張文保,施偉鋒,蘭瑩,顧思宇,卓金寶
上海海事大學物流工程學院,上海201306
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,是動力推進、甲板機械、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載將為船舶電網(wǎng)注入大量的諧波;電力推進船舶的艏部側(cè)向推進器、主推進器等大功率設(shè)備的投切將引起負載功率的突變,從而導(dǎo)致船舶微電網(wǎng)電壓的波動;三相負載不平衡和系統(tǒng)元件三相參數(shù)不對稱將導(dǎo)致船舶電力系統(tǒng)的三相不平衡。隨著電力推進船舶的快速發(fā)展,有必要對船舶電能質(zhì)量開展有效評估,以及時發(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)量評估方面的研究現(xiàn)狀并不盡如人意。目前,研究學者已經(jīng)針對陸上大電網(wǎng)提出了大量的電能質(zhì)量評估方法,主要包括:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4]、投影尋蹤法[5]、模糊數(shù)學法[6]等。然而,船舶電力系統(tǒng)作為一個獨立的小型系統(tǒng),現(xiàn)有評估方法因其自身特性與船舶這類特殊對象之間存在相互耦合影響,所以并非完全適用。
由于測試數(shù)據(jù)對電能質(zhì)量綜合評估的影響很大,故只有基于良好測試環(huán)境和準確測試結(jié)果而開展的綜合評估,才具有真正的實用意義。需考慮的是:一方面,各種工況下船舶電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)及負荷變化差異很大,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)分析的評估方法有賴于高質(zhì)量的訓練樣本與評估數(shù)據(jù),所以其在船舶電能質(zhì)量評估方面的應(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的數(shù)據(jù),經(jīng)過訓練之后即可用于數(shù)據(jù)處理,且精度較高。然而,當前的船舶電能質(zhì)量評估工作并沒有統(tǒng)一的執(zhí)行標準,所以無法明確訓練數(shù)據(jù)的劃分范圍;同時,船舶運行工況易受外界環(huán)境因素的影響,所以無法為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供大量有效的訓練樣本,這將降低船舶電能質(zhì)量評估結(jié)果的精度;此外,當評估指標較多時,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的計算速度較慢,無法完全滿足船舶電能質(zhì)量的實時評估要求。
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確度,但計算量很大、計算過程復(fù)雜、編程實現(xiàn)困難,這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。同時,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時評估的要求。
針對上述問題,根據(jù)現(xiàn)有船舶電能質(zhì)量評估工作的研究成果,本文擬結(jié)合主流評估算法的特點和陸上大電網(wǎng)的評估思想,提出基于層析分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)—模糊綜合評估法(以下稱AHP—模糊法)的電力推進船舶電能質(zhì)量實時評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成船舶電能質(zhì)量的1 s 級實時評估,還可以避免因訓練樣本數(shù)據(jù)誤差所導(dǎo)致的評估結(jié)果不準確性,可為在船舶領(lǐng)域的質(zhì)量實時評估提供一種新的設(shè)計思路。
在船舶電力系統(tǒng)中,隨著聯(lián)網(wǎng)發(fā)電機臺數(shù)的變化,船舶電源阻抗也會隨之改變,且變化范圍較大。同時,在實船電網(wǎng)中,往往并存了多種電能質(zhì)量問題且其會相互影響,故船舶電能質(zhì)量有一定的特殊性。目前,很多船級社公布的船舶檢驗規(guī)范中均包含了船舶電能質(zhì)量的相關(guān)條款[7-9]。以電壓與頻率波動為例,中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018 版[10]對此提出了要求,如表1 所示。其中,缺失的指標限制值表示船級社未定義該項電能質(zhì)量指標。
