張文保，施偉鋒，蘭瑩，顧思宇，卓金寶

上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306

0 引 言

船舶電能質(zhì)量的定義為：表征船舶在各種工況下產(chǎn)生、分配及使用電能的一組參數(shù)［1］。船舶電能質(zhì)量將影響船舶電力系統(tǒng)的持續(xù)性、可靠性和穩(wěn)定性，是動(dòng)力推進(jìn)、甲板機(jī)械、控制與通信設(shè)備等正常工作的重要保障［2］。影響船舶電能質(zhì)量的因素很多，例如：日益增加的非線性負(fù)載將為船舶電網(wǎng)注入大量的諧波；電力推進(jìn)船舶的艏部側(cè)向推進(jìn)器、主推進(jìn)器等大功率設(shè)備的投切將引起負(fù)載功率的突變，從而導(dǎo)致船舶微電網(wǎng)電壓的波動(dòng)；三相負(fù)載不平衡和系統(tǒng)元件三相參數(shù)不對(duì)稱將導(dǎo)致船舶電力系統(tǒng)的三相不平衡。隨著電力推進(jìn)船舶的快速發(fā)展，有必要對(duì)船舶電能質(zhì)量開展有效評(píng)估，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，從而減少維修工作量［3］，并保障船舶電力系統(tǒng)的持續(xù)可靠運(yùn)行。

由于船舶電力系統(tǒng)的自身容量較小且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其質(zhì)量評(píng)估方面的研究現(xiàn)狀并不盡如人意。目前，研究學(xué)者已經(jīng)針對(duì)陸上大電網(wǎng)提出了大量的電能質(zhì)量評(píng)估方法，主要包括：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［4］、投影尋蹤法［5］、模糊數(shù)學(xué)法［6］等。然而，船舶電力系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的小型系統(tǒng)，現(xiàn)有評(píng)估方法因其自身特性與船舶這類特殊對(duì)象之間存在相互耦合影響，所以并非完全適用。

由于測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)電能質(zhì)量綜合評(píng)估的影響很大，故只有基于良好測(cè)試環(huán)境和準(zhǔn)確測(cè)試結(jié)果而開展的綜合評(píng)估，才具有真正的實(shí)用意義。需考慮的是：一方面，各種工況下船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及負(fù)荷變化差異很大，加之海洋環(huán)境等不確定性因素的影響，所以一般難以獲取高質(zhì)量的樣本數(shù)據(jù)；另一方面，基于數(shù)據(jù)分析的評(píng)估方法有賴于高質(zhì)量的訓(xùn)練樣本與評(píng)估數(shù)據(jù)，所以其在船舶電能質(zhì)量評(píng)估方面的應(yīng)用存在一定限制。

以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法為例，該方法依賴于大量精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過訓(xùn)練之后即可用于數(shù)據(jù)處理，且精度較高。然而，當(dāng)前的船舶電能質(zhì)量評(píng)估工作并沒有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，所以無法明確訓(xùn)練數(shù)據(jù)的劃分范圍；同時(shí)，船舶運(yùn)行工況易受外界環(huán)境因素的影響，所以無法為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供大量有效的訓(xùn)練樣本，這將降低船舶電能質(zhì)量評(píng)估結(jié)果的精度；此外，當(dāng)評(píng)估指標(biāo)較多時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的計(jì)算速度較慢，無法完全滿足船舶電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)評(píng)估要求。

以投影尋蹤法為例，該方法可以將高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間，具有良好的穩(wěn)健性、抗干擾性和較高的準(zhǔn)確度，但計(jì)算量很大、計(jì)算過程復(fù)雜、編程實(shí)現(xiàn)困難，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。同時(shí)，為了保證投影值可以最大程度地提取原始數(shù)據(jù)的變異信息，其對(duì)尋求最優(yōu)投影方向所需的樣本質(zhì)量要求較高，但船舶上因不確定因素導(dǎo)致的樣本誤差在所難免，所以該方法也不能完全滿足實(shí)時(shí)評(píng)估的要求。

