，为不同的负载用户在不同工况下提供更高的供电质量，而用电侧（辅机）节能降噪是舰船永恒发展的重点。

基于舰船电力系统的独有的特点、发展需求和目标，舰船智能电网特征主要表现为以下几个方面：

自愈性。自愈是电网智能化的重要标志。实时掌握电网运行状态，预测电网运行趋势，及时发现、快速诊断故障隐患和预防故障发生；故障发生时，在没有人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免断电事故的发生。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，而且带来较好的军事效益。

互动性。实现与负载用户的智能互动，按需供给和调节，实现资源的优化配置和集约管理，提供最佳的电能质量和供电可靠性。具备智能互动是智能电网实现“自愈”的必要前提。

优质电能。由于舰船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。提供能够满足用电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。电网与负载之间能进行实施的交互信息，为不同的负载用户在不同工况下提供更高的供电质量。

电磁兼容。仪器、设备布置的高度集中是舰船空间局限带来的必然，在有限的空间内安装多种类型的电子仪器仪表以及众多的电气设备、控制装置等，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才能够提高电网的可靠性。

抵御攻击。舰船独特的任务使命要求舰船电网必须具有“抗攻击”的能力。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，维护电网系统的安全。实时信息技术使得智能电网能够快速隔离受影响的区域并重新调整潮流，具有快速恢复供电的能力。

3 舰船智能电网发展的关键技术

发展舰船智能电网必须结合舰船综合电力系统的发展需求，融合信息、通信、传感和量测、智能设备、自动控制和决策支持等关键技术[3][9-11]，以标准化接入为基础，以信息共享、智能决策和综合调控为主要手段，具有多指标自趋优运营能力，适应未来舰船综合电力系统发展的需要，提高电网运行效率，提高能源利用效率，提高供电的安全性和可靠性，减少电网损耗，降低电力设备运行噪声，实现与负载用户间的互动。

信息技术。智能化信息技术贯穿舰船电力系统发、输、变、配、用等各个环节，是舰船智能电网建设的重要内容和坚强支撑，为电网运行管理提供全方位的信息服务。信息技术是集数据采集、传输、存储和利用于一体，利用面向服务的架构体系，整合相关业务数据，构建一个数据集中、业务整合、符合模型标准、应用可扩展的辅助分析系统，实现数据的集中存储，统一管理，系统分析，形成智能决策。建立统一的信息平台，研究符合舰船特点的电源、电网、负载三侧统一融合的标准信息模型和信息交换模型，制定统一信息编码标准和统一信息模型标准，深入研究对信息的整理和挖掘，以实现实时和非实时信息的高度集成、共享与利用。

通信技术。建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础。一方面，智能电网的数据获取、保护和控制都需要通信系统的支持；另一方面，建立以电网和通信紧密联系的网络是智能电网的目标和主要特征。以通信技术为基础的智能电网通过自我监测和校正，并利用先进的信息技术，实现电网各部分的自愈功能，提高电网供电的可靠性，抵御电网所受到的各种攻击和破坏。

传感与测量技术。舰船电力系统参数的量测是智能电网基本的组成部分，先进的智能化量测技术是实现舰船智能电网的手段，通过量测获得的相关数据并将其转换成数据信息，实时提供给决策支持系统，以评估电网及所属设备实时状况。通过远方监视和管理，电网或设备出现故障后，自适应保护和孤岛化，自动控制电力的使用。

智能设备技术。智能电网将广泛应用先进的智能型设备和技术，以提高输配电系统的性能。与陆地电网不同，对于舰船这个独立电力系统来说，所采用的新技术和新设备并不是商用上的最新研究成果，而是基于舰船作战使命要求，在提高供电可靠性基础上，通过采用新设备或利用新技术改造现有设备，在电网和负荷特性之间寻求最佳的平衡点，来提高电能质量、功率密度和转换效率。

控制技术。智能化控制技术是指智能分析、诊断电网和预测电网状态，并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的控制方法。智能化控制技术能自动优化舰船电力系统中发电、输电、配电和负载侧的控制方法，实现电网功率的合理分配。智能化控制技术的分析和诊断功能，凸现了智能电网自愈特性，能极大地提高电网的可靠性，而可靠性是舰船电网必须的保证。

决策支持技术。智能化决策支持技术将复杂的电力系统数据转化为系统运行人员可理解的信息，利用数据展示技术，以帮助指挥员认识、分析和处理紧急问题，使指挥员能及时准确做出决策。

4 结束语

智能电网是未来舰船电力系统的发展趋势。随着我国舰船的型号、吨位和数量不断增加，对电力系统的要求越来越高，开展智能电网技术研究是舰船发展的必然和需求。长期以来，我国舰船电力系统的许多技术和装备仍处于跟踪和研仿的地位，若能紧跟国家智能电网建设和发展的契机并借鉴相关经验，大力开展舰船智能电网技术研究，从顶层规划，分步实施，逐步推进，必将实现我国海军装备技术水平的整体飞跃和提升。

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Research on Smart Grid of Warship Power System

Wu Tuanjie, Liu Jun, Wang Yunhe

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

With research and development of the commercial smart grid(SG)，based on the general definition, basic characteristic and technical composing of the commercial smart grid, as well as concept of the warship integrated power system(IPS), the characteristics of the warship smart grid such as self-healing, smart intercommunion, high quality of power, electromagnetic compatibility and anti-attack have been discussed, and key technologies of the warship smart grid concerning to information, communication, sensor and measurement, smart devices, autocontrol, decision-making and sustainment are highlighted in this paper.

warship electric power system; smart grid; integrated power system

TM711

A

1003-4862（2013）05-0008-04

2012-09-10

吴团结（1971-），男，高级工程师。研究方向：舰船电力系统及其自动化。