表1 電壓和頻率波動表Table 1 Voltage and frequency fluctuation table
由于電力電子器件在電力推進船舶上應(yīng)用廣泛,故其電力系統(tǒng)的諧波問題頗為突出。對此,《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2018 版[10]第8 章規(guī)定:對于有半導(dǎo)體變換器裝置運行的網(wǎng)絡(luò),1~15 次的諧波應(yīng)不超過標稱電壓的5%,其后逐漸減少,在100次諧波時應(yīng)減少到1%。對于專用系統(tǒng),總電壓畸變應(yīng)不超過10%。
另外,在功率的分配標準方面,《鋼質(zhì)海船入級規(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 和船級社的相關(guān)規(guī)定,構(gòu)建船舶電能質(zhì)量評估體系,并劃分評估等級。
基于AHP—模糊綜合評估法,本文設(shè)計了電力推進船舶電能質(zhì)量的實時評估系統(tǒng),其總體架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 電力推進船舶電能質(zhì)量實時評估系統(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時獲取船舶電力系統(tǒng)的主要參數(shù)信息,并進行數(shù)據(jù)存儲、清洗等預(yù)處理;然后,結(jié)合本文選定的電能質(zhì)量評估體系和評估等級劃分標準,進行數(shù)據(jù)運算;最后,通過設(shè)計GUI 界面和編譯相關(guān)程序代碼,完成實時評估功能。
AHP 法是一種將定性與定量分析相結(jié)合的多準則決策方法,可以將人類對復(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)用的指標權(quán)重確定方法[11]。
在船舶電能質(zhì)量評估指標體系的構(gòu)建過程中,首先,應(yīng)選擇船舶系統(tǒng)安全運行的相關(guān)指標;其次,還應(yīng)考慮所選指標的適用性、經(jīng)濟性,以及對船舶電力系統(tǒng)故障狀態(tài)的診斷性,即應(yīng)確保所選指標可以明確指示船舶電力系統(tǒng)的狀態(tài)[1]。此外,在實際應(yīng)用中,瞬態(tài)過電壓和暫時過電壓不易測量,其可操作性較差,因此本文的評估工作暫不考慮該項指標。同時,我國船舶電能質(zhì)量的相關(guān)評估標準并不完善,所以優(yōu)先選擇各國船級社已配套成熟標準的指標構(gòu)建評估體系。經(jīng)綜合考量,本文篩選了8 項評估指標(電壓偏差、波動、諧波、三相不平衡度、頻率偏差、頻率波動、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)量的評估設(shè)定為目標層,將電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量、功率分配系數(shù)設(shè)定為準則層,將8 個具體評估指標設(shè)定為指標層,最終形成的綜合評估指標體系如圖2 所示。
圖2 船舶電能質(zhì)量的多層次綜合評估指標體系Fig.2 Index system for multi-level comprehensive evaluation of ship power quality
在船舶電能質(zhì)量評估體系中,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)學的多層次模糊綜合評估方法[12]。圖2 中,評估因素集可以分為2 個層次:第1 個層次(指標層),即電壓質(zhì)量U1={電壓偏差,波動,諧波,三相不平衡度},頻率質(zhì)量U2={頻率偏差,頻率波動},功率分配系數(shù)U3={有功功率,無功功率};第2 個層次(準則層),即船舶電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量評估集U={U1,U2,U3} 。
為了更好地呈現(xiàn)船舶電網(wǎng)狀態(tài),需對船舶電能質(zhì)量的評估結(jié)果進行等級劃分。通過借鑒陸地大電網(wǎng)評估等級的劃分方法,并結(jié)合船舶電力系統(tǒng)的自身特點,針對前文選取的8 個評估指標,采用5 等級變區(qū)間長度劃分方法將單項指標在限定值范圍內(nèi)分為5 個等級,記為評估等級集合V={1 ,2,3,4,5} ,等級越高即電能質(zhì)量越差。這種分級標準的優(yōu)勢在于:等級數(shù)量不多,可以避免因評估過程的計算量過大而導(dǎo)致系統(tǒng)的實時性受到影響;同時,等級數(shù)量適中,可以避免因等級數(shù)量太少而導(dǎo)致評估結(jié)果的誤差過大[13-14]。
