舰船电力系统（精选12篇）
舰船电力系统 篇1
摘要：本文分析舰船电力系统结构的特点, 基于开关变化次数最小的理念, 建立最小化目标函数, 考虑发电机的额定功率、负载额定电流、额定电压、支路容量的限制, 放射状运行约束等, 将混合蛙跳算法应用到大型舰船电力系统网络重构中, 建立舰船故障重构系统模型, 并结合具体算例进行分析研究, 结果表明混合蛙跳算法具有较高的收敛速度和精度。
关键词：舰船电力系统,网络重构,混合蛙跳算法,离散化
混合蛙跳算法[1,2]是2003年由Eusuff和Lansey提出的一种结合了模因算法 (Memetic Algorithm, MA) 和粒子群优化算法 (Particle Swarm Optimization, PSO) 的新式后启发群体智能优化算法, 它继承了其他优化算法的优点的同时, 还具有概念简单, 参数更少, 计算速度更快的优点。目前已初步应用于神经网络, 函数优化, 参数辨识等领域, 并已经获得了成功。舰船电力系统网络重构其实质就是构建一个在故障状态下进行调节、调度和控制的电力网络管理自动化系统, 来最大限度地减少各种故障给电力系统带来的影响, 增强系统的稳定运行能力及连续供电能力, 完成对电力系统影响最小的电力恢复。
本文根据舰船电力系统的特点、重构指标以及网络拓扑, 考虑到负荷优先级以及发动机容量和电流限制问题, 提出了基于混合蛙跳算法的舰船电力系统网络重构方法, 结合具体算例进行分析研究, 结果表明混合蛙跳算法具有较高的收敛速度和精度。
1 舰船电力系统网络重构
1.1 舰船电力系统结构图
大型舰船电力系统中发电机通过主配电板和联络线构成环形供电系统[3], 使用径向模式的载荷分布, 如图1所示, 包括4个电站、8台发电机, 通常由3个电站供电, 1个备用。主配电板直接联接有些重要负载, 其他的负载由区域配电板 (负载中心) 进行供电, 发电机和供电负载之间具有任意性。图1中, G为电站, C为区域配电板, L为载荷。为了确保一级负载的供电可靠性, 正常情况下选用两路供电, “—”代表正常的供电线路, “---”代表备用的供电线路。
1.2 目标函数
按照舰船负载的重要程度, 可分为3级, 其中, 1、2级负载为重要负载。舰船电力系统重构时与陆地配电网以网损或经济运行为目标函数不同, 舰船电力系统的故障恢复问题是一个多目标决策问题。在任何情况下, 必须要保证重要负载的供电, 同时使负载损失的总量达到最小。
因此, 综合考虑到开关的操作次数最少, 以及全部重要负载的恢复供电, 创建如下舰船电力系统网络重构模型[4]:
目标函数为:
式1) 中, i=1, 2, 3…, N1, j=1, 2, 3…, N2, k=1, 2, 3…, N3;分Lg1、Lg2、Lg3别为1、2、3级负载的个数, 负载总数NL=N1+N2+N3;λ1, λ2, λ3分别为1、2、3级负载的比例系数, μ为开关比例系数;xi, xj=1或0, 分别表示负载的供电和卸载;zr=0或1 (r=1, 2, …, M) , 分别表示在重构中开关保持不变或发生变化。
1.3 约束条件
式中, Ii为第i条线路的电流值, Imax为线路运行所允许的最大电流值;Pi为第i条线路的功率值, 、Pmin、Pmax分别为线路运行所允许的最大功率值和最小功率值。
2) 放射状条件约束。对每一个重要负荷, 在恢复供电时, 正常路径和备用路径有且仅有一条闭合, 即zia+aiβ=1 i=1, 2, …, Ω3)
式中, zia, aiβ=0或1, 分别表示为同一负载的正常、备用开关处于打开或闭合状态;Ω为转换开关的个数。
3) 优先性约束。优先运行重要负载, 然后再考虑级别低的负载。
2 混合蛙跳算法
2.1 混合蛙跳算法基本原理
混合蛙跳算法 (Shuffled frog leaping algorithm, SFLA) 是2003年由Eusuff和Lansey提出的新型进化算法, 它概念简单, 参数少, 收敛速度快, 全局寻优能力强。下面综合介绍下混合蛙跳算法:
设青蛙种群规模为U, 子群体个数为N, 每个子群体含有M只青蛙, 则U=M*N。第j个个体在D维目标搜索空间内的位置 (解) 为Xj=ΣXj1, Xj2, …, Xj DΣ, 计算出每个青蛙个体的适应度值, 从优到劣排列, 在迭代过程中, 将第一个青蛙放到第一个子群体, 第二个青蛙放到第二个子群体, 依次分配, 直到第N个青蛙放到第N个子群体, 然后, 第N+1个青蛙放到第1个子群体, 第N+2只青蛙分入第2个子群体, 依次循环下去, 直到所有青蛙分配完毕。
在子群体每次迭代后, 确定出适应度最差个体Xw= (Xw1, Xw2, …, Xw D) 和最优个体Xb=ΣXb1, Xb2, …, Xb DΣ, 比较各子群体, 确定全局最优个体Xg=ΣXg1, Xg2, …, Xg DΣ。每次进化后, 对最差个体进行更新操作, 方法如下:
蛙跳步长更新公式:
青蛙个体的位置更新公式:new Xw=Xw+Qj5)
其中, Qj表示青蛙个体更新的步长, j=1, 2, …, M;Rand () 是[0, 1]之间的随机数;‖Qmax‖表示所允许的最大蛙跳更新步长;‖Qmin‖表示所允许的最小蛙跳更新步长。使用公式4) 、5) 更新。如果new Xw的适应度值优于原来的适应度值, 则用new Xw的位置 (解) 代替原来Xw的位置 (解) 。如果没有改进, 则使用以下方法进行更新:
蛙跳步长更新公式
使用公式6) 7) 更新。如果new Xw的适应度值仍然没有改进, 则在解空间中随机生成一个解代替Xw。当所有的子群体实现了子群内的局部搜索后, 再次混合所有的青蛙, 依次排列划分出子群体进行迭代, 反复循环, 直到满足迭代次数。
2.2 适应度函数
适应度函数也称评价函数, 根据函数值可以判断生物个体是否有更多的能力来繁衍后代, 它是判断生物个体优劣的一个重要依据。因此, 适应度函数的选取直接关系到算法的性能。本文选用的适应度函数为:
上式中, 表达式参见式1) , Nc是发电机的数量;Nl是负载的数量, α1, α2表示惩罚系数;△P, △I表示如下:
其中, 式9) 为违反发电机功率约束的惩罚函数, 式10) 为违反发电机电流约束的惩罚函数。选取α1, α2=1.0e8。式9) 中的Plim表示发电机功率的极限值, 当发电机功率超过上限Pmax, Plim为上限值Pmax, 当发电机功率小于下限Pmin, Plim为下限值Pmin;式10) 中的Ilim与Plim类似。由本文所研究的重构问题是最小优化问题, 因此, 青蛙个体适应度值越小越好。
2.3 混合蛙跳算法的离散化求解过程
本文中混合蛙跳算法仅针对连续问题, 而舰船电力系统网络重构是个多目标、非线性、离散化问题。因此, 必须在SFLA产生初始种群后进行离散化处理。其方法是:将负荷进行二进制0、1、2编码[5], 其中, 0代表失电, 1代表正常线路供电, 2代表备用线路供电。在故障情况下, 有些负载会失去正常线路供电, 有些负载为了保证重要负载的恢复供电, 会改由备用线路供电, 则负载的供电情况有以下四种情况:
有正常有备用:[0, 0.5) →0, [0.5, 1.5]→1, (1.5, 2]→2
有正常无备用:[0, 0.25) →0, [0.5, 2]→1
无正常有备用:[0, 1) →0, [1, 2]→2
无正常无备用:[0, 2) →0
3 算例分析
以图1所示的舰船电力系统简化结构图为例, 各发电机的实际功率不得超过320k W, 各条线路的实际电流值不得超过420A, 故障前所有负荷均由正常供电线路供电。系统负荷数据及有关参数见表1[6]。
故障一:假设电力系统中, L5, L11失去正常供电。目标函数式1) 中的参数为:λ1=1, λ2=1, λ3=0.01。SFLA参数设置为:种群大小为600, 总进化代数为100。最佳方案如表2所示:L5、L11由备用路径恢复供电, L8改用备用路径恢复供电, L4卸载。开关操作次数是4次, 最佳收敛代数是3, 平均收敛代数是3.8。与单纯的遗传算法 (SGA) [6], 改进粒子群算法 (IPSO) [7]相比较, SGA卸载负载过多, 导致开关操作次数很大, 在有限的时间内, 优势很小;IPSO收敛很快, 但是还没有达到开关次数最小的效果;SFLA达到了开关次数最少, 收敛快的目的。
故障二:假设电力系统中, L3, L12, L13失去正常供电, L10失去备用, 设置与故障一相同。最佳方案如表3所示:L3、L13由备用路径恢复供电, L12卸载。与启发式遗传算法 (HGA) [8], 粒子群算法 (PSO) [5]相比较, SFLA的故障恢复方案明显优于GA、HGA算法所得到的结果, PSO方案已达到最优, 但是在相同的开关操作次数下, SFLA收敛更快。
通过两个算例可知, 应用混合蛙跳算法 (SFLA) 可以保证在最小的开关操作次数下恢复所有重要负载的供电, 且收敛速度快。可见, SFLA在求解离散化问题上具有较强的搜索能力。
4 结论
随着世界各国综合国力的提高, 军事力量的增强, 舰船的研究也越来越深入。依照舰船电力系统网络重构的特征, 建立了以快速恢复重要负载, 最大限度的确保重要负载的供电恢复和开关次数最小为目标的故障修复离散化模型, 应用混合蛙跳算法来进行故障恢复, 通过算例与其他方法分析比较, 证实了蛙跳算法在舰船重构问题上的适用性, 具有更强的稳定性, 收敛性。
参考文献
[1]Eusuff M M, Lansey K E.Shuffled frog-leaping algorithm:A memetic meta-heuristic for disvrete optimization[J].Engineering Optimization, 2006.
[2]J.A.Jordaan, R.Zivanovic, "Dynamic leapfrog algorithm for power system state estimation", IEE Proc.-Gener.Transm.Disirih.Vol.150, No.1, January 2003.
[3]兰海, 肖云云, 张利军等.多Agent的船舶电力系统网络重构技术[J].船舶与海洋工程学报, 2010.
[4]张毅, 杨秀霞.舰船电力系统网络重构研究综述[J].电工技术学报, 2005.
[5]王锡淮, 李军军, 肖健梅等.基于梯度DPSO算法在舰船电力系统网络重构[J].电工技术学报, 2007.
[6]杨秀霞, 张晓峰, 张毅, 陈迎春.基于启发式遗传算法舰船电力系统网络重构研究[J].中国电机工程学报, 2006.
[7]陈雁, 孙海顺, 文劲宇等.改进粒子群算法在船舶电力系统网络重构中的应用[J].电力自动化设备, 2011.
[8]何芳, 蔡兴国.基于改进遗传算法的舰船电力系统网络重构[J].电工技术学报, 2006.