針對(duì)上述問題，根據(jù)現(xiàn)有船舶電能質(zhì)量評(píng)估工作的研究成果，本文擬結(jié)合主流評(píng)估算法的特點(diǎn)和陸上大電網(wǎng)的評(píng)估思想，提出基于層析分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）—模糊綜合評(píng)估法（以下稱AHP—模糊法）的電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成船舶電能質(zhì)量的1 s 級(jí)實(shí)時(shí)評(píng)估，還可以避免因訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)誤差所導(dǎo)致的評(píng)估結(jié)果不準(zhǔn)確性，可為在船舶領(lǐng)域的質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估提供一種新的設(shè)計(jì)思路。

1 電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在船舶電力系統(tǒng)中，隨著聯(lián)網(wǎng)發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)的變化，船舶電源阻抗也會(huì)隨之改變，且變化范圍較大。同時(shí)，在實(shí)船電網(wǎng)中，往往并存了多種電能質(zhì)量問題且其會(huì)相互影響，故船舶電能質(zhì)量有一定的特殊性。目前，很多船級(jí)社公布的船舶檢驗(yàn)規(guī)范中均包含了船舶電能質(zhì)量的相關(guān)條款［7-9］。以電壓與頻率波動(dòng)為例，中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2018 版［10］對(duì)此提出了要求，如表1 所示。其中，缺失的指標(biāo)限制值表示船級(jí)社未定義該項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)。

表1 電壓和頻率波動(dòng)表Table 1 Voltage and frequency fluctuation table

由于電力電子器件在電力推進(jìn)船舶上應(yīng)用廣泛，故其電力系統(tǒng)的諧波問題頗為突出。對(duì)此，《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2018 版［10］第8 章規(guī)定：對(duì)于有半導(dǎo)體變換器裝置運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，1～15 次的諧波應(yīng)不超過標(biāo)稱電壓的5%，其后逐漸減少，在100次諧波時(shí)應(yīng)減少到1%。對(duì)于專用系統(tǒng)，總電壓畸變應(yīng)不超過10%。

另外，在功率的分配標(biāo)準(zhǔn)方面，《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2018 版［10］第4 章規(guī)定：有功功率分配系數(shù)在±15%以內(nèi)，無功功率分配系數(shù)在±10%以內(nèi)。

下文將根據(jù)表1 和船級(jí)社的相關(guān)規(guī)定，構(gòu)建船舶電能質(zhì)量評(píng)估體系，并劃分評(píng)估等級(jí)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

基于AHP—模糊綜合評(píng)估法，本文設(shè)計(jì)了電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)，其總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of realtime evaluation system for power quality of electric propulsion ships

首先，本系統(tǒng)通過無線通信方式實(shí)時(shí)獲取船舶電力系統(tǒng)的主要參數(shù)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、清洗等預(yù)處理；然后，結(jié)合本文選定的電能質(zhì)量評(píng)估體系和評(píng)估等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算；最后，通過設(shè)計(jì)GUI 界面和編譯相關(guān)程序代碼，完成實(shí)時(shí)評(píng)估功能。

3 層次分析法—模糊法的理論與應(yīng)用

3.1 船舶電能質(zhì)量的多層次評(píng)估指標(biāo)體系

AHP 法是一種將定性與定量分析相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法，可以將人類對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的思維過程數(shù)字化，將人工主觀判斷為主的定性分析定量化，將各種判斷要素之間的差異數(shù)值化，從而幫助人類保持思維過程的一致性，是一種廣泛應(yīng)用的指標(biāo)權(quán)重確定方法［11］。

