智能診斷系統在艦船綜合電力系統中的發展分析

韓曉+付妍

摘 要：未來艦船的綜合電力系統具有復雜的電氣網絡拓撲關系，因此，需要引入新興技術，比如智能配置和重組技術，以適應未來艦船的發展需求。然而，故障模式下系統層級的組件故障信息需要智能分布式電力系統來處理，所以，傳感器、組件及子系統的診斷信息和監測范圍對于保證系統指標的可靠性，實現系統的后續保障起到了至關重要的作用。主要介紹了可用于艦船綜合電力系統故障診斷的相關設備和可行技術，以期為日后的相關工作提供參考。

關鍵詞：智能診斷；綜合電力系統；知識管理；重組技術

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.023

文章編號：2095-6835（2016）20-0023-02

未來海軍艦船會對電力系統提出很高的需求，不僅要滿足艦船推進設備的用電需求，還要滿足高能武器系統、輔助電子設施、電子戰和網絡戰的作戰需要。幾乎電力船上的所有設備，包括傳感器、泵、電機、武器系統和計算機網絡等都需要船上的電力系統支持。因此，艦上分布式電力系統網絡要具有較高的可靠性和安全性。電力分配包含電力從多個發電設備輸送至一組動態加載的設備，此傳輸過程會隨著戰斗任務部署的變化實時改變其加載設備優先級和關鍵傳輸路徑。利用高速固態開關、電力電子智能控制器和通信網絡基礎設施，可以構成各發電設備至負載設備間的電力分配網絡，形成局部公共電力電子柵格。在全艦上布置多個發電、儲電設備，通過對加載設備的動態管理，能夠改變電力柵格的互聯關系，以降低電力系統集中部署模式下的故障失效風險。出于對可靠性和建造成本的考慮，未來艦船電力系統的自動化水平應適合低人力配置、高可用、低成本模塊化設計的要求。

1 電力系統

典型綜合電力系統是由3個大型汽輪發電機和1個輔助汽輪發電機共同組成的主發電設備。其他發電設備，比如燃料電池和柴油發電機，可以類似電力柵格的形式接入綜合電力系統中。接入的負載設備，比如艦船推進系統或艦上其他服務設施，可從分布式電力網絡中按需獲取相應的電力資源。在工作中，采用區域化架構設計，可以將各區域相互隔離，在各相互獨立的區域內配置電壓轉換設備，以控制電力故障的傳播。通過采用故障擴散的控制，動態智能化的電力再分配手段，可以擴大全系統的設計邊界，提高系統的可靠性。

與電力系統硬件設備同步快速發展的還有與之相關的軟件控制方法。綜合電力系統分布式、模塊化、開放式的控制架構，能夠有效縮短系統的設計周期，降低開發成本，減少后期的軟件維護費用。以發展的眼光看，應當積極評估開放式架構在目標成本中的價值。評估結果顯示，不同領域內的系統有超過60%的費用用于系統的運轉和維護。傳統使用的控制軟件與硬件間的耦合度比較高，在設計和維護方面具有一定的難度。軟件人員需要掌握多種協議、規范，了解控制方法、控制機制、硬件實現和數據通信方式。由于對硬件的高度依賴，軟件在不進行二次設計的前提下適配不同控制系統存在一定的局限性，因此，也增加了軟件的設計成本。開放式的系統架構采用模塊化的設計方式，標準化定義通用接口。與之對應的開放式的軟件架構通過模塊化設計，將標準的控制算法封裝為可重復使用的固定代碼段，形成基本的軟件控制組件。這樣做，不僅可以有效縮短開發周期，還可以降低系統的開發、維護成本。

普遍適用的控制器計算環境借用標準協議將控制任務分發至控制網絡中的多個處理器上。這就使未來的控制系統利用軟件分配控制目標至不同控制器，自動配置任意數量的處理器成為可能。這項技術將最大程度地提升系統環境的容錯能力，當一個節點控制功能失效后，可重新部署處理器對控制功能進行再次配置。

2 可靠性與重組技術

軟件重組技術的研究可以加速提升控制網絡自恢復性和可靠性。艦上綜合電力系統的自動重組功能將成為未來艦船可靠性設計領域的重要需求。現有的艦船控制系統很難實現故障分離，而且對于人工排故的依賴性比較高。但是，系統的復雜性不斷提高、開發時間的限制和人力的壓縮在一定程度上解決了綜合電力系統的故障恢復問題，而重組技術是可行途徑之一。許多方法均可實現上述控制問題，層次化的系統可以將上層監管個相關功能與底層重要的安全保障功能分隔開來。這種處理方式可以將底層或組件級的控制嵌入配置到受控的系統設備中。通過植入臨界控制傳感系統和響應系統，組件級的控制器可以實現自行管理，功能擴展，而不再依賴外部數據的支持。將系統故障與問題隔離在組件級的控制范圍外，通過對底層控制器間進行物理隔離，可以最大程度確保系統的可靠性。上層監控功能可在層次化系統的不同層級上實現，通過某一區域內的底層控制器影響其相關層級的控制器，依次響應傳遞，最終影響至上層控制器。在此過程中，可以將任務優先級和執行計劃等信息通過適當的通道嵌入至底層控制算法中。

