一种船舶综合电力系统的重构方法
【专利摘要】本发明提供一种船舶综合电力系统的重构方法，该方法利用图迹分析、泛型算法和集合理论来设计船舶综合电力系统重构方案。采用图迹分析方法建立船舶综合电力系统图模型，并将其存储在计算机中；利用迭代器来管理电力系统图模型拓扑结构和实现算法。本发明可以处理具有回路的电力系统及其负载具有多优先级的重构问题，在保障高优先级负载供电的前提下恢复尽可能多地负载的供电。
【专利说明】一种船舶综合电力系统的重构方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及综合电力船舶的电力系统重构领域，具体是一种船舶综合电力系统的重构方法。
【背景技术】
[0002]将船舶发供电与推进用电、船载设备用电集成，实现发电、配电与电力推进用电及其它设备用电统一调度和集中控制的系统，即船舶综合电力系统(IPS)。船舶所处环境恶劣，船上许多重要用电设备一旦失电将严重影响船舶的安全，因此在电力系统出现故障或损伤时应能快速恢复失电负载的供电，以提高船舶的安全性。电力系统重构是快速恢复供电的重要方式，其基本任务是在满足系统容量限制和稳定性等约束条件下，最大限度地恢复失电负载的供电。而船舶综合电力系统是一个集成了回路的可重构网络系统，对于这样的大型复杂系统，电力系统建模方法对重构算法的研究有直接影响。
[0003]目前针对故障恢复的重构方案存在一定问题,例如有些设计方案对电网负载的优先级数做了限制(通常仅将负载分为重要，次重要和非重要三类)，并禁止改变负载的优先级，则无法保证方案的最优性；许多故障恢复方法将故障恢复问题转化为数学模型，需要进行矩阵运算或线性规划来确定故障重构方案，从而降低了对系统改变响应的快速性；还有一些方法过度地简化了电网数学模型，使电网的某些重要特性不能表示出来，这必然减少了所得方案为最优的可能性；许多设计方案将故障恢复问题用矩阵来描述和表示，总是利用系统的数学模型来分析和研究故障恢复问题，这样仅能有效地解决辐射状系统的故障恢复重构问题，而回避了具有回路的系统故障恢复问题。而船舶电力系统考虑的首要目标是恢复负载供电，尤其要优先保障重要负载的供电，并且对故障恢复的快速性提出很高要求。本发明在图迹分析建模技术和泛型分析模式下，可克服上述不足。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种船舶综合电力系统的重构方法，可以处理具有回路的电力系统及其负载具有多优先级的重构问题，在保障高优先级负载供电的前提下恢复尽可能多地负载的供电。
[0005]一种船舶综合电力系统的重构方法，其采用图迹分析方法建立船舶综合电力系统图迹分析模型，所述图迹分析模型分为图形化模型和数字模型，利用电力系统图迹分析图形化模型分析电力系统组件之间的拓扑关系及其操作过程；电力系统图迹分析数字模型存储在计算机容器中，容器外有完成各种计算功能的多个算法，所述多个算法通过迭代器遍历容器中的组件，以获取所需的组件信息，并将计算结果赋给相应组件，迭代器遍从一个组件指向另一个组件，反复使用同类型迭代器会产生组件跟踪集；测量设备测量所得的组件或系统信息也通过迭代器赋给相应组件，以实现电力系统组件信息和组件之间拓扑关系的实时更新；所述重构方法包括如下步骤:
[0006]步骤一、通过迭代器不断检查各组件的状态信息，检测到负载断电信息后，创建待恢复负载集；
[0007]步骤二、分别计算待恢复负载所需总功率和系统可用功率之和，如果系统当前可用功率小于所需总功率，则启动相应备用电源；
[0008]步骤三、选择负载集中优先级最高的负载，从该最高优先级负载开始进行恢复；一次仅恢复一个负载的供电，然后按负载优先级递降次序恢复负载供电；
[0009]步骤四、建立和搜寻所选负载的所有备用恢复路径迹，即沿该负载各迭代器所指向的恢复路径进行搜寻，直到遇到参考源或电源为止；
