船舶电力推进系统状态评估方法研究

杨俊飞，梁树甜

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

船舶电力推进系统状态评估方法研究

杨俊飞，梁树甜

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

本文分析了国内外设备状态评估相关研究内容和发展现状，介绍了舰船电力推进系统状态评估技术的相关内容，为后续的研究提供了参考。

船舶电力推进系统 状态评估 模糊综合评判

0 引言

船舶电力推进系统设备的可靠性、安全性是保证系统可持续运行的必要条件。对船舶电力推进系统进行有效的状态评估，及时发现和排除故障，从而减少船员维修工作量，改善工作条件，实现电力推进系统对系统设备状态的检测和自动化控制。

设备维修管理的发展历程分为三个阶段。第一个阶段为事后维修，事后维修是设备发生故障后，由船员来检查设备的状态，分析原因、逐步排查，找到故障点再进行维修，这种方式称为被动设备管理。第二个阶段是预防维修，预防维修分为计划预修制和预防维修制两种，首先依靠制定设备维修计划，然后定期停机对系统设备进行状态检查，排除可能存在的故障隐患，相应会产生维修不足和过度维修的问题，这种维修方式对系统的运行和设备状态的管理均有不利影响。第三个阶段是状态维修，状态维修是基于计算机处理数据，通过对设备的实时检测和检查，掌握和评估设备的状态、预测会发生的故障，进行维修决策的管理方法，是比较完善的设备管理方法，同时正确、有效的状态评估是状态维修的基础。文献[1]讨论电力变压器的状态评估，文献[2]讨论高压断路器的状态评估，文献[3]讨论电力系统的状态评估。本文将对电力推进状态评估方法进行讨论。

1 船舶电力推进系统

与传统的船舶动力系统（柴油机、汽轮机做动力源）相比，电力推进系统的动力源为电动机，具有调速比高、启动转矩大等，对船舶总体设计有布局灵活、安装维修方便等优点。

船舶电力推进系统由发电系统、配电系统、推进系统、推进监控系统等组成。发电系统由柴油发电机组、机旁控制箱等设备组成，配电系统由功率管理系统、主配电板（发电机控制屏、主推进屏、母联屏等）、日用变压器、辅配电板（海水泵启动屏、滑油泵启动屏等）等设备组成，推进系统是由推进变压器、推进变频器、推进电动机、螺旋桨等设备构成，推进监控系统由驾驶室推进控制台、集控室集中控制台等设备组成。电力推进系统的组成设备数量多、结构相对复杂，由于运行中各设备是相互联系的，各个设备的状态对整个系统的稳定运行有不同程度的影响，需要对电力推进系统中各个设备的历史状态、运行状态进行全方面的评估。

2 电力推进系统模糊状态综合评估

2.1 电力推进系统状态评估的总体思路

电力推进系统状态评估各指标因素包括确定性指标和非确定性指标，如电压、电流、转速、频率、功率等可量化指标，属于确定性因素；而绝缘状态、家族质量史等，无法量化的指标，表述时采用自然语言，运用模糊概念，属于模糊因素，只给出一个模糊的评估。鉴于此，采用模糊综合评估对电力推进系统进行状态评估是一种较好的方法。

状态评估的具体内容包括评估的指标体系、评估流程、评估模型、评估方法等。本文首先对影响各种电力推进系统运行安全状态的因素进行分类，运用模糊综合评价原理，建立模糊综合评估模型，最后得出状态评估结果。总体思路如图1所示。

