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舰船电力系统发展现状及新兴方向报告人：张晨光 郑晓龙 赵中豪1. 现代船舶电力系统发展现状概述1.1 现代船舶电力系统组成 现代舰船上都装备有一个供给电能的独立系统，我们称之为船舶电力系统。船舶电力系统包括四个组成部分：（1）发电部分，包括发电机组和蓄电池；（2）配电部分，可分为总配电板、应急配电板、动力分配电箱、照明分配电箱和蓄电池充放电配电板等；（3）输电部分，又称为电网，由动力电网、照明电网、应急电网、低压电网、弱点电网等多部分构成；（4）用电部分，又称负载，包括电力拖动设备、船舰照明设备、舰船通信和电航设备以及其他用电设备。1.2 现代船舶电力系统的特点 现代船舶电力系统具有节能环保、可靠、结构坚固、电缆需求量少、设备发热损耗少、设备冷却容量需求少等优点。现代电站控制系统可保持电力系统在正常操作情况下能稳定持续运行，同时保护系统在发生过载、短路或接地故障时对故障电路进行选择性解列；功率管理系统根据电网中的负荷情况，可选择投入电网中的发电机数量，以获得最佳总效率；在船舶电力系统中连接于输配电网的发电机组数量可根据实际所需的功率来优化选择，以使原动机工作最优化。 现代船舶电力系统的设计以最大限度地维持不间断供电为目标。随着船舶吨位的增大、电气化程度的提高和科学技术的发展，船舶电力系统发生了显著地进步和变化，船舶电力系统的设备性能和供电指标有很大提高，同时也加强了系统承受各种突变负荷的能力。大型船及工程船等特种船舶应用了大功率、高电压的高参数船舶电力系统，电网电压达3-10KV。 与此同时，船舶电力系统的集中控制及其自动化也是现代船舶电力系统的一个重要标志，其有如下优点：（1）保证船舶电力系统供电的连续性和可靠性；（2）提高船舶电站工作质量，使系统处于良好的工作状态。 综述船舶电力系统的特点： （1）船舶电力系统为有限电网，其电站容量和电力储存较小； （2）船舶电力网输电距离较短，输送容量小，输电电压低，采用电缆输电，电气设备比较集中； （3）船舶工况变动频繁，船舶用电负荷类型众多，工况不同且变化频繁，对自动控制策略的可靠性要求较高； （4）船舶工作环境恶劣，要求其电力系统设备符合船用标准且具有较高的可靠性和生命力。1.3 船舶电力系统的技术应用 （1）船用开关电器的应用：包括船用断路器（中压断路器、船用低压断路器、万能式空气断路器）、装置式断路器、逆功率继电器、熔断器、自动分级卸载保护装置在船舶电力系统中的应用； （2）变压器预充磁技术：目的为抑制空载合闸时变压器产生的励磁涌流； （3）船舶电网中大型发电机保护：包括差动保护、过载保护、外部短路保护、欠压保护、逆功率保护、方向接地保护； （4）船舶电网中变压器保护：包括差动保护、过电流保护、低电压保护、过电压保护、过负荷保护、方向接地保护； （5）船舶电网综合保护：包括方向保护、电流差动保护、自适应保护； （6）船舶电力系统漏电保护：包括基于电流稳态补偿法的船舶微机漏电保护和基于电流时域补偿法的船舶微机漏电保护； （7）船舶电力系统电磁干扰的抑制：包括滤波退耦、限制瞬变干扰、屏蔽隔离、电缆屏蔽层的连接和接地。2. 船舶电力系统新兴发展方向2.1 船舶电力系统的非线性鲁棒控制 电力系统动态稳定性研究的主要目的是系统在受到大扰动（短路故障、负荷瞬间发生突变、切除大容量的发电机等电气设备）后系统各发电机组是否保持同步运行、电压和频率是否保持稳定，分析影响电力系统动态稳定的各种因素，研究提高电力系统稳定性的措施。其中船舶电力系统是一种典型的独立电力系统，随着船舶电气化、自动化程度的提高，现在普遍采用电力推进装置，而电力推进装置增加了控制设备的复杂性，因此有必要对船舶电力系统的稳定性进行研究。船舶电站负载发生变化，会导致电磁功率与机械功率之间的不平衡，从而导致船舶电网的频率波动，严重者会发生失步、功率与电压的强烈震荡与解列等故障。