基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的艦船綜合電力系統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)故障模擬及拓?fù)涓?/h1>
2010-07-25 08:13:30呂昊王吉忠
船電技術(shù) 2010年4期
呂昊 王吉忠
(1. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室, 武漢 430033; 2. 海軍駐712所軍事代表室，武漢 430064)
1 引言
艦船綜合電力系統(tǒng)是在艦船全電力推進的基礎(chǔ)上提出一種將艦船發(fā)供電與推進用電、艦載設(shè)備用電集成，從而實現(xiàn)發(fā)電、配電與電力推進用電及其它設(shè)備用電統(tǒng)一調(diào)度和集中控制的系統(tǒng)，目前國內(nèi)外對艦船綜合電力系統(tǒng)開展了一系列的研究，并取得了一定的技術(shù)進展[1-3]。
同一般的陸地電力系統(tǒng)一樣，艦船綜合電力系統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)也是由發(fā)電設(shè)備、輸電和配電設(shè)備以及負(fù)荷通過開關(guān)連接在一起的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式勢必隨之發(fā)生變化。從保障系統(tǒng)安全的角度出發(fā)，調(diào)度運行人員必須實時掌握這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式的變化，并加以適當(dāng)?shù)淖詣踊蛘呤謩涌刂普{(diào)整，使得系統(tǒng)按照某種安全最優(yōu)準(zhǔn)則運行。進行電網(wǎng)拓?fù)浞治鰪亩鴮崟r掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，即各電氣設(shè)備之間聯(lián)結(jié)關(guān)系的變化，是面向系統(tǒng)重構(gòu)等高級應(yīng)用的基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)故障后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖俑櫴请娋W(wǎng)拓?fù)浞治龅幕疽骩4-5]。
本文針對艦船綜合電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)艦船電力系統(tǒng)的拓?fù)浣：头治觯捎秒S機變量模擬供配電網(wǎng)故障，即模擬電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，采用深度優(yōu)先算法跟蹤供配電網(wǎng)拓?fù)渥兓?，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)拓?fù)涓?。算例對艦船綜合電力系統(tǒng)可能采取的復(fù)雜的輻射網(wǎng)狀電力網(wǎng)絡(luò)進行了分析，給出了拓?fù)浞治龅慕Y(jié)果，并通過重構(gòu)算法實現(xiàn)了對電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重構(gòu)，驗證了方法的有效性。
2 艦船綜合電力系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點
綜合電力系統(tǒng)除了為艦船日常用電負(fù)荷以及武器防空和通信系統(tǒng)供電之外，還擔(dān)負(fù)了全船的推進負(fù)荷，系統(tǒng)容量遠(yuǎn)大于常規(guī)艦船電力系統(tǒng)，為此綜合電力系統(tǒng)必須采用中壓供電方式。和常規(guī)艦船電力系統(tǒng)電網(wǎng)相比，綜合電力系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要有如下特點：
（1） 系統(tǒng)包含中壓和低壓兩個電壓等級的電網(wǎng)；
（2） 中壓電網(wǎng)包括各電站中壓發(fā)電機和中壓主配電板，中壓主配電板之間可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)和聯(lián)絡(luò)電纜構(gòu)成干饋式供電方式或者環(huán)形供電方式；
（3） 低壓電網(wǎng)以各低壓主配電板構(gòu)成輻射式供電網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)類似于常規(guī)艦船供電系統(tǒng)；
（4） 電制可以是交流制式，也可以是直流制式，或者混合制式。
3 基于無向圖的拓?fù)浣Ｅc分析