船舶電能質(zhì)量評估的等級區(qū)間劃分方法如圖3所示,橫向變量1~5 級評估值所對應(yīng)的定性評估結(jié)果為:優(yōu)、良、一般、差、很差。其中:1,2,3 為合格等級,采用均分方法;4,5 為不合格等級,其跨度為前面合格等級跨度的2 倍。通過變區(qū)間長度的等級劃分,可以在質(zhì)量合格時精確考察質(zhì)量狀況,而在質(zhì)量不合格時大范圍地考察。
圖3 船舶電能質(zhì)量的評估等級區(qū)間劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of the classification of ship power quality assessment level
本文以中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2018 版)[10]為依據(jù),進行船舶電能質(zhì)量的評估等級劃分,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)于零點不對稱,故取值區(qū)間在表2 中分為2 欄顯示;其他指標的取值范圍關(guān)于零點對稱或僅為正值,故統(tǒng)一采用絕對值表示。
由表2 可知,每5 組數(shù)據(jù)構(gòu)成一個評估數(shù)組計算單元。通過采取數(shù)據(jù)隊列的形式,即可實現(xiàn)周期為1 s 的實時評估。本文將采用橫、縱向的雙層概率統(tǒng)計方法來建立評估矩陣。首先,進行橫向計算,得出某時刻數(shù)據(jù)的評估等級;然后,進行縱向評估,根據(jù)1 個周期內(nèi)各評估等級的次數(shù)與總統(tǒng)計次數(shù)的占比,生成相關(guān)的隸屬向量,從而得到k 行m 列的實時評估矩陣Ri。
表2 電力推進船舶電能質(zhì)量指標的評估等級劃分范圍Table 2 Scope of electric power quality assessment level of electric propulsion ship
式中:i=1,2,…,s,為評估體系中的評估指標序號,其中s 為評估指標序號的最大值,以圖2 為例,s=8。
已知船舶電能質(zhì)量實時評估矩陣Ri,只需求得權(quán)重矩陣wi,經(jīng)模糊算子?運算即可求得各子目標的綜合評估向量Bi,即
本文將采用AHP 方法求解船舶電能質(zhì)量評估體系各層次指標的權(quán)重值,其評估流程如圖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)量兩兩指標之間的評估矩陣。該矩陣表示針對上一層某元素,本層次相關(guān)元素之間的相對重要性,通常采用1~9 標度法進行重要性比例標度描述,其含義如表3 所示。表3 中,j為評估指標序號。
評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,這里以本文評估體系中準則層與指標層的指標為例進行說明。對于圖2 綜合評估體系中的具體指標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之間的相對重要程度分別為3 和5,則x1~x4對U1的評估矩陣JU1-x1~x4如式(3)所示,該矩陣是主對角元素均為1的4×4 矩陣。同理,可以得到指標層對準則層、準則層對目標層的評估矩陣。
表3 層級分析法的重要性比例標度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。評估矩陣的生成是通過各專家或決策者根據(jù)自身知識和經(jīng)驗得到,故需對矩陣進行一致性判斷,才能證明所構(gòu)建的船舶電能質(zhì)量評估體系中各指標之間邏輯關(guān)系的正確性。
1)計算評估矩陣的一致性指標CI,即
式中:n為評估矩陣的階數(shù),即評估元素的數(shù)量;λmax為評估矩陣JU1-x1~x4的最大特征值。
2)根據(jù)AHP 法中隨機一致性指標RI 與階數(shù)n 之間的對應(yīng)數(shù)值關(guān)系,即可得出與一致性比例CR相關(guān)的平均隨機一致性指標RI。
3)計算一致性比例CR,即
步驟4:求解層級總排序,計算權(quán)重值。本文將通過Matlab 的eig 函數(shù)計算權(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。采用同樣的方法計算層次間的各指標權(quán)重值,即可得到船舶電能質(zhì)量評估體系的各層次權(quán)重值,結(jié)果如表4 所示。
