王守相，孟子涵

天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津300072

0 引 言

艦船綜合電力系統(tǒng)將傳統(tǒng)上相互獨立的機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)集成，以全電能形式為推進(jìn)、通信導(dǎo)航、特種作業(yè)和日常設(shè)備等提供能量，使艦船動力從機(jī)械化走向電氣化，有利于實現(xiàn)對全船能量的精確高效控制，有助于實現(xiàn)艦船的信息化和智能化，是艦船發(fā)展的重要趨勢，在艦船系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位。

艦船綜合電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸配電、變配電、推進(jìn)、儲能、能量管理6個分系統(tǒng)組成。根據(jù)各分系統(tǒng)標(biāo)志性技術(shù)特征的不同，可將其劃分為第1代和2代艦船綜合電力系統(tǒng)。第1代艦船綜合電力系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)多為中壓交流和高頻交流；第2代艦船綜合電力系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)多為中壓直流，具有更高的功率密度和運行的靈活性，代表了艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。我國采用第2代綜合電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為第1代綜合電力系統(tǒng)分系統(tǒng)設(shè)備供電，構(gòu)成了第1代半艦船綜合電力系統(tǒng)［1］。

本文將主要從潮流計算、短路故障檢測與分析、恢復(fù)性重構(gòu)、電壓控制與無功優(yōu)化、可靠性評估以及穩(wěn)定性分析等多個方面，對國內(nèi)外艦船綜合電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和成果進(jìn)行梳理及綜述，并進(jìn)行展望，以為后續(xù)開展更為深入的研究提供借鑒和參考。

1 系統(tǒng)組成及特點

艦船綜合電力系統(tǒng)將艦船的發(fā)電、供電與推進(jìn)用電、艦載設(shè)備用電集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)，實現(xiàn)了發(fā)電、配電和電力推進(jìn)用電及其他設(shè)備用電的統(tǒng)一調(diào)度及集中控制［2］，其組成框圖如圖 1所示［1］。

圖1 艦船綜合電力系統(tǒng)的組成框圖Fig.1 Composition block diagram of the shipboard integrated power system

艦船綜合電力系統(tǒng)與陸地電力系統(tǒng)相比，在如下方面具有突出的特點［1-4］：

1）艦船綜合電力系統(tǒng)是一個獨立的小型電力系統(tǒng)，沒有外部電網(wǎng)的電力支撐，需要依賴自身的電壓頻率調(diào)整來實現(xiàn)穩(wěn)定控制。

2）電纜線路長度短，線路損耗小，但短路電流大，各設(shè)備耦合緊密，容易互相影響。

3）工況復(fù)雜，負(fù)載變化頻繁，單個負(fù)載容量大，且在不同工況下的負(fù)載變化量大。

4）工作環(huán)境惡劣，易受攻擊影響，對供電的可靠性和生命力要求高。

5）含大量電子負(fù)載，對電力中斷和電能質(zhì)量敏感。

2 潮流計算

潮流計算是獲取艦船電力系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的一個重要手段。它通過給定艦船綜合電力系統(tǒng)的電氣拓?fù)浜拓?fù)載條件，求解得到各節(jié)點電壓及支路的功率分布，來獲得系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)。艦船綜合電力系統(tǒng)與陸地配電系統(tǒng)相比，既有許多共同點，也有不同之處。共同點在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均是輻射狀或弱環(huán)狀，線路的電抗/電阻比值小，必要時常接有分布式電源和儲能裝置；不同點主要在于艦船綜合電力系統(tǒng)是獨立系統(tǒng)，沒有外部電源供電，電動機(jī)負(fù)荷占比大，線路短，阻抗小。因此，需要研究適合于這種特殊性的潮流計算方法。