艦船綜合電力系統(tǒng)電網(wǎng)電氣元件主要包括發(fā)電機、開關(guān)、中壓主配電板、低壓主配電板、分配電板以及各類負(fù)荷等。現(xiàn)考慮采用無向圖來作為艦船電網(wǎng)的拓?fù)淠Ｐ?。圖是一個二元組G=＜V，E＞，其中V（V≠Ф）是頂點集，E是邊集。當(dāng)E是無序積V&V的多重子集時，其元素為無向邊，圖G則為無向圖[6]。把電網(wǎng)中的每個電氣元件看成無向圖中的頂點，若某兩個電氣元件有直接的電氣連接關(guān)系，則該兩個電氣元件所對應(yīng)的頂點間通過無向邊相連，否則沒有連接關(guān)系。這樣就建立起電網(wǎng)的無向圖模型。可以看到，電網(wǎng)對應(yīng)的無向圖中的頂點數(shù)是不變的，開關(guān)的狀態(tài)變化只會改變邊的數(shù)量和連接狀態(tài)。為建立網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣和節(jié)點導(dǎo)納矩陣，將無向圖模型轉(zhuǎn)換為節(jié)點/支路模型，無向圖模型中的頂點相當(dāng)于節(jié)點/支路模型中的支路，也就是說無向圖中的頂點也都擁有對應(yīng)的若干個節(jié)點。首先確定每類頂點所擁有的節(jié)點數(shù)，如發(fā)電機類、負(fù)荷類頂點擁有 1個節(jié)點，開關(guān)類、雙繞組變壓器類擁有2個節(jié)點，ABT/MBT類頂點擁有3個節(jié)點等等），然后按一定的順序給各類頂點賦節(jié)點號，建立起節(jié)點/支路模型，如圖1所示。
圖1 電網(wǎng)的無向圖模型和節(jié)點/支路模型
4 基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的網(wǎng)絡(luò)故障模擬及拓?fù)涓?/h2>4.1 艦船綜合電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)的面向?qū)ο笸負(fù)淠Ｐ蚚7-8]
面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法相比，具有程序易于維護擴展、可重用性好等優(yōu)點。將面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用到配電網(wǎng)絡(luò)的建模中，在封裝性、繼承性和多態(tài)性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)用了對象組合、類結(jié)構(gòu)遞歸等方法來設(shè)計配電網(wǎng)的模型，使該模型既能直觀地表達(dá)配電網(wǎng)，也能方便地用于配網(wǎng)計算。
（1） 利用面向?qū)ο笾械念悓﹄姎庠M行描述；
例如：
發(fā)電機
{
網(wǎng)絡(luò)所有電器元件中的編號；
發(fā)電機類中的編號；
發(fā)電機狀態(tài)；
對應(yīng)的節(jié)點編碼；
}
（2） 根據(jù)初始的輸入數(shù)據(jù)生成初始的鄰接矩陣(假定所有開關(guān)是閉合的)，再由故障模擬過程中生成的開關(guān)狀態(tài)修改初始鄰接矩陣，得到當(dāng)前狀態(tài)下的鄰接矩陣，最后由當(dāng)前狀態(tài)的鄰接矩陣得到鄰接表；
圖2 基于面向?qū)ο蟮碾娋W(wǎng)靜態(tài)拓?fù)渖?/p>
（3）整個靜態(tài)拓?fù)渖傻牧鞒倘鐖D2所示。
4.2 網(wǎng)絡(luò)故障模擬
艦船綜合電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)由于各種原因，導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)故障，例如受到攻擊導(dǎo)致的設(shè)備損毀，人為操作失誤導(dǎo)致的開關(guān)誤動作等。反映在電網(wǎng)的拓?fù)淠Ｐ椭?，即表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。實際情況中表現(xiàn)出來的這種配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化具有隨機性。為了突出這種隨機性，網(wǎng)絡(luò)的故障模擬調(diào)用了面向?qū)ο蠛瘮?shù)庫"stdlib.h"中的隨機數(shù)生成函數(shù) srand()和 rand()。這兩個函數(shù)能實現(xiàn)對隨機故障的合理模擬。生成的開關(guān)狀態(tài)再返回到主程序中實現(xiàn)故障狀態(tài)的鄰接矩陣的生成。
4.3 基于深度優(yōu)先算法的對故障的拓?fù)涓?/h3>
深度優(yōu)先搜索法（DFS）是用來判斷圖中頂點間連通性的一種常用方法。DFS的具體搜索過程如下：訪問節(jié)點v0以后，訪問一個v0鄰接到的未被訪問過的節(jié)點v1，再從v1出發(fā)按深度方向搜索。當(dāng)遇到一個所有鄰接于它的節(jié)點都被訪問過的節(jié)點u時，回到已訪問節(jié)點序列中最后一個擁有未被訪問過的相鄰節(jié)點的節(jié)點w，再從w出發(fā)按深度方向搜索。最后，當(dāng)任何已被訪問過的節(jié)點都沒有未被訪問的相鄰節(jié)點時，搜索結(jié)束。深度優(yōu)先搜索是一種先根遍歷的過程，其本質(zhì)上是對每個頂點查找其鄰接點的過程[9]。
