多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)設(shè)計準則研究

壽海明，關(guān) 濤，許軼楠

應(yīng)用研究

多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)設(shè)計準則研究

壽海明，關(guān) 濤，許軼楠

（海軍研究院，北京 100161）

隨著系統(tǒng)容量的增加，艦船電力系統(tǒng)供配電形式正向多電站多分區(qū)的區(qū)域供配電技術(shù)方向發(fā)展，傳統(tǒng)基于前后電站、左右分區(qū)電力系統(tǒng)的設(shè)計原則、配電方式、標準規(guī)范已不能完全適用。本文在典型船舶電力系統(tǒng)特點及發(fā)展趨勢分析基礎(chǔ)上，研究了現(xiàn)有標準體系的主要問題，提出了多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)基本設(shè)計準則。

電力系統(tǒng) 多電站 多分區(qū) 設(shè)計準則

0 引言

隨著我國艦船用電設(shè)備不斷增多，用電規(guī)模不斷增大，在大型艦船中采用多電站多分區(qū)供電模式已逐漸成為主流形式。傳統(tǒng)的基于前后雙電站、左右雙分區(qū)的電力系統(tǒng)按100%電站冗余設(shè)計的設(shè)計原則、配電方式、標準規(guī)范已不能完全適用，而應(yīng)根據(jù)實際情況優(yōu)化設(shè)計。為滿足大型船舶用電需求，針對大容量多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)，建立合適的電力系統(tǒng)供配電設(shè)計準則，研究提出合適的連續(xù)供配電方案迫在眉睫。

1 多電站多分區(qū)電力系統(tǒng)典型應(yīng)用樣式

二十世紀九十年代初，美國海軍研究提出區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，交流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)迅速得到了推廣應(yīng)用，自1993年起先后應(yīng)用于DDG51驅(qū)逐艦后續(xù)艦、LPD－17、LHD-8兩棲艦、CVN21航空母艦，交流區(qū)域配電已成為美國海軍艦船配電網(wǎng)絡(luò)標準型式之一。

美國阿利·伯克級驅(qū)逐艦已建造三型：I型（DDG51-71）、II型（DDG72-78）、IIA型（79-112），其中I、II型主要采用環(huán)形配電方式，IIA型則均采用交流區(qū)域配電方案。DDG79-90艦交流區(qū)域配電系統(tǒng)如圖1所示，全艦設(shè)置3個電站，15個負載中心，配電網(wǎng)絡(luò)通過左右兩舷兩條交流主電纜為全艦15個負載中心供電；DDG91級后續(xù)艦增加至22個負載中心。這種配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)負載和總體布置需要向兩側(cè)不斷延伸，系統(tǒng)拓展性較強，但是這種可拓展性也造成了配電系統(tǒng)監(jiān)控復(fù)雜性不斷增加。

圖1 美國DDG79-90艦交流區(qū)域配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

福特號航母是美國最新一代核動力航母，該艦代表了目前美國航母技術(shù)發(fā)展的最新成就，其滿載排水量10萬噸級，全艦設(shè)置4個電站，2個汽輪機電站，各配置了2臺大功率汽輪發(fā)電機組；2個柴油機電站，各配置了2臺應(yīng)急柴油發(fā)電機組，電站總功率達到了百兆瓦級，是目前電站容量最大的艦船。福特號航母主電網(wǎng)采用中壓交流電制，通過分布在全艦的多個區(qū)域配電中心和4套中壓主配電板組向全艦負荷供電；低壓電網(wǎng)采用交流區(qū)域配電方式，配置了數(shù)十臺中壓變壓器，從區(qū)域配電中心取電并將13.8 kV中壓交流電能轉(zhuǎn)換為450 V低壓交流電能，接入各區(qū)負載中心（LC）。