國內(nèi)外很多學(xué)者將陸地配電系統(tǒng)的前推回代潮流算法予以改進(jìn)，并應(yīng)用到了艦船綜合電力系統(tǒng)的潮流計算中。例如，Baldwin等［5］介紹了3種經(jīng)典方法，并提出了一種改進(jìn)的前推回代方法用于輻射型艦船電力系統(tǒng)的潮流計算，該方法減少了計算時間，提高了求解的收斂性能。Alfred［6］開發(fā)了另一種改進(jìn)的前推回代算法，建立了系統(tǒng)中重要負(fù)載（尤其是電動機(jī)負(fù)荷）的模型，并提出了補(bǔ)償艦船綜合電力系統(tǒng)不接地特性的方法。為了處理弱環(huán)結(jié)構(gòu)和多源的情況，Medina等［7］結(jié)合前推回代算法、斷點補(bǔ)償和多電源簡化為一個電源等方法，解決了系統(tǒng)輻射狀、環(huán)形結(jié)構(gòu)和多源等問題。康軍等［8］基于前推回代算法，利用解環(huán)點處電流補(bǔ)償技術(shù)處理弱環(huán)網(wǎng)運行狀態(tài)，采用PV節(jié)點電流補(bǔ)償技術(shù)解決了系統(tǒng)多源的問題。

此外，艦船綜合電力系統(tǒng)的潮流計算方法是在原有節(jié)點法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到。例如，冀欣和Lan等［9-10］針對艦船綜合電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷特別是電動機(jī)負(fù)荷多，且發(fā)電機(jī)組數(shù)量多、容量小以及需考慮其功率分配關(guān)系等特點，提出了改進(jìn)節(jié)點電勢法的潮流算法，該算法具有精度高、收斂速度快、計算步驟清晰、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。Yeleti和Fu［11］研究了電壓源轉(zhuǎn)換器的控制方式，其采用節(jié)點法中的牛頓—拉夫遜法（Newton-Raphson method）求解了含電壓源轉(zhuǎn)換器的中壓交、直流艦船綜合電力系統(tǒng)的潮流。然而，上述研究未考慮艦船綜合電力系統(tǒng)的不確定性，建立的模型都是確定性模型，且建模相對簡單，僅有少數(shù)文獻(xiàn)的研究考慮了電動機(jī)負(fù)荷的建模。

在直流系統(tǒng)潮流計算方面，Su 和 Yeh［12］提出一種基于概率的交、直流潮流安全分析方法，計算分析了發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的變化；蘭海等［13］建立了系統(tǒng)潮流計算數(shù)學(xué)模型，并基于直流牛頓—拉夫遜法進(jìn)行改進(jìn)，提出了中壓艦船電力系統(tǒng)的交、直流混合潮流計算方法。

該領(lǐng)域需要重點關(guān)注的問題如下：

1）實際的艦船綜合電力系統(tǒng)復(fù)雜程度很高，而現(xiàn)階段國內(nèi)外進(jìn)行潮流計算時采用的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，未來應(yīng)研究更貼近于實際系統(tǒng)的潮流計算方法。

2）在現(xiàn)有的艦船綜合電力系統(tǒng)潮流算法中，對發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的建模比較簡單，有必要研究獨立運行電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷精細(xì)建模的問題。

3）現(xiàn)有的艦船綜合電力系統(tǒng)潮流計算方法都是確定性的，其抗干擾能力弱、適應(yīng)性差，未來應(yīng)深入關(guān)注潮流的不確定性研究。

3 短路故障檢測與分析

現(xiàn)代艦船綜合電力系統(tǒng)中，電子負(fù)載越來越多，對電力供應(yīng)和電能質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格，對系統(tǒng)故障診斷的快速性和準(zhǔn)確性也提出了更高要求。由于艦船系統(tǒng)需求變化頻繁，不間斷供電是其重要要求。若發(fā)生系統(tǒng)故障，可能會中斷電力服務(wù)的連續(xù)性，甚至導(dǎo)致電氣設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。因此，故障分析就顯得尤為重要。艦船綜合電力系統(tǒng)可能產(chǎn)生的故障包括單相接地故障、相間故障、兩相接地故障以及三相故障等，當(dāng)發(fā)生上述故障時，就有必要進(jìn)行故障檢測，分析其對系統(tǒng)的影響。

早期在硬件方面，有學(xué)者將微處理器用于故障控制，采用連續(xù)熱監(jiān)測裝置和電弧故障探測器來檢測開關(guān)板內(nèi)的電?。?4］。在軟件方面，很多國內(nèi)外學(xué)者通過規(guī)則庫系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測。例如，Momoh 和 Boswell［15］擴(kuò)展了規(guī)則庫系統(tǒng)等控制技術(shù)解決電弧故障的能力，提出了一種防止電弧故障威脅的混合方法。該方法可加速電弧故障的檢測速度，優(yōu)化規(guī)則庫的規(guī)則，但需要進(jìn)行大量的計算。翁藍(lán)天和晉建廠［16］利用艦員或用電設(shè)備終端上報的停電信息判斷故障發(fā)生的區(qū)域，提出了一種基于負(fù)荷停電信息的艦船綜合電力系統(tǒng)故障定位方法。

