陳 帆，楊宣訪，高忠峰，胡 健

(1.中國人民解放軍92060 部隊(duì)，遼寧 大連116000;2.中國人民解放軍91446 部隊(duì)，河北 保定072750)

0 引 言

自20世紀(jì)60年代以來，大面積停電事故時(shí)有發(fā)生，各國對電力系統(tǒng)安全分析高度關(guān)注［1］。目前隨著現(xiàn)代船舶向大型化、現(xiàn)代化、自動(dòng)化不斷發(fā)展，船舶電站容量顯著增大，電網(wǎng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，船舶靜態(tài)安全分析也因此而越來越受到重視。但是目前不管是陸地電網(wǎng)還是船舶電力系統(tǒng)對靜態(tài)安全評估指標(biāo)并無權(quán)威的定論。

模糊綜合評判是依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的原理，對實(shí)際的綜合評判問題提供評判方法，即將一些不易定量、邊界不清的因素定量化，并從多個(gè)因素對評判事物隸屬等級狀況進(jìn)行綜合性評判［2］

本文提出一種基于模糊綜合評判的船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全評估指標(biāo)體系，并以某船電力系統(tǒng)為算例，計(jì)算某時(shí)刻工況下的安全指標(biāo)，以證明該指標(biāo)體系的合理性。

1 船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全評估體系的建立

船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)小型獨(dú)立的電力系統(tǒng)，在一定的工況下，其靜態(tài)安全的內(nèi)容包括預(yù)想事故分析后的過載危害度和失電危害度，當(dāng)前工況的功率裕度。因此，船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全評估體系應(yīng)當(dāng)包括失電預(yù)想事故指標(biāo)、過載預(yù)想事故指標(biāo)和功率裕度3 個(gè)方面，如圖1所示。

本文提出的安全評估體系主要思路為先通過加權(quán)求和的方式將單個(gè)故障的負(fù)荷損失率、失電設(shè)備率，過載率、過載設(shè)備率合成單個(gè)故障的失電預(yù)想事故指標(biāo)、過載預(yù)想事故指標(biāo)，然后即可求得系統(tǒng)的失電預(yù)想事故指標(biāo)、過載預(yù)想事故指標(biāo)，最后用模糊綜合評估的方法建立以失電預(yù)想事故指標(biāo)、過載預(yù)想事故指標(biāo)、功率裕度為基礎(chǔ)的船舶電力系統(tǒng)安全評估體系。

圖1 船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全評估體系Fig.1 The static security index system of ship power system

1.1 船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全行為指標(biāo)的確定

船舶電力系統(tǒng)相對于陸地電網(wǎng)是一個(gè)小型獨(dú)立的電力系統(tǒng)，更容易發(fā)生失電故障，而像推進(jìn)負(fù)載等重要負(fù)載是船舶的生命力，因此發(fā)生失電故障將產(chǎn)生極為嚴(yán)重的后果，將失電預(yù)想事故作為船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全的一個(gè)行為指標(biāo)非常有必要。現(xiàn)定義失電預(yù)想事故指標(biāo)包括負(fù)荷損失率和失電設(shè)備率，如式(1)～式(3)所示。

式中:BSD為失電故障后負(fù)荷損失率指標(biāo);α 為系統(tǒng)負(fù)載的集合;β 為預(yù)想事故后失電負(fù)載集合;Pi為第i 個(gè)失電負(fù)載發(fā)生故障前的功率;為系統(tǒng)第j 個(gè)負(fù)載的額定功率;γi為第i 個(gè)失電負(fù)載的等級因子;γj為系統(tǒng)第j 個(gè)負(fù)載的等級因子。

式中:CSD為失電故障后失電設(shè)備率指標(biāo)，反映了發(fā)生失電故障的負(fù)載數(shù)量的指標(biāo)。

式中:SSD為失電預(yù)想事故指標(biāo);NB為預(yù)想事故集中的預(yù)想事故數(shù)目;φ11為負(fù)荷損失率行為指標(biāo)的權(quán)重;φ12為失電設(shè)備率行為指標(biāo)的權(quán)重;為第n 個(gè)預(yù)想事故事故后負(fù)荷損失率;為第n 個(gè)預(yù)想事故事故后失電設(shè)備率。

設(shè)備過載也是電力系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的故障，但是由于一般現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)都設(shè)置相對完善的過載保護(hù)，因此過載故障的危害程度不如失電故障大。同理過載預(yù)想事故指標(biāo)包括過載率和過載設(shè)備率，如式(4)～式(6)所示。

式中:BGZ為過載故障后過載率指標(biāo);η 為預(yù)想事故后過載設(shè)備的集合;γm為第m 個(gè)失電負(fù)載的等級因子;Pm為第m 個(gè)設(shè)備發(fā)生過載故障的功率;為系統(tǒng)第m 個(gè)負(fù)載的額定功率。式(4)實(shí)質(zhì)上是以的形式對過載率進(jìn)行歸一化。

式中:CGZ為發(fā)生過載故障后的過載設(shè)備率指標(biāo)，反映了過載故障的多少;α 為系統(tǒng)負(fù)載的集合;γk為系統(tǒng)第k 個(gè)負(fù)載的等級因子。

式中:SGZ為過載預(yù)想事故指標(biāo);φ21為過載率行為指標(biāo)的權(quán)重;φ22為過載設(shè)備率行為指標(biāo)的權(quán)重;為第n 個(gè)預(yù)想事故事故后過載率;為第n 個(gè)預(yù)想事故事故后過載設(shè)備率。

