0 引 言

面对海事环境污染问题，船舶逐渐向节能环保绿色方向发展，新型的高端船舶技术已成为研究热点。作为船舶重要的组成部分，推进部分由机械式传动逐步向电力系统发展，船舶的推进电力系统和日常用能电力系统合二为一构成船舶综合电力系统^{[1 – 3]}。

根据船舶电力系统设计的流程，负荷、电源、配网是设计电力系统首先考虑的三大部分，通过计算负荷确定电源的容量，根据电源的组成确定电力系统配网方式。推进部分是船舶用能占比最大的负荷，随着大功率电力电子器件、电力电子拓扑结构和变频调速技术的飞速发展，电力推进^{[4 – 9]}技术逐步提高，成为新型船舶动力主要采用的方式。运用智能化、信息化技术，对船舶的主推进和其他用能进行综合管理形成船舶综合能量管理系统^{[10 – 12]}。现代舰船一般配备基本的战斗攻击和防御系统，在满足权限管理、大功率脉冲等作战武器^[13]特殊用能方向，提出能量动态优先管理^{[14 – 15]}、飞轮储能控制^[16]等技术，实现用能的灵活调度。在电源方面，现代大型船舶要求具备高密度、大容量特性，多相发电技术^{[17 – 20]}逐渐得到应用，采用技术成熟的电力电子器件，结合新型的拓扑结构，满足大功率电力变换，克服了现有器件技术的不足。通过主配电板、分配电板、区域配电板等组成电源的供电网络供给负荷侧用能，新型配电网络拓扑结构^{[21 – 22]}也是综合电力系统的重要部分，相关学者在区域配电网^[23]、配电网重构^{[24 – 25]}、智能体结构优化^[26]、电网的稳定性^[27]等方面开展研究。区域直流配电技术是目前研究的重点，包括区域直流配电网稳定性^{[28 – 29]}、中压直流综合电力系统^[30]、电力电子设备^[31]等研究。

基于上述研究现状，分析现有的电源技术，研究区域配电网原理及其拓扑结构，在电网故障时利用结构重构的方法维护电网安全稳定。提出适应未来新型需求的区域配网管理办法，并根据目前的直流配电网的发展趋势，研究区域配电在直流配电网中的应用。系统可通过连接市电搭建，进行仿真模拟，通过监控装置、传感装置清晰地了解船舶负荷运行状态、负荷等级、负荷功率。区域管理办法可以减少数据的计算量，有效地辅助船舶能量管理系统进行负荷管理及配网故障的实时处理。

1 配电网电力类型 1.1 集成电源

多相交流电源、整流电源、交直流电源等新型的电源在大型的船舶和舰船上已得到应用，能够同时满足功率、空间上的要求。多相电源是一种集成电源，在发电侧能够提供足够的电能，在推进部分，配套多相发电技术的多相变频技术，可以降低各相的电压电流水平，能够使用目前较为成熟的功率器件实现大功率变频调速。

如图1所示为交直流发电机拓展结构，其直流侧可视为多相整流电机，将交流电机、12相整流模块、励磁系统集成为一体，发出的直流电供直流配网使用，交流侧发出的三相交流电供交流配网使用。交直流发电机采用5出线，三相交流和两相直流，功能上能够同时满足交直流负荷的需求，即交流电源-交流配网和直流电源-直流配网。

1.2 区域配电

环形配网结构能够提高电网的安全性，但会随着负荷的增加逐渐形成具有冗余功能的臃肿的大系统，回路交叉，布线复杂。相比于这种配电方式，区域配电作为一种新的思路，具备环形电网的冗余技术，并且可以减少电缆用量，减少电缆穿舱孔数量和面积，降低配电系统尺寸、重量，提升了船舶整体架构的安全水平。

直流配电相比与交流拥有总体损耗较少、谐波失真较少等明显优势，并且直流配电能够实现发电机与电动机的频率解耦，使得发电机维持在最大工作效率状态，已经成为新一代船舶电力系统发展的方向。

