舰船综合电力系统发展综述

李维波，郝春昊，高佳俊，邹振杰，潘峻峰

1 武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070 2 西藏大学 工学院，西藏 拉萨 850012

0 引 言

舰船综合电力系统（integrated power system，IPS）可为推进系统、作战系统等提供全电能保障，实现舰船动力的机械化向电气化转变、舰船信息的网络化向集成化转变、舰船设备的数字化向智能化转变，从而确保全舰能量管理与控制的精、准、稳，因此，IPS 代表了舰船未来的发展方向[1-3]。舰船IPS 的终极发展目标是确保全船电力系统的高效、安全和可靠运行，从而提升舰船移动作战平台的战斗力与生命力。美国舰船的IPS 由发电、电力变换、能量储存、电力分配、推进动力、平台负载和电力管理7 个部分组成，其中包含4 个子系统模块（发电和推进子系统、舰船日常用电配电子系统、区域配电子系统、监视控制子系统），该配置模式既可以扩大模块在舰船上的通用性，还能最大程度地降低舰船设计方案的难度。然而，该配置模式也存在明显不足，例如系统功率密度偏低、电力系统总体尺寸偏大等。英国舰船的IPS 则为推进系统和作战系统设计了一个专用供电电源，该配置模式具备结构简单、功率密度大等优势，但需配置大容量的电力电子器件和高变换效率的储能装置[4]。

鉴于舰船IPS 的特殊性，本文将以典型特点和硬件架构作为切入点，重点研究潮流计算、可靠性评估模型、风险评估算法等应用于IPS 的典型分析与评估技术，总结其经典理论和固有缺陷。目前，泛在电力物联网（ubiquitous electric internet of things，UEIOT）思想为电力系统各环节的万物互联、人机交互指明了长远的发展方向[5-6]，因此，应基于舰船IPS 的各个环节，在能量管理、故障重构等领域借助具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活等优点的物联网技术，结合移动互联、人工智能等现代信息技术和先进通信技术，构建以大数据作为评价和分析手段的舰船IPS 智慧服务系统。同时，还需利用数据传输与汇集的实时性、CPU 数据运算的快速性，来准确完成逻辑分析、风险决策、操纵控制等重要处置动作，从而全面提升舰船传感量测、信息处理、网络传输和分析决策的智能化程度，为舰船IPS 未来发展过程中的瓶颈问题提供新的解决思路。

1 舰船 IPS 介绍

1.1 舰船IPS 的显著特点

与陆地电网相比，舰船IPS 具有5 个显著特点[7]：1）舰船IPS 是一个独立的电力系统，无需外界电力系统协助，仅靠自身动态调控即可维持稳定运行；2）鉴于有限的舰船空间，电力系统的输电距离较短，线路损耗也较小，但系统各部分的结构紧密，容易相互影响；3）舰船IPS 的负载切换非常频繁，而单个负载的容量较大，所以总负载的波动变化量也较大；4）舰船IPS 的运行工况较为恶劣（例如，海洋环境的湿度、盐雾等），这就对设备的可靠性提出了严苛的要求，当舰船电力系统受损时，应最大限度地维持关键设备的正常供电，以确保舰船战斗力和生命力；5）舰船IPS 安装于密闭狭小的空间内，而电力设备种类繁多、数量庞大，故其电磁环境非常复杂，这也增加了舰船IPS 抗电磁干扰设计的难度。

1.2 舰船 IPS 的硬件架构

舰船IPS 主要由6 个部分组成，分别为发电分系统、输电分系统、储能分系统、变配电分系统、推进分系统和用电设备。根据不同的电网结构，可以将舰船 IPS 分为 2 种：1）第 1 代舰船 IPS，其显著的特点是中压交流与高频交流相结合，例如美国海军的“朱姆沃尔特”级导弹驱逐舰，英国海军的45 型导弹驱逐舰和“伊丽莎白”级航空母舰；2）第2 代舰船IPS，其是以中压直流供电为标志，其电网功率密度和运行可靠性均有所提高，这也是未来舰船IPS 的发展趋势。