深度優(yōu)先搜索法的實現(xiàn)主要是利用堆棧技術(shù)，從一個頂點出發(fā)，利用一個“先進后出”的堆棧存放中間分支點，沿一條路徑走到盡頭，再通過出棧操作，按原路逐步退回，直至找到一條新的未被訪問過的分支路徑，再沿此路徑走到盡頭，依此類推。
在面向?qū)ο蟓h(huán)境中建立起電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ秃?，就可以采用深度?yōu)先搜索法進行電網(wǎng)拓?fù)涞倪B通性分析，實現(xiàn)對元件帶電情況進行判斷。即判斷某個負(fù)荷或者某個電氣元件的帶電情況，等價于判斷該負(fù)荷或電氣元件所對應(yīng)的頂點是否與某個發(fā)電機類頂點連通。搜索程序的流程如圖3所示。
5 算例分析
對艦船綜合電力系統(tǒng)可能采取的有四個電站的交流輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)采用上述基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的拓?fù)浣?、故障模擬及拓?fù)涓欉M行算例分析。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為：470個節(jié)點，包含4臺發(fā)電機，5個負(fù)荷中心，49個負(fù)載支路，163個斷路器，57個自動或手動轉(zhuǎn)換開關(guān)。
圖3 基于面向?qū)ο蟮碾娋W(wǎng)故障拓?fù)涓?/p>
初始情況為所有開關(guān)均閉合，所有自動或手動轉(zhuǎn)換開關(guān)常規(guī)開關(guān)閉合，備用開關(guān)斷開。然后調(diào)用隨機數(shù)生成函數(shù) srand()和 rand()模擬生成兩個隨機的故障，即兩個斷路器斷開，生成故障狀態(tài)下的鄰接矩陣及鄰接表。然后程序用深度優(yōu)先算法進行拓?fù)涓?。最后采用開關(guān)分類分析重構(gòu)算法進行自動或手動轉(zhuǎn)換開關(guān)動作看能否實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)達(dá)到失電負(fù)荷恢復(fù)供電。
開關(guān)分類分析重構(gòu)算法是基于對開關(guān)的分類，然后就分類組合后的所有失電情況進行裝換開關(guān)動作，算例電網(wǎng)共有 163個開關(guān)，分為 11類，如表1所示。兩處故障（開關(guān)動作）時，共有失電情況12種，對每一種進行相應(yīng)的分析，得到相應(yīng)的自動或手動轉(zhuǎn)換開關(guān)動作規(guī)律。
兩處故障（開關(guān)動作）分類分析示意圖如圖4所示。
表1 電網(wǎng)開關(guān)分類表
進行了三次故障模擬，結(jié)果如表2所示。
?
?
6 結(jié)束語
(1) 本文從艦船綜合電力系統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，建立了電網(wǎng)的無向圖模型與節(jié)點/支路模型，并基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)了對整個配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣：挽o態(tài)拓?fù)浔磉_(dá)。
(2) 并針對艦船綜合電力系統(tǒng)故障的隨機性特點，在面向?qū)ο蟮耐負(fù)浞治龀绦蛑姓{(diào)用了隨機數(shù)生成函數(shù)模擬故障及開關(guān)動作，并采用深度優(yōu)先算法，在面向?qū)ο蟪绦蛑袑崿F(xiàn)對負(fù)荷失電的動態(tài)拓?fù)涓櫋?/p>
(3) 本文在算例分析中，對艦船綜合電力系統(tǒng)可能采取的四個電站的交流輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)采用上述基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的拓?fù)浣?、故障模擬及拓?fù)涓櫍⒔Y(jié)合開關(guān)分類重構(gòu)算法給出了恢復(fù)供電方案。算例分析證明了該方法對電網(wǎng)拓?fù)浣３晒Γ⒛軌驅(qū)崿F(xiàn)對故障的隨機模擬及快速的拓?fù)涓櫋?/p>
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[9] 盧開澄, 盧華明. 圖論及其應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社.