2 配电网管理办法

船舶电网是一个整体连通的网络，当电网中某些关键的线路发生故障时，会对其他边缘的线路和负荷功能产生影响。对比现有的配电网结构，辐射式配网结构不能保障重要负荷在受到故障影响时的连续运行，网形结构比较复杂，环形结构是现代船舶、舰船应用最多配网方式，它具备对电网安全性要求的设计，同时也满足对现有负荷的承载量。

如图3所示为环形配电网的电源、负荷无向图结构，对于连接通路的表示方法，目前采用较多的是邻接矩阵法。b_ij表示节点i和j的连接关系，b_ij=1表示2节点在电气连接上存在连接通路，b_ij=0则表示两点无连接，从而形成改配电网络的邻接连接矩阵{b_ij}，如图4所示。

邻接矩阵法的优点是结构性强，分析过程清晰，数据组织简单，适应性强。适用于任何复杂的连接方式，但其缺点是计算量大，计算速度比较慢，不适用于网络拓扑的实时分析。特别是随着船舶配电网的复杂程度的增加，关联矩阵表示法的计算量会更加庞大。

3 基于区域邻接矩阵算法的直流配电网负荷管理应用分析 3.1 区域负荷管理

直流区域配电是未来新型的配电网技术，电力系统网络结构的变化必然会导致原有能量管理系统的不足之处。配电网的负荷管理是能量管理的重点内容，结合船舶的工作模式，通过动力配置及电力负荷计算，确定用电模式及其切换策略。

如图5所示为某一中压舰船的直流区域配电网的电力系统示意图，其能量管理涵盖发电、输变电、推进、配电各部分，实验时可借助于市电电源，结构示意如图6所示。

结合区域配电网独立运行的特点，本文在研究配电网负荷管理上，采用区域邻接矩阵算法，缩减了算法的复杂程度。如图7所示，L_abcd为船舶的某一负荷，a为负荷所处的配电区域，船舶的主要配电区域不超过2位数；b为负荷等级，按照负荷重要性的优先等级划分为I级、II级、III级等多级负荷，I级负荷为最高优先权；c为对应负荷区域等级下的负荷编号；d为负荷的状态，1为工作状态，0为非工作状态。

通过矩阵式的表达形式将各区域的电力负荷清晰的表达出来，实时了解每个配电区域、各级负荷的状态，在遇到特殊情况或故障状态时，辅助能量管理系统进行负荷的计算，实现最佳的操作方案；在满足电力电子器件的容量限制的前提下，最大限度地恢复重要负荷的供电，并且减少重构开关的操作次数。

配电网总负荷： ${L_{Total}} = \sum\nolimits_{a = 1}^A {\sum\nolimits_{b = 1}^B {\sum\nolimits_{c = 1}^C {{L_{abcd}} \cdot d} } } \text{，}$

配电一区总负荷： ${L_{one}} = \sum\nolimits_{b = 1}^B {\sum\nolimits_{c = 1}^C {{L_{1bcd}} \cdot d} }\text{，} $

配电网一级总负荷： ${L_I} = \sum\nolimits_{a = 1}^A {\sum\nolimits_{b = 1}^1 {\sum\nolimits_{c = 1}^C {{L_{a1cd}} \cdot d} } }\text{，} $

配电网一区一级总负荷： ${L_{oneI}} \!\!=\!\! \sum\nolimits_{a \!=\! 1}^1 {\sum\nolimits_{b \!=\! 1}^1 {\sum\nolimits_{c \!=\! 1}^C {{L_{11cd}}\! \cdot d} } } \text{。}\!\!\!$

区域配电将各区分别进行监控管理，每个区域的负荷电气连接状态如图8所示，b_ijk为i区域中的负荷j与负荷k的电气连接状态，通过每个区域负荷的纵向矩阵了解此负荷的连接通路情况，根据负荷编号的编码原则，按照负荷的优先等级从小到大依次编号，每个负荷的编号在系统中已经对应其负荷等级。