随着日益严苛的舰船电能质量要求，分布式能源的应用已逐渐普及，通过将发电、输电、储能、变配电和推进等IPS 分系统和用电设备整合到一个总系统中[8]，即可对全船用电实现集中调控，其硬件架构如图1 所示。

图 1 舰船IPS 的硬件架构Fig. 1 Structural block diagram of shipboard IPS

舰船IPS 以设计高可靠性、大容量、智能化的新型IPS 为核心，涵盖了发电、变电、用电和管理等多个环节。与传统的电力系统相比，IPS 的最大改进之处在于新能源的获取与变换、超能武器电源的转换与使用等方面，具体包括信号交互、传感量测、外围设备、舰员操控与决策支持等多个应用场合[9-11]，充分发挥了5G 通信技术在信息链控制能量链方面的潜在优势，如图2 所示。

图 2 舰船IPS 能量链与信息链的相互作用Fig. 2 Interaction between energy chain and information chain of shipboard IPS

2 舰船IPS 的典型分析与评估技术

2.1 潮流计算分析

潮流计算是舰船IPS 中非常重要的一种分析计算技术，据此可以获取电力系统的整体状态，通过综合分析系统各节点的电压及支路的功率分布，即可实时判断电力系统工况。随着分布式电源的大规模实船应用，不仅改变了配电系统单向潮流的技术特点，还将传统舰船的单电源辐射电力网络变成了多电源电力网络，但舰船IPS 统一规划和使用安全的新问题也随之而来，这将打破传统舰船输配电保护设备之间的既定配合关系，进而影响继电保护的动作行为和动作性能。因此，针对舰用大容量分布式电源的保护算法研究，已成为继电保护设计的关键性技术。就潮流计算本身而言，舰船IPS 与陆地电力系统的共同点是其拓扑结构均为辐射状或环状，不同点是舰船IPS 是一个独立的电力系统，囿于狭小的安装空间，且其输电线路一般较短。

在潮流计算的发展历程中，国内外学者曾尝试将前推回代潮流算法和节点法改进之后应用于舰船IPS，具体如表1 和表2 所示。

除此外，以下3 个方面的潮流计算问题将是未来的研究热点：

1） 现阶段潮流计算所依据的拓扑结构较为简单，未来将重点关注更复杂、更契合IPS 实际工况的拓扑结构。

2） 基于仿真模型进行潮流算法分析时，由于仿真模型的局限性，一般无法充分体现IPS 的实际状态，因此需研究精细化建模方法。

3） 目前，潮流计算的主要对象为已确定的舰船电力系统，未来将针对IPS 的不确定性开展潮流计算算法研究。

此外，如果将交流配电网与直流配电网分开，利用基于改进牛顿-拉夫逊法引申而来的交替迭代法单独对其进行求解，直至均收敛，可以适用于任何交、直流混合系统的潮流计算问题。

表 1 陆地电网潮流计算算法对比分析Table 1 Comparative analysis of power flow calculation algorithms for land power grid

表 2 节点法改进算法对比分析Table 2 Comparative analysis of improved nodal algorithm

2.2 可靠性评估模型

可靠性评估对舰船航行任务的顺利开展和舰员安全保障起着至关重要的作用。所谓可靠性，即该系统正常运行时在规定时间内完成指定任务的能力。军用舰船的可靠性还需对其生命力开展进一步研究。所谓生命力，即舰船在外界作用力影响下可以继续维持供电的能力。

随着电磁炮、电磁发射器、激光武器等新型武器系统的列装上舰，必将对舰船IPS 的正常运行产生较大冲击[20]，而如何检测并有效平抑控制这些冲击对其他武器装备的影响、谨慎处理导弹类敏感装备之间的耦合作用，是当前可靠性评估领域的一个技术难题。

根据实际电磁环境的测量数据，如果采用传统方法评估设备之间的相互耦合作用，对传统舰船电力系统而言是适用的；然而鉴于舰船IPS 的复杂性和特殊性，其测量成本、测量工作量和数据处理量都将显著增加，这会导致传统测量评估方法的风险很高。根据调研结果，对于负载点而言，陆地电力系统将重点关注3 个可靠性指标，即年故障率、年停电时间和年平均停电时间。基于舰船IPS 的特殊性，还需要重点关注6 个可靠性指标，即平均断电频次、平均断电持续时间、平均用电有效度、平均用电无效度、总电量不足和平均电量不足[21]。国内外学者基于这9 个可靠性指标，采用不同的算法开展了大量卓有成效的研究工作，如表3 所示。