[0010]步骤五、检查各恢复路径迹的组件状态，如果有组件的状态属性失效状态，则该恢复路径迹无效；
[0011]步骤六、判断各可恢复路径是否具有足够的可用功率，如果有多个恢复路径满足要求，则选择开关操作次数最少的恢复路径迹作为可恢复路径，然后转到步骤八；
[0012]步骤七、对于所要求恢复供电的负载，如果没有一条恢复路径可以独立为其提供足够的电能，则依照开关操作次数最少的原则，选择两条或两条以上路径为该负载同时供电；如果还没有合适恢复路径，转到步骤十一；
[0013]步骤八、按照该恢复路径迹中组件逆次序，依次启动功率变换器或闭合开关器件，即距离待恢复负载远的功率变换器或开关器件先闭合工作；
[0014]步骤九、当该负载供电恢复后，检查相关组件的约束条件是否满足，如果满足约束条件，转到步骤十一；否则转到步骤十；
[0015]步骤十、从受影响的最低优先级和最小功率负载开始,执行分级卸载,一次仅卸载一个负载，直到所有约束条件满足为止；
[0016]步骤十一、从未恢复供电负载集中删除该负载，然后转到步骤三。
[0017]如上所述的船舶综合电力系统的重构方法，组件的属性包括组件性质，与系统稳定性和安全性相关的约束条件，当前工作状态和工作条件，组件之间拓扑结构关系，在系统实际工作过程中，组件这些属性通过迭代器进行实时更新。
[0018]如上所述的船舶综合电力系统的重构方法，所述组件性质包括组件的标识符、组件类型、组件的优先级、组件是否可以进行“开” “关”操作；所述约束条件包括组件的最大功率、组件的安全电压限，当前工作状态和工作条件包括组件的功率、组件的电压、组件的电流、可用功率、组件状态，组件之间拓扑结构关系包括与组件相关的前向迹、后向迹、馈线路径迹、兄弟迹和邻迹组件。
[0019]本发明在容器外的算法遍历容器中的所有组件，在泛型分析模式下，分工不同的研究人员可以共用一个统一的系统模型，即图迹分析模型，进行规划，设计、实时操作和控制等方面的研究，这样可以缩短开发周期，减少建模成本和维护成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明算法、迭代器和容器之间关系图；
[0021]图2为区域配电模式的船舶综合电力系统简化模型图；
[0022]图3为本发明区域配电模式的船舶综合电力系统GTA图形化模型图；
[0023]图4为本发明算例I负载发生故障后的GTA图形化模型图；
[0024]图5为本发明算例I负载恢复供电后的GTA图形化模型图；[0025]图6为本发明算例2负载发生故障后的GTA图形化模型图；
[0026]图7为本发明算例2负载恢复供电后的GTA图形化模型图。
【具体实施方式】
[0027]下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0028]本发明提供一种船舶综合电力系统的重构方法，包括如下步骤
[0029]首先，采用图迹分析方法建立船舶综合电力系统图迹分析模型，所述图迹分析模型分为图形化模型和数字模型，即电力系统图迹分析图形化模型和电力系统图迹分析数字模型；在图迹分析模型中，电力系统拓扑结构由边组成。系统中的每一个组件对应图中的一个边，即图迹分析模型是一个边一边图形，这样在物理系统中的组件与图迹分析模型中的边之间建立了一一对应关系，利用电力系统图迹分析图形化模型分析电力系统组件之间的拓扑关系及其操作过程。图迹分析技术将电力系统图迹分析数字模型存储在计算机软件中比数组功能更强大、更灵活的容器中，图迹分析模型的拓扑结构和组件参数随电力系统的变化而动态更新。