舰船电力系统 篇2
虽说宇宙浩渺无穷、包罗万象，但人们却还没有足够能力去征服他，目前只停留在小范围的探索阶段。故而，人们主要的争夺对象还是那三个方向：天空、陆地和海洋。
海洋占整个地球表面的四分之三，拥有无穷无尽的宝藏，也是不可或缺的重要战场。海洋里最丰富的就是水，而水是宝贵的生命之源，更是一切厮杀争斗的天然屏障。海洋虽不及天空占尽天时地利，却也为这世界提供了一个无可比拟的重要战场。
海洋神秘莫测，拥有难以匹敌的无穷力量，而我们则必须借助舰船来征服这一霸主。然而，这一条路并不易走，舰船的效果还远不能满足我们的需求。因而，舰船的更新换代迫在眉睫；与此同时，各种各样的新型材料也随之出世，进入我们的视线。
舰船有民用和军用船只两种。然而，无论是民用功能还是军用功能，一艘完整的舰船都离不开“材料”二字。只有材料的最优化组合，才能成就一艘无可匹敌的战舰。既而，寻求适合的新型材料就成为了舰船发展、进步的重中之重。
我国对于舰船高新技术的发展给予了高度重视，而舰船高新技术的发展主要放在新武器的开发、舰艇隐身化、新动力系统的采用和新船型的研究这几个方面上。
对于舰船的民用功能而言，传统的结构材料就可以满足需求；但对于某些特殊的结构（例如表面效应船、混合式水翼船、深潜器、大深度鱼雷等的壳体结构）则要求使用高比强度的材料，以减轻壳体的重量，提供合理的有效载荷。那么，就必须使用新金属结构材料、先进树脂基复合材料、结构陶瓷材料、高温结构材料等新型结构材料。
１．新金属结构材料
Al-Li合金是其典型代表。Al-Li合金最显著的特点是密度低，弹性模量高。在强度相当的条件下，Al-Li合金的密度比常规的2024、7075铝合金低约10%，而弹性模量则要高10%。目前，成熟的Al-Li合金有2090、8090、8091、8092等牌号，抗拉强度在500 MPa 上下。新近研制的AA5091合金的密度为2.57 g/cm3，抗拉强度为412 MPa，弹性模量为79.2×103 MPa，耐蚀性优良。美国海军正资助用AA5091合金锻件制造重型鱼雷的燃料舱分段。
与其它新型结构材料相比，Al-Li合金作为轻质高强度材料的显著优势是成本较低，可以利用传统设备生产。除熔铸外，Al-Li合金的挤压、轧制、锻造和热处理均可利用现有的设备和工艺进行，无特殊要求。
２．先进树脂基复合材料
先进树脂基复合材料是指用碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等增强的聚合物复合材料，具有比传统结构材料优越得多的力学性能。例如分别用碳纤维、芳纶纤维和碳化硅纤维增强的环氧树脂复合材料的密度为1.4～2.0 g/cm3，拉伸强度为1.5～1.8 GPa。这些复合材料的拉伸强度略高于普通钢材，而比强度则为普通钢材的4～6倍，比模量为普通钢材的2～3倍。
其往往还兼有耐腐蚀、振动阻尼和吸收电磁波等功能，但其价格昂贵，只能用在舰船上关键性的部位，如大型核潜艇的声纳导流罩、大深度鱼雷的壳体、深海潜水器壳体以及高性能艇的艇体结构、水面舰艇的重要甲板构件等处。美国“洛杉矶”级核潜艇的声纳导流罩长7.6 m，最大直径8.1 m，是目前世界上最大的先进树脂基复合材料制品。美国的“佩里”号驱逐舰上首次用芳纶纤维增强塑料制作装甲。
３．结构陶瓷材料
陶瓷的强度和弹性模量很高，而且具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温的优点，密度又比一般金属材料低，是很有发展潜力的高比强度材料。结构陶瓷材料在舰船上可能的应用主要有两方面：(1)利用其高比强度制造大深度潜水器的耐压壳体；(2)利用其高硬度和高的断裂能制作轻质装甲。
实践证明，在同样排水量(454 kg)的情况下，氧化铝陶瓷壳体比Ti-6Al-4V壳体的有效载荷高166%；为达到同样的有效载荷，钛壳体的排水量必须增加50%，其重量则增加83%。除此而外，除此而外，陶瓷壳体还具有耐腐蚀、电绝缘、非磁性、可透过辐射等优点。
陶瓷装甲的主要优点是质量轻，其质量有效系数(对付已知威胁所需的普通钢装甲的面密度与陶瓷装甲的面密度之比)颇高。陶瓷材料通过其密度效应、吸能效应和磨损效应可发挥很强的防弹能力。目前装甲陶瓷材料主要有氧化铝、碳化硅、碳化硼、二硼化钛等几种，其中以氧化铝应用最为广泛。氧化铝陶瓷装甲既可以对付穿甲弹，也可以对付破甲弹，其质量有效系数约为2.5～3.5。这种材料对于希望尽量减轻装甲重量的舰船来说，具有很大的吸引力。
由于陶瓷材料本身性能的局限性，单独用陶瓷作装甲的效果并不理想，因此大多采取陶瓷复合装甲的形式。一种形式是外加保护层，即在装甲板外表面上覆盖以玻璃钢或橡胶层，以防止陶瓷装甲因受到意外碰撞而损坏，而且提高陶瓷装甲抵御多次袭击的能力。另一种形式是制成多层复合结构，即装甲板由底板层、陶瓷层、钢板层、空气层和夹芯面板层组成。
４．高温结构材料
传统的高温金属材料因受到熔点、高温氧化、高温蠕变等因素的制约，其工作温度难以大幅度提高。为达到提高热机的效率的目的，高温结构陶瓷和金属间化合物结构材料倍受关注。
氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化锆等陶瓷具有高温强度高、抗热震性能好、高温蠕变小、密度小、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。氮化硅陶瓷电热塞、涡流室镶块、增压器叶轮等发动机部件已在国外商业化生产，陶瓷活塞头、缸套、油咀等热机部件则正在试验中。碳化硅陶瓷可用于制作燃气轮机叶片、涡轮增压器叶片和燃烧器部件。氧化锆则适合于制作内燃机的缸套、活塞头、气门座和凸轮随动件。
金属间化合物是介于陶瓷和金属之间的材料，质硬而脆，具有很高的熔点和高温强度，但其脆性和难以加工的问题亟待解决。在诸多金属间化合物中，TiAl化合物已初步具备了作为高温结构材料的条件，很可能率先投入实用。
现代舰船除了要满足舰船的基本功能外，还有一定的独特专属功能，而这些所需的功能材料的种类很多。其主要有电磁力推进用超导材料、吸收雷达波材料、舰船隐蔽用消声与减振材料、水声换能材料、燃料电池用贮氢材料、永磁电机用永磁材料等。
１．吸收雷达波材料
隐身的目的主要是减小其雷达反射截面，从而减小遭受反射导弹攻击的危险性。而吸收雷达波材料是水面舰艇上最主要的隐身材料。舰用吸波材料有吸波涂料和结构吸波材料两种类型。
吸波涂料大多以软磁性铁氧体作为吸波剂。在高频环境下，涂料中的铁氧体将电磁波能量转化为热能而消耗掉，从而达到吸收雷达波的目的。吸波涂料比一般涂料价格贵，涂覆工艺要求高，所以一般只施用于舰上的强反射区域。提高涂料吸波性能的途径有：(1)采用由铁氧体粉末、羰基铁粉、铁粉、镍粉、碳黑、石墨、碳化硅等组成的复合吸波剂；(2)提高吸波剂的细度，采用超微细粉末配制吸波涂料；(3)对吸波涂层进行计算机辅助设计。
结构吸波材料既用于制作舰船上的构件，又具有吸收雷达波的功能。结构吸波材料多数为复合材料，具有质轻、高强的优点。结构吸波材料有下列几种结构形式：(1)叠层结构：由透波层、阻抗匹配层和反射背衬等组成；(2)复合结构：先分别制成复合材料和吸波体，然后再粘合而成；(3)夹层结构：有蜂窝夹芯、波纹夹芯和框架夹芯等结构形式。
２．减震与消声材料
减振与消声材料的品种很多，大体上可分为阻尼金属材料、粘弹性材料、复合材料等类，而以潜艇外壳敷设的消声瓦和消声涂层最为引人注目。
国外大型攻击型核潜艇和弹道导弹核潜艇为减小水下声辐射，大多在艇体表面粘贴消声瓦或涂敷消声涂层。消声瓦和消声涂层从以下两方面减小潜艇的特征信号：减小潜艇向海洋辐射的自噪声量级和减小潜艇反射声纳波的能量。潜艇表面的消声瓦和消声涂层主要有以下4种类型：(1)通过粘弹性损耗过程和局部应变吸收主动声纳波的吸声型；(2)把入射声能反射到远离声源的方向，并隔离艇内产生的噪声使之不进入周围海水的隔声型；(3)吸收机械振动的阻尼型；(4)降低流体水动力噪声的降流噪型。
选择消声材料时，首先要明确材料能有效地发挥消声作用的频率范围以及该材料在此频率范围内的性能，然后在理想的材料与厚度、重量、体积、费用等因素之间进行平衡。艇体上的消声材料厚度通常为30～50 mm，厚度在很大程度上取决于频率要求。大型潜艇的消声层面积达1000 m2以上，重量可达150 kg/m2。
３．水声换能材料
水声换能器的转换元件通常用压电材料或压磁材料制成，它们统称为水声换能材料。舰船上使用的传统水声换能材料为锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷。由于PZT元件的响应以及流噪的制约，要求换能材料能以大面积柔性板的形式提供使用，且要求其灵敏度远高于传统的PZT陶瓷。
美国海军的“海狼”级攻击型核潜艇上的大孔径声纳基阵使用了密度较大的PZT压电材料。日本NGK公司研制的压电橡胶和法国研制的聚偏二氟乙烯(PVDF)是理想的候选材料。其中，压电橡胶的独特优点是既能作为消声材料，又可用来制造水听器，因而成为该级潜艇的首选用材。
压磁材料可分为铁磁性金属材料和铁氧体材料两大类。对水声换能器用的压磁材料有两项基本的要求：一是要有大的饱和磁致伸缩应变，二是要有小的饱和磁化场强。稀土金属压磁材料是当前开发研究的重点。用此类材料制成的水声换能器具有发生信号强、器件体积小、工作频率可低于1 kHz等优点，很适用于水面舰艇和潜艇的主动声纳系统。
４．超导材料
超导材料在舰船上有很独特的应用。超导电磁力推进、超导雷达和超导扫雷的实现会使相应的舰船装备的面貌产生革命性的变化。
其中，日本已建成世界上第一艘超导推进实验船“大和1号”。英国制成了世界上第一台用液氮冷却的高温超导雷达天线。我国的超导扫雷具研制也取得一定的结果。
５．贮氢材料
为了实现延长水下潜航的时间，提高潜艇的隐蔽性这个目的，不依赖于空气的水下推进系统（AIP）系统出现于研究课题上。燃料电池是AIP水下动力源之一，而贮氢材料是制作燃料电池的关键材料。
贮氢材料按成分可分为稀土系、钛系、锆系和镁系4大类。作为实用性的贮氢材料应满足以下条件：(1)贮氢容量大；(2)吸放氢速度快，特别是放氢速度快；(3)放氢温度最好在室温左右，放氢压力大于10个大气压；(4)性能稳定，可反复多次使用，对杂质敏感性小；以及(5)原材料来源丰富，价格便宜。符合以上条件的贮氢材料有Mg2Ni、MgH2、TiNi、TiFe、TiFe0.9Mn0.1、LaNi5、ZrMn2等。其中LaNi5易引发氢化物反应，有良好的贮氢性能，但价格昂贵。TiFe贮氢量大，可在室温和常压下放氢，使用寿命长，价格便宜，其最大的缺点是活化困难。MgH2重量轻，含氢量高，但其放氢温度高(0.1 MPa下287 ℃)，反应速度低。ZrMn2经活化后可在室温下氢化，但放氢温度较高(0.1 MPa下210 ℃)。
贮氢材料在吸放氢过程中会发生膨胀和粉化现象，同时伴有放热和吸热，造成材料的破坏和吸放氢能力的降低。这是贮氢材料实用中的主要技术障碍。
6．永磁材料
永磁电机是用永磁材料提供磁场而制成的电机。一般而言，采用永磁电机可使电机的体积和重量减小30%～40%，效率提高5%～15%。这些特点使之非常适合于舰船上使用。
永磁材料是永磁电机的技术关键。目前可应用于电机的永磁材料有3类：铁氧体、AlNiCo和稀土永磁材料。稀土永磁材料是后起之秀，已经历过3次重大的突破。第一代是1967年开发成功的SmCo5，具有很高的永磁特性，最大磁能积超过24 MGs*Oe。第二代是1973年推出的Sm2Co17，其剩余磁密比SmCo5的高，矫顽磁力比SmCo5的低，最大磁能积高达33 MGs*Oe。1983年开发成功的NdFeB属第三代，其剩余磁密、矫顽磁力和最大磁能积(38 MGs*Oe)均超过了第一、二代的水平。
NdFeB永磁材料的退磁曲线为直线，磁性能除热稳定性稍差外是目前永磁材料中最好的，而且力学性能好，原材料丰富，价格适宜，故成为永磁电机的首选永磁材料。该材料存在的主要问题是居里温度低(310 ℃)，温度系数大，这影响其在高温下的使用。
从上述描述我们可得知，可以说新型材料成就了一艘舰船的辉煌，见证了它的历史；而舰船的问世也体现了这些新型材料的优越之处，为之走向世界铺就了道路。
有目标就有动力，有竞争才有动力。现今我国的舰船装备虽已达到很高水平，但离世界最先进水平却还有一段不小的差距。但是，我们应相信，随着一代代人的努力，会有更多的新型材料问世，推动舰船行业朝最新科技迈步。
舰船电力系统 篇3
摘 要：针对舰船电力系统的特点和在潮流方程求解中存在的问题，借鉴在陆地电力系统中配置相应的PMU将使潮流方程直接可解的思想，实现采用遗传和粒子群优化算法的基于潮流可解最优PMU配置方案算法。并对其在舰船电力系统中的有效性和适用性进行了比较，可为舰船电力系统配置PMU提供参考。
关键词：舰船电力系统；PMU最优配置；遗传算法；粒子群优化算法
中图分类号：TP163 文献标识码：A
Abstract：According to the characteristic of the shipboard power systems and the problem in the load flow computing，by using the ideology of the method of placing synchronized phasor measurement units in power network to realize analytical solution of power flow node by node， the arithmetic of Genetic Algorithm and Particle Swarm Optimization based on proper placement of PMU were realized. The validity and applicability of these two arithmetics in the shipboard power systems were compared； it also offers the reference for the proper placement of PMU in shipboard power systems.