在船舶電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建過程中，首先，應(yīng)選擇船舶系統(tǒng)安全運(yùn)行的相關(guān)指標(biāo)；其次，還應(yīng)考慮所選指標(biāo)的適用性、經(jīng)濟(jì)性，以及對(duì)船舶電力系統(tǒng)故障狀態(tài)的診斷性，即應(yīng)確保所選指標(biāo)可以明確指示船舶電力系統(tǒng)的狀態(tài)［1］。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，瞬態(tài)過電壓和暫時(shí)過電壓不易測(cè)量，其可操作性較差，因此本文的評(píng)估工作暫不考慮該項(xiàng)指標(biāo)。同時(shí)，我國(guó)船舶電能質(zhì)量的相關(guān)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)并不完善，所以優(yōu)先選擇各國(guó)船級(jí)社已配套成熟標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)構(gòu)建評(píng)估體系。經(jīng)綜合考量，本文篩選了8 項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)（電壓偏差、波動(dòng)、諧波、三相不平衡度、頻率偏差、頻率波動(dòng)、有功功率、無功功率），并采用AHP 法來構(gòu)建船舶電能質(zhì)量評(píng)估體系。

根據(jù)AHP 法的層次結(jié)構(gòu)，可以將船舶電能質(zhì)量的評(píng)估設(shè)定為目標(biāo)層，將電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量、功率分配系數(shù)設(shè)定為準(zhǔn)則層，將8 個(gè)具體評(píng)估指標(biāo)設(shè)定為指標(biāo)層，最終形成的綜合評(píng)估指標(biāo)體系如圖2 所示。

圖2 船舶電能質(zhì)量的多層次綜合評(píng)估指標(biāo)體系Fig.2 Index system for multi-level comprehensive evaluation of ship power quality

3.2 明確評(píng)估因素集

在船舶電能質(zhì)量評(píng)估體系中，各因素之間有層次之分，且很難用定量關(guān)系來表示。為此，本文將采用基于模糊數(shù)學(xué)的多層次模糊綜合評(píng)估方法［12］。圖2 中，評(píng)估因素集可以分為2 個(gè)層次：第1 個(gè)層次（指標(biāo)層），即電壓質(zhì)量U1=｛電壓偏差，波動(dòng)，諧波，三相不平衡度｝，頻率質(zhì)量U2=｛頻率偏差，頻率波動(dòng)｝，功率分配系數(shù)U3=｛有功功率，無功功率｝；第2 個(gè)層次（準(zhǔn)則層），即船舶電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量評(píng)估集U={U1，U2，U3} 。

3.3 明確評(píng)估等級(jí)

為了更好地呈現(xiàn)船舶電網(wǎng)狀態(tài)，需對(duì)船舶電能質(zhì)量的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分。通過借鑒陸地大電網(wǎng)評(píng)估等級(jí)的劃分方法，并結(jié)合船舶電力系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，針對(duì)前文選取的8 個(gè)評(píng)估指標(biāo)，采用5 等級(jí)變區(qū)間長(zhǎng)度劃分方法將單項(xiàng)指標(biāo)在限定值范圍內(nèi)分為5 個(gè)等級(jí)，記為評(píng)估等級(jí)集合V={1 ，2，3，4，5} ，等級(jí)越高即電能質(zhì)量越差。這種分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)在于：等級(jí)數(shù)量不多，可以避免因評(píng)估過程的計(jì)算量過大而導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性受到影響；同時(shí)，等級(jí)數(shù)量適中，可以避免因等級(jí)數(shù)量太少而導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的誤差過大［13-14］。

船舶電能質(zhì)量評(píng)估的等級(jí)區(qū)間劃分方法如圖3所示，橫向變量1～5 級(jí)評(píng)估值所對(duì)應(yīng)的定性評(píng)估結(jié)果為：優(yōu)、良、一般、差、很差。其中：1，2，3 為合格等級(jí)，采用均分方法；4，5 為不合格等級(jí)，其跨度為前面合格等級(jí)跨度的2 倍。通過變區(qū)間長(zhǎng)度的等級(jí)劃分，可以在質(zhì)量合格時(shí)精確考察質(zhì)量狀況，而在質(zhì)量不合格時(shí)大范圍地考察。

