智能診斷系統(tǒng)在艦船綜合電力系統(tǒng)中的發(fā)展分析

韓曉+付妍

摘 要：未來艦船的綜合電力系統(tǒng)具有復(fù)雜的電氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，因此，需要引入新興技術(shù)，比如智能配置和重組技術(shù)，以適應(yīng)未來艦船的發(fā)展需求。然而，故障模式下系統(tǒng)層級(jí)的組件故障信息需要智能分布式電力系統(tǒng)來處理，所以，傳感器、組件及子系統(tǒng)的診斷信息和監(jiān)測范圍對(duì)于保證系統(tǒng)指標(biāo)的可靠性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的后續(xù)保障起到了至關(guān)重要的作用。主要介紹了可用于艦船綜合電力系統(tǒng)故障診斷的相關(guān)設(shè)備和可行技術(shù)，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：智能診斷；綜合電力系統(tǒng)；知識(shí)管理；重組技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.023

文章編號(hào)：2095-6835（2016）20-0023-02

未來海軍艦船會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)提出很高的需求，不僅要滿足艦船推進(jìn)設(shè)備的用電需求，還要滿足高能武器系統(tǒng)、輔助電子設(shè)施、電子戰(zhàn)和網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的作戰(zhàn)需要。幾乎電力船上的所有設(shè)備，包括傳感器、泵、電機(jī)、武器系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等都需要船上的電力系統(tǒng)支持。因此，艦上分布式電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)要具有較高的可靠性和安全性。電力分配包含電力從多個(gè)發(fā)電設(shè)備輸送至一組動(dòng)態(tài)加載的設(shè)備，此傳輸過程會(huì)隨著戰(zhàn)斗任務(wù)部署的變化實(shí)時(shí)改變其加載設(shè)備優(yōu)先級(jí)和關(guān)鍵傳輸路徑。利用高速固態(tài)開關(guān)、電力電子智能控制器和通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，可以構(gòu)成各發(fā)電設(shè)備至負(fù)載設(shè)備間的電力分配網(wǎng)絡(luò)，形成局部公共電力電子?xùn)鸥瘛Ｔ谌炆喜贾枚鄠€(gè)發(fā)電、儲(chǔ)電設(shè)備，通過對(duì)加載設(shè)備的動(dòng)態(tài)管理，能夠改變電力柵格的互聯(lián)關(guān)系，以降低電力系統(tǒng)集中部署模式下的故障失效風(fēng)險(xiǎn)。出于對(duì)可靠性和建造成本的考慮，未來艦船電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平應(yīng)適合低人力配置、高可用、低成本模塊化設(shè)計(jì)的要求。

1 電力系統(tǒng)

典型綜合電力系統(tǒng)是由3個(gè)大型汽輪發(fā)電機(jī)和1個(gè)輔助汽輪發(fā)電機(jī)共同組成的主發(fā)電設(shè)備。其他發(fā)電設(shè)備，比如燃料電池和柴油發(fā)電機(jī)，可以類似電力柵格的形式接入綜合電力系統(tǒng)中。接入的負(fù)載設(shè)備，比如艦船推進(jìn)系統(tǒng)或艦上其他服務(wù)設(shè)施，可從分布式電力網(wǎng)絡(luò)中按需獲取相應(yīng)的電力資源。在工作中，采用區(qū)域化架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將各區(qū)域相互隔離，在各相互獨(dú)立的區(qū)域內(nèi)配置電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，以控制電力故障的傳播。通過采用故障擴(kuò)散的控制，動(dòng)態(tài)智能化的電力再分配手段，可以擴(kuò)大全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邊界，提高系統(tǒng)的可靠性。

與電力系統(tǒng)硬件設(shè)備同步快速發(fā)展的還有與之相關(guān)的軟件控制方法。綜合電力系統(tǒng)分布式、模塊化、開放式的控制架構(gòu)，能夠有效縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，降低開發(fā)成本，減少后期的軟件維護(hù)費(fèi)用。以發(fā)展的眼光看，應(yīng)當(dāng)積極評(píng)估開放式架構(gòu)在目標(biāo)成本中的價(jià)值。評(píng)估結(jié)果顯示，不同領(lǐng)域內(nèi)的系統(tǒng)有超過60%的費(fèi)用用于系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)。傳統(tǒng)使用的控制軟件與硬件間的耦合度比較高，在設(shè)計(jì)和維護(hù)方面具有一定的難度。軟件人員需要掌握多種協(xié)議、規(guī)范，了解控制方法、控制機(jī)制、硬件實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)通信方式。由于對(duì)硬件的高度依賴，軟件在不進(jìn)行二次設(shè)計(jì)的前提下適配不同控制系統(tǒng)存在一定的局限性，因此，也增加了軟件的設(shè)計(jì)成本。開放式的系統(tǒng)架構(gòu)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，標(biāo)準(zhǔn)化定義通用接口。與之對(duì)應(yīng)的開放式的軟件架構(gòu)通過模塊化設(shè)計(jì)，將標(biāo)準(zhǔn)的控制算法封裝為可重復(fù)使用的固定代碼段，形成基本的軟件控制組件。這樣做，不僅可以有效縮短開發(fā)周期，還可以降低系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)成本。

