基于N-1＋1準則的艦船電力系統結構合理性量化評估研究

王志飛

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢 430060）

0 引言

對艦船電力系統的基本要求在于，系統能以規范規定的品質向全艦電力負荷連續供電?？梢?，一個網絡設計是否合理，電力負荷供電連續性水平是最重要的衡量標準。在網絡結構設計中，設計單位通常均對負荷供電連續性給予了充分的考慮，但是，連續性水平究竟如何，并沒有給出一個量化的數據。事實上，在艦船電力系統設計領域，并沒有進行過類似研究，迄今沒有一個量化計算的方法和評判標準。對于傳統艦船，如國內已建的各型驅逐艦、護衛艦，因為其電力系統容量較小、系統結構相對簡單，借鑒國外艦船電力系統及已有艦船電力系統運行經驗即可完成系統設計并使得系統具備較好的供電連續性，對供電連續性的量化數據要求不高。但是對于未來大型、特大型艦船的大容量、特大容量電力系統以及艦船綜合電力系統等新型電力系統，國內甚至國外的設計、運行經驗有限，如果按照以前的做法直接完成設計，將很可能因為供電連續性考慮不足而導致整個電力系統、甚至整艘艦船設計的失敗，給我海軍事業發展帶來不可估量的負面影響。

為了評價艦船電力系統結構的合理性，同時也是為了就艦船電力系統供電連續性水平給出一個可供參考的量化計算結果，本文開展了以負荷失電概率為主要計算指標的艦船電力網絡合理性量化判斷方法研究。

1 N-1+1準則

為了計算艦船電力系統負荷失電概率，本文采用了逐一模擬負荷供電故障，進而尋找恢復供電路徑的研究思路，為此，借鑒了陸地電力系統N-1+1規則。

所謂N-1+1規則，就是當一條線路發生故障而被切除時（在本項工作中故障的發生以相應的開關斷開模擬），需要閉合一個開關以恢復供電，即斷一合一。具體流程圖如圖1所示：

2 基于 N-1+1準則的艦船典型電力網絡合理性量化計算分析

簡化環形船舶典型電力網絡如圖2所示。根據圖1所述N－1＋1規則分析流程編制了仿真程序，對圖2典型網絡的負荷失電概率進行了計算。各發電機、聯絡線路、負荷額定容量（標幺值）及負載優先等級如表1所示。

圖2 船舶綜合電力系統簡化結構圖

故障前主供電網運行狀態為：發電機G1，G3，G4通過聯絡線和聯絡開關并聯運行，發電機 G2停機，推進負荷L2按滿額定功率投入運行，圖中除開關 CB2、CB5、CB13斷開外，其余開關全部閉合。各負荷均由正常路徑供電。

該系統包含開關共62個，負荷共26個，分考慮自動轉換開關動作和不考慮自動轉換開關動作兩種情況，計算了該系統N－1+1規則下負荷失電概率，計算結果如下：

由上述結果可見，當設置合理的自動轉換開關情況下，該系統可以保證重要負荷、次重要負荷失電概率為零，一般負荷失電概率僅為 2.9%，實例系統供電連續性水平較高。上述算例同樣證明了N－1+1規則用于艦船電力網絡結構合理性分析的有效性。

3 基于 N-2+2準則的艦船典型電力網絡合理性量化計算分析

考慮到艦船電力系統使用中，特別是戰斗情況下，極易出現雙重、甚至多重故障，因此，有必要對其在多重故障情況下系統失電概率進行統計。本文已二重故障為例，將N－1＋1規則擴展為N－2+2規則，對圖2典型網絡的負荷失電概率進行了進一步計算分析，計算結果如下：

由上述結果可見，當二重故障情況下，系統不可避免地出現了重要及次重要負荷失電情況，但失電概率僅為 4%，實例系統在二重故障下仍然保持了較高的供電連續性水平。上述算例同樣表明，對于二重故障下艦船電力網絡結構合理性分析，可以采用在 N－1＋1規則基礎上改進得到的 N－2＋2規則。

4 結論

借鑒陸地電力系統N－1＋1規則，對艦船典型電力網絡供電連續性進行了量化計算，計算結果表明，該量化指標可以有效地反應系統供電連續性水平。在此基礎上，為了適應艦船電力系統的工作特點，方便分析系統在戰斗損傷等情況下可能出現的多重故障時的供電連續性，在N－1＋1規則基礎上提出了N－2＋2規則，以二重故障為例，對艦船典型電力網絡供電連續性進行了量化計算，結果同樣表明，得到的量化指標合理有效。本文的工作可以為艦船電力系統結構合理性評估提供有益的理論支撐。

[1] 馬偉明．艦船動力發展的方向－綜合電力系統[J]．海軍工程大學學報，2002，14（6）：1-5．

[2] 鄭定泰．水面艦艇綜合電力系統的技術進展[J]．艦船科學技術，2005，27（5）：5-12．

[3] 楊秀霞，張曉鋒，張毅．艦船電力系統的發展趨勢[J]．中國修船，2004，（3）：12-14．

[4] Yanfeng Gong , Yan Huang , Noel Schulz. Integrated protection system design for shipboard power system[ C]. IEEE Electric Ship Technologies Symposium.Philadelphia , USA , 2005 : 237-243.

[5] George L. Kusic. State estimation and fast fault detection for ship electrical systems [ C]. IEEE Electric Ship Technologies Symposium. USA , 2007 : 209-214.

[6] 蔡英，劉均梅．離散數學[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2003：205-206.

[7] 董張卓，秦紅霞，孫啟宏等．采用面向對象技術和方法的電力系統網絡拓撲的快速跟蹤（一）[J]．中國電機工程學報，1998，18（3）：178-181．

[8] 董張卓，秦紅霞，孫啟宏等．采用面向對象技術和方法的電力系統網絡拓撲的快速跟蹤（二）[J]．中國電機工程學報，1998，18（4）：283-286．

[9] 盧開澄，盧華明．圖論及其應用[M]. 北京：清華大學出版社：102-109．