针对船舶电力系统稳定运行存在的非线性控制问题，以非线性控制理论为基础，应用鲁棒非线性控制方法，研究以下问题： （1）针对不同负载特征下的船舶电力系统的调速/励磁控制问题，采用Backstepping控制技术与L2干扰抑制相结合的综合控制策略来设计发电机组的调速/励磁控制器； （2）针对不同负载特征下的船舶电力系统的综合控制问题，根据船舶柴油发电机组和推进负载的数学模型的结构特性，深入分析发电机转子轴、原动机和负载扰动引起的不确定性，利用Backstepping控制技术的强鲁棒特性及其构造李雅普诺夫函数的能力，结合L2干扰抑制特性，给出基于Backstepping的鲁棒L2控制设计方法； （3）针对L2控制设计方法所得控制器结构难以实现的问题，基于Hamilton能量函数控制设计思想，结合系统的模型特征给出了动态系统非线性稳定控制器的设计方法，研究保证系统稳定运行的综合控制器设计方法； （4）针对包含SMES的船舶电力系统综合控制问题，基于耗散理论设计SMES、调速与励磁综合控制器； （5）针对船舶电网多机并联运行，负荷对系统的非线性扰动问题，研究多负载多机并联系统，建立包含螺旋桨负荷的多机结构保留系统鲁棒数学模型，并利用Hamilton能量函数控制方法，设计包含螺旋桨推进负载的船舶多机电力系统的励磁与调速的综合控制律。2.2 动力蓄电池技术 现代蓄电池电动船舶为了提高船舶性能，需要采用综合能源。目前能量源都存在一些缺点，例如蓄电池相对于汽油低能，而风光能系统低效、不稳定、缺乏连续性。由于这些缺点，船舶性能大大降低。同时，风光能难以保持工作连续性和实现发电、供电的不同时性、长期持续性，因为除蓄电池外都不能储能。采用综合能源兼顾了电动船舶当前和未来发展的双重需求，由于风光能技术性能的缺点和高价格的原因，必须以蓄电池为主，以岸电快速充电的方式进行配套。目前电动船有多种模式、多种用途，可使用多种蓄电池。现在蓄电池的性能不理想、价格偏高，但随着技术创新和工艺成熟、规范，性能有望大幅提升，进一步推动动力蓄电池技术的发展。2.3 风力发电技术 随着风力发电技术的发展，水平轴风力发电机组不断成熟，逐渐形成三叶片、上风向、管式塔的统一形式。垂直轴悬浮风力机崭露头角，其因风力机悬浮而极大地减小摩擦，因而可利用微风增加发电时间和提高全年利用效率。风力发电未来的主要技术趋势如下： （1）单机容量不断上升； （2）变桨距控制方式迅速取代定桨距失速控制方式； （3）变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式； （4）无齿轮箱系统的直接驱动方式增多； （5）计算机分布式控制技术进一步得到应用。2.4 船舶综合电力系统超级电容储能技术 如今船舶电站多数还是采用交流电制，若船上的高能脉冲负载从交流电站通过整流获得电能，脉冲功率会造成电网电压与频率巨大的瞬态响应过程，严重影响船舶电能品质，而且对船上的无线电设备也会产生很大的干扰，因此可以考虑采用超级电容储能技术。超级电容器是在离子迁移过程中存储电荷的，它的功率密度媲美于甚至超过超导线圈，甚至达到几十千瓦每干克，储存的能量可以在短时间内迅速释放。它还具有以下优势：循环使用寿命长、使用温度范围宽、温升小以及充放电迅速，没有环境污染。 目前超级电容储能技术广泛应用于军事、工业、航空等各个领域。在交通领域，我国首部“电容蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江园区投入试运行，电车在停靠站台的30s时间内快速充电，之后可持续供能，同时超级电容还可以对制动能量进行回收；在输配电领域，中国科学院电工研究所在研制动态电压恢复器（DVR）时利用超级电容做直流储能单元，进行优化电能质量的示范研究。2.5 神经模糊控制APF在电力推进船舶中的应用 船舶电力推进中交流推进电机的调速主要是变频调速。在采用电力电子器件实现变频调速过程中，由于电力电子器件的开关特性，在其输入与输出侧的电压和电流中都会出现波形畸变，从而产生大量的谐波并注入船舶电网。船舶电网中的大量谐波一方面会导致设备容量和线路损耗增加，恶化电能质量，进而影响供电用电设备的安全经济运行，另一方面，对船上的通信设备也会产生严重的电磁干扰。