Key words：shipboard power systems；optimal PMU placement；genetic algorithm；particle swarm optimization
1 引 言
随着舰载高能武器的发展以及对舰船作战能力、操纵性稳蔽性等要求的进一步提高，西方国家在舰船全电力推进基础上提出一种将日常供电系统、重要负载供电系统与推进供电系统一体化的动力平台——舰船综合电力系统（IPS）。综合电力系统将舰船发电、供电、推进和舰载设备用电集成在一个统一的系统内，相应地，采用综合电力系统的大中型舰船对电力系统的监控和管理提出了更高更复杂的要求[1-2]。同步相量测量是应复杂电力系统实时动态监控的需要而兴起的一项技术——同步相量测量装置（Phasor Measurement Unit， PMU）可以在安装地点对电力系统相应的各种参数进行同步的采集和实时的计算，并根据不同的电力系统监控模式，将检测数据传送给监控网络中数据需求节点。而现有的陆用SPM技术其电磁兼容性，稳定性，抗干扰及安全性方面均不能适应大型舰艇电力系统环境的特殊要求，在研制出适用于舰船综合电力系统的PMU装置的基础上，结合舰船综合电力系统潮流计算方法研究现状，寻找以最少PMU 台数及最佳安装位置实现潮流可解配置方案将具有较大的现实意义。文献[3]构造了PMU配置的评价函数，并采用遗传算法对PMU配置方案进行优化；文献[4]提出了计及PMU支路电流相量的潮流方程直接可解法，并采用粒子群优化算法解决了PMU 的最优配置问题。本文针对舰船综合电力系统网络的特点，实现文献[3][4]中采用遗传和粒子群优化算法的基于潮流可解的最优PMU配置方案算法，并对其有效性和适用性进行了比较。2 考虑潮流方程直接可解的陆用PMU最优配置方案研究概况
陆用PMU利用GPS系统提供的高精度授时信号，实现了对电力系统各个节点数据的同步采集，如果每个节点都安装PMU，则可以对整个系统进行
实时监测。但是，由于经济上的原因，目前乃至相当长一段时间内，不可能在系统的所有节点均装设PMU。故此，PMU优化配置问题受到了国内外学者的广泛关注。PMU优化配置方法主要有考虑系统可观测性、基于改进状态估计准确性、考虑系统同调性、考虑潮流方程直接可解等方面的不同方法，主要阐述考虑潮流方程直接可解的PMU配置的原理和方法，其他方法不再赘述。
3 舰船综合电力系统特点与潮流计算方法
由于舰船综合电力系统为有限惯性系统， 电站、配电和用电环节之间存在强耦合。电力系统网络主配电板下层方向配电网络呈辐射状，且具有弱网状结构。系统X/R较小，电缆长度短等固有特性，它与典型陆用电力系统存在较大的差异，如大功率脉冲负载、负载变化显著、非线性成分增加、传输电缆较短、元件暂态过程的时间跨度大等[6]。
潮流计算用以分析舰船电力系统在某一时间断面，系统各状态变量值与系统内的功率分布情况，其计算结果为系统稳定性分析、保护与重构等提供初始条件和判别依据。同样，潮流分析在舰船能量管理模块中对系统在线状态计算、系统状态预估等具有重要的意义。常规潮流计算方法如牛顿-拉夫逊法和快速解耦等方法不收敛。但舰船电力系统与陆用电力系统配电网络类似，因此，可借鉴陆用配电网潮流计算方法来进行舰船电力系统潮流分析。可采用的方法有：回推-前推算法、Zbus法、回路阻抗法、改进牛顿法等。其回推-前推算法对于纯辐射型网络或弱环网络编程简单，求解速度快，但处理网孔能力较差，随着网孔数量的增加，算法收敛性变差，Zbus法处理PV节点的能力较弱， 求解时间较长， 算法效率低；回路阻抗法虽然处理网孔能力较强， 但处理PV 节点的能力依然较弱；改进牛顿法仍然对初值的选取敏感。
针对潮流计算方法的不足，根据舰船电力系统网络结构在部分节点上配置PMU，测出这些节点的电压相量，使得潮流方程组可以直接、快速、高精度求解是非常有意义的。
4 基于潮流可解的不同结构电力网络最优PMU配置方案算法实现与比较
目前，传统的舰船电力系统的网络结构为辐射网结构，随着舰船综合电力系统的提出，对带状网电网结构形式也展开了大量的研究，以最大限度保证供电连续性和可靠性。本节基于这两种典型的舰船综合电力系统网络，实现文献[3][4]中采用遗传和粒子群优化算法的基于潮流可解的最优PMU配置方案算法，并对其有效性和优越性进行了比较。
4.1 辐射状电力系统网络最优PMU配置方案算法实现
由表1可以看出，遗传算法和粒子群优化算法求解得到的最佳PMU数量是一致的，但粒子群算法求解得到的配置方案较遗传算法多.由于舰船空间和其他设备等的影响，PMU装配地点受到限制，较多的配置方案将更有助于基于潮流可解的PMU配置的实现.
4.2 带状电力系统网络最优PMU配置方案算法实现
如图2所示为38节点带状电力系统网络配置了3个电站， 文献[7]指出：由于舰船电力系统存在强耦合关系，加之各类电压调节器的作用，各发电机之间连接线路很短，因此认为各电源母线电压保持在同一水平，发电机间连接线上的电流可忽略，由此，多电源问题可以等效为单电源问题，则图2可等效为图3。该系统中1号母线为系统平衡节点，2号和3号母线为PV节点。根据网络结构，对于遗传算法参数，本文选择遗传种群规模为50，交叉概率为0.5，变异概率为0.1，最大迭代次数为1000。对于粒子群优化算法参数，本文选择C1=1.0、C2= 2.0、W=0.9，粒子群大小为50，迭代次数为1000。
由表3可以看出，粒子群优化算法较遗传算法求解得到的需配置的PMU数量少，从这个角度上讲，就本算例来说，粒子群优化算法较遗传算法更优。
5 总 结
本文针对舰船电力系统的特点和在潮流方程求解中存在的问题，借鉴在陆地电力系统中配置相应的PMU将使潮流方程直接可解的思想，实现了采用遗传和粒子群优化算法的基于潮流可解最优PMU配置方案算法。并对其在舰船电力系统中的有效性和适用性进行了比较，就本文算例来说，粒子群优化算法较遗传算法得到少的需配置的PMU数量和较多的配置方案。可为舰船电力系统配置PMU提供参考。
参考文献
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[2 ] 马伟明.综合电力系统[J ].海军工程大学学报，2002 ，14 （12） ：53-59.
[3] 卫志农.孙国强，常宝立，等.考虑电力系统潮流直接可解的同步相量量测单元最优配置[J]. 电网技术，2005，29（1）：65-68.
[4] 卫志农，常宝立.孙国强，等.一种新的考虑电力系统潮流直接可解PMU最优配置[J].继电器，2005，33（21）：36-40.
[5] 王克英，穆钢，韩学山，等.使潮流方程直接可解的PMU配置方案研究[J].中国电机工程学报， 1999， 19 （ 10） ： 14-17
[6] 康军.舰船综合电力系统潮流算法研究与状态估计探讨[D].武汉：海军工程大学，2009.
舰船电力系统 篇4
故障诊断专家系统始于20世纪70年代末, 经过数10 a发展已成为当今世界研究的热点之一, 并在多个领域广泛应用。20世纪80年代, 我国的故障诊断己经进入专家系统故障技术时代[1]。但将仿真技术应用到故障诊断专家系统中, 国内尚无成熟应用。
基于专家系统的故障诊断主要缺点是知识获取的“瓶颈”、缺乏自学习自完善能力、求解能力限于知识库中仅有的规则, 基于神经网络的故障诊断的不足在于诊断推理过程不能够解释、需要足够的样本学习训练。因此需要将专家系统和神经网络2项技术相结合。
无论是专家系统还是神经网络, 都需要大量的知识或样本, 才能达到较高的故障诊断准确率, 对于电力推进系统而言, 若采用实物试验或仿真得到故障诊断所需的知识或样本, 往往会对电力推进系统或仿真系统产生破坏性影响, 大量的知识或样本, 意味着高昂的试验或仿真成本[2]。因此, 采用计算机仿真或半实物仿真的方式来产生故障诊断所需的大量知识或样本, 以最小的成本为专家系统提供支持成为进行故障诊断仿真技术研究的目的之一[3], 而如何建立更为准确、真实的数学模型来更为逼真的模拟电力推进系统则成为故障诊断研究的关键之一。
电力推进系统故障仿真软件 (以下简称“故障仿真软件”) , 旨在为模型的建立运行提供运行环境, 能够控制模型的运行, 管理模型运行产生的数据、事件, 并且针对舰船电力推进系统故障仿真提供友好的界面, 为专家系统或外部系统提供接口。
1 故障仿真软件体系结构
故障仿真软件针对电力推进系统、发电机、推进电机等建模, 管理模型程序, 提供模型运行环境, 模拟电力推进系统并能人工设置故障, 并能将故障信息提供给专家系统。其体系结构见图1。
故障仿真软件针基于领域和表述/视图分离的设计思想, 采用层次体系结构, 每一层向上一层提供服务, 将整个软件分为5层:模型库、仿真层、访问层、数据管理、界面/接口。其中界面和接口位于同一层。
1) 模型库。
存储和维护故障仿真软件中使用的模型源文件。
2) 仿真层。
负责扫描、解析模型, 为模型程序提供运行环境, 并能控制模型程序运行。
3) 访问层。
为数据管理提供访问接口, 使得数据管理能安全有效的访问仿真层。
4) 数据管理。
将界面和接口对仿真层的访问请求向下层提交, 并存储和管理其中一些访问或访问结果。
5) 接口。
为其他程序提供访问接口。
2 软件开发中的关键问题
2.1 模型管理
采用电力推进系统的舰船航行时, 原动机发电, 通过发电机并网, 从而为全船供电, 一台或多台推进电机带动螺旋桨, 达到推进船舶前进的目的。模型库由原动机模型、发电机模型、推进变压器模型、推进变频器模型、推进电机模型、船用辅机用电模型组成。
模型库采用文件系统来管理模型, 模型采用C语言描述。模型程序是一个程序, 用程序语言来描述模型中的逻辑以及数学模型。模型程序以文件形式存储, 通过文件系统来维护模型程序文件。模块是功能相对单一的、能够重复使用的模型程序, 能输入一组变量, 产生一组输出变量。模型程序的开发采用结构化程序设计, 多个模块能按照一定的逻辑, 通过级联等方式来描述更为复杂的模型。每个模型/模块是一个C语言编译单元。模型/模块往往由模型变量和描述模型的函数组成。模型变量包括模型的输入变量、输出变量以及中间过程变量。
2.2 内存映射文件
模型程序运行后成为一个进程, 成为一个模型程序实例, 和故障仿真软件处于2个进程空间中。和将模型程序作为一个线程运行在故障仿真软件进程空间中相比, 模型程序子进程方式主要优点是安全性和降低模型程序和仿真软件之间的耦合度[4]。
进程间通信有多种方式, 例如共享文件、匿名管道等方式, 但对于大量、快速的数据交互, 内存映射文件是最好的方式之一。内存映射文件是同一台计算机上运行的多个进程间相互共享数据的最有效的方式。在Windows中, 在单个计算机上共享数据的最低层机制是内存映射文件, 能够满足较高性能和较小开销的要求[6]。
如图2所示, 仿真层采用内存映射文件技术申请两块内存空间, 分别用于存储变量属性和变量值。变量属性存储区采用等额划分;变量值存储区采用不定额划分。变量值采用和C语言相同的存储方式、结构。仿真层维护一个哈希表, 以变量名为关键字对变量进行检索。
2.3 变量处理
变量处理主要包括2个方面:接口变量识别以及建立映射。前者是对模型程序中需要对存入到内存映射文件中的变量以一定规则进行声明, 仿真层按规则扫描模型程序, 获取模型程序中需要存入到内存映射文件的变量信息, 并将变量信息存入到内存映射文件中。后者在扫描模型程序中的变量时修改变量的定义, 在模型程序中的接口变量与内存映射文件中相应的变量之间建立映射关系, 实现数据共享, 即故障仿真软件某一变量和模型程序实例中使用的同名、同类型的变量共享一块值空间, 见图3。
由于两者共享数据内存空间, 无论任何一方改变了数据, 另一方都可以没有任何延迟地知道, 从而大大加速了系统的运行速度。
2.4 模型程序控制
仿真层根据模型逻辑描述, 嵌入一些特殊代码到模型程序中, 并生成模型程序主控程序。主控程序完成与故障仿真软件的交互, 并嵌入代码控制模型程序运行。模型程序处理主要生成主控程序中的主控函数, 从而实现对模型程序启动、执行、冻结、快慢和退出进行控制。针对这种控制, 主控函数主要完成以下功能:通知仿真层模型程序的文件路径;告知仿真层模型程序的进程ID和线程句柄;创建退出事件, 并将退出事件的内核句柄通知仿真层;打开执行事件;打开通知事件;启动工作线程。
3 结束语
电力推进故障诊断仿真软件采用层次体系结构, 将视图和表述分离, 通过内存映射文件实现模型程序进行数据共享, 通过生成主控程序实现对模型程序实例的控制, 从而在降低模型程序和故障诊断软件之间的耦合度的同时, 实现模型程序和仿真软件之间快速的交互信息。
参考文献
[1]王行仁.建模与仿真的回顾及展望[J].系统仿真学报, 1999, 11 (5) :1-10.