表 3 可靠性评估的研究成果Table 3 Research achievements in reliability assessment

通过调研还发现，未来需重点关注以下3 个方面的问题：

1） 应借鉴陆地电网的拓扑结构进行可靠性评估分析，并选择有利于提高舰船IPS 可靠性的拓扑结构，进而研究相关的评估规律。

2） 当前的可靠性评估策略与评估指标都是基于陆地电网发展而来，应针对舰船IPS 自身的特殊性，例如负载功率大、设备干扰强等，提出适用于实船工况的评估指标。

3） 随着新兴武器的列装上舰，需相应调整可靠性评估策略。此外，如何根据不同的运行状况对可靠性评估策略进行切换，也是未来的研究热点。

2.3 风险评估算法

风险评估理论的兴起虽然晚于可靠性评估，但其继承和完善了可靠性评估的发展理念，并将研究重点放在了舰船风险评估与系统应对方案上，这一点完全不同于可靠性评估技术[26-27]。作为舰船IPS 安全分析的研究重点，近年来，我国开展了电力系统风险评估方面的研究，主要分为以下3 种[28]：

1） 元件级风险评估，即针对某一种器件进行风险评估，通过定量分析电力系统中的器件功能，研究器件故障对舰船电力系统的影响。

2） 系统级风险评估，其主要对象是系统运行时的不确定性因素，是对舰船IPS 整体运行风险的一种综合性评估。

3） 风险评估体系，即基于成熟风险体系已有的风险指标，根据研究对象的特点，建立合理的风险评估体系。

因此，舰船IPS 的风险评估过程为：

1） 基于舰船IPS 的各个器件，构建全船的风险评估体系；

2） 采用层次分析法，得出IPS 各个子系统的风险权重（系数）；

3） 基于系统设备和技术项目的风险度，求解全船的总风险等级，如图3 所示。

图 3 舰船IPS 的风险评估过程Fig. 3 Risk assessment process of shipboard IPS

如图4 所示，舰船IPS 的风险评估体系分为目标层、分目标层和指标层3 个层次。目标层是舰船运行时的总评估目标，即电力系统风险评估。作为评估体系中的具体目标分类，分目标层具体包括3 个风险指标：电压越限、功率不匹配和频率偏移。指标层是对各个分目标层具体状态的进一步细分，包括过电压指标和低电压指标、过载指标和轻载指标，以及频率偏移指标等。

随着精确制导武器的大量应用，舰船遭受攻击而受损的概率急剧增加。轻微时，船体受损，进而导致推进系统、电力系统、武器系统、电子系统等受损；严重时，舰船完全丧失战斗力甚至倾覆、沉没。因此，需要通过风险评估技术来对舰船战损时的生命力进行实时计算，从而快速掌握战损舰船的浮性和稳性参数，准确评定损伤等级，并据此制定科学的抢修方案。

在风险评估方面，未来的研究重点如下：

1） 风险评估指标的选取问题。现有的风险评估指标仅对舰船电力系统进行了一个比较简单的分类，在后续研究中，风险指标的分类将越来越多，也将更为详细。

2） 系统设备的权重参数和故障概率不够精确的问题。目前，由于舰船数据库还不够完善，所以相关指标的计算结果也不够准确。但随着我国对舰船电力系统相关数据的进一步积累，将逐渐提高风险评估结果的可靠性。

图 4 舰船IPS 的风险评估体系Fig. 4 Risk assessment system of shipboard IPS

3） 随着舰船大功率作战系统的投入使用，大容量脉冲功率特种负载的突加/突卸势必会对全船电网带来明显的影响，因此，风险评估的对象不能仅局限于小型负载对电力系统的冲击。

针对上述问题，可以考虑采用改进的伪时序算法来对风险评估的时序过程进行分析优化，从而提高蒙特卡罗法的评估效率。如何对改进伪时序算法的数学处理过程进行优化，也是未来的研究方向。