朱姆沃爾特級大型驅(qū)逐艦是美國DD21、DD(X)項目的延續(xù)，該艦排水量約1.5萬噸，最大航速大于30節(jié)。朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦是第一艘采用綜合電力系統(tǒng)的萬噸級驅(qū)逐艦。發(fā)電模塊采用2臺36 MW的MT-30燃氣輪機發(fā)電機組和2臺4 MW的RR-4500燃氣輪機輪機發(fā)電機組；主電網(wǎng)電壓等級為交流4160V。該艦低壓網(wǎng)絡(luò)采用直流區(qū)域配電系統(tǒng)[1~3]，如圖2所示，全艦分為若干分區(qū)。其中PCM-4將中壓交流4160 V變換成直流1000 V，功率為1.5 MW不等；PCM-1將直流1000 V電制變換成直流800 V電制，功率為750 kW不等，實現(xiàn)直流區(qū)域配電；PCM-2將直流800 V電制變換成交流60 Hz，功率500 kW不等，或者變換成400 Hz滿足不同負載電力需求。

鑒于直流區(qū)域配電系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，國內(nèi)也在積極開展直流區(qū)域配電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究，有關(guān)院校在該系統(tǒng)頂層設(shè)計、運行特性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)保護等方面開展了深入的研究工作[5]。

圖2 美國朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦直流區(qū)域配電系統(tǒng)

2 艦船供配電系統(tǒng)現(xiàn)有標準體系及存在問題

一是現(xiàn)有國家軍用標準體系的適用范圍難以滿足當前艦船發(fā)展需求。當前，艦船電力系統(tǒng)設(shè)計、研制、使用，總體上遵循國家軍用標準《艦船通用規(guī)范》GJB4000-2000，在科研、生產(chǎn)和使用中正在發(fā)揮重要作用；2002年～2019年期間，又進行了多次修改，基本可以滿足常規(guī)船舶電力系統(tǒng)工程應(yīng)用需求。但是，當前船舶電力系統(tǒng)容量快速增長，電力系統(tǒng)電制已經(jīng)推廣到中壓交流、直流等多種電制。GJB4000-2000中規(guī)定的設(shè)計準則，如供電的連續(xù)性和安全性、供電生命力、系統(tǒng)線制和電制等均難以適應(yīng)當前艦船發(fā)展需求。

二是現(xiàn)行標準對于多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)有較大的局限性。隨著供電區(qū)域的增多，傳統(tǒng)的基于前后電站、左右分區(qū)的電力系統(tǒng)設(shè)計原則、配電方式、標準規(guī)范已不能完全適用。例如，根據(jù)生命力設(shè)計要求，雙電站、雙分區(qū)按100%電站冗余設(shè)計，前電站戰(zhàn)損退出運行，后電站仍能滿足全艦滿負荷用電需求，因此設(shè)置左右兩舷電源轉(zhuǎn)換裝置可無需考慮電源過載問題。但是采用多電站多分區(qū)電力系統(tǒng)，由于系統(tǒng)容量較大，按100%冗余設(shè)計總體資源過于浪費；且對于n個獨立分區(qū)的系統(tǒng)，一個分區(qū)故障退出，系統(tǒng)容量只損失1/n，適當考慮容量冗余即可保證全艦用電需求。因此，對于多電站多分區(qū)系統(tǒng)，原有標準體系和設(shè)計準則已不適用，應(yīng)根據(jù)實際情況優(yōu)化設(shè)計。

三是當前國家軍用標準體系尚缺乏綜合電力系統(tǒng)設(shè)計、研制、試驗和使用要求的相關(guān)標準。制定科學(xué)、適用和有效的標準，是在工作實踐中貫徹實施標準、充分發(fā)揮標準作用，以標準為準則全面落實質(zhì)量管理要求，以標準為依據(jù)實現(xiàn)科學(xué)論證，取得預(yù)期的軍事效益的前提。制定裝備標準，需要針對裝備論證的科學(xué)發(fā)展和規(guī)范化管理的實際需要，以長期積累的專業(yè)技術(shù)和論證工作成果為基礎(chǔ)，以行業(yè)或者專業(yè)標準體系表為依據(jù)，通過研究、計算、試驗、仿真、借鑒等多種技術(shù)手段，固化成熟的技術(shù)與經(jīng)驗成為技術(shù)準則。我國綜合電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線與美國等發(fā)達國家有較大差異，是一種全新的技術(shù)體系，只能自己建標，沒有捷徑可走。

