智能诊断系统在舰船综合电力系统中的发展分析

韩晓+付妍

摘 要：未来舰船的综合电力系统具有复杂的电气网络拓扑关系，因此，需要引入新兴技术，比如智能配置和重组技术，以适应未来舰船的发展需求。然而，故障模式下系统层级的组件故障信息需要智能分布式电力系统来处理，所以，传感器、组件及子系统的诊断信息和监测范围对于保证系统指标的可靠性，实现系统的后续保障起到了至关重要的作用。主要介绍了可用于舰船综合电力系统故障诊断的相关设备和可行技术，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：智能诊断；综合电力系统；知识管理；重组技术

中图分类号：TP391 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.023

文章编号：2095-6835（2016）20-0023-02

未来海军舰船会对电力系统提出很高的需求，不仅要满足舰船推进设备的用电需求，还要满足高能武器系统、辅助电子设施、电子战和网络战的作战需要。几乎电力船上的所有设备，包括传感器、泵、电机、武器系统和计算机网络等都需要船上的电力系统支持。因此，舰上分布式电力系统网络要具有较高的可靠性和安全性。电力分配包含电力从多个发电设备输送至一组动态加载的设备，此传输过程会随着战斗任务部署的变化实时改变其加载设备优先级和关键传输路径。利用高速固态开关、电力电子智能控制器和通信网络基础设施，可以构成各发电设备至负载设备间的电力分配网络，形成局部公共电力电子栅格。在全舰上布置多个发电、储电设备，通过对加载设备的动态管理，能够改变电力栅格的互联关系，以降低电力系统集中部署模式下的故障失效风险。出于对可靠性和建造成本的考虑，未来舰船电力系统的自动化水平应适合低人力配置、高可用、低成本模块化设计的要求。

1 电力系统

典型综合电力系统是由3个大型汽轮发电机和1个辅助汽轮发电机共同组成的主发电设备。其他发电设备，比如燃料电池和柴油发电机，可以类似电力栅格的形式接入综合电力系统中。接入的负载设备，比如舰船推进系统或舰上其他服务设施，可从分布式电力网络中按需获取相应的电力资源。在工作中，采用区域化架构设计，可以将各区域相互隔离，在各相互独立的区域内配置电压转换设备，以控制电力故障的传播。通过采用故障扩散的控制，动态智能化的电力再分配手段，可以扩大全系统的设计边界，提高系统的可靠性。

与电力系统硬件设备同步快速发展的还有与之相关的软件控制方法。综合电力系统分布式、模块化、开放式的控制架构，能够有效缩短系统的设计周期，降低开发成本，减少后期的软件维护费用。以发展的眼光看，应当积极评估开放式架构在目标成本中的价值。评估结果显示，不同领域内的系统有超过60%的费用用于系统的运转和维护。传统使用的控制软件与硬件间的耦合度比较高，在设计和维护方面具有一定的难度。软件人员需要掌握多种协议、规范，了解控制方法、控制机制、硬件实现和数据通信方式。由于对硬件的高度依赖，软件在不进行二次设计的前提下适配不同控制系统存在一定的局限性，因此，也增加了软件的设计成本。开放式的系统架构采用模块化的设计方式，标准化定义通用接口。与之对应的开放式的软件架构通过模块化设计，将标准的控制算法封装为可重复使用的固定代码段，形成基本的软件控制组件。这样做，不仅可以有效缩短开发周期，还可以降低系统的开发、维护成本。

普遍适用的控制器计算环境借用标准协议将控制任务分发至控制网络中的多个处理器上。这就使未来的控制系统利用软件分配控制目标至不同控制器，自动配置任意数量的处理器成为可能。这项技术将最大程度地提升系统环境的容错能力，当一个节点控制功能失效后，可重新部署处理器对控制功能进行再次配置。

2 可靠性与重组技术

软件重组技术的研究可以加速提升控制网络自恢复性和可靠性。舰上综合电力系统的自动重组功能将成为未来舰船可靠性设计领域的重要需求。现有的舰船控制系统很难实现故障分离，而且对于人工排故的依赖性比较高。但是，系统的复杂性不断提高、开发时间的限制和人力的压缩在一定程度上解决了综合电力系统的故障恢复问题，而重组技术是可行途径之一。许多方法均可实现上述控制问题，层次化的系统可以将上层监管个相关功能与底层重要的安全保障功能分隔开来。这种处理方式可以将底层或组件级的控制嵌入配置到受控的系统设备中。通过植入临界控制传感系统和响应系统，组件级的控制器可以实现自行管理，功能扩展，而不再依赖外部数据的支持。将系统故障与问题隔离在组件级的控制范围外，通过对底层控制器间进行物理隔离，可以最大程度确保系统的可靠性。上层监控功能可在层次化系统的不同层级上实现，通过某一区域内的底层控制器影响其相关层级的控制器，依次响应传递，最终影响至上层控制器。在此过程中，可以将任务优先级和执行计划等信息通过适当的通道嵌入至底层控制算法中。