2.2 模糊综合评判理论

模糊综合评判(Fuzzy Comprehensive Evaluation，FCE)[4]是以模糊数学为基础的量化综合评价事物的数学工具，主要评价步骤如下：

1）确定被评价的对象X；

2）建立评价因素集(即评价指标体系)U

设定被评价的对象X有n个影响因素，分别为u1, u2,···, un，则因素集U={u1, u2,···, un}；

3）建立表示评价结果等级的评价集V

设vi为评价等级，等级数为m，则评价集V={v1, v2,···, vm}；

4）确定权重集W

权重集是指某因素对被评价对象的重要程度(权重)，设u1, u2,···, un的权重分别为w1, w2,···, wn，且满足如下关系式：

定义权重集W={w1, w2,···, wn}。

5）确定综合评价矩阵R

R为U与V的模糊关系矩阵(模糊隶属矩阵)，定义为：

为使结果归一化，令rij满足

式中，rij——影响因素ui在评价等级vj上的隶属度，即rij是表征ui属于vj程度的数量指标。

图1 电力推进系统状态评估总体思路

6）进行模糊综合评价运算

8）根据评价结果对被评对象的作出相应的对策。

3.3 用模糊综合评价对电力推进系统状态评估

应用模糊综合评价理论进行电力推进系统状态评估的具体步骤如下：

第一步：确定被评价的对象X

确定X为整个船舶电力推进系统。第二步：建立因素集U

影响电力推进系统状态的因素很多，一般来说，其状态的评估应该基于各方面的试验(包括在线监测得到的信息)、系统自身的设计制造水平、系统历史状态、系统运行环境、投运时间以及领域专家对该系统的判断等。基于这个原则，可以取影响电力推进系统状态评估的因素集为：

式中：u1为电力推进系统自身系列历史缺陷；u2为基于试验数据(包括在线监测数据)判断得出的系统的状态；u3为系统历史运行状态；u4为领域专家对系统的判断；u5为系统投运时间。

第三步：建立评价集V

建立评价集的方法有多种，如百分制法、颜色法等。本文采用颜色法，故将电力推进系统运行安全状态的级别，由高到低分为4级，分别为:红(4)、橙(3)、蓝(2)、绿(1)。

评语集可表示为：V={v1, v2, v3, v4}={红，橙，蓝，绿}={4,3,2,1}，各等级表示的安全状态情况大致如下：

红色(4)，严重故障状态：部分重要设备无法运转，需立即进行修理，或更换部件。船舶无法航行。例如：柴油发电机组故障不能发电、推进变频器故障不能运行等。

橙色(3)，故障状态：多数设备运转正常，部分设备需要进行修理，更换部件，但船舶暂时仍能勉强航行。例如：推进变压器冷却风机故障、推进电机冷却风机故障等。

蓝色(2)，良好状态：绝大多数设备运转正常，部分设备需要进行简单维护、修理，但不影响船舶任务的执行。例如：配电板内熔断器故障只需简单更换。

绿色(1)，优异状态：设备状况运转良好，各项设备功能检查结果符合要求，各项监测参数未出现异常。

上述等级颜色对应的数字可理解为相应等级数值范围的中间值，即红色等级的数值范围为(3.5,4.5]，橙色等级的数值范围为(2.5,3.5]，蓝色等级的数值范围为(1.5,2.5]，绿色等级的数值范围为[0.5,1.5]。

第四步：确定权重集W和综合评价矩阵R

确定权重W及其综合评价矩阵R的方法很多，主要有统计法、模糊分布法、专家打分法、层次分析法等。权重和综合评价矩阵确定的好坏直接影响着状态评估系统的性能。对于电力推进系统来说，我们需要实时得出状态评估结果，并以此做出相应的决策。所以，不论采取何种确定方法，W和R应是根据电力推进系统的具体情况和运行中的不同工况而实时变化的。

第五步：计算结果并做出决策。

4 实例验证

设某一电力推进系统，根据其历史故障记录数据并结合电力推进系统的特点和专家分析经验，确定与U相对应的权重W={0.3,0.3,0.15,0.15,0.1}。该系统的综合评价矩阵R经过确定隶属度确定如下：

最后得Vresult=2.15。得出系统处于良好的状态，只需对个别设备进行简单维护，不影响系统正常运行。

5 结语

本文利用模糊综合评估法对电力推进系统运行安全状态进行整体上的评估，最后通过举例验证证明此方法简单有效，提出的评估总体思路和评估方法对于现代电力推进系统设备的安全管理具有理论意义和实际参考价值。

[1] 李邦云, 涂彦明. 电力变压器状态评估[J]. 四川电力技术, 2006, 29(3): 53-55.

[2] 李宇, 张国钢, 耿英三. 基于模糊理论的高压断路器状态评估研究[J]. 高压电器, 2007, 43(4): 274-277.

[3] 余建星, 杜尊峰, 温晶晶. 船舶电力系统状态评估方法研究[J]. 船舶工程, 2008(30): 39-41.

[4] 杨纶标, 高英仪. 模糊数学原理及应用[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 2001.

Condition Assessment Method of Marine Electric Propulsion System

Yang Junfei, Liang Shutian
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

Relevant research situation and development direction of equipment's condition assessment at home and abroad are analyzed. The condition assessment technology of marine electric propulsion system is introduced, which provides reference for future study.

marine electric propulsion system; condition assessment, FCE

TM728

A

1003-4862（2015）06-0048-03

2015-03-09

杨俊飞（1979-），男，工程师。研究方向：船舶电气。