近年來，越來越多的人工智能技術(shù)被應(yīng)用于故障檢測中。例如，Alfred［6］介紹了一種基于多智能體系統(tǒng)的框架，可為故障的快速診斷和分析提供一種工具，這種方法靈活性很高。Li［17］采用多項式混沌理論對傳感器進(jìn)行驗證，以實現(xiàn)工程應(yīng)用的高可靠性。針對傳感器驗證涉及故障檢測、隔離以及缺失數(shù)據(jù)重建的問題，胡紅錢等［18］通過以太網(wǎng)彌補(bǔ)現(xiàn)場總線的不足，并結(jié)合相關(guān)性理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，對艦船綜合電力系統(tǒng)的動態(tài)電能質(zhì)量進(jìn)行了監(jiān)測和故障診斷。Chanda和Fu［19］提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、利用故障電壓和電流波形中的瞬態(tài)信息來進(jìn)行故障分類及位置判斷的方法。

同時，很多國內(nèi)外學(xué)者也研究了中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)的故障檢測問題。例如，Li等［20］提出了一種基于小波變換與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的多分辨率分析技術(shù)，以研究中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)中的故障檢測和分類。Ford等［21］提出了一種基于噪聲模式分析的接地故障定位方法，以分析該故障定位方法對源—地電容耦合的靈敏度。Soto等［22］對模塊化多電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行改進(jìn)，提高了中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)在故障隔離和重新供電時的性能及響應(yīng)時間。Diendorfer等［23］介紹了一種基于圖論的中壓直流艦船電力系統(tǒng)差動故障保護(hù)自動化系統(tǒng)規(guī)劃和故障隔離步驟生成的方法。

艦船綜合電力系統(tǒng)中開關(guān)整定值的設(shè)置依賴于短路計算的結(jié)果，因而其供電安全性和可靠性與短路計算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大關(guān)系。陸上配電系統(tǒng)短路計算的等效電壓源法和疊加法等都可用于計算艦船綜合電力系統(tǒng)短路電流。在艦船綜合電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化下，可采用計算速度快的等效電壓源法，不過該方法的準(zhǔn)確性不高。在進(jìn)行艦船綜合電力系統(tǒng)短路計算時，對未考慮異步電機(jī)負(fù)荷反充電流與考慮了異步電機(jī)負(fù)荷反充電流的影響進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)考慮了異步電機(jī)負(fù)荷反充電流時誤差更?。?4］。

該領(lǐng)域需要重點關(guān)注的問題如下：

1）應(yīng)包含各種故障類型，可采用多智能體或人工智能算法以更準(zhǔn)確地檢測和自動識別故障類型，從而更好地保護(hù)艦船綜合電力系統(tǒng)。

2）艦船綜合電力系統(tǒng)中的電機(jī)負(fù)荷容量大，在計算短路電流時，應(yīng)計及電機(jī)負(fù)荷的饋入電流影響。

4 恢復(fù)性重構(gòu)

當(dāng)艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)生元件損壞或系統(tǒng)故障時，會造成系統(tǒng)負(fù)荷尤其是重要負(fù)荷停電，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，艦船綜合電力系統(tǒng)的快速恢復(fù)性重構(gòu)非常重要。故障發(fā)生后，艦船綜合電力系統(tǒng)的恢復(fù)性重構(gòu)是指通過開關(guān)操作，改變其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而隔離系統(tǒng)故障，恢復(fù)丟失的負(fù)荷，同時可實時優(yōu)化系統(tǒng)的某些性能。艦船綜合電力系統(tǒng)的恢復(fù)性重構(gòu)是典型的多目標(biāo)非線性離散優(yōu)化問題，具有眾多的離散變量和附加約束。艦船綜合電力系統(tǒng)因網(wǎng)絡(luò)損耗較小，一般不以網(wǎng)絡(luò)損失最小化作為重構(gòu)的目標(biāo)。雖然陸地電力系統(tǒng)常將最小化網(wǎng)絡(luò)損耗也作為優(yōu)化目標(biāo)，但兩者顯著不同。