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（1） 系統(tǒng)包含中壓和低壓兩個電壓等級的電網(wǎng)；
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（3） 低壓電網(wǎng)以各低壓主配電板構(gòu)成輻射式供電網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)類似于常規(guī)艦船供電系統(tǒng)；
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圖1 電網(wǎng)的無向圖模型和節(jié)點/支路模型
4 基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的網(wǎng)絡(luò)故障模擬及拓?fù)涓?/h2>4.1 艦船綜合電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)的面向?qū)ο笸負(fù)淠Ｐ蚚7-8]
面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法相比，具有程序易于維護擴展、可重用性好等優(yōu)點。將面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用到配電網(wǎng)絡(luò)的建模中，在封裝性、繼承性和多態(tài)性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)用了對象組合、類結(jié)構(gòu)遞歸等方法來設(shè)計配電網(wǎng)的模型，使該模型既能直觀地表達(dá)配電網(wǎng)，也能方便地用于配網(wǎng)計算。
（1） 利用面向?qū)ο笾械念悓﹄姎庠M行描述；
例如：
發(fā)電機
{
網(wǎng)絡(luò)所有電器元件中的編號；
發(fā)電機類中的編號；
發(fā)電機狀態(tài)；
對應(yīng)的節(jié)點編碼；
}
（2） 根據(jù)初始的輸入數(shù)據(jù)生成初始的鄰接矩陣(假定所有開關(guān)是閉合的)，再由故障模擬過程中生成的開關(guān)狀態(tài)修改初始鄰接矩陣，得到當(dāng)前狀態(tài)下的鄰接矩陣，最后由當(dāng)前狀態(tài)的鄰接矩陣得到鄰接表；
圖2 基于面向?qū)ο蟮碾娋W(wǎng)靜態(tài)拓?fù)渖?/p>
（3）整個靜態(tài)拓?fù)渖傻牧鞒倘鐖D2所示。
4.2 網(wǎng)絡(luò)故障模擬
艦船綜合電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)由于各種原因，導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)故障，例如受到攻擊導(dǎo)致的設(shè)備損毀，人為操作失誤導(dǎo)致的開關(guān)誤動作等。反映在電網(wǎng)的拓?fù)淠Ｐ椭?，即表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。實際情況中表現(xiàn)出來的這種配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化具有隨機性。為了突出這種隨機性，網(wǎng)絡(luò)的故障模擬調(diào)用了面向?qū)ο蠛瘮?shù)庫"stdlib.h"中的隨機數(shù)生成函數(shù) srand()和 rand()。這兩個函數(shù)能實現(xiàn)對隨機故障的合理模擬。生成的開關(guān)狀態(tài)再返回到主程序中實現(xiàn)故障狀態(tài)的鄰接矩陣的生成。
4.3 基于深度優(yōu)先算法的對故障的拓?fù)涓?/h3>
深度優(yōu)先搜索法（DFS）是用來判斷圖中頂點間連通性的一種常用方法。DFS的具體搜索過程如下：訪問節(jié)點v0以后，訪問一個v0鄰接到的未被訪問過的節(jié)點v1，再從v1出發(fā)按深度方向搜索。當(dāng)遇到一個所有鄰接于它的節(jié)點都被訪問過的節(jié)點u時，回到已訪問節(jié)點序列中最后一個擁有未被訪問過的相鄰節(jié)點的節(jié)點w，再從w出發(fā)按深度方向搜索。最后，當(dāng)任何已被訪問過的節(jié)點都沒有未被訪問的相鄰節(jié)點時，搜索結(jié)束。深度優(yōu)先搜索是一種先根遍歷的過程，其本質(zhì)上是對每個頂點查找其鄰接點的過程[9]。
深度優(yōu)先搜索法的實現(xiàn)主要是利用堆棧技術(shù)，從一個頂點出發(fā)，利用一個“先進后出”的堆棧存放中間分支點，沿一條路徑走到盡頭，再通過出棧操作，按原路逐步退回，直至找到一條新的未被訪問過的分支路徑，再沿此路徑走到盡頭，依此類推。