普遍適用的控制器計(jì)算環(huán)境借用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將控制任務(wù)分發(fā)至控制網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)處理器上。這就使未來的控制系統(tǒng)利用軟件分配控制目標(biāo)至不同控制器，自動(dòng)配置任意數(shù)量的處理器成為可能。這項(xiàng)技術(shù)將最大程度地提升系統(tǒng)環(huán)境的容錯(cuò)能力，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)控制功能失效后，可重新部署處理器對(duì)控制功能進(jìn)行再次配置。

2 可靠性與重組技術(shù)

軟件重組技術(shù)的研究可以加速提升控制網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)性和可靠性。艦上綜合電力系統(tǒng)的自動(dòng)重組功能將成為未來艦船可靠性設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要需求?，F(xiàn)有的艦船控制系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)故障分離，而且對(duì)于人工排故的依賴性比較高。但是，系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高、開發(fā)時(shí)間的限制和人力的壓縮在一定程度上解決了綜合電力系統(tǒng)的故障恢復(fù)問題，而重組技術(shù)是可行途徑之一。許多方法均可實(shí)現(xiàn)上述控制問題，層次化的系統(tǒng)可以將上層監(jiān)管個(gè)相關(guān)功能與底層重要的安全保障功能分隔開來。這種處理方式可以將底層或組件級(jí)的控制嵌入配置到受控的系統(tǒng)設(shè)備中。通過植入臨界控制傳感系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)，組件級(jí)的控制器可以實(shí)現(xiàn)自行管理，功能擴(kuò)展，而不再依賴外部數(shù)據(jù)的支持。將系統(tǒng)故障與問題隔離在組件級(jí)的控制范圍外，通過對(duì)底層控制器間進(jìn)行物理隔離，可以最大程度確保系統(tǒng)的可靠性。上層監(jiān)控功能可在層次化系統(tǒng)的不同層級(jí)上實(shí)現(xiàn)，通過某一區(qū)域內(nèi)的底層控制器影響其相關(guān)層級(jí)的控制器，依次響應(yīng)傳遞，最終影響至上層控制器。在此過程中，可以將任務(wù)優(yōu)先級(jí)和執(zhí)行計(jì)劃等信息通過適當(dāng)?shù)耐ǖ狼度胫恋讓涌刂扑惴ㄖ小?/p>

在基于層級(jí)化的電力控制網(wǎng)絡(luò)中，本地嵌入的控制策略可以用于電力船使用的大量控制器的預(yù)測中?，F(xiàn)有的研究主要集中在智能分布式的處理方式上，這種方式關(guān)注的是系統(tǒng)的可測試性和可維護(hù)性，同時(shí)，它還能為解決相關(guān)分布式電力網(wǎng)絡(luò)的可測試性問題提供參考。分布式能源數(shù)目的增長擴(kuò)大構(gòu)成發(fā)電中心的電力柵格的規(guī)模。信息控制的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是利用成千上萬的分布式發(fā)電節(jié)點(diǎn)替代少數(shù)的大型設(shè)備，將其概念放大。在設(shè)計(jì)艦船綜合電力系統(tǒng)時(shí)，還可利用類同的電力電子技術(shù)組建的分布式電力網(wǎng)絡(luò)。電力電子技術(shù)可用于反應(yīng)型的發(fā)電和電力補(bǔ)償、功率流控制、諧波補(bǔ)償、電壓/頻率調(diào)節(jié)控制、及實(shí)時(shí)切換。利用多個(gè)軟事件，以一種更為理想的方式控制大型分布式電力網(wǎng)絡(luò)，并通過該控制方法提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性、供電品質(zhì)和發(fā)電效率。所謂“多事件技術(shù)”，是將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)通過處理、融合、通信等功能過程定義為一個(gè)事件，當(dāng)再有新設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，新事件可以結(jié)合新設(shè)備重新部署。目前，多事件技術(shù)已成功用于解決多種分布式問題、信息融合及計(jì)算應(yīng)用問題。結(jié)合使用本地?cái)?shù)據(jù)處理技術(shù)，多事件技術(shù)在可測試性方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

研究顯示，可采用事件協(xié)同的方式診斷電力網(wǎng)絡(luò)的故障。當(dāng)一個(gè)物理設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，其內(nèi)部嵌入的事件會(huì)同時(shí)失效。在多事件控制網(wǎng)絡(luò)中，其他事件可獲知到失效事件的通信中斷。雖然失效事件的負(fù)載流、電壓等信息數(shù)據(jù)無法繼續(xù)正常通信，但可以通過網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)協(xié)同工作的事件響應(yīng)結(jié)果檢測到具體失效的事件/物理設(shè)備，進(jìn)而開啟系統(tǒng)的重組算法。