艦船綜合電力系統(tǒng)恢復(fù)性重構(gòu)常見的目標(biāo)函數(shù)包括系統(tǒng)負(fù)荷供電總量、開關(guān)操作代價、發(fā)電機(jī)效率均衡、負(fù)荷分配失衡度、聯(lián)絡(luò)線容量裕度。

系統(tǒng)負(fù)荷供電總量：

式中：N1，N2和 N3分別為 1，2，3級負(fù)荷的個數(shù)，負(fù)荷總數(shù)NL=N1+N2+N3；L1i，L2j和L3k分別為1，2，3級負(fù)荷的功率；λ1，λ2和λ3分別為1，2，3級負(fù)荷的加權(quán)系數(shù)；xi，xj和xk分別為1，2，3級負(fù)荷的供電狀態(tài)。

開關(guān)操作代價：

式中：yG，yM和yA分別為艦船綜合電力系統(tǒng)負(fù)荷在發(fā)生故障后恢復(fù)過程中操作發(fā)電機(jī)的出口開關(guān)、手動開關(guān)以及自動開關(guān)數(shù)目；kG，kM和kA分別為對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，且kG＞kM＞kA。

發(fā)電機(jī)效率均衡：

式中：PGi為第i臺發(fā)電機(jī)輸出的有功功率；PGiN為第i臺發(fā)電機(jī)輸出的有功功率額定值。

負(fù)荷分配失衡度：

聯(lián)絡(luò)線容量裕度：

式中：IiN為聯(lián)絡(luò)線i額定電流的有效值。

艦船綜合電力系統(tǒng)恢復(fù)性重構(gòu)的約束條件包括如下：

1）運行約束，包含母線電壓約束和支路電流約束：

2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束：

式中：gk為重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；G為所有可行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集合。

鎮(zhèn)長再次見到牛皮糖，是一個月以后，在鎮(zhèn)上的衛(wèi)生院門口。牛皮糖端著一碗湯米粉蹲在院門口的桂花樹下稀溜溜的喝，鼻涕流下來都顧不上擦。牛皮爹吃早餐？鎮(zhèn)長主動的先打招呼。

艦船綜合電力系統(tǒng)在故障條件下的恢復(fù)性重構(gòu)問題作為電力系統(tǒng)重構(gòu)的一個分支，得到越來越多的機(jī)構(gòu)和學(xué)者的研究。例如，美國德州農(nóng)工大學(xué)的 Srivastava和 Butler-Burry等［25］提出了一種將專家系統(tǒng)理論和地理信息系統(tǒng)故障檢測相結(jié)合的方法，來實現(xiàn)艦船綜合電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。Huang等［26-27］分別提出了一種利用分布式多智能體系統(tǒng)進(jìn)行艦船綜合電力系統(tǒng)的環(huán)狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的方法。目前，解決艦船綜合電力系統(tǒng)恢復(fù)性重構(gòu)問題的方法分為2類：集中式方法和分布式方法。其中，集中式方法包含啟發(fā)式搜索方法、圖論、網(wǎng)絡(luò)流方法、專家系統(tǒng)等；而分布式方法則指多智能體系統(tǒng)方法。集中式方法容易出現(xiàn)單點失效的問題，而分布式方法則可有效避開單點失效問題，無需迭代計算，所以可提高信息處理的速度。

此外，也有學(xué)者研究了混合交、直流艦船綜合電力系統(tǒng)的重構(gòu)問題。例如，Bose等［28］提出低復(fù)雜度的凸逼近是求解最優(yōu)解的有效方法；Shariatzadeh等［29］通過考慮負(fù)載優(yōu)先級、負(fù)載大小以及同時結(jié)合這兩種情況，在3個不同的可能場景中對艦船電網(wǎng)進(jìn)行了重構(gòu)；Zohrabi等［30］提出了一種基于模型預(yù)測控制的非線性中壓直流船舶電力系統(tǒng)重構(gòu)方法；Babaei等［31］設(shè)計并實現(xiàn)了基于實時數(shù)字仿真器的模擬退火重構(gòu)技術(shù)；Ouyang等［32］提出了一種適用于艦船電力系統(tǒng)重構(gòu)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃優(yōu)化方法。

