船舶电力系统脆性建模ppt课件

1、船舶电力系统的脆性建模学生： 姜威威导师：朱志宇 教授分三部分内容：分三部分内容：1.1.船舶电力系统脆性研究背景、意义及其定义船舶电力系统脆性研究背景、意义及其定义2.2.研究内容研究内容3.3.结论与展望结论与展望1. 船舶电力系统脆性研究背景、定义及其意义船舶电力系统脆性研究背景、定义及其意义 1986年年1月月，助推器两个部件之间的接头破，助推器两个部件之间的接头破损导致美国航天飞机升空飞行损导致美国航天飞机升空飞行7272秒后爆炸。秒后爆炸。 2000年年8月，月，鱼雷装置上微小的裂缝导致鱼雷装置上微小的裂缝导致俄俄罗斯核潜艇罗斯核潜艇“库尔斯克号库尔斯克号”在军事演习中发生在军事演

2、习中发生爆炸爆炸。 2003年年5月，系统某个部件出现机械故障月，系统某个部件出现机械故障导导致我国的一艘致我国的一艘常规潜艇失事。常规潜艇失事。 2003年年8月，美国月，美国一家发电厂突然出现了故一家发电厂突然出现了故障，电闸自动关闭，障，电闸自动关闭，导致导致北美发生大停电事故。北美发生大停电事故。研究背景 因此对复杂系统复杂系统尤其是大型武装系统的安全性安全性的研究，引起引起了国防科工委的重视重视。 复杂系统的脆性脆性正是在这样的背景下提出来的，2001年国防科工委副主任栾恩杰提出了复杂系统的脆性：复杂系统规模越大，复杂系统越脆弱，越容易崩溃，即复杂系统规模越大，复杂系统越脆弱，越容易

3、崩溃，即复杂系统的脆性问题复杂系统的脆性问题。 本文研究工作来源于国家自然科学基金项目“基于基于脆性理论的船舶电力系统可靠性研究脆性理论的船舶电力系统可靠性研究”，该项目主要是针对提高复杂船舶电力系统的可靠性、安全性提出的。 脆性是指系统在运行时，由于受内部或外部因素的干扰，系统中某一子系统因故障而崩溃，使与其相关联的子系统受到影响，产生连锁反应，最终使整个系统崩溃。 现代船舶电力系统的网络拓扑结构越来越复杂，规模越来越大，复杂程度越来越高。同时复杂船舶电力系统难免要受到来自于系统内外的各种不确定干扰，因而系统的脆性就越来越容易被激发。 因此研究船舶电力系统的脆性过程和机理，能够为管理复杂船舶

4、电力系统，预防、解决危机提供决策意见，提高系统的可靠性、安全性，具有十分重要的经济和社会意义。 脆性定义以及研究意义 脆性分析方面：（1）基于熵理论对复杂系统进行脆性分析（2）基于突变理论对复杂系统进行脆性分析 脆性建模方面：（1）建立复杂系统的脆性结构模型 （2）基于元胞自动机对复杂系统进行脆性建模 （3）基于图论对复杂系统进行脆性建模（4）基于适应性Agent图对复杂系统进行脆性建模 适应性Agent图是一种新的理论方法，为复杂系统研究开拓一个新的思路，具有广阔的应用前景。 脆性研究现状 2.本课题研究内容：1.船舶电力系统脆性结构模型2.基于适应性Agent图的船舶电力系统脆性建模3.基

5、于自组织临界理论的船舶电力系统脆性分析（1）.船舶电力系统脆性结构模型船舶电力系统脆性结构模型图1 复杂系统脆性结构模型图2 船舶电力系统脆性结构模型序号 名称序号 名称序号 名称D1 发电机组件故障D5 合闸操作不当D9 断相运行D2 配电板组件故障D6 负荷分配不合理D10 过载启动D3 负载组件故障D7 绝缘等级降低D11 保护装置失灵D4 电网故障D8 控制电器故障(0.46680.27760.09530.1603)BW 123( (), (), ()0.5325 0.1148 0.2108 0.1420CBWW B BC B BC B BC W11211212113121141211

6、( ()(), ()(),()(), ()()0.2486 0.1478 0.0507 0.0854 0.0230 0.0918 0.1581 0.0527 0.0149 0.0905 0.0367DCWW C CD DDDC CD DDDC CD DDDC CD DDDW子系统层相对于船舶电力系统脆性风险层的重要度为：脆性事件层相对于船舶电力系统脆性风险层的重要度为：脆性因子层相对于船舶电力系统脆性风险层的重要度为：图3 Agent图拓扑结构（2） 基于适应性基于适应性Agent图的船舶电力系统脆性建模图的船舶电力系统脆性建模 图4 Agent图各个顶点演化规则系统 顶点的流用熵流表示，根据

7、熵理论定义为： 交互作用权值为： 1( )( )log( )rii ji jjL tptpt maxi ji ji jFwF顶点的知识库用于存储顶点的状态、熵流 ：顶点的演化规则：(1)( )( )xxMtMtM t(0)(0)xMx(1)( )( )LLMtMtM t(0)(0)LML00(1)( )( )( )LiiijiiL tL tw L tL ie 顶点的状态与流的关系按照if/then准则执行：0( ),(1)1iiiifL tHthenx t01( ),(1)exp(1)iiiiiifHL tHthenx tL t1( )log( ),(1)0iiiifL tHmthenx t