3 基于物联网技术的信息集成与共享技术

鉴于物联网的技术优势，5G 通信技术、多核CPU 技术和信息交互融合技术必将成为智能舰船必不可少的基础条件。通过将物联网技术应用于舰船IPS 的顶层设计中，构建电能质量监视、能量管理、故障重构等子系统，以及全船云端存储与可视化平台，即可实现具有可靠性、实时性、便捷性和全船数据共享性的多层结构，以及局域加广域的监视功能[29]。

与陆地电力系统的智能化构建工作类似，舰船IPS 的发电、输电、变电、配电、用电和管理等所有环节都必须采用信息化手段，这是舰船IPS智能化建造与设计的重要内容[30]。通过采用高速、集成、交互式的通信架构，借助5G 手段，即可确保实时信息传输和电力变换操动的智能化运行，这将有效提高舰船IPS 的供电可靠性、抗干扰性、生命力、战斗力和总体空间使用率。

3.1 智能化传感量测技术

智能化传感量测手段是舰船IPS 信息化构建必不可少的物理平台。关键性参数的传感器选型与量测处理是舰船IPS 信息化的重要组成部分，在获得全船关重件的健康状态数据并将其合理变换与处理之后，需借助物联网载体进一步调制或转换成数字信息流，如图5 所示。

由图5 可知，舰船IPS 的智能化传感量测系统架构可以实现各个设备智能化感知、不同形式数据信息的快速传输和深度融合处理。从功能角度来说，智能化传感量测系统可以分为4 层物联网架构，即物理层、感知层、传输层和应用层。借助传感器和智能检测仪表，感知层可以实时采集并获取物理层各个设备的状态信息，经由传输层至应用层，即可实现判断、决策、数据融合等应用功能，以及信息深加工功能（显示、存储和分析等），从而为舰船IPS 各子系统提供关键性的数据源。由此可见，通过利用智能化量测技术，可以准确评估舰船IPS 的实时工况及完整性。

3.2 智能化能量管理技术

随着舰船全电力推进技术以及综合电力系统的深入发展，以美、英为代表的西方国家均在舰船能量管理系统领域投入了大量的人力和物力，其中美国的高智能化能量管理系统已列装于DDG-1000 级驱逐舰，英国也早在1994 年正式启动了相关研究工作。我国在该领域的研究起步较晚，目前，上海船舶运输科学研究所通过对低压电站监控系统的机械结构、硬件、软件进行改进升级，研制了国产能量管理系统，实现了配电管理、负载管理、信息管理和系统分析等功能，可以为推进负载和日用负载提供稳定、连续的优质电能。

舰船IPS 的智能化能量管理系统集控制、监测、保护和管理于一体，其主要功能为：1）负责IPS各个子系统设备的实施控制、故障诊断与继电保护；2）自动协调发电机组和电力推进功率；3）实时记录系统事件信息及系统的运行参数和状态[31]。随着舰船电力系统容量的井喷式增长，电网结构日益复杂，高能负载也呈多样化发展趋势，这对全船电能的集中管理提出了很高的设计要求。

舰船IPS 的智能化能量管理系统可以采用冗余式双层计算机网络架构，其中顶层为基于综合平台管理系统工业以太网的数据传送网；底层为由CAN 现场总线构成的实时数据采集网和控制网，如图6 所示。

图 5 舰船IPS 的智能化传感量测系统架构Fig. 5 Architecture of intelligent detection system for shipboard IPS

图 6 舰船IPS 的智能化能量管理系统的架构Fig. 6 Architecture of intelligent energy management system for shipboard IPS

通过采集多路数字量来获取当前电站的运行状态，并根据读入数字量和集控台下达的指令来输出相应的数字信号，用以控制各底层设备，即可确保舰船能量管理系统的正常运行[32]。图7 所示为基于ARM 控制器的能量管理系统监控设备的硬件架构图，主要包括顶层集控台、数字量信号处理模块以及底层各个电站开关量获取模块，其处理流程如下：首先，由具备光耦隔离功能的数字输入DI 模块和数字输出DO 模块实时获取各个电站的出口断路器状态信号、反馈量信号和配电板输入指令信号等；然后，通过I2C 总线将所有的数字量输入/输出电平信号传输至信号处理控制器，进行信号处理；最后，通过CAN 总线和以太网与集控台之间进行数据交互。与此同时，当集控台操作数字量控制器时，信号处理控制器可以根据所采集的信号来控制参考电压，同时控制配电板上的指示灯，从而确保被控对象完成相应的动作，避免底层器件出现误操作的情况[33]。