在基于層級化的電力控制網絡中，本地嵌入的控制策略可以用于電力船使用的大量控制器的預測中。現有的研究主要集中在智能分布式的處理方式上，這種方式關注的是系統的可測試性和可維護性，同時，它還能為解決相關分布式電力網絡的可測試性問題提供參考。分布式能源數目的增長擴大構成發電中心的電力柵格的規模。信息控制的基礎結構是利用成千上萬的分布式發電節點替代少數的大型設備，將其概念放大。在設計艦船綜合電力系統時，還可利用類同的電力電子技術組建的分布式電力網絡。電力電子技術可用于反應型的發電和電力補償、功率流控制、諧波補償、電壓/頻率調節控制、及實時切換。利用多個軟事件，以一種更為理想的方式控制大型分布式電力網絡，并通過該控制方法提升網絡系統的可靠性、供電品質和發電效率。所謂“多事件技術”，是將標準化的數據通過處理、融合、通信等功能過程定義為一個事件，當再有新設備加入網絡后，新事件可以結合新設備重新部署。目前，多事件技術已成功用于解決多種分布式問題、信息融合及計算應用問題。結合使用本地數據處理技術，多事件技術在可測試性方面表現出了明顯的優勢。

研究顯示，可采用事件協同的方式診斷電力網絡的故障。當一個物理設備發生故障時，其內部嵌入的事件會同時失效。在多事件控制網絡中，其他事件可獲知到失效事件的通信中斷。雖然失效事件的負載流、電壓等信息數據無法繼續正常通信，但可以通過網絡中相關協同工作的事件響應結果檢測到具體失效的事件/物理設備，進而開啟系統的重組算法。

電力網絡重組中的網絡流模型可以恢復艦上電力系統中正常運轉的電力服務設施。該模型在區域重組方面有明顯的優勢，但研究結果顯示，與分布式的處理方法相比，這種模式更適用于集總式的控制處理方式。

電力船上綜合電力系統智能化重組包含2個復雜的問題：①由作戰導致的系統多處故障同時并發后故障的檢測與定位；②電力網絡的實時重組。

3 智能軟事件

已有研究展示了全艦智能分布式架構在艦船可靠性方面發揮的作用，以及采用智能軟事件模型用于控制和重組艦上主要的艦船系統，包括電力系統、推進系統、流體系統、火災控制等的優勢。隨著電力控制過程和控制理論的發展，控制器的技術發展將會更加完善，也必將會促使艦船系統的復雜性在下一代艦船研發中呈指數關系倍增。未來的艦船系統會涵蓋上萬個相互關聯的組件，自適應的管理機制通過提供若干選項即可獲取大量的設備狀態信息。而基于這樣架構的艦船系統的復雜性將遠遠超過傳統的設計方式，因而，在新一代的艦船系統設計中，需要借助大量的仿真、建模進行設計分析，確定具體的設計參數。智能自適應式的控制在解決系統復雜性問題時具有突出表現，但對于系統的可靠性問題，需要通過改變全艦智能分布式的控制方式中網絡層級的劃分粒度來調節。雖然許多控制系統架構都可以用于參考、解決現有問題，但目前研究顯示，通常人們會選用一種更為主流的控制理論方法，即在分散的設備上嵌入設備控制器，使其成為智能組件，并對其實現控制。這樣，在故障診斷與控制重組中，只需考慮設備層的問題。軟事件技術可用于實現分布式的機械智能和重組時的協同控制，故障診斷即可嵌入每一個智能設備的事件中。健康狀態信息可以利用控制網絡傳輸，從而實現系統層的動態實時控制。

4 診斷

現有的研究成果已經提供了大量可以成熟用于未來艦船的綜合電力系統設備設施的故障診斷和維護的診斷算法。雖然現有結果還沒有提供現有算法的魯棒性分析，但可以預知，隨著時間的推移，會有更多與算法相關的研究不斷涌出，并完善已有成果，從而構建更加完整的理論基礎。

5 結論

海軍下一代電力船電力系統的發展在考慮可靠性的同時，還要將有效控制其成本。診斷工程對于復雜艦船系統借鑒設計、構建診斷知識庫有著深遠的意義。在已有的艦船系統設計中，診斷工程設計的應用經驗無法繼續滿足未來更為復雜系統的應用需求，比如艦上綜合電力系統設計等。智能診斷策略在新型艦船設計中的引入將大大減少艦船服役期中的維護費用。其中，診斷知識庫的管理和組建是一個動態變化的過程，它從艦船設計的初期持續貫穿艦船的全壽命周期。

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