[2]吴重光.仿真技术[M].北京:化学工业出版社, 2000.
[3]程芳真, 高琪瑞, 吕崇德, 等.基于Windows平台的仿真支撑系统的研究[J].系统仿真学报, 2001, 13 (2) :192-194.
[4]Kennth C.Louden.Compiler construction princi-ples and practice[M].北京:机械工业出版社, 2002.
舰船设备冲击特性计算方法研究 篇5
舰船设备冲击特性计算方法研究
针对舰船设备冲击特性计算中存在的困难,采用基础激励影响系数建立起多自由度系统在基础冲击作用条件下的.动力学方程,分析了不同加速度冲击转换为速度阶跃的具体方法及转换过程中产生的误差,提出了采用大质量法和相对速度法两种技术途径来解决ANSYS等仿真软件中的速度初值输入问题.
作 者：戴宗妙 都军民 作者单位：中船重工第713研究所,河南,郑州,450015刊 名：洛阳理工学院学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF LUOYANG INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：20(1)分类号：U675.91关键词：舰船设备 速度冲击 基础激励 ANSYS
提高舰船管路抗冲击能力探讨 篇6
摘 要：管系的抗冲击性能是舰艇生命力、战斗力不可或缺的组成要素。本文总结了目前舰船在设计、建造过程中管路系统在抗冲击方面的现状，并提供了相关建议。
关键词：舰船；管系；冲击
中图分类号：U664.8 文献标识码：A
Abstract： Ability of anti-shock of the pipeline system is the fundamental factor of navy ships combat capability and survivability. This paper summarizes the status of anti-shock-designing and building of the pipeline system in the navy ship， and gives some suggestions to improve the ability of anti-shock of the pipeline system.
Key words： navy ship； pipeline system； shock
1 引言
舰船是担负国家特殊使命的一类船舶，要求能够经受起战场严酷环境的考验，如水下接触或非接触爆炸冲击、自身武器发射所带来的反座力冲击等。我国军标基于设备对舰船航行安全和连续作战能力的重要性，将设备抗冲击等级分为A级、B级、C级。诸如主机、齿轮箱、轴系、通信、导航、火控、电子对抗等设备是对舰艇安全和战斗力起决定性作用的重要设备，军标都将其列为A类抗冲击设备[1]。在工程实际中，A类抗冲击设备从论证、方案、工程设计、制造到总装，每个环节都力求抗冲击能力能达到实战要求。显然，这些重要设备、系统要发挥其战斗效能，离不开保障系统的支持，如果动力设备无油水供给保障、武备系统无冷却通风保障，则系统将很快陷于瘫痪状态，且系统的某个部分因受冲击而损坏，若无冗余设计则不太可能自动恢复，也很难人为迅速排除故障，有可能导致延误战机，甚至影响整个战局，因此这类保障系统对舰艇安全和战斗力也起着不可忽视的作用。
2 A类抗冲击管路及附件
军标规定，所有包含A类抗冲击系统或子系统的物件均应定为A类抗冲击物件，如果辅助系统对A类抗冲击系统或子系统为必不可少的重要保障，则此类辅助系统也定位为A类抗冲击系统[2]。根据这一原则，大多数A类抗冲击设备的支持保障系统都应列为A类抗冲击系统，主要包括泵、风机及相应的管路和附件。
应满足A级抗冲击能力要求的管路及附件有：
燃油或滑油加热蒸汽管系、舰船消防系统、主动力淡水冷却系统、舱底水系统、压载水系统、疏水系统、燃油注人管与转运管系、喷气燃料注人与转运系统、压缩空气系统、气幕降噪系统、液压系统、补给和接收系统、日用燃油系统、滑油系统、汽轮机蒸汽系统、主锅炉凝水和给水系统、主锅炉鼓风系统、主机空气起动系统、主机进排气系统、重要机械处所通风系统、穿水密舱壁的风管及风阀；重要舱室的通风系统；需在三防状态下关闭的通风系统及其部件[2]，如集体防护区滤毒通风装置前后的风管及附件等。
由此可以看出，舰船内遍布了大量需满足A类抗冲击要求的管路，不同舰型会有不同的A类抗冲击管路，相同舰型也会有不尽相同的A类抗冲击管路分布。但无论什么舰型，机舱区A类抗冲击要求的管路的分布是最密集的。
3 存在问题及建议
虽然标准规范中明确了这类保障系统的抗冲击要求，但在工程实际中，抗冲击要求往往只关注了泵、风机等单体设备，对整个支持保障系统的抗冲击能力，在设计和建造过程中都容易被忽略，有待改进或加强。
以上海电器科学研究所为例，该所拥有一台满足美国MIL.S.901C标准的2.7 t的中型冲击机和一台轻型冲击机，承担了我海军许多上舰设备（主要是电子设备）的冲击测试和考核工作。但据统计，在近几年的冲击试验中，没有一项与管路系统有关[3]。由此可见在提高这类管系和附件的抗冲击性能上，从舰船的设计到建造，存在以下四个方面的不足：
（1）根据GJB4000-2000的要求，列为A级或B级的设备、系统，应按GJB150.18的相关规定进行抗冲击考核鉴定或冲击动力学分析计算，以确保设备、系统满足相应的抗冲击要求。由于舰船管路繁多，其布置、走向随意性相对较大，即使是同型号舰船，不同船厂建造的舰船的管路布置也不尽相同。鉴于管系分散、走向各异的特点，其抗冲击能力不能像某些机电设备那样进行抗冲击考核鉴定，而应该是在完成管路三维放样、明确了系统的边界条件后，采用冲击动力学分析计算或选用典型的局部管路做冲击试验考核，以此来验证管系的抗冲击能力。冲击动力学分析计算是管系吊架的选型、选材及安装工艺的基础，但目前这部分工作做得还很不充分。
（2）吊架的选择普遍要求按船舶行业标准的CB/T210《风管吊架》或CB/T3780《管子吊架》配置。这两份标准规范是民用船舶管路吊架结构形式，而民用船舶与军用舰船所面临的环境大不相同，两者的应急处置能力也相距甚远，民用船舶奉行的是经济适用的原则，因此选用的吊架结构形式及材料均未考虑抗冲击要求，吊架材料均为普通碳素结构钢Q235-A，其材质较脆，在冲击环境下对材料的缺口比较敏感，交货时只考核抗拉强度、屈服点、延伸率，必要时附加冷弯试验的要求，而对舰艇很重要的抗冲击性能则不作考核[4]。该材料的优点是价格较便宜，焊接工艺性较好，很适合应用于民船，因为民船对强度要求不高，也不用考虑抗冲击要求，但对于作战舰艇则值得商榷。
（3）管系的联接形式缺乏抗冲击考量，在总体设计时一般只明确管径、材质及壁厚，对连接方式基本不作要求。船厂在做生产设计时，一般都是根据介质性质、工作压力及安装的工艺性来确定接头形式。不同的联接形式，抗冲击的能力是有明显差别的，如螺纹接头，具有连接方便、节省安装空间的优点，但缺点是抗冲击能力不足，对交变的轴向负荷也比较敏感，容易导致螺牙磨损而无法咬合，因此在A类抗冲击管路系统中，应尽量避免使用，但现实情况却不尽其然。类似情况还有风管中常采用“插柳”形式连接，这种连接形式强度低，在A类抗冲击管路系统中应绝对禁止使用。
（4）管系在确定了吊架、管径、材料后，吊架的安装布置形式就对管系的抗冲击性能起决定性作用。但总体设计时对吊架的安装形式、间隔一般都不作明确要求，多数船厂的生产设计（三维放样）深度不够，在管路放样时不考虑吊架的安装布置，出图时仅要求参照船舶行业标准CB/Z345《船舶管系布置和安装工艺要求》进行安装。将此标准应用于军用舰船，缺陷显而易见，它与CB/T210《风管吊架》及CB/T3780《管子吊架》一样，是不考虑抗冲击要求的。船厂编制的管路安装工艺，关注较多的是系统的清洁防护、防腐及附件的操纵性、可维性等问题，几乎不涉及抗冲击要求。因为图纸、工艺均无抗冲击工艺要求，导致吊架的安装布置随意性大，往往出现以下不合理的布置问题：
①吊架间距长短不一，经常出现大间距吊架布置；
②出现较长的悬臂式吊架；
③吊架远离质量集中点（如大的阀件、流量计）；
④吊架远离强度薄弱点（如接头）。
长间距布置吊架及长悬臂式吊架对于大通径管路的抗冲击性能的危害特大，因为通径大，吊架负载大，长间距布置吊架加重了吊架的受力；悬臂梁结构恶化了构件的应力分布，且悬臂梁越长，力矩越大，负载亦大，故当大通径管路不可避免地需要使用长悬臂式吊架时，应尽量采用三角架支撑；系统存在质量集中点时，在质量集中点附近应适当加强，这点对于小通径管路特别重要，因为通径小，本身的支撑作用有限，在受冲击时集中质量点的连接部位会成为一个薄弱环节，管路自身容易受到损伤，也容易碰撞相邻的设备或构件，威胁其他设备安全，因此特别需要对吊架予以加强；吊架应靠近管路强度的薄弱点，如管路接头、管路分支部位等。总之，应避免大间距吊架及长悬臂式吊架，吊架应靠近质量集中点及强度薄弱点布置，这是管路抗冲击设计、安装的重要原则。
四个方面的不足，究其原因是因为抗冲击理论专业性很强，未接受专业培训的人员很难正确把握其要求，而目前在参与设计、建造、检验等重要环节的人员当中具有相应专业背景的不多，加上相应标准规范或技术文件比较欠缺，一般只要求静态牢靠、航行时无异常振动即可。因此，应尽早开发专业高效的管路系统动态特性分析专用软件，这是对舰艇管路系统冲击进行模拟计算的最有效也易推广的方法，以弥补设计、建造人员在抗冲击理论上的不足。同时，也应加快国内相应技术标准的建立，加强设计、建造、验收方面人员的培训工作，这是提高舰船管路抗冲击能力的一项基础性工作。
4 结论
综上所述，管系的抗冲击性能是舰艇生命力、战斗力不可或缺的组成要素，但在舰船设计、建造过程中，提高管路的抗冲击能力受到诸多环节的制约，要提高舰艇管路的抗冲击能力，首先应加强对管路抗冲击能力重要性的认识，系统的抗冲击能力，是由相应的设备及其支持保障系统共同决定的，只有全面考虑才能让系统的抗冲击能力不留短板；其次，应加强基础研究，强化管路的抗冲击动力学分析计算，为管路的抗冲击设计、建造提供基础支撑，开发推广专用计算软件，从系统的角度出发，优化管材、吊架的选型，规范安装、布置及连接要求；第三，应强化军用舰船抗冲击标准体系的建设，从宏观角度规范抗冲击设计、建造工作，区别对待民用商船与军用舰船的抗冲击要求。要做到以上几点，应加大投入，从各方面保证资源需求，只有这样才可能切实落实抗冲击建造要求，提高舰艇的生命力和战斗力。
参考文献
[1] GJB4000-2000 舰船通用规范[S].
[2] GJB1060[1].1-1991舰船环境条件要求_机械环境.
[3] 上海电器科学研究所.2005年至2010年舰船设备中型冲击机冲击试验
统计资料.