國內(nèi)外學(xué)者針對艦船電網(wǎng)重構(gòu)問題做了大量的研究，其將目前流行的一些智能優(yōu)化算法（例如，遺傳算法、粒子群算法等）進(jìn)行改進(jìn)，再結(jié)合艦船電網(wǎng)重構(gòu)的實例，以取得更好的重構(gòu)效果。如表1所示，現(xiàn)有國內(nèi)研究大多采用單一的智能優(yōu)化算法或其改進(jìn)算法，這些方法尋優(yōu)時間較長，且研究的艦船綜合電力系統(tǒng)都是確定性的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

該領(lǐng)域需要重點關(guān)注的問題如下：

1）上述研究多采用遺傳算法、粒子群算法等智能優(yōu)化算法來對艦船綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，但人工智能算法的尋優(yōu)時間較長。因此，需進(jìn)一步通過優(yōu)化或組合，提出既能盡量縮短艦船綜合電力系統(tǒng)重構(gòu)的時間，又能獲得全局或近似全局最優(yōu)解的算法，以實現(xiàn)系統(tǒng)在故障后的快速恢復(fù)，這是今后努力的一個方向。

2）現(xiàn)階段學(xué)者對艦船綜合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的研究均未考慮不確定性，如何對這些不確定性信息進(jìn)行符合實際的表達(dá)和利用，以提高系統(tǒng)恢復(fù)性重構(gòu)結(jié)果優(yōu)化的可信度，是提高重構(gòu)算法適用性的現(xiàn)實要求。

表1 艦船綜合電力系統(tǒng)重構(gòu)問題的文獻(xiàn)對比Table 1 Comparison of literatures on the reconstruction of the shipboard integrated power system

5 電壓控制與無功優(yōu)化

電壓質(zhì)量是衡量艦船綜合電力系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，對全系統(tǒng)和各負(fù)荷的安全穩(wěn)定運行以及基本的日常用電有著很大影響，所以，電壓控制是艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)之一。在艦船綜合電力系統(tǒng)中，電壓水平偏低的一個重要原因是無功調(diào)節(jié)不合理。若艦船綜合電力系統(tǒng)因負(fù)荷小而產(chǎn)生無功過剩的情況，電壓會升高，造成系統(tǒng)運行成本增加，甚至危及系統(tǒng)和設(shè)備的安全；反之，電壓會降低，造成系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，負(fù)荷不能正常工作。而實現(xiàn)無功最優(yōu)補(bǔ)償是解決此問題的重要手段。

針對艦船綜合電力系統(tǒng)的電壓控制，Bosich等［42］為解決非線性負(fù)載可能會引起危險的電壓振蕩問題，提出了電壓致動器方法；Falahi等［43］提出了一種新的基于動態(tài)電壓無功控制的系統(tǒng)電壓控制方案，對系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)的無功控制輸入，以最大限度地減小電壓偏差。

艦船綜合電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化問題是包含多個變量、多個約束的混合非線性規(guī)劃問題，求解此類問題的主要算法包括數(shù)值算法、啟發(fā)式算法和智能算法等。其中數(shù)值算法可用于處理連續(xù)變量，但對于離散變量的處理存在不足，容易陷于局部最優(yōu)解；智能算法可以很好地處理離散變量。基于數(shù)值算法，唐卓貞等［44］采用現(xiàn)代內(nèi)點法，并在傳統(tǒng)艦船綜合電力系統(tǒng)無功優(yōu)化模型等式約束中增加了線路傳輸功率約束。董龍龍等［45］基于智能算法，采用自適應(yīng)粒子群算法，有效克服了標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法在優(yōu)化過程中前期易陷入局部最優(yōu)、后期收斂速度慢的缺點，使優(yōu)化后的艦船綜合電力系統(tǒng)的電壓分布更加合理，運行更安全穩(wěn)定。現(xiàn)有算法在處理多目標(biāo)優(yōu)化問題時容易陷入局部最優(yōu)，收斂速度慢，目前的研究還沒能很好地解決無功優(yōu)化的多目標(biāo)權(quán)衡問題。

有學(xué)者將啟發(fā)式算法與數(shù)值算法相結(jié)合，用于解決艦船綜合電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化問題。與其他啟發(fā)式算法相比，Duman等［46］提出的萬有引力搜索算法魯棒性更強(qiáng)，能取得更好的優(yōu)化結(jié)果?？紤]到現(xiàn)代內(nèi)點法主要用于求解大規(guī)模非線性規(guī)劃問題，顧彬騰等［47］提出了萬有引力—內(nèi)點算法來求解艦船綜合電力系統(tǒng)無功優(yōu)化問題，以降低系統(tǒng)的有功損耗，提高系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，使艦船綜合電力系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行。