在面向?qū)ο蟓h(huán)境中建立起電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ秃?，就可以采用深度?yōu)先搜索法進行電網(wǎng)拓?fù)涞倪B通性分析，實現(xiàn)對元件帶電情況進行判斷。即判斷某個負(fù)荷或者某個電氣元件的帶電情況，等價于判斷該負(fù)荷或電氣元件所對應(yīng)的頂點是否與某個發(fā)電機類頂點連通。搜索程序的流程如圖3所示。
5 算例分析
對艦船綜合電力系統(tǒng)可能采取的有四個電站的交流輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)采用上述基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的拓?fù)浣?、故障模擬及拓?fù)涓欉M行算例分析。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為：470個節(jié)點，包含4臺發(fā)電機，5個負(fù)荷中心，49個負(fù)載支路，163個斷路器，57個自動或手動轉(zhuǎn)換開關(guān)。
圖3 基于面向?qū)ο蟮碾娋W(wǎng)故障拓?fù)涓?/p>
初始情況為所有開關(guān)均閉合，所有自動或手動轉(zhuǎn)換開關(guān)常規(guī)開關(guān)閉合，備用開關(guān)斷開。然后調(diào)用隨機數(shù)生成函數(shù) srand()和 rand()模擬生成兩個隨機的故障，即兩個斷路器斷開，生成故障狀態(tài)下的鄰接矩陣及鄰接表。然后程序用深度優(yōu)先算法進行拓?fù)涓?。最后采用開關(guān)分類分析重構(gòu)算法進行自動或手動轉(zhuǎn)換開關(guān)動作看能否實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)達(dá)到失電負(fù)荷恢復(fù)供電。
開關(guān)分類分析重構(gòu)算法是基于對開關(guān)的分類，然后就分類組合后的所有失電情況進行裝換開關(guān)動作，算例電網(wǎng)共有 163個開關(guān)，分為 11類，如表1所示。兩處故障（開關(guān)動作）時，共有失電情況12種，對每一種進行相應(yīng)的分析，得到相應(yīng)的自動或手動轉(zhuǎn)換開關(guān)動作規(guī)律。
兩處故障（開關(guān)動作）分類分析示意圖如圖4所示。
表1 電網(wǎng)開關(guān)分類表
進行了三次故障模擬，結(jié)果如表2所示。
?
?
6 結(jié)束語
(1) 本文從艦船綜合電力系統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，建立了電網(wǎng)的無向圖模型與節(jié)點/支路模型，并基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)了對整個配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣：挽o態(tài)拓?fù)浔磉_(dá)。
(2) 并針對艦船綜合電力系統(tǒng)故障的隨機性特點，在面向?qū)ο蟮耐負(fù)浞治龀绦蛑姓{(diào)用了隨機數(shù)生成函數(shù)模擬故障及開關(guān)動作，并采用深度優(yōu)先算法，在面向?qū)ο蟪绦蛑袑崿F(xiàn)對負(fù)荷失電的動態(tài)拓?fù)涓櫋?/p>
(3) 本文在算例分析中，對艦船綜合電力系統(tǒng)可能采取的四個電站的交流輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)采用上述基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的拓?fù)浣?、故障模擬及拓?fù)涓櫍⒔Y(jié)合開關(guān)分類重構(gòu)算法給出了恢復(fù)供電方案。算例分析證明了該方法對電網(wǎng)拓?fù)浣３晒Γ⒛軌驅(qū)崿F(xiàn)對故障的隨機模擬及快速的拓?fù)涓櫋?/p>
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[6] 蔡英，劉均梅.離散數(shù)學(xué)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003：205-206.
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[8] 董張卓，秦紅霞，孫啟宏等.采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和方法的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖俑櫍ǘJ].中國電機工程學(xué)報，1998，18(4)：283-286.
[9] 盧開澄, 盧華明. 圖論及其應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社.
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