四是現(xiàn)行標準對于電力系統(tǒng)供電間斷的處理已難以滿足現(xiàn)代化裝備的發(fā)展需求。GJB4000-2000規(guī)定，重要設(shè)備采用多路電源供電，從正常電源轉(zhuǎn)接至備用電源的轉(zhuǎn)換時間一般應(yīng)在0.5~20 s的范圍內(nèi)；從正常電源轉(zhuǎn)接至應(yīng)急電源的轉(zhuǎn)換時間一般應(yīng)在10~30 s的范圍內(nèi)；對向大容量動力負載供電的特殊有限間斷電源，最長轉(zhuǎn)換時間不應(yīng)超過2 min。當前，艦船設(shè)備信息化、電子化程度越來越高，對供電連續(xù)性的要求也越來越高，電力電子裝備對供電連續(xù)性的要求通常在10 ms以內(nèi)。對此，通常有三種做法：一是為每套信息化設(shè)備分布配置一套不間斷電源系統(tǒng)，臨時支撐設(shè)備不間斷運行；二是艦船平臺集中統(tǒng)一配置一套不間斷電源系統(tǒng)，支撐重要設(shè)備的不間斷運行；三是配置快速電源轉(zhuǎn)換裝置，對失電區(qū)域通過快速電源轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)不間斷電源轉(zhuǎn)換。前兩種做法均需要占用較多的總體資源，蓄電池需要定期更換；第三種做法一般基于固態(tài)開關(guān)實現(xiàn)，可靠性不如機械轉(zhuǎn)換裝置，同時會增加一定損耗，但相對來說總體資源可以得到優(yōu)化。例如，美國DDG51級驅(qū)逐艦采用固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置作為重要負載的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，其轉(zhuǎn)換時間為約為5 ms。該裝置還具有集中監(jiān)控和管理功能，能夠在頂層對重要設(shè)備的供電電源進行優(yōu)化配置和管理。

綜合分析，當前國家軍用標準GJB4000-2000在針對多電站多分區(qū)艦船電力系統(tǒng)方面存在的局限性突出表現(xiàn)在兩個方面：一是對艦船電力系統(tǒng)生命力的考慮對于論證、設(shè)計、使用多電站多分區(qū)電力系統(tǒng)方面不盡合理；二是對于艦船電力系統(tǒng)供電連續(xù)性難以滿足當前日益發(fā)展的信息化電子設(shè)備類負載的供電連續(xù)性要求。

圖3 美國DDG51級驅(qū)逐艦采用的SABT固態(tài)轉(zhuǎn)換裝置

3 多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的設(shè)計準則 研究

多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)設(shè)計與傳統(tǒng)單電站或雙電站左右兩舷供配電方式發(fā)生了較大變化，現(xiàn)有的GJB4000-2000難以有效支撐裝備論證、設(shè)計和使用需求。在新的裝備論證、設(shè)計和使用中，應(yīng)根據(jù)新技術(shù)新方案的應(yīng)用，綜合評估使用要求，合理配置系統(tǒng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升電力系統(tǒng)的生命力和供電可靠性、連續(xù)性，充分發(fā)揮系統(tǒng)效能。結(jié)合國內(nèi)外多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的典型應(yīng)用樣式和關(guān)于電力系統(tǒng)生命力、供電連續(xù)性要求的現(xiàn)狀分析，我們認為在多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)論證和設(shè)計中應(yīng)重點考慮供電生命力設(shè)計、供電連續(xù)性設(shè)計、功率儲備設(shè)計等方面設(shè)計因素，在原則遵循GJB4000-2000標準基礎(chǔ)上，進行合理優(yōu)化和調(diào)整。

1）系統(tǒng)生命力設(shè)計

對照電力系統(tǒng)生命力要求，多電站（至少3個電站）多分區(qū)供配電系統(tǒng)論證和設(shè)計中建議遵循以下原則：一是電力系統(tǒng)的生命力要求應(yīng)與艦船生命力等級相匹配。電力系統(tǒng)生命力是艦船生命力的重要組成部分，它為許多重要戰(zhàn)斗器材設(shè)備提供能源，是確保遭受戰(zhàn)斗破損和事故破損情況下重要戰(zhàn)斗器材設(shè)備繼續(xù)保持系統(tǒng)功能的基本保障，因此艦船電力系統(tǒng)生命力應(yīng)適當高于電動武備、主要電動技術(shù)裝備的生命力，與平臺總體生命力相匹配。二是任一單個電站容量儲備至少應(yīng)能夠滿足艦船重要負荷即一級負荷的供電需要，以保障艦船生命力，并保障自身供電能力的恢復(fù)。三是加強區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的信息化、智能化，合理匹配網(wǎng)絡(luò)層級和電力負荷重要設(shè)備優(yōu)先級，避免產(chǎn)生級聯(lián)雪崩效應(yīng)。