式中:Yd為功率裕度;Pr為系統(tǒng)額定功率;Pa為系統(tǒng)當(dāng)前工況輸出功率。

1.2 各行為指標(biāo)權(quán)重的確定

本文采用灰色層次分析法來確定各行為指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法是利用一定的標(biāo)度將已層次化的問題進(jìn)行客觀量化，并在此基礎(chǔ)上定性和定量分析［3］。而相對于傳統(tǒng)的層次分析法，灰色層次分析法在標(biāo)度時(shí)不需要給出十分精確的比較值，只需要給出一定的范圍，然后通過數(shù)學(xué)工具將其轉(zhuǎn)換為正規(guī)的判斷矩陣，從而解決認(rèn)知不確定性的問題［4］。

灰色層次分析法的步驟［5］為:

1)構(gòu)造灰數(shù)分判斷矩陣

聘請m 個(gè)專家，對指標(biāo)體系中同層次的各個(gè)因素進(jìn)行兩兩比較，分別構(gòu)造灰數(shù)分判斷矩陣

2)構(gòu)造灰數(shù)總判斷矩陣

根據(jù)各位專家的灰數(shù)分判斷矩陣，來構(gòu)造灰數(shù)判斷矩陣

3)灰數(shù)總判斷矩陣的定位

定位灰數(shù)總判斷矩陣，可得到相應(yīng)的白化矩陣

4)確定權(quán)重

計(jì)算白化矩陣每一行元素乘積，計(jì)算其n 次方根，并作歸一化處理:

所得W=［W1，W2，…Wn］T即為所求權(quán)重A。

1.3 模糊綜合評判的建立

因素集根據(jù)評判體系劃分，表示評估方從哪些方面對被評估事物進(jìn)行評估描述的集合。根據(jù)船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全評估體系，對應(yīng)的因素集可定義如下式［6］:

式中:u1為失電預(yù)想事故指標(biāo);u2為過載預(yù)想事故指標(biāo);u3為功率裕度。

評語集是對被評估事物變化區(qū)間的劃分，表示評估結(jié)果組成的集合［7］。本文定義評語集為V={v1，v2，v3，v4}，分別表示安全、存在隱患、危險(xiǎn)、非常危險(xiǎn)。在實(shí)際中，為使最終評估結(jié)果更為直觀，常對其給出具體數(shù)據(jù)，本文設(shè)安全、存在隱患、危險(xiǎn)、非常危險(xiǎn)對應(yīng)的系數(shù)分別為1，0.9，0.7，0.3。

隸屬度是表示某個(gè)因素屬于某一狀態(tài)可能性的數(shù)值，其范圍為［0，1］，本文通過向數(shù)位專家咨詢，得到每個(gè)評語下的專家人數(shù)比例，來確定不同因素對每個(gè)評語的隸屬度。由隸屬度可確定其評判矩陣。

由隸屬度表確定的評價(jià)矩陣R，并由公式(13)公式(14)可得到模糊量B和最終評判結(jié)果。

2 實(shí)例應(yīng)用

本文以某船電力系統(tǒng)為算例，實(shí)現(xiàn)上文所論述方法。采集數(shù)據(jù)時(shí)其工況為由G1和G2兩個(gè)發(fā)電機(jī)組為推進(jìn)負(fù)載、負(fù)載區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3 及區(qū)域4 供電。功率裕度Yd=0.6492 根據(jù)狀態(tài)估計(jì)所得數(shù)據(jù)、預(yù)想事故分析所得故障后果，可得某船電力系統(tǒng)某時(shí)刻預(yù)想事故各行為指標(biāo)值，如表1所示。

表1 某船電力系統(tǒng)預(yù)想事故行為指標(biāo)Tab.1 The index of contingency analysis for a shipboard power system

先由專家給定灰數(shù)判斷矩陣，后根據(jù)專家的“權(quán)威性”賦予各位專家不同的重要性權(quán)值，根據(jù)式(8)～式(11)計(jì)算灰數(shù)總判斷矩陣及各指標(biāo)權(quán)重，負(fù)荷損失率、失電設(shè)備率權(quán)重如表2所示。同理可得過載率、過載設(shè)備率的權(quán)重系數(shù)為0.7949和0.2051;失電預(yù)想事故指標(biāo)、過載預(yù)想事故指標(biāo)、功率裕度權(quán)重系數(shù)為0.2639，0.0657，0.6704。

表2 失電預(yù)想事故指標(biāo)權(quán)重Tab.2 The weight of damage of power-losing fault

由式(3)和式(6)可得SSD=0.3187，SGZ=0.0507。再由專家確定各因素的隸屬度，結(jié)果如表3所示。

表3 船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全評估指標(biāo)的隸屬度Tab.2 The membership of shipboard power system static security evaluation index

由表3 可知評價(jià)矩陣

代入式(13)～式(14)可得模糊向量和最終評估結(jié)果:

由于系統(tǒng)確系運(yùn)行在安全狀態(tài)中，與本文所評估結(jié)果一致，實(shí)例初步表明，本文所用評估體系確實(shí)合理有效。

3 結(jié) 語

本文首先根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的實(shí)際情況提出船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全各個(gè)因素及其行為指標(biāo)，然后利用灰色層次法確定各指標(biāo)的權(quán)重，最后利用模糊綜合評判方法對船舶電力系統(tǒng)靜態(tài)安全進(jìn)行評估。實(shí)例初步驗(yàn)證了此方法可實(shí)現(xiàn)定性和定量地評估船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)安全狀況，從而給船員科學(xué)的、客觀的判斷。

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