图 7 基于ARM 控制器的能量管理系统监控设备硬件架构Fig. 7 Hardware architecture of energy management system monitoring equipment based on ARM controller

3.3 智能化故障重构技术

舰船IPS 可以分为平台与载荷2 个部分，其中平台部分用于维持舰船的正常行驶，由舰船保障系统、电力系统、动力系统和船体系统等组成[34]；而载荷部分则是满足战时设备的供电需求，由通信系统、导航系统、警戒探测系统、水声系统、作战系统、舰空导弹系统、舰舰导弹系统、主炮系统、副炮系统、电子战系统、舰载反潜系统、直升机系统和直升机舰面系统等组成[35]。一旦舰船电力系统的某电力设备出现故障，尤其是电磁炮、电磁弹射装置等大容量脉冲功率武器设备，势必对全船电力系统造成极大的挑战。此时，舰船电力系统需立即对网络线路进行自适应重构，在维持动力系统正常供电的同时，最大限度地恢复作战系统供电，确保全舰的生命力与战斗力。

在电力系统产生故障之后，应按照既定的重构策略来操作断路器，以改变电网拓扑结构，从而将故障部位隔离在系统之外，同时恢复失电的负载。与陆地电力系统不同，舰船IPS 一般不以网络损耗最小化作为重构的目的，两者之间存在本质的区别。

目前，舰船电网拓扑可以分成辐射型、环型和网状型3 种类型。辐射型是以电源为中心，经主配电板、区域配电板、分配电箱，最终传输至负载端的发散形拓扑，这是一种纵向接线方式，负载只能由一个电源供电；环型是一种电源环型供电和辐射式配电网络的复合拓扑，通过主配电板以环型联结发电机，由多个电源通过区域配电板及分配电板对负载进行供电；网状型是环型网络的一种高级形式，在舰船发电机组和负载较多时，其电源连线可以形成至少2 个以上的环型网络拓扑，从而显著提高系统的冗余性和可靠性。

基于故障重构优化算法，国内外学者针对舰船电力系统的故障重构开展了一系列研究，如表4所示。

表 4 故障重构算法对比分析Table 4 Comparative analysis of fault reconstruction algorithms

根据调研结果，未来会重点关注以下3 个方面的问题：

1） 基于遗传算法、粒子群算法等智能算法进行故障重构的寻优时间普遍较长，且效率较低，因此，需进一步通过优化组合提出兼顾故障重构时间和最优策略的算法，从而让舰船电网能够在故障之后迅速恢复正常。

2） 现阶段对舰船IPS 故障重构的研究成果均未考虑不确定性因素的影响，如何将IPS 实船应用中的不确定性数据纳入故障重构智能算法，以增加系统故障重构结果的置信度，是有待解决的问题。

3）随着新兴武器的不断列装，大容量脉冲功率设备已逐渐在舰船IPS 中崭露头角，根据舰船战时与航行时的不同模式，应相应调整故障重构策略，从而针对不同的运行状态灵活切换故障重构模式。

针对上述问题，可以考虑采用将孤岛划分与网络重构相结合的方法，以排除与联络开关支路相连的节点，并减少孤立支路和节点，从而有效缩减故障重构时间。该方法适用于各种复杂的网络结构，将成为未来的研究重点。

3.4 基于5G 的物联网技术

随着舰船管理水平的不断提高，舰载设备已逐渐进入了智能化、网络化和信息化时代，但仍然不够成熟。以舰船电机为例，其普遍存在的管理问题为：1）过于分散的电机布局，一旦需手动启动或停止电机，操作人员就必须往返于各个电机所在的位置进行操作，既增加了工作量，也带来了操作风险；2）操作人员过多，既带来了操作不便的问题，也进一步加剧了空间位置的矛盾[40]。