圖3 船舶電能質(zhì)量的評(píng)估等級(jí)區(qū)間劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of the classification of ship power quality assessment level

本文以中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2018 版）［10］為依據(jù)，進(jìn)行船舶電能質(zhì)量的評(píng)估等級(jí)劃分，具體如表2 所示。其中：電壓偏差x1的取值范圍為-6～+10，由于該范圍關(guān)于零點(diǎn)不對(duì)稱，故取值區(qū)間在表2 中分為2 欄顯示；其他指標(biāo)的取值范圍關(guān)于零點(diǎn)對(duì)稱或僅為正值，故統(tǒng)一采用絕對(duì)值表示。

3.4 指標(biāo)評(píng)估并建立模糊評(píng)估矩陣

由表2 可知，每5 組數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)評(píng)估數(shù)組計(jì)算單元。通過采取數(shù)據(jù)隊(duì)列的形式，即可實(shí)現(xiàn)周期為1 s 的實(shí)時(shí)評(píng)估。本文將采用橫、縱向的雙層概率統(tǒng)計(jì)方法來建立評(píng)估矩陣。首先，進(jìn)行橫向計(jì)算，得出某時(shí)刻數(shù)據(jù)的評(píng)估等級(jí)；然后，進(jìn)行縱向評(píng)估，根據(jù)1 個(gè)周期內(nèi)各評(píng)估等級(jí)的次數(shù)與總統(tǒng)計(jì)次數(shù)的占比，生成相關(guān)的隸屬向量，從而得到k 行m 列的實(shí)時(shí)評(píng)估矩陣Ri。

表2 電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量指標(biāo)的評(píng)估等級(jí)劃分范圍Table 2 Scope of electric power quality assessment level of electric propulsion ship

式中：i=1，2，…，s，為評(píng)估體系中的評(píng)估指標(biāo)序號(hào)，其中s 為評(píng)估指標(biāo)序號(hào)的最大值，以圖2 為例，s=8。

3.5 確定指標(biāo)權(quán)重

已知船舶電能質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估矩陣Ri，只需求得權(quán)重矩陣wi，經(jīng)模糊算子?運(yùn)算即可求得各子目標(biāo)的綜合評(píng)估向量Bi，即

本文將采用AHP 方法求解船舶電能質(zhì)量評(píng)估體系各層次指標(biāo)的權(quán)重值，其評(píng)估流程如圖4所示，主要步驟為：

步驟1：建立如圖2 所示的遞階結(jié)構(gòu)。

圖4 層次分析法流程圖Fig.4 Flow chart of analytic hierarchy process

步驟2：建立電能質(zhì)量?jī)蓛芍笜?biāo)之間的評(píng)估矩陣。該矩陣表示針對(duì)上一層某元素，本層次相關(guān)元素之間的相對(duì)重要性，通常采用1～9 標(biāo)度法進(jìn)行重要性比例標(biāo)度描述，其含義如表3 所示。表3 中，j為評(píng)估指標(biāo)序號(hào)。

評(píng)估矩陣一般通過專家調(diào)查或基于某一類型用戶角度建立，這里以本文評(píng)估體系中準(zhǔn)則層與指標(biāo)層的指標(biāo)為例進(jìn)行說明。對(duì)于圖2 綜合評(píng)估體系中的具體指標(biāo)U1，假設(shè)元素x1～x4的重要程度分別為1，3，2，2，其中x3，x4與x2之間的相對(duì)重要程度分別為3 和5，則x1～x4對(duì)U1的評(píng)估矩陣JU1-x1～x4如式（3）所示，該矩陣是主對(duì)角元素均為1的4×4 矩陣。同理，可以得到指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層、準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的評(píng)估矩陣。

表3 層級(jí)分析法的重要性比例標(biāo)度Table 3 The scale of the importance of analytic hiearchy process