关联矩阵能够辅助能量管理系统快速定位负荷及其运行状态，对于出现故障工作失效的负荷能够及时反应并对其进行维修或者采用备用连接；在电机故障需要减负荷运行时可以通过负荷的优先级进行有序调整，保证重要负荷的用电；在特殊情况下还可以转移其他负荷的用能来保证某些特殊负荷的持续运行，实现船舶负荷灵活调控管理。

3.2 储能系统管理

电力系统都会受到动态特性故障、投切负载、敏感负荷供电、大功率电力电子器件谐波干扰等影响，对于用电质量要求高或者有大功率脉冲负荷需求的船舶，会配置储能模块以满足系统供电需求。

如图9所示为飞轮储能电力系统结构示意图，储能系统作为配电网的一种负荷，和其他配电区域一样通过配网母线连接形成独立的运行空间。利用区域配电管理的思想，将储能电力系统分为2种工作模式，一种是电网的调节模式w1，起到平滑电力系统波动的作用，可以提供重要负载不间断供电并对大功率脉冲负载引起的电压波动进行补偿；另一种是大功率脉冲模式w2，为某些特殊负荷提供脉冲电源。L_w1-1表示初始储能，L_w1-2表示保持储能，L_w1-3储能状态，L_w1-4表示释能状态。L_w1是一种被动模式，随着船舶电力系统的波动进行调整，L_w2是一种主动模式，是为满足一些大功率脉冲用能，配合结合能量管理系统进行能量的合理调度。

通过储能系统的运行状态（见图10）将其作为电源和负荷进行管理，在储能状态作为负荷管理，在释能状态作为电源管理。特殊情况下的脉冲负荷作为优先权最高的负荷，配合能量管理系统减少其他负荷用能，满足高功率大脉冲的需求，结合区域配电网思想将储能系统纳入区域负荷计算，展示船舶的整体负荷特性。

3.3 试验预期结果分析 3.3.1 网络重构

类比陆地的区域配电网的思路，运用此方法，对现有陆地配电网的65个1级和2级负荷进行模拟试验，其中包含1级负荷25个，2级负荷40个，分别进行10次试验测试，其中1级负荷的故障状态下网络重构成功率较高，2级负荷的故障重构率为80%，2种负荷同时进行故障测试时，重构率为70%。随着故障复杂程度的增加，开关动作次数变多，重构效率也会降低，出现不动、误跳现象，有时候需要人工完成。对于船舶电力系统，目前可能会面临较多的难题，分析原因可能会由于线路结构设计不合理、电力电子器件谐波引起系统波动性大、电磁兼容性、优先级管理、负荷实时计算算法等问题，会出现过流、过压、开断信号出现误差，造成试验结果（见表1）的成功率不高，还需在精确度上要做好相关技术改进。

3.3.2 区域能量管理

按照区域独立运行，联合调度的思想，船舶电力系统的能量管理仍然需要各个区域的相互协调。设P_imax为系统i区能够提供的最大功率，P_i为i区域的负载总功率，P_ir为i区的备用容量，它们之间的关系为：

${P_{ir}}{\rm{ = }}{P_{i\max }} - {P_i}\text{。}$

P_ir为负值时，表示该区域的负荷超载，需要从其他区域提供更多的能量；P_ir为正值时，表示该区域容量有剩余，可以作为其他区域的备用容量。

构成的区域能量矩阵为： $\left\{ {{P_{{\rm{1}}r}}, {P_{2r}}, {P_{3r}}, {P_{4r}} \cdots {P_{ir}} \cdots } \right\}\text{。}$