[0030]其次，采用迭代器管理容器内电力系统拓扑结构和实现算法。为了表示电力系统组件之间的拓扑关系，图迹分析技术定义了五种迭代器:前向迭代器，后向迭代器，馈线路径迭代器，兄弟迭代器，邻迭代器。它们分别从一个组件指向另一个组件。图迹分析使用迭代器来遍历存储在容器中的图形的边，即电力系统组件对象。而反复使用同类型迭代器会产生组件跟踪集，即迹，也就是说，组件的每种迹表示跟踪电力系统组件的一个特定的链表，也是算法处理系统组件的次序，例如，组件P的五种迹
[0031]FTp=从组件P开始的前向迹组件序列
[0032]FPTp=从组件P开始的后向迹组件序列
[0033]FTp=从组件P开始的馈线路径迹组件序列
[0034]BRTp=从组件P开始的兄弟迹组件序列
[0035]ADJPp=从组件P开始的邻迹组件序列
[0036]最后，基于图迹分析设计船舶电力系统故障重构算法。为了进行电力系统重构算法分析和设计的需要，对于图迹分析模型，每个组件C可用一个具有多个分量的组元(tuple)来表示，在组元中定义了组件的主要属性，如组件性质，与系统稳定性和安全性相关的约束条件，当前工作状态和工作条件，组件之间拓扑结构关系，约束条件可以通过容器外的算法实时计算，也可以是事先计算而存于各组件的组元中。例如，一个组件C的组元可以定义为 C= {p, type, Pri, Op, Pmax, VLmin, VLmax, P, ft, fptl, fpt2, btl, bt2, brt, adjtl, adjt2, VL, Ic, Status, Ap}
[0037]这里，p=组件的标识符
[0038]type=组件类型{负载、电源、开关或母线}
[0039]Pri=组件的优先级
[0040]Op=组件是否可以进行“开” “关”操作-YES，NO
[0041]Pmax=组件的最大功率
[0042]VLmin, VLmax=组件的安全电压限，Vlmin ^ VL ^ VLmax
[0043]P=组件的功率，P ( Pmax,可通过计算或测量获得[0044]根据船舶综合电力系统网络拓扑特点，可在组元C中定义两组后向迭代器、馈线路径迭代器和邻迭代器
[0045]ft, fptl, fpt2, btl, bt2, brt, adjtl, adjt2=分别指向前向迭代器、后向迭代器 1、后向迭代器2、馈线路径迭代器1、馈线路径迭代器2、兄弟迭代器、邻迭代器1、邻迭代器2与C相关的组件，迭代器值为0，表明所指向的组件不存在。
[0046]VL=组件的电压(可通过计算或测量获得)
[0047]Ic=组件的电流(可通过计算或测量获得)
[0048]Status=组件状况-ON, OFF, FAILED (开，关，失效)
[0049]Ap=可用功率
[0050]该组元C反映了组件P的主要属性，如组件的类型(标明该组件为负载、电源、开关还是母线)，网络拓扑结构关系，工作条件和当前状态等信息，这样通过访问组件的组元属性(分量)，可进行重构算法计算的迹集合运算。
[0051]每个组件拥有唯一的标识符，迭代器通过标识符可赋给组件任意多的参数值，本身的参数可由外部测量设备输入，迭代器也被用于管理与组件相关的外部测量和操作数据。当系统中出现添加，修改，删除或改变组件状态时，它们的迭代器会自动更新，图1说明了算法、迭代器和容器之间的关系，从图1可以看出，共有η个算法，它们分工不同，其中，一些算法利用迭代器获取容器中组件的数据，并通过迭代器将计算结果赋给容器中的相应组件，以便其它算法的使用该数据，这些算法通过容器一起工作来完成组件参数的计算及其信息的实时更新；但有一个算法需要完成查找和选择合适恢复路径的过程。
[0052]前述电力系统图迹分析数字模型即是将系统中各个组件通过具有多个分量的组元来表示，并对各组件主要属性(组元的分量)进行定义，并存储在容器中，组件主要属性的值可通过迭代器进行更新。