步驟3：層次單排序和一致性檢驗(yàn)。評(píng)估矩陣的生成是通過各專家或決策者根據(jù)自身知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)得到，故需對(duì)矩陣進(jìn)行一致性判斷，才能證明所構(gòu)建的船舶電能質(zhì)量評(píng)估體系中各指標(biāo)之間邏輯關(guān)系的正確性。

1）計(jì)算評(píng)估矩陣的一致性指標(biāo)CI，即

式中：n為評(píng)估矩陣的階數(shù)，即評(píng)估元素的數(shù)量；λmax為評(píng)估矩陣JU1-x1～x4的最大特征值。

2）根據(jù)AHP 法中隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 與階數(shù)n 之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值關(guān)系，即可得出與一致性比例CR相關(guān)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。

3）計(jì)算一致性比例CR，即

步驟4：求解層級(jí)總排序，計(jì)算權(quán)重值。本文將通過Matlab 的eig 函數(shù)計(jì)算權(quán)重值，得到x1～x4的權(quán)重值分別為：0.405 7，0.085 4，0.233 8，0.275 1。采用同樣的方法計(jì)算層次間的各指標(biāo)權(quán)重值，即可得到船舶電能質(zhì)量評(píng)估體系的各層次權(quán)重值，結(jié)果如表4 所示。

表4 船舶電能質(zhì)量評(píng)估的層次權(quán)重值Table 4 Level weight value of ship power quality assessment

3.6 綜合評(píng)估結(jié)果的模糊合成

將各指標(biāo)的實(shí)時(shí)評(píng)估矩陣與相應(yīng)權(quán)重值進(jìn)行模糊算子運(yùn)算，即可得到綜合評(píng)估的結(jié)果向量［15］。根據(jù)不同的模糊合成算子，可以演變出不同的模糊評(píng)估模型，常用的4 種模糊算子的特點(diǎn)如表5 所示。本文將采用第4 種加權(quán)平均算子，該算子可以充分利用船舶電能質(zhì)量綜合評(píng)估體系中的指標(biāo)層信息，得到準(zhǔn)確性高、綜合性強(qiáng)的系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果。

表5 4 類算子的特點(diǎn)Table 5 Summary of 4 kinds of operator characteristics

4 船舶電能質(zhì)量的評(píng)估方法對(duì)比及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法在船舶電能質(zhì)量評(píng)估中的合理性和優(yōu)越性，對(duì)電力推進(jìn)船舶在不同工況下的電能質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)估，并與熵權(quán)法［16］、木桶原理法［17］的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。評(píng)估數(shù)據(jù)來自Matlab 電力推進(jìn)船舶仿真模型，每種工況采集5 組數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5 所示。圖5 中：橫坐標(biāo)為評(píng)估指標(biāo)x1～x8，每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)5 組數(shù)據(jù)，按采集順序排列，具體含義參考表2；T1為船舶的加速工況；T2為船舶的全速運(yùn)行工況；T3為船舶的減速工況；T4為船舶艏側(cè)推啟動(dòng)工況；T5為船舶艏側(cè)推啟動(dòng)工況的第0～1 s 階段。

圖5 中，8 項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)（電壓偏差、波動(dòng)、諧波、三相不平衡度、頻率偏差、頻率波動(dòng)、有功功率、無功功率）均進(jìn)行了歸一化處理，故縱坐標(biāo)均為無量綱數(shù)值。

圖5 多工況下的評(píng)估指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)折線圖Fig.5 Line chart of test data of evaluation indexes under multiple operating conditions

4.1 船舶電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重

基于圖5 數(shù)據(jù)進(jìn)行AHP 法與熵權(quán)法計(jì)算，即可得到5 種工況下的各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重，如表6 所示。鑒于木桶原理法相對(duì)簡(jiǎn)單，即每種工況下的最差指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的等級(jí)權(quán)重為1，其他全為0，故不在表6 中列出詳述。由表6 可知，AHP 法求得的權(quán)重值在5 種工況下完全相同，而熵權(quán)法的計(jì)算結(jié)果則有所不同。