在直流電壓和功率控制方面，中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)的一個關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)是電壓穩(wěn)定。鑒于此，Sulligoi等［48］提出利用發(fā)電系統(tǒng)作為穩(wěn)定電源的方法來穩(wěn)定中壓直流總線，并提出了一種主動阻尼方法。Vicenzutti等［49］介紹了一種中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并針對中壓直流總線電壓控制問題，提出交流發(fā)電機(jī)+二極管整流器+DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最佳選擇的觀點。Kankanala等［50］提出了2種智能計算算法：遺傳算法和基于生物地理學(xué)的優(yōu)化方法，并分別用于中壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)的最優(yōu)直流電壓和功率控制。Bosich 和 Sulligoi［51］介紹了一種用于混合電力推進(jìn)的低壓直流艦船綜合電力系統(tǒng)，其利用集中調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了母線電壓調(diào)節(jié)、功率共享和穩(wěn)定性控制。

該領(lǐng)域需要重點關(guān)注的問題如下：

1）無功優(yōu)化問題是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題，但現(xiàn)階段多目標(biāo)無功優(yōu)化模型中對于多個目標(biāo)的權(quán)衡問題尚未得到很好的解決，未來需更深入研究基于多目標(biāo)優(yōu)化理論的無功優(yōu)化方法。

2）針對區(qū)域配電結(jié)構(gòu)的艦船綜合電力系統(tǒng)無功優(yōu)化很少，這是未來發(fā)展的一個重要方向。

3）在艦船電壓小擾動控制方面，應(yīng)結(jié)合先進(jìn)的控制方法實現(xiàn)艦船電壓穩(wěn)定控制，以提升抗干擾能力。

6 可靠性評估

艦船綜合電力系統(tǒng)的可靠性研究包括2個層次：一是正常工況下的可靠性評估；二是戰(zhàn)損情況下的生命力評估［52］。正常工況下的可靠性評估是指正常運行狀態(tài)下元件或系統(tǒng)在給定條件和時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力；戰(zhàn)損情況下的生命力評估是指系統(tǒng)在非正常條件以外，仍然可以保持正常狀態(tài)、恢復(fù)供電的能力［53］。對于作戰(zhàn)任務(wù)的成功和人員的安全問題，可靠性評估起著至關(guān)重要的作用。艦船綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計缺陷可能導(dǎo)致關(guān)鍵負(fù)荷失去供電，甚至對任務(wù)和人員構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為確保艦船負(fù)荷處于正常狀態(tài)、最小化服務(wù)中斷的頻率，需要對艦船綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估，以提高系統(tǒng)可靠性。

在艦船綜合電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和運行期間都應(yīng)對其進(jìn)行可靠性評估。在艦船綜合電力系統(tǒng)運行時，若可能發(fā)生單個組件故障、供電中斷，其主要取決于2個因素：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)荷及發(fā)電機(jī)所處的相對位置。由于艦船綜合電力系統(tǒng)是一個獨立的小型電力系統(tǒng)，所有負(fù)荷緊密耦合，發(fā)電機(jī)與電動機(jī)負(fù)荷的動態(tài)特性相互影響很大，因此必須將整個艦船綜合電力系統(tǒng)作為評估對象，采用一體化的可靠性評估方法。