表4 船舶電能質(zhì)量評估的層次權(quán)重值Table 4 Level weight value of ship power quality assessment
將各指標的實時評估矩陣與相應(yīng)權(quán)重值進行模糊算子運算,即可得到綜合評估的結(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估模型,常用的4 種模糊算子的特點如表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)量綜合評估體系中的指標層信息,得到準確性高、綜合性強的系統(tǒng)評估結(jié)果。
表5 4 類算子的特點Table 5 Summary of 4 kinds of operator characteristics
為了驗證本文方法在船舶電能質(zhì)量評估中的合理性和優(yōu)越性,對電力推進船舶在不同工況下的電能質(zhì)量進行綜合評估,并與熵權(quán)法[16]、木桶原理法[17]的評估結(jié)果進行對比。評估數(shù)據(jù)來自Matlab 電力推進船舶仿真模型,每種工況采集5 組數(shù)據(jù),結(jié)果如圖5 所示。圖5 中:橫坐標為評估指標x1~x8,每個指標對應(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為船舶的全速運行工況;T3為船舶的減速工況;T4為船舶艏側(cè)推啟動工況;T5為船舶艏側(cè)推啟動工況的第0~1 s 階段。
圖5 中,8 項評估指標(電壓偏差、波動、諧波、三相不平衡度、頻率偏差、頻率波動、有功功率、無功功率)均進行了歸一化處理,故縱坐標均為無量綱數(shù)值。
圖5 多工況下的評估指標試驗數(shù)據(jù)折線圖Fig.5 Line chart of test data of evaluation indexes under multiple operating conditions
基于圖5 數(shù)據(jù)進行AHP 法與熵權(quán)法計算,即可得到5 種工況下的各評估指標權(quán)重,如表6 所示。鑒于木桶原理法相對簡單,即每種工況下的最差指標所對應(yīng)的等級權(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)法的計算結(jié)果則有所不同。
將所測量的船舶電能質(zhì)量評估數(shù)據(jù)代入AHP—模糊法、熵權(quán)法和木桶原理法,計算評估矩陣與權(quán)重,即可得到5 種工況下的評估等級隸屬度,如圖6 所示。按照最大隸屬度原則,即可求得船舶電能質(zhì)量的綜合評估結(jié)果。
表6 船舶電能質(zhì)量評估指標的權(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)的木桶原理法的評估等級為4,而AHP—模糊法的評估等級為1;其他工況下,木桶原理法的評估等級均為5;AHP—模糊法在T1,T2,T4工況下的評估等級為1,在T5工況下的評估等級為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對評估結(jié)果的影響,故其更為合理。
經(jīng)分析,在5 種運行工況下:
1)AHP—模糊法與熵權(quán)法的評估結(jié)果基本一致,這也驗證了AHP—模糊法對船舶電能質(zhì)量評估工作的合理性。
2)AHP—模糊法與熵權(quán)法在各等級上的隸屬度不完全相同,這說明2 種方法在某一指標上分配了不同的評估權(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的實際重要程度,在兼顧評估結(jié)果準確性的前提下,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)備的重載啟動將對船舶微電網(wǎng)造成明顯影響。T5階段的電能質(zhì)量評估結(jié)果等級較前4 種工況出現(xiàn)了顯著下滑。在實船應(yīng)用中,艏側(cè)推啟動瞬間將影響各個評估指標,進而降低船舶電能質(zhì)量的評估等級,所以圖6 所示的評估結(jié)果與實船工況相符,這也進一步驗證了AHP—模糊法在船舶電能質(zhì)量評估中的正確性與合理性。