[0053]在出现断电情况下，所设计的电力系统故障重构算法步骤如下(为了便于书写和阅读，该算法用一种形式化的建模语言0CL[0bject Constraint Language]语言表示，与具体的编程语言无关，在工程实现时，可米用具体的编程语言来实现，如C，C++或JAVA等):
[0054]Stepl.算法通过迭代器不断检查各组件的状态信息，检测到负载断电信息后，创建待恢复负载集FC
[0055]FC=FT — select (p | p — Status==OFF)
[0056]这里Status是迭代器P的属性，表示该组件的工作状态，上式为断电状态。这里使用了 OCL的箭头运算符“一”。当其作用于一个集合时，这个运算符对集合中的每个对象进行操作；当作用于一个组件时，该运算符被用于选择组件属性的值。
[0057]Step2.分别计算待恢复负载所需总功率(所有需要恢复负载功率之和)和系统可用功率之和，如果系统当前可用功率小于所需总功率，则应立即启动相应备用电源；
[0058]Step3.选择负载集FC中优先级最高的负载，从该最高优先级负载开始进行恢复；一次仅恢复一个组件的供电，然后按负载优先级递降次序恢复负载供电
[0059]Loads — order (p<q if p — pri>q — pri )
[0060]p, q=组件的标识符
[0061]Pri=组件的优先级属性；
[0062]Step4.建立和搜寻所选组件或负载P的所有备用恢复路径迹，即该组件的馈线路径迹、后向迹和邻迹；这些路径迹直到遇到参考源或电源为止。
[0063]Step5.检查各恢复路径迹的组件状态，如果有组件的状态属性为Status==FAILED(即失效状态)，则该恢复路径迹无效，否则该恢复路径迹为可恢复路径。
[0064]Step6.判断各可恢复路径是否具有足够的可用功率，如果有多个恢复路径满足要求，则选择开关操作次数最少的恢复路径迹作为可恢复路径；转到StepS ；
[0065]Step7.对于所要求恢复供电的负载，如果没有一条恢复路径可以独立为其提供足够的电能，则依照开关操作次数最少的原则，选择两条或两条以上路径为该负载同时供电；如果还没有合适恢复路径，转到Stepll ；
[0066]StepS.按照该恢复路径迹中组件逆次序，依次启动功率变换器或闭合开关器件；
[0067]Step9.当该负载供电恢复后，检查相关组件的约束条件是否满足，如果满足约束条件，转到stepll ;否则转到SteplO ；
[0068]Stepl0.从受影响的最低优先级和最小功率负载开始，执行分级卸载，一次仅卸载一个负载，直到所有约束条件满足为止；
[0069]Stepll.从未恢复供电负载集FC中删除该负载,然后转到Step3。
[0070]本发明的优点在于:使用迭代器(Iterator)是图迹分析技术区别于其它方法的最主要特征，容器外的算法可以通过它遍历容器中的所有组件。在泛型分析模式下，分工不同的研究人员可以共用一个统一的系统模型，即图迹分析模型，进行规划，设计、实时操作和控制等方面的研究，这样可以缩短开发周期，减少建模成本和维护成本。
[0071]由于泛型分析和图迹分析技术具有分解复杂问题的灵活性，使得系统图迹分析模型的工作方式与实际物理系统的工作方式非常相似，即图迹分析模型可以模拟实际物理系统的工作方式和工作过程。
[0072]图2为区域配电模式的船舶综合电力系统简化模型。图2中，9，15，22，12，18，25为不同电压等级的功率变换器(SSCM) ;1，31为交流发电机组；2，7，8，27，28，30为传输线和母线；3，32为脉冲负载，4，5和33，34为推进负载；6，29为交流-直流电源(PS)。13，14，19，20，21，26为母线断路器，10，16和23分别为恒功率负载，电机或其它用电负载。SSCM表示船舶功率变换器。