針對艦船綜合電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計，李紅江等［54-55］采用基于鄰接矩陣的最小割集方法，建立了艦船綜合電力系統(tǒng)通用的可靠性評估算法，對輻射狀、環(huán)狀以及區(qū)域配電結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行了定性分析和定量計算，發(fā)現(xiàn)區(qū)域配電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性水平高于其他兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。Stevens等［56-57］利用馬爾科夫仿真模型，對幾種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的艦船綜合電力系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了比較，基于其組件故障導(dǎo)致的設(shè)備負(fù)荷中斷的頻率和持續(xù)時間，得出了基于一個半斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)更可靠的結(jié)論，且一個半斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)整體服務(wù)中斷率比環(huán)形總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中斷率低17.8%，比雙總線、雙斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低40.0%。此外，通過粒子群優(yōu)化算法可確定一個半斷路器系統(tǒng)的負(fù)荷及發(fā)電機(jī)的相對位置，進(jìn)一步提高了艦船綜合電力系統(tǒng)的可靠性。Doerry和Amy［58］提出了一種服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)用來幫助設(shè)計艦船綜合電力系統(tǒng)，并說明影響服務(wù)質(zhì)量的主要因素是原動機(jī)的額定值、可靠性及故障點、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備、負(fù)載設(shè)備和系統(tǒng)配置，其所提的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)主要針對設(shè)備設(shè)計時的選擇，例如發(fā)電機(jī)功率大小和控制接口等。Dubey和Santoso［59］應(yīng)用連續(xù)最小路徑生成算法，設(shè)計了一種由單一電源或多電源供電的艦船全電力區(qū)域配電電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用的導(dǎo)體少、網(wǎng)絡(luò)可靠性高。Capasso等［60］驗證了直流孤島和儲能系統(tǒng)有助于提高整個艦船電力系統(tǒng)的效率、質(zhì)量和供電連續(xù)性。梅丹等［61］在研究艦船電力系統(tǒng)中元件的可靠性時，將電源與負(fù)載間連接路徑的可達(dá)性疊加到電網(wǎng)的綜合脆弱性中考慮并進(jìn)行了分析。

針對艦船綜合電力系統(tǒng)的運行，目前已提出了一系列類似于陸地電力系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。對于每個負(fù)荷點，有3個基本可靠性指標(biāo)：故障率、年停電總時間和平均停電時間。對于全系統(tǒng)，有6個可靠性指標(biāo)：系統(tǒng)平均斷電頻率指標(biāo)、系統(tǒng)平均斷電持續(xù)時間指標(biāo)、平均用電有效度指標(biāo)、平均用電無效度指標(biāo)、系統(tǒng)總電量不足、系統(tǒng)平均電量不足。由于上述可靠性指標(biāo)都是基于陸地電力系統(tǒng)提出的，所以并不能很好地反映艦船綜合電力系統(tǒng)的特點。

該領(lǐng)域需要重點關(guān)注的問題如下：

1）未來可以考慮從陸地電力系統(tǒng)變電站借鑒其他拓?fù)浞绞?，并分析研究不同拓?fù)湎掳l(fā)電機(jī)和設(shè)備負(fù)載的位置，以使系統(tǒng)可靠性更高。

2）現(xiàn)階段艦船綜合電力系統(tǒng)的可靠性評估指標(biāo)都是基于陸地電力系統(tǒng)提出的，未來應(yīng)多提出一些能夠體現(xiàn)艦船綜合電力系統(tǒng)自身特點的可靠性評估指標(biāo)。

7 穩(wěn)定性分析

艦船綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在正常運行工況下受到擾動后恢復(fù)到原狀態(tài)或過渡到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)的能力。艦船綜合電力系統(tǒng)負(fù)荷的突變和短路故障等都是有可能影響系統(tǒng)正常運行的擾動問題。

國外很多學(xué)者針對艦船綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題開展了研究。Salehi等［62］的研究表明，不同的脈沖負(fù)荷特性（即負(fù)荷幅值和持續(xù)時間、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制器主要參數(shù)）會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來影響。Xiong等［63］提出了一種新的基于模塊化多電平型固態(tài)轉(zhuǎn)換器的艦船綜合電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此提高直流母線的電壓穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。Zhang等［64］提出了基于量子粒子群算法的艦船電力系統(tǒng)穩(wěn)定器優(yōu)化的方法。

國內(nèi)學(xué)者針對艦船綜合電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析主要采用時域仿真算法和基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的直接法。例如，李文才和郝國芬［65］以艦船綜合電力系統(tǒng)的時域分析為基礎(chǔ)，通過適合的仿真算法，對艦船綜合電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；梁世清等［66］主要采用Lyapunov指數(shù)數(shù)值方法定性地對艦船綜合電力系統(tǒng)雙機(jī)工況下的非線性模型進(jìn)行了研究，分析了當(dāng)系統(tǒng)存在電磁擾動時系統(tǒng)變化的動態(tài)過程，給出了系統(tǒng)發(fā)生混沌的條件；方雄偉等［67］采用適用于艦船綜合電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的判據(jù)，同時考慮了原動機(jī)、調(diào)速器和勵磁器的動態(tài)變化與嚴(yán)重故障、運行方式切換及大型電動機(jī)啟動等因素對艦船綜合電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。上述研究或采用時域仿真算法，或采用基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的直接法，均未將這兩種方法結(jié)合起來進(jìn)行艦船綜合電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的分析。