浅谈舰船汽轮机组的保护系统设计 篇7
关键词：舰船动力装置,汽轮机组,保护系统设计
1 舰船汽轮机组的本地保护系统
舰船汽轮机组作为舰船装备的关键设备, 在设计时已经充分考虑到本地保护系统的需求。由于汽轮机组运行的特殊性, 保护系统设计、实施也就非常的繁杂。其中主要的是危急遮断系统 (ETS) 。从广义上来说, ETS系统包括了舰船汽轮机组的所有保护套件, 例如机械危急遮断系统、热工监视保护装置以及现场检测、执行机构等, 涵盖了诸如危急遮断器、电气柜以及主气阀、紧急停机电磁阀等汽轮机组的重要部件, 对汽轮超速、真空低、油压低、轴向位移大、机组振动大、差胀大等十几个关系汽轮安全运行的项目、指标进行监测。舰船汽轮机组ETS系统设计的原则主要有四个:一是简洁、直接、快速的原则。在设计时要尽量减少各种中间环节和时间延误, 避免不必要的转接、扩展和转换;二是独立系统的原则。ETS在设计时应该与汽轮机组的运行调节系统分开, 避免由于调节系统的动作导致保护系统误动作, 避免调节系统的故障影响到保护系统的运行;同时, 保护系统尽量使用独立的供电系统, 采用冗余直流电或者交流电源供电;三是失电跳机原则。在不能保证独立电源供电或者失电后保护逻辑不能被执行的情况下, 保护系统一定要设计成为失电跳机的方式, 同时系统中要具有在线电源监视以及在线报警功能;四是冗余配置的原则。在设计是要充分考虑当一套系统故障时, 另一套仍然具有关键的保护功能, 当一套系统进行维护、更换时, 不会对汽轮机组的安全运行产生任何影响。
2 舰船汽轮机组的远程保护系统
2.1 远程保护系统与本地保护系统的衔接
舰船汽轮机组本地保护系统的基本原理是依据弹簧力和油压力平衡来打开或者关闭速关阀, 主要的机电部件包括就地保安器 (相当于危机遮断系统) 、保安器错油门、速关阀 (制动) 、油管路等。在进行远程保护系统的设计时, 可以考虑在保安器错油门与速关阀之间的管线上增设电动执行机构 (电磁阀) 和回油管路, 在机组管路上增装转速测量传感器和滑油压力传感器, 系统设计启动的基本步骤如下:发生紧急情况→保护装置内部逻辑电路判断→远程控制电磁阀打开→主汽门的油直接回油箱→速关阀活塞油压降为0→速关阀关闭。
2.2 远程保护系统的原理
在新增的远程保护内容中, 最主要的是超速保护和滑油压力低保护。当汽轮机的转速超过额定的8%时, 汽轮机转子可能会发生松动, 从而引发严重的汽轮机飞车事故, 远程超速保护的作用就是当超速超过一定限度时, 对汽轮机实施紧急停机操作。而当机组滑油系统的压力降至规定的极限低位时, 会使得轴承滑油温度迅速升高, 导致机组轴承故障, 滑油压力低保护可以设置一定的滑油压力值, 当汽轮机组滑油系统的值低于设定值时, 保护动作启动, 关停汽轮机组。
2.3 远程保护系统的组成
远程保护系统主要由保护装置、测量传感器、电磁阀以及管路附件组成。安装在管路上的测量传感器主要用来检测滑油压力和汽轮机转速, 考虑到冗余配置的需要, 至少要安装三路转速传感器和滑油压力传感器。保护电磁阀是汽轮机保护系统的关键设备, 电磁阀质量的好坏直接决定了保护系统启动、关停的准确性, 对汽轮机组的安全运行起到重要的保护作用。
保护装置是远程保护系统的核心部件。其作用主要是当测量传感器检测到运行参数超过设定值时, 通过内部的功能插件进行处理和判断, 并通过输出保护信息指挥管路上电磁阀动作。保护装置内部的部件主要有:三通道逻辑判断插件 (具有参数采集功能) 、三通道电源插件、报警符合插件以及继电器、滤波器等。在保护装置的前面板上, 设置了一些电源开关、报警指示灯等, 后面板则主要安装一些信号传递、电源连接件。
2.4 远程保护装置的设计
保护装置在汽轮机组的远程保护系统中起着关键性的作用:一是报警功能, 前面板的灯光和蜂鸣器是主要的报警部件;二是保护动作信号输出功能, 控制电磁阀的保护动作执行;三是远程遥控和自动控制功能;四是与保护系统其它设备的通信功能。在进行保护装置的设计时要注意几点: (1) 要选择性能可靠、安装使用方便、接触优良的军用继电器, 继电器在保护系统中起着关键的联接和传送作用; (2) 要选择性能强大、功耗低、适合在高温环境使用的微处理器; (3) 选用抗干扰能力非常强的军用数字逻辑器件; (4) 采用由精密线绕电阻和优质金属膜制造的低噪音电阻器; (5) 采用的系统软件应设有自检功能, 采用先进编码技术提高串口通信的可靠性, 保证信号接收的准确、完整、无误。同时也要注意软件的抗干扰能力, 避免舰船机密数据从系统泄露。
2.5 远程保护系统的可靠性设计
可靠性工程管理是舰船装备管理的一个重要方面, 在进行汽轮机组的远程保护系统设计时, 一定要做好可靠性的设计。可靠性工程中有几项非常典型的技术, 例如降额技术、冗余技术、潜在通路分析技术等, 其中在远程保护系统设计中要特别注意以下四点:一是冗余设计, 至少要设计三路或以上的测量传感器、逻辑判断插件、冗余直流电源以及两路报警逻辑仲裁并联供电电路;二是信号通路和电气设备的独立原则。保护系统的保护参数设置、输入信号、信号逻辑处理、保护动作输出以及供电电源均应采用独立的通路, 避免任一单路故障影响其他通路的保护动作执行, 在电气设备的隔离上, 各冗余通道的参数通道、逻辑判断插件等在电气上相互隔离、输入/输出电源相互独立, 不存在公共端, 避免相互之间的影响;三是多级局部仲裁技术。首先是三个逻辑插件分别对保护参数进行局部仲裁, 结果再送至报警仲裁插件仲裁处理, 处理结果再经过继电器插件进行逻辑仲裁才输出报警信号, 通过多次局部仲裁, 有效提高信号处理、定值比较的可靠性, 提升保护动作的精准率。
3 结束语
保护系统是舰船汽轮机组安全运行的可靠保障, 保护系统必须要最大限度的消除可能出线的误动作并杜绝可能出现的拒动作, 在做好本地保护系统的设计同时, 做好远程保护系统的规划与设计, 能够在紧急情况下或是本地保护系统失灵的情况下, 通过控制室内的保护装置进行遥控操作, 进一步提升整个舰船汽轮机组运行的安全性和可靠性。
参考文献
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[2]程晓海.汽轮机调节保护系统.卷宗, 2013年第7期
舰船机电系统安全阀在线校准浅析 篇8
舰船机电系统由主辅过热蒸汽系统、微过热蒸汽系统、低压蒸汽系统、废气系统、凝水—给水系统、氧气系统、压缩空气系统等系统以及涡轮增压机组、汽轮给水机组、各类燃油泵、滑油泵和各类气瓶等附属设备组成。为确保这些系统、设备正常工作或避免因变工况、在非设计工况运行时出现过载造成自身以及用户设备故障或损坏, 多配有压力调节设备-安全阀。在设备出厂时, 感压元件指标符合规定要求, 能够正确判断压力值并做出相应动作。但随着时间的推移以及开启次数的增加, 感压元件的性能会有所下降, 从而出现误差;同时, 长期不动的安全阀也可能出现阀门粘连情况, 这些情况发生会导致安全阀误动作、不动作等致命的控制错误, 甚至造成事故, 危及设备和人身安全。
(1) 舰船舰电系统安全阀数量多, 直接影响设备、人身安全, 必须进行检测。
据统计每条舰船上安全阀数量十分可观, 而且这些安全阀都关系着主要设备的安全, 一旦出现问题, 将会导致不可预估的损失。
(2) 在舰船修理期间完成安全阀检测不能满足设备对仪表技术指标的要求。
TSG ZF001-2006《安全阀安全技术监察规程》规定: “安全阀定期校验, 一般每年至少一次。”但是, 目前舰船机电系统安全阀的检测大都随舰的修理完成。根据调研舰船计划大修时间间隔三到五年, 时间过长, 难以保证安全阀在检测合格到期后的技术状态, 进而导致设备可靠性降低。
(3) 安全阀检测优先采用现场检测
舰船在航期间设备检测分为实验室检测和现场检测两种。实验室检测需经历拆卸、检测、安装以及运输等过程, 会造成设备使用可用度下降;现场检测具有以下优点: (1) 设备使用可用度提高; (2) 潜在故障率降低。安全阀检测采用在线检测方式是最优化选择。
一、安全阀的工作原理
安全阀是一种保护阀。工作时, 当腔体压力达到规定值时阀门开启排出介质, 当压力恢复正常后阀门关闭。它是一种保障人员和设备安全的重要设备, 广泛用于易发生危险的承压管道及压力容器上。
以活塞式弹簧安全阀为例简述如下:
活塞式弹簧安全阀是由阀座、阀口、阀体、阀杆、弹簧和活塞等部分组成 (见图1) 。阀座与压力腔体相连, 腔体产生的压力直接作用在活塞上, 活塞通过压缩的弹簧与阀杆相连, 阀杆可在阀体内上下运动。
当腔体压力较小, P﹒S﹤kx+mg时, 活塞位置不变;
式中:P为腔体压强;S为安全阀密封面面积;mg为阀杆、活塞和弹簧的重力。
当腔体压力增大, P﹒S﹥kx+mg时, 压力克服弹簧的弹力使活塞上移露出阀口, 腔体内压力介质从阀口排出, 达到降压目的。
当腔体内压力减小, P﹒S﹤kx+mg时, 弹簧的弹力使活塞下移, 关闭阀口, 腔体内的压力介质停止流出, 保护管路压力。
(kx+mg) /S是个阀口开关的临界值。它是安全阀生产的一个重要指标, 我们称为整定压力。
二、安全阀检测项目
根据TSG ZF001-2006《安全阀安全技术监察规程》附件E“安全阀校验与修理”, 安全阀的校验项目为:
2.1校验前的检查。安全阀校验前要对安全阀进行清洗, 并且进行宏观检查, 然后将安全阀解体, 检查各零部件。发现阀瓣和阀座密封面、导向零件、弹簧、阀杆有损伤、锈蚀、变形等缺陷时, 应改进行修理或更换。对于阀体有裂纹、阀瓣与阀座粘死、弹簧严重腐蚀变形、部件破损严重并且无法维修的安全阀应予以报废。
2.2整定压力校验。缓慢升高安全阀的进口压力, 当达到整定压力的90%时, 升压速度应当不高于0.01 MPa/s。当测到阀瓣有开启或见到、听到试验介质的连续排出时, 则安全阀的进口压力被视为此安全阀的整定压力。当整定压力小于或者等于0.5 MPa时, 实际整定值与要求整定值的允许误差为±0.015 MPa;当整定压力大于0.5 MPa时为±3%整定压力。
2.3密封性能试验。整定压力调整合格后, 应该降低并且调整安全阀进口压力进行密封试验。当整定压力小于或者等于0.3 MPa时, 密封性能试验压力应当比整定压力低0.03 MPa;当整定压力大于或0.3 MPa时, 密封性能试验压力为90%整定压力。
由于在线检测不拆卸安全阀, 所以本装置主要完成最关键的整定压力检测。检测前的检查可通过观察外观完成, 密封性能试验可由舰员在日常工作中通过观测有无介质渗透完成。
三、安全阀在线检测
3.1在线检测原理。安全阀的开闭动作是由进口端介质的压力和弹簧预紧力决定 (见图2) 。当介质压力升高到提升力比弹簧预紧力大时, 阀芯克服弹簧预紧力自动开启, 泄放多余的介质;当压力降至提升力比弹簧预紧力小时, 在弹簧作用下阀芯不动作或自动关闭, 介质不流出。
在冷态时为安全阀阀杆提供附加拉力, 当附加拉力刚刚克服弹簧预紧力时, 阀芯自动开启。下式表示阀门开启瞬间的这种力的平衡关系:
式中 S-为安全阀的密封面面积
F0-为安全阀开启时刻的附加外力;
PS-为安全阀的整定压力;
不难得出:
S可查出, 所以只要测出F0即可计算得出安全阀的整定压力PS。
3.2安全阀在线检测装置组成。安全阀在线检测装置由支撑框架、位移传感单元、拉力产生单元、力传感器、限位强关组件、多规格连接组件、螺旋杆式手动油压泵、处理器及显示装置构成 (见图3) 。
支撑框架可为安全阀检测中固定拉力产生单元等装置提供支撑。支撑框架取消了现有货架产品上的左右旋螺纹式定位器, 采用弹簧进行中心阀杆中心定位大大减轻框架重量、减小几何尺寸。
位移传感单元由位移传感器、传输线和处理器组成。其作用是将位移信号变为电信号传输到处理器中;通过AD转换和反运算得到位移的数值, 显示在屏幕上。位移传感器单元固定于支撑框架上, 使用简便、不用拆卸。
拉力产生单元和螺旋杆式手动油压泵组合产生一个向上的拉力拉动阀杆, 主要是使用千斤顶的原理, 由螺旋杆式手动油压泵产生一个持续均匀增加的油压, 进而达到产生持续均匀增加的拉力。
力传感单元由力传感器、传输线路和处理器组成。其作用是测量拉力值, 并将力信号转化为电信号传输到处理器中;通过AD转换和反运算得到力的数值, 显示在屏幕上。
限位强关组件是保证安全阀回座的安全保护装置。其原理是测得整定压力后, 反向增加一个外力使安全阀强制回座。
多规格连接组件是连接阀杆和拉力产生单元的装置。其作用是适用于各种安全阀阀杆螺纹需求, 确保拉力产生单元能够与阀杆固定连接, 而不需要另行挟带转接螺母。
处理器及显示装置是本装置的核心部件, 采用平板式电脑。内置检测软件, 可录入被校安全阀基本信息;开始检测后, 将拉力信号随时间变化的曲线以及位移信号实时显示于屏幕上并记录其数值;当有位移信号产生时, 获取对应时间的拉力值F0;根据公式PS =F0 / S, 计算得安全阀整定压力值;检测结束后, 检测曲线自动保存, 检测数据自动存储在检测数据库内;具备过程重现、查询等功能。安全阀在线检测记录和报告可以在现场实时生成, 并通过USB接口连接打印机出具记录和报告。
3.3在线检测工作过程
3.3.1选择拉力传感器。根据安全阀的整定压力数值选择相应量程的拉力传感器 (见表1) :
其中S为安全阀密封面面积, 单位为m2。
3.3.2连接设备。将支撑框架安装牢固;安装拉力产生单元、力传感器、限位强关装置和多规格连接系统;用高压软管连接螺旋杆式手动油压泵和拉力产生单元;用导线把位移传感器和力传感器连接到处理器上;打开检测程序, 准备开始检测。
3.3.3安全阀整定压力检测。输入安全阀信息;通过数据库得出其中径及密封面积;点击“开始”按钮, 开始采集数据;压动预压杆, 产生一个预压值;操作螺旋杆均匀增压, 观察屏幕上位移曲线和拉力曲线;到达整定压力值时, 阀门微开, 位移曲线阶跃跳动;检测软件获得对应点的拉力值, 并计算出整定压力值;缓慢泻压, 将拉力降为0;施加反向力, 使安全阀回座;打印原始记录和证书。
本装置采用两路高速数据采集及信息处理技术, 以时间为横轴同时实时显示位移和拉力数据并在电脑屏幕上显示拟合曲线 (见图4) 。
四、结论
安全阀在线检测是目前解决舰船安全阀校验的一种有效途径, 研制一套面向舰船机电系统的易操作、高效能、便携式、智能化、安全的在线检测设备, 可为深化舰船计量工作、实施舰船仪器仪表在航期间检测保障提供一种便捷有效的技术手段, 能够有效提高舰船设备科学使用管理和维修保障水平。
参考文献
[1]TSG ZF001-2006, 安全阀安全技术监察规程[S].