[0073]因为重构问题主要关注负载电能需求和电源组件，这样复杂的船舶电力系统模型可以仅用图3所示的负载和电能组件来表示。在图3系统图迹分析模型中，用线段“一”表示系统的元件或设备；用“.”表示线段“一”的端部或线段之间节点(主要用于线段之间的区分)；用“ ο ”表示元件或设备处于断开或停机状态。
[0074]为了说明上述重构算法，这一部分将采用两个典型算例来说明，按照负载的优先级一次仅允许恢复一个负载的供电。
[0075]算例1:单条恢复路径
[0076]如图4所示，负载旁边的实数为其额定功率；母线旁边方括号内实数表示功率容量(左)和可用功率(右)。
[0077]在系统运行过程中，如果功率变换器6发生故障，造成负载10，16发生电力中断。则重构算法首先建立待恢复负载集{10，16}，并按照负载优先级进行排序，假设负载16的优先级高于负载10,则优先恢复负载16的供电。由于船舶电力系统的对称性，每个负载分别有两条后向、馈线和邻恢复路径，则负载16可能的恢复路径组件序列为[0078]B116=16 — 17 — 18 — 14 — 8 — 6 — 2
[0079]B216=16 —17—15—13 — 7 — 6 — 2
[0080]FPT116=16 — 17 — 18 — 14 — 8 — 6 — 2
[0081]FPT216=16 — 17 — 15 — 13 — 7 — 6 — 2
[0082]ADJPl 16=16 — 17 — 15 — 19
[0083]ADJP216=16 — 17 — 18 — 20 — 26 — 28
[0084]然后，沿上述负载16的各恢复路径迹，检查各组件属性是否为“失效(FAILED) ”状态，如有属性为“失效”状态的组件，则该恢复路径无效，本算例中由于组件6属性为“失效”状态，则恢复路径BI 16、B216、FPTl 16和FPT216无效，只有邻迹ADJP116和ADJP216可以作为恢复路径。由图4可以看出，19和28上的可用功率均为10.0，均大于负载16的功率需求，则选择开关操作次数最少的组件迹AD JP116作为恢复路径，然后，从19开始，逆着迹ADJPl 16方向，分别闭合和启动断路器19和功率变换器15，然后检查各组件是否满足其约束条件(如电流，电压和功率等)，例如组件15需满足约束条件
[0085]M — collect ((15 — f > 15 — c) — size==0)
[0086]如果出现不满足约束条件，从低优先级和最小负载的区段开始，重复执行分级卸载，一次仅卸载一个负载，直到所有约束条件都得到满足。然后从待恢复供电负载集中删除负载16，接着恢复负载10的供电，负载10的恢复过程与上述过程类似。故障重构后的网络如图5所示。
[0087]情况2:多条恢复路径
[0088]如图6所示，在电力系统运行过程中，左侧某一台交流发电机组发生故障，负载16发生保护性断电。重构算法首先建立故障恢复负载集{16}，恢复负载16的供电。按照第3部分的步骤，搜索负载16的故障恢复路径组件序列
[0089]B116=16 — 17 — 18 — 14
[0090]B216=16 — 17 — 15 — 13 — 7
[0091]FPT116=16 — 17 — 18 — 14
[0092]FPT216=16 — 17 — 15 — 13 — 7
[0093]ADJPl 16=16 — 17 — 15 — 19
[0094]ADJP216=16 — 17 — 18 — 20 — 26 — 28