因此，谐波抑制在电力推进船舶上显得尤为重要。常规的抑制措施是采用LC无源滤波器，其具有结构简单并兼具补偿无功功率的优点，但亦存在损耗大、补偿性能受电网运行状态影响且只能补偿固定频率谐波等缺点。有源电力滤波器(APF)是通过实时检测谐波电流并向电网注入与谐波电流大小相等但极性相反的电流的方式来动态补偿谐波，具有响应快、受电网阻抗影响小、不容易与电网阻抗发生谐振、跟踪电网频率变化、补偿性能不受电网频率变化的影响等优点。常规APF的直流侧电压控制通常采用固定参数的PI控制器，但由于船舶电力系统本身具有时变、非线性等特点，常规APF很难达到理想的谐波抑制效果。因此将神经模糊的自学习能力引入APF控制系统中，并将神经模糊控制和PI控制相结合。：采用神经模糊控制和传统PI相结合的混合控制APF时，滤波效果大幅度提高，符合PLC与变频器组成的变频装置的稳定性，且DCDC变换器的变化效率高、输出电压精度高DCDC变换器解决了蓄电池电压不恒定而影响推进电机性能的问题，而且可以设计不同输出电压的DCDC变换器以解决不同推进电机对电压的需求。2.6 系统监控的综合化 由于电气设备已经日趋通用化、模块化、系列化，可以做到组态灵活；计算机所有功能选择均能通过屏幕软件按钮直接完成，为系统监控的综合化提供了必要的基础。当然，根据需求不同仍旧存在着先进程度不同和性能要求不同的船舶，但是单机单控的系统必将逐步向综合监控的系统过渡。因为采用综合监控的形式，可以构成双重或多重冗余，对提高系统或者全船整体可靠性是有积极意义的。列举几个不同类型综合化监控系统的情况系统名称综合自动化综合通信系统综合后勤支持系统综合监控或管理内容主机遥控、机舱监测报警电站管理、辅机监控、压载控制、航行自动化、装载自动化、损管监控 。船内通信：自动电话，声力电话等；广播通信：全船广播，扬声通信，集中管理通信；报警通信：全船通用报警，机舱组合报警，火灾探测报警。呼叫系统：无线电，电视；其它：数字终端，电视摄像，子母钟，旅客信息系统，娱乐系统等。结构管理：岗位结构管理、财务管理、审计管理；维修保养计划管理：维修保养制度、维修文件及标准、维修保养计划、实施细则等；供货及备件管理：全船设备、零件及备件的配置与管理；数据库：结构管理、维修计划、零备件配置、可靠性数据库；日常后勤管理。目的与效果减少人力资源，使复杂的系统能简单安全运行，紧急情况时可缩短行动的时间。变分散、独立布置为功能齐全，操作使用方便的集中监控，可以满足各类船舶的不同需求。综合后勤支持系统应用被称为软调科学的管理科学，在制度上和物质上保证对装船设备进行定时的维修保养，提高了设备的可靠性，保障了航行的安全。2.7系统的网络化 进入20世纪90年代后，随着现场总线技术的不断完善，在新造船舶中，越来越多地采用现场总线作为各个子系统的内部控制网网络，上层网络采用局域网，形成全分布式的网络型监控系统。当前，数字化技术和总线技术应用已经相当成熟。现场总线是一种互联现场设备（或模块）与控制系统之间的双向数字通信网络。通常采用双层网，第一层为数据采集与传送网，第二层为控制网。为保证系统的可靠性，控制网络可采用冗余结构。考虑到危险分散原则，按系统又分成若干子网，如：推进系统、管道系统、电力监控系统等独立子网。通过系统的网络化，功能上集各子系统之众，从可靠性出发又是一个分布式系统；在数据采集和控制平台上各分系统密切结合，但在系统结构上又是一个主动性极强的系统，在平台某系统局部受损时不影响独立工作；采用网络冗余和设备冗余设计及不间断后备电源，生存能力很强；具有图像控制功能，人机界面和对话效果良好。这里就以KONGSBERG公司的DataChief（简称DC C20）系统为例简单地介绍网络型监控系统的结构和功能特点。DC C20的结构组成：DC C20采用CAN(Controller Area Network)现场总线和以太网（Ethernet）相结合的网络结构形式，系统的结构组成及其布局如下图所示。