[2]TSG R7001-2004, 压力容器定期检验规则[S].
浅析舰船机电设备故障检测系统 篇9
1 舰船机电设备故障检测系统的数据来源
1) 舰船机电设备故障检测系统的基础数据录入、管理。要实现对机电设备的检测, 机电设备检测的基础数据是不可或缺的。要对检测数据进行有效管理, 一是要将设备进行分类管理, 做好设备的数据库, 使得所有设备在系统中一目了然, 不遗漏, 不重复;二是要参照厂家说明, 组织好设备基本参数的归档、录入以及专家规则的描述, 对于设备数据或描述有怀疑的部分, 可以和厂家核对后再录入, 力求数据或描述的真实、有效, 这些数据及描述是设备进行故障检测时的重要参考资料, 在进行录入、设计时要综合考虑多方因素, 使得故障检测系统运行时能对故障反应准确、及时。
2) 舰船机电设备故障检测系统的运行规则设定、管理。一是实现对参数规则的管理。检测系统需要进行检测的参数包括数值、文字、逻辑三种类型。参数规则之一, 文字型的设备状态描述和预先录入的专家规则的条件呼应;参数规则之二, 数值型参数设定的不同数值区间对应不同的设备状态描述和状态值, 设备状态描述和专家规则的条件对应关系和前一条规则一样, 而状态值则因应用户需要和设备基础参数的不同而不同。当机电设备检测系统启动时, 系统将检测到的参数类型, 通过相应的参数规则, 或是和专家规则对应, 或是和设备设定的参数区间对比, 从而发现故障, 对故障进行诊断, 对诊断结果进行描述。二是对状态规则的管理。设备故障的发生不是单一的静止事件, 它是一个动态的过程。要实现设备故障的全过程检测, 就必须对状态规则进行设定、管理。状态规则的设定首先是要科学计算单个设备的设备值。它主要是根据单个设备的检测参数的权值和设备的当前状态值来计算。第二要根据设备的隶属关系以及系统中单个设备在设备子系统中的权值占比来计算子系统的状态值。舰船机电设备是一个复杂的系统, 在舰船装备中整体发挥重要作用, 同时, 在舰船机电设备这一个大的系统中, 又包含多个子系统, 它们共同作用, 相互影响。在对设备进行动态分析时, 设定与参数规则类似的状态规则, 将计算好的系统中的设备值或子系统的状态值划定一定的区间, 并用相应的文字对设备及子系统进行描述, 当启动设备总系统的动态分析时, 该系统先计算所有子系统的状态值, 然后将子系统状态值和状态规则对照, 获取有关设备故障状态的文字描述。
3) 舰船机电设备故障检测系统检测数据的分析、处理。这一部分数据是检测系统自动生成, 经年累月忠实记录了设备监测系统运行的成果, 是保障机电设备运行的重要参考, 对于优化机电设备功能, 提升机电设备的质量也有重要意义。在检测系统的设计中, 必须要有对这些数据的分析部分, 同时, 对一些故障检测数据进行人工处理, 例如, 一些参考价值较小的数据要废弃, 一些从数据中分析出的具有重要参考意义的数据要进行输入、设定。
4) 舰船机电设备故障检测系统对故障的诊断数据。检测系统对设备管理的最重要的作用不是检测, 而是实现对故障的诊断。舰船机电设备故障的诊断方法有多种多样。机电设备故障检测系统要综合考虑各个检测技术方法的优缺点, 根据舰船机电设备的具体情况择优进行设计。故障检测系统设计时必须包含诊断的内容。首先可以在启动检测系统之前, 由专业人员根据舰船机电设备的具体情况, 输入附加的诊断条件。第二, 也可以在系统设计时要求检测到的参数值与设备故障设定值匹配, 并进行故障文字描述。第一类一般用于对机电设备运行有特殊要求的环境时, 第二类多用于故障发生比较规律、故障设备状态值具有原始参考值时。
2 舰船机电设备检测系统的运行原理
舰船机电设备虽然错综复杂, 数量众多, 但所有的机电设备存在一定的内在联系, 故障检测系统一般根据它们的功能分为多个大的子系统, 子系统下面再细分, 逐级下去, 直至所有重要机电设备均攘括其中。在启动故障检测系统时, 首先是对设备进行状态检测, 以选取的设备为基础, 获取同级系统设备的检测参数, 依据参数规则计算最新状态值, 将最新状态值进行加权, 计算出本级设备的状态值, 根据设备状态规则, 获得设备的相关文字描述, 从中查找故障设备;第二提取故障设备的故障参数、状态值, 相关的故障文字描述, 判断设备故障的性质;第三就是参考故障检测系统的故障诊断, 运用专业科学的方法, 确定故障源、故障性质, 并确定维修方案 (更换、维修、调整等) 。
3 舰船机电设备检测系统的维护
舰船机电设备检测系统是采用计算机数据管理和辅助决策技术, 实现机电设备数据的自动处理以及故障的自动检测、诊断。在这一检测系统的维护中, 要注意以下几点:
1) 提高警惕, 保障数据的安全性。作为我国海军的重要装备之一, 舰船机电设备的各类运行及检测数据属于重要的机密资料, 有必要对这些数据以及据此作出的分析结论等进行保密。
2) 及时跟进, 对检测系统的数据库进行更新、升级。舰船机电设备并不是一成不变的, 一些过时或报废的设备会遭到更新。对新的机电设备参数数据要在检测系统进行更新。同时也要根据科学技术特别是有关检测技术的发展, 及时对系统进行升级, 确保系统的有效运行。
4 建立舰船机电设备故障检测系统的重要意义
机电设备的故障检测及维修是装备管理的重点、难点, 舰船机电设备故障检测系统就是为解决这一难题而设计的, 它混合了多种有效的故障检测技术, 例如基于可测信号处理的故障检测技术、基于故障诊断专家系统的故障检测方法、基于故障树的故障诊断方法以及基于人工神经网络的智能故障检测方法等, 做到了对设备故障的快速、准确、动态检测及诊断, 极大提升机电设备运行的可靠性, 提升了我军装备管理的现代化水平。
参考文献
[1]黄振亮, 胡冠林.舰船机电设备故障检测系统的设计.舰船电子工程, 2007.
[2]张林.舰船机电设备动态管理信息系统研究.船电技术, 2007.