4.2 船舶電能質(zhì)量的綜合評(píng)估結(jié)果

將所測(cè)量的船舶電能質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)代入AHP—模糊法、熵權(quán)法和木桶原理法，計(jì)算評(píng)估矩陣與權(quán)重，即可得到5 種工況下的評(píng)估等級(jí)隸屬度，如圖6 所示。按照最大隸屬度原則，即可求得船舶電能質(zhì)量的綜合評(píng)估結(jié)果。

表6 船舶電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重值Table 6 Weight of ship power quality assessment indexes

圖6 船舶電能質(zhì)量綜合評(píng)估結(jié)果Fig.6 The results of comprehensive assessment of ship power quality

由圖6 可知：在T3工況下，基于短板效應(yīng)的木桶原理法的評(píng)估等級(jí)為4，而AHP—模糊法的評(píng)估等級(jí)為1；其他工況下，木桶原理法的評(píng)估等級(jí)均為5；AHP—模糊法在T1，T2，T4工況下的評(píng)估等級(jí)為1，在T5工況下的評(píng)估等級(jí)為2。由此可知，AHP—模糊法與木桶原理法相比，充分考慮了多層次之間不同指標(biāo)對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，故其更為合理。

經(jīng)分析，在5 種運(yùn)行工況下：

1）AHP—模糊法與熵權(quán)法的評(píng)估結(jié)果基本一致，這也驗(yàn)證了AHP—模糊法對(duì)船舶電能質(zhì)量評(píng)估工作的合理性。

2）AHP—模糊法與熵權(quán)法在各等級(jí)上的隸屬度不完全相同，這說明2 種方法在某一指標(biāo)上分配了不同的評(píng)估權(quán)值；相較于從數(shù)據(jù)本身獲取權(quán)重的熵權(quán)法，AHP—模糊法考慮了各指標(biāo)的實(shí)際重要程度，在兼顧評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，可以更全面地反映決策者的偏好。

3）T5為船舶艏側(cè)推啟動(dòng)工況的第0～1 s 階段，需注意的是，艏側(cè)推這類大功率設(shè)備的重載啟動(dòng)將對(duì)船舶微電網(wǎng)造成明顯影響。T5階段的電能質(zhì)量評(píng)估結(jié)果等級(jí)較前4 種工況出現(xiàn)了顯著下滑。在實(shí)船應(yīng)用中，艏側(cè)推啟動(dòng)瞬間將影響各個(gè)評(píng)估指標(biāo)，進(jìn)而降低船舶電能質(zhì)量的評(píng)估等級(jí)，所以圖6 所示的評(píng)估結(jié)果與實(shí)船工況相符，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了AHP—模糊法在船舶電能質(zhì)量評(píng)估中的正確性與合理性。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)樣本

為了進(jìn)一步開展驗(yàn)證工作，本文將在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬實(shí)船運(yùn)行工況，其電力推進(jìn)船舶實(shí)驗(yàn)裝置如圖7 所示，待評(píng)估數(shù)據(jù)如表7 所示。對(duì)于船舶的主要航行工況，黃振華等［18］針對(duì)某型遠(yuǎn)洋特種電力推進(jìn)船舶的航行功率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，船舶在航渡工況下的運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)（該工況下主機(jī)以80%～85%的額定功率運(yùn)行），所以該工況具有一定的代表性。為了最大程度地契合實(shí)船運(yùn)行工況，本文的電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置將在80%～85%的額定負(fù)載功率條件下全速前進(jìn)，從而獲取具有代表性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本。在電力推進(jìn)船舶實(shí)驗(yàn)裝置的全速前進(jìn)工況下，隨機(jī)取t1，t2，t3，t4時(shí)刻的4 組電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為原始樣本，其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的刷新與采集周期均為1 s。原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)清洗等初步處理之后，即可作為待評(píng)估的樣本數(shù)據(jù)，如表7 所示。