8、根据熵理论整个系统的行为特性用脆性综合风险熵函数 表示，反映整个系统的无序程度：Slog()1iinKppiS(2.1)仿真分析仿真分析图5 某混合馈电线式船舶电力系统结构图 图6 船舶电力系统脆性综合风险熵图7 基于直流潮流优化的改进后的船舶电力系统脆性综合风险熵 如图6 ，在船舶电力系统运行中 ，选取某节点崩溃 ，导致电力系统的负荷重新分配，潮流重新分布，节点的熵值增加，无序程度加深。节点为了维持自身的稳定性，向其临近的节点吸收负熵流，临近节点因被吸收负熵，其熵值也不断增加，节点接近崩溃。以此类推，各个节点都在争取与之相邻节点的负熵，又由于外界环境的干扰，各个节点自身熵值增加，最终会导致整

9、个船舶电力系统的无序程度加深，达到脆性风险阈值，系统全局崩溃。05101520253035404550012345678910t/hs/nat 系统发电机组负载组配电板组051015202530354045500123456789t/hs/nat 系统发电机组负载组配电板组 目标函数： 约束条件为： maxiji Di GPP10nitiPttFBAP 如图7，改进后的船舶电力系统脆性综合风险熵降低，没有达到阈值，系统某一节点崩溃后，通过有效调节电力系统发电机的出力和负载负荷，能够较好地降低电力系统的脆性风险，避免系统全局崩溃的危险，提高船舶电力系统的稳定性。 （3）基于自组织临界理论的船舶电

10、力系统脆性分析 自组织临界指的是一类开放的，动力学的，由多个单元组成的系统能够通过漫长的自组织过程演化到一个临界态，处于临界态时，一个微小的局域扰动可能会通过类似“多米诺效应”的机制被放大，其效应可能会延伸到整个系统，形成一个大的雪崩。图8 不同规模米堆幂律分布图 挪威大学研究米堆模型解释自组织临界现象。 研究表明：当米堆的某一处坡度超过了极限，该米堆就开始下滑，下滑的米堆将继续增加其它地方的坡度，从而可能引发雪崩，此时米粒一直滑至沙堆下沿直至出局。此时米粒模型的状态处于自组织临界态。其崩塌的分布如图8呈现幂律特性。米堆模型v 为了通过仿真说明船舶电力系统脆性具有自组织临界特性，建立如图9所示

11、的船舶电力系统脆性自组织临界性模型流程图。v 快动态过程为船舶电力系统脆性Agent图模型算法，慢动态过程为船舶电力系统节点负荷和线路容量增长算法。v 模型流程图中约束条件代表着两种相反方向“作用力”所受到的供电技术的限制，为快动态过程中系统的功率平衡条件以及慢动态过程中负载负荷和线路潮流的取值范围。 图9 船舶电力系统脆性的自组织临界性模型流程图 01000200030004000500060007000800090001000000.10.20.30.40.50.60.70.80.91tP（L）01002003004005006007008009001000110000.050.10.15

12、0.20.250.30.350.40.450.5tP（L）图10(a) 船舶电力系统脆性故障规模图10(b) 前1100时刻船舶电力系统脆性故障规模图11 不同过载参数情况下船舶电力系统脆性自组织临界值曲线0100020003000400050006000700080009000100000.350.40.450.50.550.60.65t/hI t1=1074t2=863t3=6301=12=0.93=0.8图12 不同线路容量的增长系数 图13 不同负荷需求的增长系数 100101102100101102103104LossN 1=1.006 2=1.005 3=1.00410010110

13、2100101102103104LossN 1=1.0006 2=1.0005 3=1.0004图14(a) 不同参数 下船舶电力系统脆性故障长尾分布 图14(b)不同参数 下船舶电力系统脆性故障幂律分布 0510152025300200400600800100012001400160018002000LossN 1=12=0.93=0.8100101102100101102103104LossN 1=12=0.93=0.8v 由以上仿真实验总结：模型参数 ，的不同，决定了船舶电力系统的线路传输容量和发电机、配电板、负载节点负荷的大小，即船舶电力系统的“规模”，系统仿真结果与米堆模型中在不同棒

14、形米堆“规模”下的米堆崩塌分布特征曲线相同：在双对数坐标下，船舶电力系统脆性故障规模越大，其发生的次数并非指数性减小，而是按斜率线性减小，特征曲线呈现幂律分布，此时船舶电力系统所处的状态即为自组织临界态，船舶电力系统脆性具有自组织临界性，表明船舶电力系统脆性行为是由表征系统处于自组织临界状态的不稳定结构产生的，因此发生系统脆性这种小概率事件的本质是系统处于自组织临界态。 总结v1.构建船舶电力系统的脆性结构模型，评价各子系统重要度，为建模做好基础。 v2. 基于适应性Agent图建立船舶电力系统脆性模型。模拟和分析船舶电力系统的脆性过程。v3.在船舶电力系统适应性Agent图模型的基础上，建立船舶电力系统脆性的自组织临界性模型。分析了船舶电力系统脆性本质及其与各参数的关系。展望v1. 继续深入挖掘和研究适应性Agent图理论。v2. 针对低压船舶电力系统，模型中采用交流潮流算法。v3.脆性分析延伸到环形式、网形式船舶电力系统，以及它们之间的比较。攻读学位期间发表的学术论文攻读学位期间发表的学术论文1基于复杂系统脆性结构模型的船舶电力系