舰船电力系统 篇10
新一代全电力舰船供电系统不仅为舰载武器、通信和导航等先进系统,也为照明、办公、暖气和通风等常规负荷供电[1,2]。当发生战斗损伤或设备故障时,这些故障应由保护装置立即隔离。这可能导致包含某些重要负荷在内的无故障部分也处于失电状态。为了增强系统的生命力和可靠性,需要对无故障线路进行快速地恢复供电。
舰船电力系统的故障恢复是通过对电力网络进行自动重构来实现。而重构操作则通过对联络开关和分段开关的一系列切换动作来改变电网拓扑结构。多数情况下,舰船电力系统的重构对象是可控开关。而基于负荷投切的启发式规则更适合开关数量众多而负荷数量较少的场合。
多数文献把舰船电力系统故障恢复作为一个单目标函数优化问题来表述[1,3,4]。文献[3]利用启发式搜索法来重构一组给定负荷,该方法虽然简单,但不保证尽可能多地恢复重要负荷的供电。文献[1-4]提出了网络流法,但没有考虑负荷优先级。文献[5-8]把开关操作数最小化作为故障恢复的目标之一,但没有考虑不同开关的优先级;而且根据决策者经验对每个目标直接给定不同的权重因子,从而把多目标转化为单目标问题处理。然而上述目标不在同一测度下,很难获得准确的权重因子。当然也没有给出构建多目标模型的系统化方法。
故障恢复是一个复杂的、大规模和非确定多项式(Nondeterministic Polynomial,NP)难的非线性组合优化问题。为求出舰船电力系统故障恢复模型的全局最优解,已开发出如启发式算法[5]、遗传算法[5,6,7,8,9,10]、克隆算法[11,12]和微粒群算法[13,14,15]等方法。部分算法能获得较好效果,而多数算法则易陷入局部最优解。
本文提出了一种新型模糊多目标舰船电力系统故障恢复模型。利用广义负荷支路矩阵法来实现基于负荷投切替代开关操作的启发式规则。同时提出了评价系统可靠性和快速性的若干目标,这些目标均已考虑负荷和开关的优先级。并采用模糊集理论对这些目标进行归一化处理。利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)来确定各目标的权重[16,17],并通过加权和算子整合成综合模糊多目标模型,形成系统化方案。然后使用基于云理论的自适应遗传算法[18,19]来求解舰船电力系统综合故障恢复模型。算例研究和结果表明,该方法具有一定的实用性和有效性。
1 问题描述
1.1 舰船电力系统
快速重构舰船电力系统的挑战依赖于如何有效利用电网所独有的系统特性。对故障恢复而言,应注意到舰船与陆地电力系统间的几个不同特征:
1)辐射状或弱环状的网络拓扑结构。
2)传输线短,且低阻抗。
3)发电容量与负荷功率接近。
4)少数大容量动态负荷构成多数负荷需求。
一个简化后的舰船电力系统如图1所示[5]。该系统由四个发电机组成,且由主配电盘(Main Switchboard,MSB)和连接电缆形成环形结构。负荷中心(Load Center Panel,LCP)和一些关键负荷通过主配电盘供电。负荷中心直接供电给负荷。供电给负荷中心和负荷的馈线本质上是辐射状的。对于重要负荷,通过自动转换开关(Automatic Bus Transfer,ABT)或手动转换开关(Manual Bus Transfer,MBT)实现两种独立路径(正常或备用供电路径)供电。
1.2 问题描述
1.2.1 目标函数
当发生故障时,故障恢复的主要目标是通过快速地确定每个开关的动作方案,实现尽可能多地恢复负荷供电,同时开关操作数量最少。为考虑负荷优先级,把所有负荷分成三个不同等级。一、二、三级负荷分别表示最重要负荷、重要负荷和不重要负荷。同样把所有开关也分成两个不同的优先级,一、二级开关分别表示自动和手动转换开关。在此基础上,把这些单目标函数整合成多目标函数。
1.2.2 约束条件
舰船电力系统中,发电机通过MSB作环形连接。若把系统位于MSB以下部分称之为舰船配电系统,那么舰船配电系统必作辐射状连接。换句话说,对每个负荷而言,至多只有一条路径是连通的。另外,还应考虑发电机和支路电流容量限制。
2 模糊多目标故障恢复优化模型
2.1 不同目标的隶属度函数
基于上述讨论,把故障恢复作为一个服从运行和电气约束的多目标优化问题来考虑。前述的问题描述中,主要考虑了两个目标:
1)考虑负荷优先级的情况下,实现负荷供电恢复功率的最大化。
2)考虑开关优先级的情况下,实现开关动作数量的最小化。
运用模糊集理论对目标建模以评价其不确定性。在确定域,隶属度值“1”和“0”分别表示目标的满足与违背。而在模糊域,隶属函数值的大小指出了相关目标的满足程度。
2.1.1 负荷恢复的隶属度函数
该隶属度函数主要目的是尽可能多地恢复负荷供电。当发电不足时,三级负荷被卸载。一级负荷优先级最高,三级负荷优先级最低。为确保负荷能按重要性顺序依次恢复,定义负荷恢复目标函数如下:
式(1)中:Li表示第i个负荷的消耗功率;L1、L2、L3分别表示故障发生后可恢复的一、二、三级负荷的集合;max L2、max L3分别表示故障发生前,二、三级负荷集合中的最大值;min L1、min L2分别表示故障前,一、二级负荷集合中的最小值。从式(1)可看出,高优先级负荷比低优先级负荷对L值的贡献更大,因此相对于低优先级负荷而言,高优先级负荷将率先被恢复。
式(1)指出,如果L值越大,意味着供电负荷功率越高,那么相应隶属度值也应更大;反之亦然。即该隶属度函数是单调递增的。隶属度函数值越高表示解的满意度也越高。负荷恢复的隶属度函数如图2所示。从图2可知:
式(2)中:Lmin、Lmax分别表示故障恢复后L的最小和最大可能值;µL是L的隶属度函数,对L作归一化处理,并随L单调递增。
其中,L1'、L2'、L3'表示故障前一、二、三级负荷各自的集合。
2.1.2 开关操作的隶属度函数
该隶属度函数主要目的是使开关操作数达到最少,以便尽可能快地完成故障恢复任务。由于ABT自动断开或闭合,而MBT需手动才能断开或闭合,故ABT优先级高于MBT。正因为这两种开关动作时间成本不同,因而需要给它们指定不同的权重。该目标函数定义如下:
式(5)中:nA和nM表示ABT、MBT在恢复过程中的动作数量;wA和wM是根据运行经验确定的相应权重。
若S值越小,则相应隶属度值应越大;反之亦然。图3为开关操作的隶属度函数。从图3可知:
式(6)中:Smin、Smax分别表示故障恢复过程中最小和最大的可能值;µS是S的隶属度函数,对S作归一化处理,并随S单调递减。
式中:na A和na M分别表示所有ABT、MBT的数量。
2.2 运用AHP进行多目标建模
不同目标的隶属度函数需要整合成一个多目标优化模型。AHP是一种系统化的决策方法,1977年由Saaty提出[16],通过把复杂问题分解成由目标、准则、子准则和方案组成的多层次结构来表述。
第一步:定义评价准则
故障恢复的AHP模型如图4所示。
第二步:建立成对比较矩阵
这里,aij表示第i个目标与第j个目标作比较得出的相对重要性。这种定性判断结果通过九标度法转化为aij值的定量表示[16]。同时aij需符合以下规则:
这样,成对比较判断矩阵A为
第三步:计算最大特征值和相应的特征向量
A的最大特征值和相应特征向量为:
第四步:执行一致性测试
一致性指标(Consistency Index,CI)定义如下:
式中,n是判断矩阵中各因素的数量,这里n=2,因此CI=0。一致性比率(Consistency Radio,CR)定义如下:
式中,RI表示平均一致性指标。若CR≤0.1,则符合一致性要求。显然,判断矩阵A是一致的。
第五步:计算总的权因子。
权因子向量w可通过对特征值向量v的归一化而得到。
因此,模糊多目标故障恢复模型可表示如下:
式(16)中:fitness表示后续遗传算法的适应度函数;wL=0.8000;wS=0.2000。
需要说明的是,虽然仅由两个目标组成的多目标函数不足以体现AHP在标度各目标权重时的一致性特性,但力求简练而又明确地阐述运用AHP进行多目标建模的系统化决策方法的目的已基本达到。
2.3 运行和电气约束
2.3.1 负荷投切替代开关操作的启发式规则
多数学者提出的故障恢复最优重构策略,需要考虑所有开关动作时的组合情况,以评价负荷恢复的有效性和快速性。当开关较多时,很难从庞大的解空间中找到最优解。图1中的舰船电力系统的符号示意图如图5所示。图5中,实线和虚线分别表示负荷的正常和备用供电路径。整个系统共有104条支路和20个负荷。
从图5可知,负荷投切替代开关操作的启发式规则的使用,大大减小了解空间的范围。并且该规则不影响恢复过程中供电负荷功率值和开关操作数的计算。
2.3.2 广义负荷支路矩阵法
邻接矩阵和关联矩阵反映了系统连接情况,但不便于舰船电力系统的系统计算和拓扑识别,尤其是故障系统。为此,本文提出了一种结合深度优先与广度优先搜索原理的广义负荷支路矩阵方法。用该法恢复负荷供电的过程可分为两步:
第一步:发电机容量约束、支路电流限制和连接性约束的判断。
图6所示为一简单的舰船电力网络。以此为例,来说明广义负荷支路矩阵的形成与负荷恢复过程。
(1)广义负荷支路矩阵的形成
图6所示电网对应的广义负荷支路矩阵为:
从矩阵G可见,根节点支路1和5位于第一行,其子支路分别是10、2、4、11和10、6、9、11。节点2、6、7分别是节点3、7、8的父节点。编号801-805所在路径是负荷L1-L5的正常供电路径。编号901所在路径是负荷L1的备用供电路径。搜索负荷的供电路径时,连续向该负荷所在支路的上面和左边搜索非零支路编号,直至相应的根节点。
(2)系统容量矩阵的表示
图6的系统容量矩阵为:
其中:ci表示第i条支路容量;li表示负荷i功率;lin和lia分别表示负荷i正常和备用供电路径。若支路出现故障,则该支路对应容量改为原来的相反数。
(3)发电机容量约束、支路电流限制和连接性约束的判断
首先,将系统容量矩阵C的所有负荷值置零,并在指定位置给定某个想要恢复的负荷值。其次,在此负荷位置向上向左寻找其供电路径,若上面元素为零,则该零元素左边元素即为下一个需寻找的元素;否则若上面元素不为零,则继续向上寻找。若在上一行找到的ci>0,则把ci所在列设成ai。第三,若负荷位置的上面到上面的右边元素>0,则把其列设为bi。负荷所在行从列ai到列bi-1的元素和即为ci应供电的功率值。若上述和≤ci,则该负荷满足容量约束。以ci为基础,继续向更高层次寻找下一个cj、aj、bj,直至矩阵第一行。如果每个容量约束都满足,这表明此负荷能恢复。
以恢复l1n为例。先将矩阵C改写为C1:
再经算法解析,约束条件如下:
若上述容量约束满足,这表明负荷l1n能恢复。从图6可见,支路7断开,矩阵C和C1中相应的c7是负值。故c8不可能≤c7,因此l1a不能恢复。
上述方法适用于正常和备用供电路径的恢复。若遇负值导致不能满足某约束条件,这表明该负荷因为支路故障而不能恢复此路径。该法综合了发电机容量约束、支路电流限制和连接性约束的判断。
第二步:辐射状结构的判断。
辐射状判断是对舰船配电系统而言的。若每个负荷至多只有一条路径是连通的,那么舰船配电系统是辐射状的。图6中,由广义负荷支路矩阵可知,由于支路7断开,故配电网络是辐射状的。
3 基于CAGA的故障恢复实现
遗传算法是一种适用于高度非线性问题寻找全局最优解的统计学方法。标准遗传算法(Standard Genetic Algorithm,SGA)由于采用固定交叉和变异率,在工程应用中具有较慢收敛速度和早熟现象。传统自适应遗传算法(Adaptive Genetic Algorithm,AGA)具有较高收敛速度,但难以增强算法鲁棒性。云理论自适应遗传算法CAGA是基于云模型的,具有稳定倾向性和随机性,因而具有较好的收敛能力,且不易陷入局部最优解。下面运用CAGA来求解上述模糊多目标优化模型。
3.1 基于云理论的自适应遗传算法
3.1.1 编码
应用遗传算法的一个关键问题是如何在问题域中找到一种合适的染色体编码方法。好的编码方法可通过限制解空间而使搜索变得容易;而劣的编码方法会产生一个巨大的搜索空间而易发散[20]。染色体的编码是对应于负荷供电状态的一个向量。图5中,染色体长度是负荷数量。染色体的每个位置称为基因,而基因值0、1、2称为等位基因。等位基因0、1、2分别表示故障状态、正常路径和备用路径。具有备用路径的负荷对应的基因值可能取值0或1或2,而无备用路径的负荷只能取0或1。例如,某染色体为[11212 11211 10211 12111]。
3.1.2 初始化
按给定种群规模,使用启发式方法产生的初始种群,可加速收敛。初始种群中半数染色体随机产生,即拥有备用路径的负荷对应的等位基因随机选取0或1或2,而其他等位基因随机选取0或1。初始种群中另一半染色体的基因值均设为1,而后随机选取其中一位设为0或2。
3.1.3 评价
当收敛标准不满足时,求出各染色体的适应度。适应度大小反映了目标朝最优解的搜索方向。可用式(16)来求适应度,但求适应度前,该染色体需满足约束条件。这个过程概括如下:
第一步:相关参数的初始化
第二步:发电机容量约束、支路电流限制和连接性约束的判断
这一步是针对当前种群的每个染色体而言的。详细判断方法见2.3.2节。图5所示系统对应的广义负荷支路矩阵如下:
值得注意的是,由于故障而失电的负荷对应的等位基因只能是0或2。若不满足此约束条件,则该染色体的适应度应置0。
第三步:辐射状结构的判断
由式(21)可知,负荷1、3、5、6、8、10、11、13、15、16、17、20具有备用供电路径,这些负荷至多允许一条路径是连通的,否则适应度应置0。
第四步:求解当前种群中各染色体的适应度
若第二、三步中的约束条件均满足,则计算该个体的适应度。
3.1.4 选择
根据适应度大小从当前种群中选择个体。由于比随机选择效果更好,所以本文采用轮盘赌选择,为交叉确定双亲。
3.1.5 交叉