分布式处理单元（DPU）:DPU（Distributed Processing Unit）是采用模块化设计、具有通信功能的智能化远程I/O单元，如图中RDi-32、RDi-16、RAo-16、RAo-8等分布在机舱各处，一方面作为传感器和执行器的I/O接口，直接与传感器和执行器相连，另一方面通过CAN总线与上层网络相连，从而实现上层网络对机舱设备的监视和控制。连接DPU和上层网络的CAN总线采用双冗余结构，即具有两套CAN总线，这两套CAN总线总是互为热备份，当主用网络出现故障时，备用网络自动切入工作，充分保证系统工作的可靠性。远程操作站（ROS）（Remote Operator Station）：由PC机、操作控制面板OCP（或普通PC机键盘）、鼠标、显示屏和打印机组成，PC机采用Windows NT或Windows XP操作系统。ROS通常设置在集控室、驾驶室和甲板舱室，常见的配置是集控室2台，驾驶室和轮机长房间各1台。其中，集控室的2台是必备的，其他场所为可选安装。各ROS均配置双网卡，形成双冗余的Ethernet网络（Ethernet 1和Ethernet 2）。 集控室的2台ROS还兼有系统网关SGW（System Gate Way）的功能（不同网络类型及不同网段之间需要有一个专门设施来转换网络之间不同的通信协议或在不同数据格式之间进行数据翻译，这一设施称为网关），使得局域网中的各个ROS能够通过系统网关SGW与CAN总线相连。ROS一方面可以接受各个DPU单元送出的机舱现场信息，另一方面还能向DPU发送操作指令、控制参数和程序包（加载）。值班呼叫系统（WCS）：按照无人机舱的基本设计原则在驾驶室和轮机员舱室及公共场所设有延伸报警装置。驾驶室的延伸报警装置称为WBU，而舱室及公共场所的延伸报警装置则称为WCU。WBU和WCU通过CAN总线（CAN Bus 3）与ROS进行通信连接，形成值班呼叫系统WCS（Watch Calling System）。其他辅助设备：系统中的其他辅助设备包括不间断电源（UPS）、以太网集线器（HUB）、现场操作站（Local Operator Station，简称LOS）和便携式操作站（Midi Operator Station，简称MOS）。UPS确保在短时间失电的情况下能够继续给系统中提供220V AC和24V DC电源。HUB用于以太网内各个ROS联网。LOS用于在机舱现场对各个DPU模块进行操作，在LOS面板上可以选择和访问挂在同一CAN总线上的任意DPU，例如查看DPU中的过程变量、对所辖设备的现场操作、参数调整和模块自检操作等。MOS是一个特殊设计的移动式操作站，通过MOS面板可以方便地实现各种操作站功能，可用作LOS、ROS或驾驶台值班监视系统的显示单元。DC C20是一个全微机的分布式网络型监控系统，其结构在最大程度上保证了系统的安全可靠和管理维护上的方便。网络系统的优势在于采用数字化和高层次的自动化技术代替大量繁琐的人工操作，提高工作效率是显而易见的。它有助于减少频繁操作和减轻人员疲劳，把船员从环境恶劣的工作场合中解放出来。3.船舶电气自动化领域展望机电一体化使学科互相交叉渗透，电力与电子、强电与弱电更难分难解，人工智能和模糊技术的应用使船舶电气自动化领域将更加宽广，必将会对造船和航运业带来重大变革。 新一代大功率半导体电力电子器件，在材料、理论、机理、制造工艺和应用技术等方面的研究开发，将会取得突破性的进展，船舶设备将会进一步向高可靠、节能型方向发展，将会对船舶电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革；可编程序控制器和单片机将逐渐发展成为船舶控制中的一种普遍控制方式。计算机监控系统正在经历着从集中型计算机监控系统分散型微机监控系统集散型(分布式)多级、多微机监控系统网络型(智能式)计算机监控系统。而这些技术的发展会使船舶工业向着智能综合自动化、微机监视、智能控制、卫星通信导航、全球定位系统、船岸信息直接交流、全船自动化领域延伸得更深入。 随着船舶电气化程度的提高，作为传输信息和能量的电缆品种会增多，纵横交叉、结构复杂，对船用电缆的要求愈来愈高。