同時，在艦船綜合電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性研究方面，有學(xué)者針對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，建立了基于連續(xù)潮流方法的系統(tǒng)模型對系統(tǒng)進(jìn)行分析［68-69］。例如，胡健等［70］提出了同時考慮增益裕度約束和相位裕度約束的改進(jìn)廣義導(dǎo)抗穩(wěn)定性分析方法。綜上所述，艦船綜合電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性分析的基本模型是電力系統(tǒng)的連續(xù)潮流模型，它本質(zhì)上是將臨界潮流解視為電壓穩(wěn)定的極限，艦船綜合電力系統(tǒng)的失穩(wěn)機(jī)理是恒功率負(fù)載的負(fù)阻特性與電力電子裝置級聯(lián)系統(tǒng)的阻抗不匹配。

在直流艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方面，Qi［71］建立了一種用于艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究測試的計算機(jī)模型，提出了靜態(tài)電壓穩(wěn)定指數(shù)和動態(tài)電壓穩(wěn)定指數(shù)這2個新指標(biāo)，分別用于電壓穩(wěn)定性的靜態(tài)和動態(tài)分析。Cooper和Nehrir［72］利用非線性技術(shù)建立了中壓直流艦船電力系統(tǒng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則。Liu等［73］在不平衡和諧波電壓條件下，給出并討論了考慮非線性船艏推進(jìn)器負(fù)載和大功率壓載水泵負(fù)載的艦船實驗結(jié)果，并分析了壓載泵啟動過程中的電壓下降問題。

該領(lǐng)域需要重點關(guān)注的問題如下：

1）針對大型艦船綜合電力系統(tǒng)仿真速度慢的問題，需要研究提高仿真速度的先進(jìn)手段和新的建模方法。

2）將時域仿真算法與基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的直接法相結(jié)合，開展艦船綜合電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析。

3）系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定不僅要求系統(tǒng)具有平衡點，而且是小干擾穩(wěn)定平衡點。因此，需要研究脈沖負(fù)載影響艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的機(jī)理。

4）艦船綜合電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載多，未來應(yīng)研究非線性負(fù)載的干擾對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響。

8 結(jié) 語

本文總結(jié)了目前國內(nèi)外關(guān)于艦船綜合電力系統(tǒng)的潮流計算、短路故障檢測與分析、恢復(fù)性重構(gòu)、電壓控制與無功優(yōu)化、可靠性評估以及穩(wěn)定性分析等關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，對其進(jìn)行了歸類研究。未來我國艦船綜合電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究方向建議如下：

1）考慮到艦船綜合電力系統(tǒng)在實際運行過程中存在許多不確定性因素，未來應(yīng)研究如何對這些不確定性信息進(jìn)行符合實際的表達(dá)和利用，進(jìn)而提出考慮了不確定性因素的艦船綜合電力系統(tǒng)區(qū)間仿射潮流算法。

2）艦船綜合電力系統(tǒng)中各元件的建模有待加強(qiáng)，有必要研究獨立運行的電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和電動機(jī)負(fù)荷的精細(xì)建模問題。目前的艦船綜合電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型簡單，而實際上其復(fù)雜度很高，今后應(yīng)研究更貼近實際的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3）當(dāng)前，人工智能技術(shù)發(fā)展越來越快，其具有計算能力強(qiáng)、計算速度快、應(yīng)用范圍廣等特點，所以應(yīng)將人工智能算法更多地運用到艦船綜合電力系統(tǒng)的各領(lǐng)域研究中。

4）直流艦船綜合電力系統(tǒng)有很多優(yōu)點，消除了系統(tǒng)頻率的限制，降低了系統(tǒng)對原動機(jī)調(diào)速特性的要求，極大地減小了設(shè)備體積和重量，提高了系統(tǒng)效率及供電連續(xù)性，但其發(fā)展面臨很大挑戰(zhàn)，未來應(yīng)更多關(guān)注直流問題，研究應(yīng)用于直流艦船綜合電力系統(tǒng)的新技術(shù)。