物联网技术作为一种新兴的共享基础架构方法和云计算技术，具有弥漫性及无所不在的分布性和社会性特征，可以将巨大的系统池连接在一起以提供各种IT 服务[41]。利用物联网技术，可以解决舰船电机管理不足的问题，通过采用通信技术（例如 RS485，RS422，RS232）对智能化电机进行分散布置和集中管理[42]，不仅可以实现远程集中的启动、停止常规功能，还可以全过程监视电机的运行状态[43]。

基于物联网技术的舰船信息处理系统可以采用B/S 三层体系结构[44]，如图8 所示。第1 层是舰船信息处理系统的基础层，主要用于采集舰船航行的实时动态数据，然后储存于后台数据库；第2 层是过渡层，主要用于接收、处理和分析上一层的采集数据，完成数据存储管理，最终实现与用户之间的交互功能；第3 层是核心层，主要用于统计舰船信息，并完成信息发布及业务管理工作。

图 8 舰船信息处理系统的网络架构Fig. 8 Network architecture of ship information processing system

至于岸基人员管理，例如岸基监管机构、设备厂商、系统设计部门等，均可通过云端监视层来获取舰船IPS 监视系统的运行状况和远程诊断信息，其中云端监视系统的设计流程如图9 所示。在本地服务器和百度云服务器的Web Access软件中新建工程，设置通信端口；在本地服务器和云服务器中同时启用监控，即可将感知层获取的电能质量数据上传到云端监控系统。在岸基使用手机、平板或PC 机等移动终端打开浏览器，登陆云服务器公网IP 地址，即可查看云端Web Access Dashboard 开发的监视系统界面。除了集中显示电能质量数据，绘制电压、电流的相量图之外，云端监视系统还可以记录历史数据和故障事件，例如故障报警信号。

图 9 云端监视系统的设计流程Fig. 9 Process design of cloud monitoring system

由于舰船航行时经常会遭遇恶劣的海洋气候环境，同时空间约束又进一步导致其富含电磁干扰，因此，为了保证舰船信息处理系统的平稳运行，必须选用性能优、稳定性好、响应快、精度高的硬件设备。此外，在物联网技术的实船应用过程中，需重点研究以下2 个问题：

1） 目前，我国舰船传统信息处理系统的运行速度较慢，而系统的响应速度又与舰船IPS 的可靠性密切相关，因此，如何减少信息在产生、传递与接收阶段的耗时是需要重点关注的问题。

2） 信号处理服务端可以接收来自全船的各种信息，但并不是每一条信息都需要显示出来，如何合理选取这些信息并做出相应的处理，也是未来的研究重点。

4 结 论

本文总结了国内外舰船IPS 的潮流计算分析、可靠性评估、风险评估等典型的分析与评估技术，并进行了研究展望。预计至2030 年，随着特种传感器技术、碳化硅功率器件、5G 网络技术的成熟发展，必将催生基于5G 物联网技术的智能化传感量测技术、智能化能量管理技术和智能化故障重构技术，从而推动舰船IPS 的设计、构建、运维、管理、操控等模式的根本性改变，主要体现为：

1） 在实际运行中，舰船IPS 往往会出现大量不确定性因素，故需构建信息平台并做出正确的响应，同时，信息平台应具备自愈与故障恢复机制。鉴于高速局域网的自恢复能力，舰船IPS 的各个设备可以采用高速局域网来构建数字化信息平台，从而有效保证采集信息的服务质量。此外，全船数字化信息平台的构建，也体现了舰船IPS信息集中管理的设计理念。

2） 目前，舰船IPS 的各种算法与关键技术均是基于简单的拓扑结构而展开，IPS 各个设备信息的拾取、处理和变换等不同过程均是通过CPU及其外围器件或设备的配合而实现。由此可见，大量数据的处理运算、功能分析与逻辑判断等特殊过程均依赖于CPU，因此，必须重视发展多核CPU 技术。

3） 囿于舰船IPS 设备空间位置的约束性，舰船输配电技术上舰需解决复杂电磁环境下多个智能化设备的兼容性问题以及网络安全问题。为此，首先需建立开放的通信架构，保障舰船IPS 各个设备之间的信息可以通过网络互通、互联；其次，应细化信息模型，对模型扩充方法与原则做出规定；最后，应统一技术标准。