2）系統(tǒng)供電連續(xù)性設(shè)計

綜合分析我國艦船電力負載發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒國外艦船先進配電技術(shù)經(jīng)驗，對于多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)連續(xù)性設(shè)計提出以下設(shè)計原則：一是應(yīng)根據(jù)艦船的不同使命、不同的電站和供電區(qū)域設(shè)置和配置、重要用電設(shè)備的數(shù)量、容量和排序以及供電轉(zhuǎn)換的延時許可等來合理確定所采取的主備電源轉(zhuǎn)換配置方案，或合理配置有限間斷電源裝置的供電范圍。二是當有限間斷電源的使用受到備用供電區(qū)域的容量限制時，對未采用有限間斷電源供電的重要用電設(shè)備應(yīng)通過手動轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)兩路或多路供電，以確保在各種不同工況(如停泊、巡航、功能和應(yīng)急工況)下對重要用電設(shè)備的供電連續(xù)性和可靠性。三是應(yīng)根據(jù)負載類型和負載重要級別采取措施控制典型斷電時間，避免突然轉(zhuǎn)移負載對正常供電區(qū)域產(chǎn)生沖擊。

3）系統(tǒng)功率儲備設(shè)計

電力系統(tǒng)的功率儲備用于描述配置電站的電站總功率與艦船全功能戰(zhàn)斗工況下所需電力負荷的關(guān)系，是反應(yīng)電力系統(tǒng)戰(zhàn)損或故障情況下，剩余系統(tǒng)能夠滿足艦船功能執(zhí)行能力的重要指標。結(jié)合當前我國艦船發(fā)展實際，多電站（至少3個電站）多分區(qū)供配電系統(tǒng)論證和設(shè)計建議遵循以下原則：一是多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的功率儲備設(shè)計應(yīng)對照艦船生命力等級和電力系統(tǒng)生命力等級進行設(shè)計。論證和設(shè)計階段，應(yīng)結(jié)合電力負荷統(tǒng)計計算不同戰(zhàn)損條件下重要負載的電力負荷，分層級進行統(tǒng)一配置管理，合理匹配各種典型戰(zhàn)損情況下的電力系統(tǒng)供配電能力。二是多電站供配電系統(tǒng)的功率儲備設(shè)計應(yīng)與艦船不沉性要求相適應(yīng)，滿足總體不沉性要求的條件下，能夠通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)盡量恢復(fù)重要設(shè)備供電能力。三是多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的功率儲備設(shè)計應(yīng)綜合分析各種戰(zhàn)損情況下的功率儲備要求，沒有特殊情況下，應(yīng)按最嚴酷、最高功率儲備要求進行設(shè)計。

4 小結(jié)

現(xiàn)代武器裝備均以電能為基本能源，為此艦船電力系統(tǒng)容量需求越來越大，艦船電力系統(tǒng)采用多電站多分區(qū)供配電方案成為裝備和技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。我國在多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)方面的研究和體系建設(shè)還比較薄弱，尚缺乏與之配套的標準體系和設(shè)計準則，還處在邊研究邊發(fā)展的階段特別是對電力系統(tǒng)功率儲備、生命力要求等方面還有爭議。本文分析了多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的典型樣式、技術(shù)特點，并對現(xiàn)有標準體系及存在的問題進行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了艦船多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)幾點設(shè)計準則的基本考慮。

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Study on Design Principles of Ship Electric Power Distribution System of Multiple Stations and Distribution Zones

Shou Haiming，Guan Tao，Xu Yinan

(Navy Research Academy, Beijing 100161, China)

TM73

A

1003-4862(2021)04-0032-04

2020-10-09

壽海明(1979-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣工程。E-mail: 55541002@qq.com