基于N-1＋1準則的艦船電力系統(tǒng)結(jié)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(tǒng)的基本要求在于，系統(tǒng)能以規(guī)范規(guī)定的品質(zhì)向全艦電力負荷連續(xù)供電。可見，一個網(wǎng)絡設計是否合理，電力負荷供電連續(xù)性水平是最重要的衡量標準。在網(wǎng)絡結(jié)構設計中，設計單位通常均對負荷供電連續(xù)性給予了充分的考慮，但是，連續(xù)性水平究竟如何，并沒有給出一個量化的數(shù)據(jù)。事實上，在艦船電力系統(tǒng)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(tǒng)艦船，如國內(nèi)已建的各型驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦，因為其電力系統(tǒng)容量較小、系統(tǒng)結(jié)構相對簡單，借鑒國外艦船電力系統(tǒng)及已有艦船電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗即可完成系統(tǒng)設計并使得系統(tǒng)具備較好的供電連續(xù)性，對供電連續(xù)性的量化數(shù)據(jù)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(tǒng)以及艦船綜合電力系統(tǒng)等新型電力系統(tǒng)，國內(nèi)甚至國外的設計、運行經(jīng)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(xù)性考慮不足而導致整個電力系統(tǒng)、甚至整艘艦船設計的失敗，給我海軍事業(yè)發(fā)展帶來不可估量的負面影響。

為了評價艦船電力系統(tǒng)結(jié)構的合理性，同時也是為了就艦船電力系統(tǒng)供電連續(xù)性水平給出一個可供參考的量化計算結(jié)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(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)N-1+1規(guī)則。

所謂N-1+1規(guī)則，就是當一條線路發(fā)生故障而被切除時（在本項工作中故障的發(fā)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(wǎng)絡合理性量化計算分析

簡化環(huán)形船舶典型電力網(wǎng)絡如圖2所示。根據(jù)圖1所述N－1＋1規(guī)則分析流程編制了仿真程序，對圖2典型網(wǎng)絡的負荷失電概率進行了計算。各發(fā)電機、聯(lián)絡線路、負荷額定容量（標幺值）及負載優(yōu)先等級如表1所示。

圖2 船舶綜合電力系統(tǒng)簡化結(jié)構圖

故障前主供電網(wǎng)運行狀態(tài)為：發(fā)電機G1，G3，G4通過聯(lián)絡線和聯(lián)絡開關并聯(lián)運行，發(fā)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(tǒng)包含開關共62個，負荷共26個，分考慮自動轉(zhuǎn)換開關動作和不考慮自動轉(zhuǎn)換開關動作兩種情況，計算了該系統(tǒng)N－1+1規(guī)則下負荷失電概率，計算結(jié)果如下：

由上述結(jié)果可見，當設置合理的自動轉(zhuǎn)換開關情況下，該系統(tǒng)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(tǒng)供電連續(xù)性水平較高。上述算例同樣證明了N－1+1規(guī)則用于艦船電力網(wǎng)絡結(jié)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(wǎng)絡合理性量化計算分析

考慮到艦船電力系統(tǒng)使用中，特別是戰(zhàn)斗情況下，極易出現(xiàn)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(tǒng)失電概率進行統(tǒng)計。本文已二重故障為例，將N－1＋1規(guī)則擴展為N－2+2規(guī)則，對圖2典型網(wǎng)絡的負荷失電概率進行了進一步計算分析，計算結(jié)果如下：

由上述結(jié)果可見，當二重故障情況下，系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)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(tǒng)在二重故障下仍然保持了較高的供電連續(xù)性水平。上述算例同樣表明，對于二重故障下艦船電力網(wǎng)絡結(jié)構合理性分析，可以采用在 N－1＋1規(guī)則基礎上改進得到的 N－2＋2規(guī)則。

4 結(jié)論

借鑒陸地電力系統(tǒng)N－1＋1規(guī)則，對艦船典型電力網(wǎng)絡供電連續(xù)性進行了量化計算，計算結(jié)果表明，該量化指標可以有效地反應系統(tǒng)供電連續(xù)性水平。在此基礎上，為了適應艦船電力系統(tǒng)的工作特點，方便分析系統(tǒng)在戰(zhàn)斗損傷等情況下可能出現(xiàn)的多重故障時的供電連續(xù)性，在N－1＋1規(guī)則基礎上提出了N－2＋2規(guī)則，以二重故障為例，對艦船典型電力網(wǎng)絡供電連續(xù)性進行了量化計算，結(jié)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(tǒng)結(jié)構合理性評估提供有益的理論支撐。

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