電力網(wǎng)絡(luò)重組中的網(wǎng)絡(luò)流模型可以恢復(fù)艦上電力系統(tǒng)中正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電力服務(wù)設(shè)施。該模型在區(qū)域重組方面有明顯的優(yōu)勢，但研究結(jié)果顯示，與分布式的處理方法相比，這種模式更適用于集總式的控制處理方式。

電力船上綜合電力系統(tǒng)智能化重組包含2個(gè)復(fù)雜的問題：①由作戰(zhàn)導(dǎo)致的系統(tǒng)多處故障同時(shí)并發(fā)后故障的檢測與定位；②電力網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)重組。

3 智能軟事件

已有研究展示了全艦智能分布式架構(gòu)在艦船可靠性方面發(fā)揮的作用，以及采用智能軟事件模型用于控制和重組艦上主要的艦船系統(tǒng)，包括電力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、流體系統(tǒng)、火災(zāi)控制等的優(yōu)勢。隨著電力控制過程和控制理論的發(fā)展，控制器的技術(shù)發(fā)展將會(huì)更加完善，也必將會(huì)促使艦船系統(tǒng)的復(fù)雜性在下一代艦船研發(fā)中呈指數(shù)關(guān)系倍增。未來的艦船系統(tǒng)會(huì)涵蓋上萬個(gè)相互關(guān)聯(lián)的組件，自適應(yīng)的管理機(jī)制通過提供若干選項(xiàng)即可獲取大量的設(shè)備狀態(tài)信息。而基于這樣架構(gòu)的艦船系統(tǒng)的復(fù)雜性將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，因而，在新一代的艦船系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要借助大量的仿真、建模進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，確定具體的設(shè)計(jì)參數(shù)。智能自適應(yīng)式的控制在解決系統(tǒng)復(fù)雜性問題時(shí)具有突出表現(xiàn)，但對(duì)于系統(tǒng)的可靠性問題，需要通過改變?nèi)炛悄芊植际降目刂品绞街芯W(wǎng)絡(luò)層級(jí)的劃分粒度來調(diào)節(jié)。雖然許多控制系統(tǒng)架構(gòu)都可以用于參考、解決現(xiàn)有問題，但目前研究顯示，通常人們會(huì)選用一種更為主流的控制理論方法，即在分散的設(shè)備上嵌入設(shè)備控制器，使其成為智能組件，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制。這樣，在故障診斷與控制重組中，只需考慮設(shè)備層的問題。軟事件技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)分布式的機(jī)械智能和重組時(shí)的協(xié)同控制，故障診斷即可嵌入每一個(gè)智能設(shè)備的事件中。健康狀態(tài)信息可以利用控制網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制。

4 診斷

現(xiàn)有的研究成果已經(jīng)提供了大量可以成熟用于未來艦船的綜合電力系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的故障診斷和維護(hù)的診斷算法。雖然現(xiàn)有結(jié)果還沒有提供現(xiàn)有算法的魯棒性分析，但可以預(yù)知，隨著時(shí)間的推移，會(huì)有更多與算法相關(guān)的研究不斷涌出，并完善已有成果，從而構(gòu)建更加完整的理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

海軍下一代電力船電力系統(tǒng)的發(fā)展在考慮可靠性的同時(shí)，還要將有效控制其成本。診斷工程對(duì)于復(fù)雜艦船系統(tǒng)借鑒設(shè)計(jì)、構(gòu)建診斷知識(shí)庫有著深遠(yuǎn)的意義。在已有的艦船系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，診斷工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)無法繼續(xù)滿足未來更為復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用需求，比如艦上綜合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。智能診斷策略在新型艦船設(shè)計(jì)中的引入將大大減少艦船服役期中的維護(hù)費(fèi)用。其中，診斷知識(shí)庫的管理和組建是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，它從艦船設(shè)計(jì)的初期持續(xù)貫穿艦船的全壽命周期。

參考文獻(xiàn)

[1]Guo J，Edwards S H，Boroyevich D.Distributed modular，open control architecture for power conversion systems，CPES Power Electronics Seminar and NSF，2004.

[2]Hanna M.Design for supportability in open systems. Proc.ANSE Day：Naval Eng.：Transforming Maritime Defense and Sea Power，2004.

[3]Mody P，Edwards S H. Transparent distributed messaging for power electronics systems. Proc. Virginia Polytechnic CPES Seminar，2003.

[4]Vivi E L，McCoy T J.Control of a shipboard integrated power system. Proc.Conf.Inf.Sci.Syst，1999.

[5]Tolbert L M，Qi H，Peng F Z.Scalable multi-agent system for real-time electric power management.Proc. IEEE Power Eng.Soc.Summer Meeting，Vancouver，2001.

[6]Drew K，Scheidt D.Distributed machine intelligence for automated survivability. Proc. Eng. Total Ship ASNE，2004.