船舶电缆的安全可靠性，对船舶航行和安全有着重大影响，世界各国对舰船电缆的阻燃防火性能和安全等方面的要求将不断提高。进入新世纪，电缆制造新工艺和新材料的应用将可能有重大突破，如利用高能高压电子加速器对电缆绝缘进行辐照，可以提高电缆的耐温性、阻燃防火性和机械强度，大大延长电缆的寿命。 出于经济性和可靠性的考虑，在今后l0-20年左右，柴油发动机作为船舶原动机具有无可争议的地位。然而，石油面临枯竭，环境污染、生态受到破坏，使柴油发动机的地位受到了冲击。人们有可能通过技术上的突破而获得绿色能源。如太阳能、氢、燃料电池、超导电磁推进等等，但进入船舶实际应用还需要进行大量的研究和试验，要有一个相当长的时间，且初始投资高昂。这些领域也需要积极的探索和开发。4.总结自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系，而其中又以控制理论和计算机技术对自动化技术的影响最大。纵观自动化发展的历程，从1768年瓦特发明蒸汽机，人类开始进入了使用机器的时代。其借助于离心调速装置而使其本身的转速保持稳定。这种离心调速装置就是世界上最早的自动化机器。20世纪40年代，通过美国数学家维纳等人的努力，在自动调节、计算机、通信技术、仿生学以及其他科学互相渗透的基础上，产生了控制论。这一理论对自动化技术有着深远影响。维纳提出的反馈控制原理，至今仍然是控制理论中的一条重要规律。20世纪60年代，随着复杂的工业生产过程、航空及航天技术、社会经济系统等领域的进步使自动控制理论得以迅速发展，自动化技术水平大大提高。两个显著进展是数字计算机得到广泛应用以及现代控制理论的诞生。到了21世纪，自动化技术进入了计算机自动设计（英文：Computer-Automated Design，CAutoD）的年代。近些年，随着经济的发展，我国电气行业的自动化水平在一定程度上有着巨大的提升，尤其是在我国加入世贸组织以后，电气自动化行业不仅发生了质的转变，并在其他领域得到了广泛的应用。电气自动化是研究与电子工程相关的自动控制、实验分析、电力电子技术，信息处理、系统运行、研制开发以及电子计算机等领域的一门科学。随着我国船舶工业的电气自动化程度、性能和技术水平已有了很大程度的提高，不少设备通过引进、消化、吸收国外先进技术，亦已达到了国际先进水平。随着我国科技竞争力的提高，船舶自动化技术势必有不少新的突破。船舶自动化技术将不断向全船综合自动化层次发展，船舶综合自动化，是集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等一体的多功能综合系统，该系统通常由两个工作母站、若干个分控制系统及若干个工作分站组成，通常一个工作母站设在机舱控制室，另一个设在驾驶室。两个工作母站完全独立，可同时或单独操作，并互为备用。分控制系统将根据船舶种类和自动化程度而定，如主机遥控、机舱检测报警、电站管理、泵阀控制、液位遥测和压载控制、冷藏集装箱监控、自动导航等。所有工作母站和分控制系统采用高速传输技术组成一个综合网络系统，在网络上根据需要连接一定数量的工作分站，以达到在船舶重要部位对各设备进行监测和操纵等目的。同时，其工作分站可以作为一个窗口，与船舶对外通信设备联网，借助于数据传输、电子邮件等各种通信手段，执行岸与船、船与船之间对话，进行各种信息交流、咨询、设备维护、故障诊断、资料查阅、备件查询、船舶管理等业务活动，从而最大程度提高船舶航行的安全性、可靠性和经济性。21世纪将会有越来越多的新建船舶配套船舶综合自动化系统，用计算机进行全船智能管理，保证安全、经济地操作。船舶电气自动化系统发展的趋势，系统监控的综合化由于电气设备已经日趋通用化、计算机所有功能选择均能通过屏幕软件按钮直接完成，为统监控的综合化提供了必要的基础。随着数字化技术和总线技术应用已经相当成熟，现场总线是一种互联现场设备（或模块）与控制系统之间的双向数字通信网络。采用双层网，第一层为数据采集与传送网，第二层为控制网。为保证系统的可靠性，控制网络可采用冗余结构。考虑到危险分散原则，按系