本文采用单点交叉算子实现从父代中产生后代。交叉率Pc的确定是一个关键的问题。SGA中,Pc是一固定常数。常规AGA中,Pc给定如下:
上式中,fc=max(fitness(i),fitness(i+1)),即参与交叉的双亲中适应度值中的较大者;fmax,favg分别是种群中个体适应度的最大值和平均值;参数k1=0.5,k2=0.9。CAGA中,正态云模型用来产生Pc,而Pc依赖于X条件云发生器自适应地改变。在X条件云发生器中,当前种群的平均适应度作为期望值Ex,熵En是根据云模型的“3En规则”指定的。确定Pc的算法如下:
算法1 Pc的确定
式中:Ex是期望值;En是熵;He是超熵,即熵En的熵;En'~N(En,He2),而randn(En,He)是生成期望值为En,标准偏差为He的正态随机数;c1、c2是控制参数,本算法中,c1=1.9,c2=10,k1=k2=1.0。
云理论中,正态云是由三个统计参数定义的,即Ex,En和He。期望值Ex位于与云重心对应的论域的位置。熵En是对论域内覆盖概念的一种测量,通过对正态云的数学期望曲线的带宽来描述的。超熵He是对云滴分散度的一种测量。这三个统计参数如图7所示。
算法1中,En决定了Pc的选择范围。对于论域的语言值,99.7%的有效定量值落在区间[Ex-3En,Ex+3En]内。En越大,搜索Pc的跨度也越大。考虑到算法收敛速度与精度,c1可近似取3.0。经测试,本文中,c1最优值取1.9。He决定了Pc的稳定倾向性和随机性。He越大,云滴就越分散。若He太大,将失去云模型的稳定倾向性;而He太小,将一定程度地丧失云模型的随机性。一般地,c2在区间[5,15]内取值。本文中,c2=10,Pc如图8所示。
3.1.6 变异
本文采用基本位变异。变异过程中,Pm的确定是一个关键的问题。SGA中,Pm是固定的。常规AGA中,Pm表示如下:
这里,fm=fitness(i),即将进行变异操作的第i个染色体的适应度值;k3=0.15,k4=0.35。CAGA中,Pm计算如下:
算法2 Pm的确定
本文中,c3=2.0,c4=10;k3=k4=0.5。
3.2 故障恢复流程
故障恢复总体过程如图9所示。
4 算例分析及结果
本文在Matlab R2006a环境中编程实现了故障恢复过程,并对图1所示舰船电力系统的四个不同算例进行了测试。表1所示为图1系统中各负荷的电流幅值和优先等级。从表1可见,所有负荷均为恒功率负荷。假设故障前,所有负荷均为正常路径供电。下列三种遗传算法中,种群规模设为100,最大代数设为200。为简单起见,假设除发电机支路外,其余支路电流幅值不受限。因此仅需考虑发电机容量、连接性和辐射状结构等三种约束。
Case1图5系统中支路19和57为故障支路。图1系统中四个发电机的容量为:
从图5可见,故障后负荷L5和L11与各自的正常供电路径断开,此时对应的个体为[11110 1111101111 11111]。
Case2除四个发电机容量外,其余情况同Case1。cg1=700 A,cg2=734 A,cg3=699 A,cg4=700 A。
Case3除故障支路为图5给定系统的支路10和支路63,其余情况同Case1。从图5可见,故障后L3和L13的正常供电路径被断开,L12失电,L10的备用供电路径被断开。相应的个体为[11011 1111110011 11111]。
Case4除四个发电机容量外,其余情况同Case3。cg1=700 A,cg2=734 A,cg3=699 A,cg4=700 A。
对Case1和Case3,通过SGA、AGA和CAGA求得的故障恢复结果的比较如表3和表4所示。三种算法的参数设置如表2所示。
表3和表4可见,与另两种算法比较,CAGA在全局最优性和收敛速度方面具有明显的优势。
由CAGA求得Case1~4的故障恢复结果如表5所示。
从表5可知,由CAGA求得的最优个体满足上述提出的两个目标,即最大供电负荷功率和最少开关操作数,并且考虑了负荷和开关的优先级。
5 结论
本文提出的模糊多目标模型不仅统一了不同量纲的目标函数,而且运用系统化的方法(AHP)把目标间的定性关系转化为定量关系,并使用加权和算子整合到一起。该故障恢复模型实现了在考虑负荷优先级的情况下尽可能多地恢复负荷供电和在考虑开关优先级的情况下故障恢复需操作的开关数量最小这两个目标。本文提出的广义负荷支路矩阵法较好地实现了在满足发电机容量约束、支路电流限制、连接性和辐射状结构约束条件下用负荷投切替代开关操作的启发式规则;有效地避免了耗时的潮流计算过程,缩短了故障恢复时间。由于采用CAGA来求解故障恢复模型,算法的收敛速度和解的全局最优性得到了改善,这是因为正态云所具有的稳定倾向性和随机性。
摘要：提出了一种新的用于舰船电力系统的模糊多目标故障恢复模型。在该模型中,不同量纲的目标函数被归一化到[0,1]区间,并且通过层次分析法把这些目标函数整合到一起,同时考虑了负荷和开关的优先级。运用广义负荷支路矩阵法实现了负荷投切替代开关操作的启发式规则,且考虑了发电机容量、支路电流、连通性和辐射状约束。通过运用基于云理论的自适应遗传算法使系统收敛性能得到了较好的改善。一个典型舰船电力系统的仿真结果证实了该模糊多目标模型的有效性和相关特性。
舰船临抢修工作量变化规律分析 篇11
关键词：舰船 临抢修 变化规律
中图分类号：TM07文献标识码：A文章编号：1674-098X（2012）09（b）-0117-01
舰船装备的故障率和使用时间有密切的关系，无疑直接影响到临抢修工作量和费用。
1 舰船服役时间的影响
舰船临抢修工作量与其服役时间有密切关系，在舰艇服役初期的一段时间里，各类设备，尤其是机械设备都处于磨合期，这个时期的设备故障率较高，工作量和费用也比较高。特别是当入役的装备是新型号时，舰员操作不熟练，容易发生误操作，从而导致故障频发；另外各级修理单位在较短时间里很难形成相应的保障能力，此时大量临抢修工作都是依靠设备的生产厂家来完成的，这也造成舰艇磨合期的临抢修工作量较大和费用的增多。
在舰艇服役中期，大部分设备处于随机故障期。因此这个时期的故障率较平稳，临抢修工作量和费用变化表现比较平稳。但这个阶段，临抢修工作量和费用偶尔也会出现一些跃升，主要原因是部分设备由于使用强度较大，或者某些设备正处于设计寿命的后期，故障增多，使得维修工作量和器材消耗量上升。
随着舰船进入服役的后期，舰船各系统的可靠性储备逐步下降，故障增加，临抢修工作量时不断上升的。虽然每次计划修理对各类系统的性能有一定的恢复，但每个维修间隔的临抢修工作量仍是随时间不断上升的，这是由于各种机械、电子设备本身特性决定的。
这些服役时间较长的装备，特别是已形成批量生产、技术比较成熟的装备，在服役早期，其对于随时间损耗的设备，如船体、机械设备等，一般修理工作量比较少，随着使用时间的增加，累积耗损较大，修理工作量亦逐步增大。
在整个服役期内，舰艇经历了多次计划修理。每次计划修理后，单位时间的临抢修费用会较修理前有所下降。但随着使用时间增加，临抢修工作量和费用也随之增加，甚至会超过前一个计划修理间隔的临抢修工作量。尤其时接近退役或处于失修但却仍在使用的舰船，其临抢修费用有可能剧增。
2 舰船设备劣化程度的影响
对新入列的舰船，特别是已形成批量生产、技术比较成熟的舰船，在早期修理费比较少，对于随时间损耗的船体、机电等设备，一般维修工作量比较少，因而维修费用也比较低，但随着使用时间的延续，累积耗损较大，修理工作量办逐步增大，费用也逐步增大。根据统计，舰船在第一轮中修期内，若第一次坞修费为l，则第二次坞修费一般要增加15%～20%。而至第二轮中修期内，相同级别的维修费又要比第一轮中修期内相同级别维修费再增加15%～20%。维修轮次不一样，舰船维修费用差距会很大。近几年来，舰船坞修费增加很快，主要是很多舰艇已老化，坞修范围扩大，导致维修费增加。还有舰船系统设备的很大一部分是电子设备，其价格、性能都在不断提高，但电子设备使用寿命相对较短，维修时对加速损耗的电子设备进行替换费用也相对较高。
3 舰船维修结构的影响
在整个服役期中，临抢修费用变化并不是单调增加的，每次计划修理结束后，临抢修费用会有所减少，减少的程度与该次计划修理级别和质量有关，随后又有所增加，各维修间隔中临抢修工作量的变化高点和低点连线总的来说是成指数曲线趋势增加的，如图1所示。
科学合理的维修结构能使舰艇在最需要级别修理时得到应有的修理，这是舰船平时低故障的重要保证。计划修理过程合理的维修间隔和维修结构，可以重点预防一些重要故障的发生，减少故障在运行过程中的出现。同时，合理的、有预见性的确定计划修理的工程项目，可以在计划修理期间预防性的处理一些可能大量增加临抢修工作量或临抢修难于完成的工程，这有助于提升各个大系统的总体可靠性，可以大量减少临抢修中对这些故障的视情维修和事后维修；此外，通过统筹管理还可以减少各临抢修单位对一些大型器材、不常用器材的购置、储备，减少器材费用低效运转情况的出现，这些都有助于控制临抢修的工作量和费用。
4 结语
上述分析结论是大部分舰船的所共有的临抢修工作量变化的规律，但对多种不同类型舰船，其变化曲线的参数是不同的。了解了其具体的变化规律，再考虑物价、服役海区、临抢修单位等因素影响，便可以根据有关数据预测某型舰船未来若干年可能的临抢修工作量和费用，这对于保证舰船临抢修工作的落實和提高舰船的战备完好性有重大。
参考文献
[1] 李积源.舰船装备经济性分析[M].武汉：海军工程大学，1997.
[2] 张怀强.装备全系统全寿命管理[M].北京：国防工业出版社，2007.
舰船电力系统 篇12
1 CAN总线的特点
CAN现场总线只具有物理层、数据链路层和应用层等3层网络结构。它是一种多主总线, 可挂接上百个节点, 网络上任意节点可随时主动向其他节点发送信息;具有抗干扰能力强、速度快、容错性好、数据传输可靠性高等特点, 因此在船舶监控系统中得到了广泛的应用。
2 系统构成
舰船推进监控系统主要由主推进控制分系统、安全保护分系统和监测报警分系统组成。
2.1 系统网络结构
舰船推进监控系统网络结构设计为两层双冗余网络结构。上层为数据信息传输网, 采用高速工业以太网;下层为实时数据采集网和实时控制网, 采用CAN现场总线。为提高系统网络通信的可靠性, 上下两层均采用双冗余结构, 可实现网络故障切换和热备份。在信号采集和控制方面, 基于CAN总线的主推进控制系统采用分布式布置, 达到信号就地采集, 就地控制的目的, 提高了系统的可靠性。系统网络结构图如图1所示。
2.2 主推进控制分系统
主推进系统由2台主机、2台齿轮箱和2套可调螺距桨 (CCP) 等组成, 为双机双桨推进系统。舰船左右两舷各设一套控制系统, 分别控制两舷主推进系统, 两控制分系统相对独立, 功能相同。控制系统可以实现在驾驶室、机舱控制室和机旁控制站能对主推进系统实行3级控制, 其中机旁控制优先于机舱控制, 机舱控制优于驾驶室控制, 三个控制站之间相互联锁, 任何时刻只能一个控制站可操纵。
控制分系统可按三种控制方式实现对主推进装置的控制:自动控制、半自动控制和手动控制。自动控制方式:控制分系统在不同的主推进系统运行模式下, 按照预定的控制曲线自动控制主推进系统运行。半自动控制方式:控制分系统根据操作人员的指令自动控制主推进系统运行。手动控制方式:操作人员在机旁控制站可进行主机起停、调距桨螺距设定等操作。还可以通过软件程序对主推进系统进行控制。
2.3 安全保护分系统
舰船左右两舷各设一套安全保护分系统, 分别保护两舷主推进系统, 两安全保护分系统相对独立, 功能相同。安全保护分系统具有故障降速、故障停车的保护功能, 不受操控站和控制方式限制。当出现故障时, 安保分系统发出故障降速或故障停车信号, 并发出声光报警信号。
2.4 监测报警分系统
舰船机舱设置一套检测报警分系统, 由数据采集单元分别采集左右两舷推进系统设备现场实时数据, 通过下层CAN现场总线汇聚到显控模块, 进行数据处理、监测报警、现场显示等, 并通过上层以太网与主推进工作站或其他系统交互数据信息。
3 系统软件设计
系统软件主要包括控制分系统、安全保护分系统和监测报警分系统等三个分系统软件。
3.1 控制分系统软件设计
控制分系统软件主要包括遥控控制模块、主机调速模块、遥控操作显示模块等方面设计, 对主推进系统进行主机的启动、停车、转速增减、离合器脱排等操作, 通过输出油门对主机进行调速控制。
3.2 安全保护分系统软件设计
左右舷主推进装置各设一套安全保护分系统, 由安保控制模块和安保频率输入模块组成。
3.3 监测报警分系统设计
监测报警分系统主要是通过分布在主推进系统上的各个传感器来实时监测系统的状态, 并传回显控模块分析处理、显示。监测报警分系统软件显控模块人机界面主要实现数据处理和显示、参数设定和修改、监测越线报警、数据记录和打印等功能。
4 结束语
本文研究的基于CAN总线的舰船推进监控系统解决了传统的集散式、分布式系统的缺点, 提高了系统的抗干扰能力和数据传输可靠性能力, 该系统切实可行, 已在工程船舶上取得了良好的实际应用效果。
摘要：本文研究了一种基于CAN总线的舰船推进监控系统, 该系统是由工业以太网和CAN总线构成的网络控制系统, 系统具有主推进系统控制、安全保护、监测信息显示及报警功能。重点研究了系统网络结构和系统软件设计。
关键词：CAN,推进监控,系统
参考文献
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[2]张旭, 李迪阳, 孙建波等.船舶机舱监测报警系统[J].计算机工程与应用, 2005 (22) :229-232.
[3]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1986:20-39, 59-68, 78-105.