在基于层级化的电力控制网络中，本地嵌入的控制策略可以用于电力船使用的大量控制器的预测中。现有的研究主要集中在智能分布式的处理方式上，这种方式关注的是系统的可测试性和可维护性，同时，它还能为解决相关分布式电力网络的可测试性问题提供参考。分布式能源数目的增长扩大构成发电中心的电力栅格的规模。信息控制的基础结构是利用成千上万的分布式发电节点替代少数的大型设备，将其概念放大。在设计舰船综合电力系统时，还可利用类同的电力电子技术组建的分布式电力网络。电力电子技术可用于反应型的发电和电力补偿、功率流控制、谐波补偿、电压/频率调节控制、及实时切换。利用多个软事件，以一种更为理想的方式控制大型分布式电力网络，并通过该控制方法提升网络系统的可靠性、供电品质和发电效率。所谓“多事件技术”，是将标准化的数据通过处理、融合、通信等功能过程定义为一个事件，当再有新设备加入网络后，新事件可以结合新设备重新部署。目前，多事件技术已成功用于解决多种分布式问题、信息融合及计算应用问题。结合使用本地数据处理技术，多事件技术在可测试性方面表现出了明显的优势。

研究显示，可采用事件协同的方式诊断电力网络的故障。当一个物理设备发生故障时，其内部嵌入的事件会同时失效。在多事件控制网络中，其他事件可获知到失效事件的通信中断。虽然失效事件的负载流、电压等信息数据无法继续正常通信，但可以通过网络中相关协同工作的事件响应结果检测到具体失效的事件/物理设备，进而开启系统的重组算法。

电力网络重组中的网络流模型可以恢复舰上电力系统中正常运转的电力服务设施。该模型在区域重组方面有明显的优势，但研究结果显示，与分布式的处理方法相比，这种模式更适用于集总式的控制处理方式。

电力船上综合电力系统智能化重组包含2个复杂的问题：①由作战导致的系统多处故障同时并发后故障的检测与定位；②电力网络的实时重组。

3 智能软事件

已有研究展示了全舰智能分布式架构在舰船可靠性方面发挥的作用，以及采用智能软事件模型用于控制和重组舰上主要的舰船系统，包括电力系统、推进系统、流体系统、火灾控制等的优势。随着电力控制过程和控制理论的发展，控制器的技术发展将会更加完善，也必将会促使舰船系统的复杂性在下一代舰船研发中呈指数关系倍增。未来的舰船系统会涵盖上万个相互关联的组件，自适应的管理机制通过提供若干选项即可获取大量的设备状态信息。而基于这样架构的舰船系统的复杂性将远远超过传统的设计方式，因而，在新一代的舰船系统设计中，需要借助大量的仿真、建模进行设计分析，确定具体的设计参数。智能自适应式的控制在解决系统复杂性问题时具有突出表现，但对于系统的可靠性问题，需要通过改变全舰智能分布式的控制方式中网络层级的划分粒度来调节。虽然许多控制系统架构都可以用于参考、解决现有问题，但目前研究显示，通常人们会选用一种更为主流的控制理论方法，即在分散的设备上嵌入设备控制器，使其成为智能组件，并对其实现控制。这样，在故障诊断与控制重组中，只需考虑设备层的问题。软事件技术可用于实现分布式的机械智能和重组时的协同控制，故障诊断即可嵌入每一个智能设备的事件中。健康状态信息可以利用控制网络传输，从而实现系统层的动态实时控制。

4 诊断

现有的研究成果已经提供了大量可以成熟用于未来舰船的综合电力系统设备设施的故障诊断和维护的诊断算法。虽然现有结果还没有提供现有算法的鲁棒性分析，但可以预知，随着时间的推移，会有更多与算法相关的研究不断涌出，并完善已有成果，从而构建更加完整的理论基础。

5 结论

海军下一代电力船电力系统的发展在考虑可靠性的同时，还要将有效控制其成本。诊断工程对于复杂舰船系统借鉴设计、构建诊断知识库有着深远的意义。在已有的舰船系统设计中，诊断工程设计的应用经验无法继续满足未来更为复杂系统的应用需求，比如舰上综合电力系统设计等。智能诊断策略在新型舰船设计中的引入将大大减少舰船服役期中的维护费用。其中，诊断知识库的管理和组建是一个动态变化的过程，它从舰船设计的初期持续贯穿舰船的全寿命周期。

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