[0095]组件7、14、19和28为单边带电组件，沿负载16的各恢复路径，检查各路径组件属性有无“失效”状态，如有属性为“失效”状态，即Status==FAILED,则该恢复路径无效，本算例中无组件属性为“失效”状态路径，再检查各恢复路径迹的可用功率，由于各恢复路径迹上的可用功率均小于负载16的额定功率5.0，备份这些路径，然后依据开关操作次数最少原则，选择多条迹作为重构路径，另外，由约束条件d)可知，在B116和B216、FPTl 16和FPT216、ADJP116和ADJP216中，各仅能选择一条作为恢复路径，本例选择FPT216和ADJPl 16两条组件迹作为负载16的恢复路径，它们可用功率之和6.0，大于负载16的额定功率。然后，逆着各组件迹方向，逐步闭合断路器7，13和19，然后启动15，检查各组件是否满足其约束条件，故障重构后的网络如图7所示。
[0096]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种船舶综合电力系统的重构方法，其特征在于:采用图迹分析方法建立船舶综合电力系统图迹分析模型，所述图迹分析模型分为图形化模型和数字模型，利用电力系统图迹分析图形化模型分析电力系统组件之间的拓扑关系及其操作过程；电力系统图迹分析数字模型存储在计算机容器中，容器外有完成各种计算功能的多个算法，所述多个算法通过迭代器遍历容器中的组件，以获取所需的组件信息，并将计算结果赋给相应组件；测量设备测量所得的组件或系统信息也通过迭代器赋给相应组件，以实现电力系统组件信息和组件之间拓扑关系的实时更新；所述重构方法包括如下步骤: 步骤一、算法通过迭代器不断检查各组件的状态信息，检测到负载断电信息后，创建待恢复负载集； 步骤二、分别计算待恢复负载所需总功率和系统可用功率之和，如果系统当前可用功率小于所需总功率，则启动相应备用电源； 步骤三、选择负载集中优先级最高的负载，从该最高优先级负载开始进行恢复；一次仅恢复一个负载的供电，然后按负载优先级递降次序恢复负载供电； 步骤四、搜寻和建立所选负载的所有备用恢复路径迹，即沿该负载各迭代器所指向的恢复路径进行搜寻，直到遇到参考源或电源为止； 步骤五、检查各恢复路径迹的组件状态，如果有组件的状态属性失效状态，则该恢复路径迹无效； 步骤六、判断各可恢复路径是否具有足够的可用功率，如果有多个恢复路径满足要求，则选择开关操作次数最少的恢复路径迹作为可恢复路径，然后转到步骤八； 步骤七、对于所要求恢复供电的负载，如果没有一条恢复路径可以独立为其提供足够的电能，则依照开关操作次数最少的原则，选择两条或两条以上路径为该负载同时供电；如果还没有合适恢复路径，转到步骤十一； 步骤八、按照该恢复路径迹中组件逆次序，依次启动功率变换器或闭合开关器件，即距离待恢复负载远的功率变换器或开关器件先闭合工作； 步骤九、当该负载供电恢复后，检查相关组件的约束条件是否满足，如果满足约束条件，转到步骤十一；否则转到步骤十； 步骤十、从受影响的最低优先级和最小功率负载开始，执行分级卸载，一次仅卸载一个负载，直到所有约束条件满足为止； 步骤十一、从未恢复供电负载集中删除该负载，然后转到步骤三。
2.如权利要求1所述的船舶综合电力系统的重构方法，其特征在于:组件的属性包括组件性质，与系统稳定性和安全性相关的约束条件，当前工作状态和工作条件，组件之间拓扑结构关系，在系统实际工作过程中，组件这些属性通过迭代器进行实时更新。
3.如权利要求2所述的船舶综合电力系统的重构方法，其特征在于:所述组件性质包括组件的标识符、组件类型、组件的优先级、组件是否可以进行“开” “关”操作；所述约束条件包括组件的最大功率、组件的安全电压限，当前工作状态和工作条件包括组件的功率、组件的电压、组件的电流、可用功率、组件状态，组件之间拓扑结构关系包括与组件相关的前向迹、后向迹、馈线路径迹、兄弟迹和邻迹组件。
【文档编号】H02J3/00GK103633646SQ201310627602
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】夏立, 尚安利, 王征, 王家林, 尹洋, 卜乐平, 杨宣访, 王黎明, 侯新国 申请人:中国人民解放军海军工程大学