為了進一步開展驗證工作,本文將在實驗室條件下模擬實船運行工況,其電力推進船舶實驗裝置如圖7 所示,待評估數(shù)據(jù)如表7 所示。對于船舶的主要航行工況,黃振華等[18]針對某型遠洋特種電力推進船舶的航行功率進行了統(tǒng)計分析,結(jié)果表明,船舶在航渡工況下的運行時間最長(該工況下主機以80%~85%的額定功率運行),所以該工況具有一定的代表性。為了最大程度地契合實船運行工況,本文的電力推進實驗裝置將在80%~85%的額定負載功率條件下全速前進,從而獲取具有代表性的實驗數(shù)據(jù)樣本。在電力推進船舶實驗裝置的全速前進工況下,隨機取t1,t2,t3,t4時刻的4 組電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為原始樣本,其中實驗數(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,即可作為待評估的樣本數(shù)據(jù),如表7 所示。
圖7 電力推進船舶實驗裝置Fig.7 Experimental device for electric propulsion ship
表7 船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量待評估數(shù)據(jù)Table 7 Data to be evaluated for power quality of ship power system
為了實現(xiàn)評估結(jié)果的定性與定量綜合分析,本文將結(jié)合AHP—模糊法與百分制評分形式,對評估結(jié)果數(shù)值進行量化顯示。由于評估等級集合V={1 ,2,3,4,5} 對應(yīng)了定性評估結(jié)果{優(yōu),良,一般,差,很差},故分別賦值為100,75,50,25,0,即百分制評分集合A={100,75,50,25,0}。表7 中的數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)評估之后,所得的船舶電能質(zhì)量綜合評分值如表8 所示。
由表8 可知,指標層中波動和三相不平衡度這2 項指標的得分較低,影響了準則層電壓質(zhì)量指標的得分,并最終影響了目標層船舶電能質(zhì)量的評估結(jié)果,這符合電力推進船舶電力系統(tǒng)的實際工況,該結(jié)果進一步證明了本文評估體系的合理性和有效性。
表8 船舶電能質(zhì)量實時評估系統(tǒng)的綜合評分值Table 8 Comprehensive scoring value of ship power quality by realtime assessment system
為了使系統(tǒng)評估結(jié)果的顯示效果更加直觀,本文通過Matlab 軟件進行了GUI 界面設(shè)計。其中,評估結(jié)果以百分制評分的形式呈現(xiàn),同時還賦予數(shù)值不同的顏色,以區(qū)分評估結(jié)果等級;此外,系統(tǒng)還可以顯示電網(wǎng)的運行狀態(tài)、諧波數(shù)據(jù)、電流電壓的動態(tài)矢量圖等信息,如圖8 所示。
圖8 電力推進船舶電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量實時評估系統(tǒng)界面Fig.8 Realtime evaluation system interface of power grid side power quality for electric propulsion ship
本文設(shè)計了一種基于AHP—模糊法的電能質(zhì)量實時評估系統(tǒng),可以對多種工況下的電力推進船舶電能質(zhì)量進行有效的實時評估,為針對此方面的評估方法研究提供了一種新的思路,也為其他評估方法在該領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了實踐與理論基礎(chǔ)。本評估系統(tǒng)的特點如下:1)可以實現(xiàn)船舶電能質(zhì)量1 s級的實時評估。2)可以同時生成定性與定量2 種形式的評估結(jié)果。
3)基于AHP 法構(gòu)建的多層次綜合評估體系可以反映評估對象各指標的層次性,同時又避免了指標過多而導(dǎo)致的難以分配權(quán)重的弊病,比單層次評估體系更精細、更準確地反映了各評估指標之間的關(guān)系。
4)通過應(yīng)用AHP 方法,降低了評估指標權(quán)重系數(shù)的人為主觀性,提高了評估結(jié)果的容錯能力。同時,根據(jù)該系統(tǒng)的評估計算結(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)不僅適用于船員進行船舶電能質(zhì)量評估,也可以作為科研人員的研發(fā)實驗平臺。
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)量指標體系和標準的進一步完善,船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的評估工作將為船舶控制中心提供更多的決策參考信息,這對加強設(shè)備監(jiān)管并提高船舶運行效率有著重要的意義。