圖7 電力推進(jìn)船舶實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental device for electric propulsion ship

表7 船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量待評(píng)估數(shù)據(jù)Table 7 Data to be evaluated for power quality of ship power system

5.2 結(jié)果與分析

為了實(shí)現(xiàn)評(píng)估結(jié)果的定性與定量綜合分析，本文將結(jié)合AHP—模糊法與百分制評(píng)分形式，對(duì)評(píng)估結(jié)果數(shù)值進(jìn)行量化顯示。由于評(píng)估等級(jí)集合V={1 ，2，3，4，5} 對(duì)應(yīng)了定性評(píng)估結(jié)果｛優(yōu)，良，一般，差，很差｝，故分別賦值為100，75，50，25，0，即百分制評(píng)分集合A={100，75，50，25，0}。表7 中的數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)評(píng)估之后，所得的船舶電能質(zhì)量綜合評(píng)分值如表8 所示。

由表8 可知，指標(biāo)層中波動(dòng)和三相不平衡度這2 項(xiàng)指標(biāo)的得分較低，影響了準(zhǔn)則層電壓質(zhì)量指標(biāo)的得分，并最終影響了目標(biāo)層船舶電能質(zhì)量的評(píng)估結(jié)果，這符合電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)的實(shí)際工況，該結(jié)果進(jìn)一步證明了本文評(píng)估體系的合理性和有效性。

表8 船舶電能質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的綜合評(píng)分值Table 8 Comprehensive scoring value of ship power quality by realtime assessment system

5.3 實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)界面顯示

為了使系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果的顯示效果更加直觀，本文通過Matlab 軟件進(jìn)行了GUI 界面設(shè)計(jì)。其中，評(píng)估結(jié)果以百分制評(píng)分的形式呈現(xiàn)，同時(shí)還賦予數(shù)值不同的顏色，以區(qū)分評(píng)估結(jié)果等級(jí)；此外，系統(tǒng)還可以顯示電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、諧波數(shù)據(jù)、電流電壓的動(dòng)態(tài)矢量圖等信息，如圖8 所示。

6 結(jié) 語

圖8 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)界面Fig.8 Realtime evaluation system interface of power grid side power quality for electric propulsion ship

本文設(shè)計(jì)了一種基于AHP—模糊法的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)，可以對(duì)多種工況下的電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)評(píng)估，為針對(duì)此方面的評(píng)估方法研究提供了一種新的思路，也為其他評(píng)估方法在該領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了實(shí)踐與理論基礎(chǔ)。本評(píng)估系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：1）可以實(shí)現(xiàn)船舶電能質(zhì)量1 s級(jí)的實(shí)時(shí)評(píng)估。2）可以同時(shí)生成定性與定量2 種形式的評(píng)估結(jié)果。

3）基于AHP 法構(gòu)建的多層次綜合評(píng)估體系可以反映評(píng)估對(duì)象各指標(biāo)的層次性，同時(shí)又避免了指標(biāo)過多而導(dǎo)致的難以分配權(quán)重的弊病，比單層次評(píng)估體系更精細(xì)、更準(zhǔn)確地反映了各評(píng)估指標(biāo)之間的關(guān)系。

4）通過應(yīng)用AHP 方法，降低了評(píng)估指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的人為主觀性，提高了評(píng)估結(jié)果的容錯(cuò)能力。同時(shí)，根據(jù)該系統(tǒng)的評(píng)估計(jì)算結(jié)果，可以更好地發(fā)現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

5）該系統(tǒng)不僅適用于船員進(jìn)行船舶電能質(zhì)量評(píng)估，也可以作為科研人員的研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

隨著船舶行業(yè)朝著信息化、數(shù)字化、智能化等方向發(fā)展，以及船舶電能質(zhì)量指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善，船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的評(píng)估工作將為船舶控制中心提供更多的決策參考信息，這對(duì)加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)管并提高船舶運(yùn)行效率有著重要的意義。