在选择区域能量调度方案时，每个区域转移进来功率一定是大于转移出去的功率，如果区域内出现故障，无法有效的转移负载，采取卸载负载的办法。

储能系统区域通过直流母线为船舶电力系统提供故障时间的功率支持，是一个特殊的区域，在保持状态时P_ir为正值，是一个定值，在储能状态时P_ir为负值，需要从其他区域吸收能量，是一个动态值。一般系统出现区域能量的不均衡时，优先考虑各区域内部、区域之间的调节，不会考虑储能系统。能量的不均衡分为2种情况，一种是短时间的波动，另一种是持续的故障。船舶配网的距离短，系统耦合性强，采用较多的电力电子器件，飞轮储能系统在电网短时故障时可以起到平滑波动的作用，使得系统电压稳定。

如图11所示为系统故障后对储能输出功率进行的仿真试验，结合励磁调节作用使得电压恢复到正常运行状态。图11（a）试验通过储能系统达到某一稳定状态后，在第15 s对其中某一区域的功率缺失进行补偿，在功率缺失的一瞬间，电压有下降趋势，通过储能加励磁调节作用将电压恢复到700 V左右。图11（b）为增大区域功率缺失的试验，同样取得较好的效果。

3.3.3 配电网方式的比较

依据能量矩阵的方式能够快速的锁定故障区域，减少节点和支路的遍历次数，减少故障重构解的总次数；结合邻接矩阵管理办法，清晰地展示各区域开关、负荷的配电拓扑关系；基于区域功率的约束条件，寻找最优解。

在系统计算重构解的过程中，如果采用区域跨接重构的方式会使得整体解成倍增长，一般不计算整体重构的次数，这也是区域配电网的最大优势。当区域之间的能量缺失过大时，会通过能量矩阵反馈相关的信息，建立区域联接的重构方案，这些都是要通过能量矩阵中P_ir的变化来判断。

如图12所示为船舶电力系统的一个配电区域，直流配电网在母线变换侧通过多路DC/DC直流变换模块降低电压，在配电区域通过多路DC/AC逆变模块进行转换，满足交流用电负荷的需求。图中1，2，3，4为常开的联络开关，在系统内部设置有多处这样的开关，保证重要负荷的稳定运行。上层的联络开关，包括区域之间的联络、区域与电源母线的联络开关等也是船舶电力系统灵活拓扑结构的关键组成部分。

采用2种方式进行对比，方式1为区域配电网，方式2的对象是配电网整体。方式1中的上层联络开关为常开开关，方式2中的上层联络开关为常闭开关。试验结构为重构解的次数和计算时间，如表所示，方式1是通过能量矩阵快速锁定区域配电网的重构结果，方式2是全网遍历后的计算结果。试验具有一定的代表性，但方式1也会遇到相对复杂的情况，需要通过区域联接来进行能量的平衡和故障排除，这种情况会增加重构的次数和计算时间，具体需要结合实际情况处理。

4 结 语

随着船舶电气化、智能化及其模块化技术不断的发展，综合电力系统将成为未来船舶重要特征之一。本文对船舶综合电力系统的源、网、荷进行了研究分析，目前高功率密度的集成电源、新型结构的配电网研究成果已经在很多场合得到应用，解决了船舶电站大容量和高可靠性供电的需求，形成船舶综合电力系统的时机逐渐变得成熟。通过研究船舶环形配电网结构，分析现有的电源、配网、负荷三者的相互关联及其影响，基于区域配电网的思想提出配电区域负荷的邻矩阵管理方法。利用区域配电网分区独立运行的特点分别对负荷进行管理，可以在负荷实时分析、网络故障重构方面减少总体计算量，提高运行效率。同时文章对船舶电力系统的飞轮储能系统进行分析，满足区域配电网独立运行的特征，可采用区域管理的办法，纳入负荷矩阵计算。在试验验证部分，通过对网络重构、能量调度、区域配电网优势对比分析，阐述了本文提出方法的优势和仍需完善的内容。船舶电力系统是未来发展趋势，区域配电网是现代主流思想，结合新型电力配网结构下的电力系统保护、冗余技术、电网安全稳定技术、大功率脉冲技术，辅助综合电力系统能量管理，是接下来研究的重点方向。