0 引　言

舰船电力系统在发电、配电和储能技术上不断发展。现代海军中，它为武器系统提供动力以保障作战效能，支持舰艇信息化作战能力，还维持舰艇正常生活和工作秩序，是现代海军不可或缺的关键部分。提高舰船电力系统可靠性可减少故障对作战任务的影响、增强舰艇生存能力并降低维修成本和周期。它是确保武器系统稳定工作、提高舰艇防御能力、增强舰船机动性等的重要保障。

国内外有很多学者对舰船电力系统稳定性进行研究，其研究方向包括冗余设计、智能监控、区域配电技术等，在冗余设计上注重电源和线路冗余^[1]，通过配备备用电源和设置多条联络线路来确保供电和电力交互；在智能监控与保护方面，广泛应用智能传感器实时监测电力参数，并且开发自适应保护策略。区域配电技术是将舰船电力系统划分成多个区域进行配电管理的技术，其特点是分区管理和便于故障隔离。张威等^[2]提出一种基于粒子群最优决策的区域配电系统重构方案，能够最大限度保障船舶用电安全，具有较高的可靠性。尚成枝等^[3]研究一种舰船环形区域配电结构，并对这种结构的可靠性进行了论证。区域配电技术在提升舰船电力系统可靠性方面优势明显。与冗余设计和智能监控技术相比，它在系统架构上更灵活，按区域划分电力系统，各区域独立又相互联系，故障时不影响其他区域供电，便于扩展改造。在故障隔离与恢复上，使用区域配电技术可快速隔离故障区域，避免扩散，通过智能控制快速恢复非故障区域供电。因而以上这些优势都使得区域配电技术更加适用于舰船电力系统。

本文对舰船电力系统中不同电网结构进行分析和比较，研究了舰船电力系统中可靠性分析的基本指标，设计了舰船区域配电网络结构，并使用Matlab对其进行仿真和建模。

1 舰船电网结构分析及设计 1.1 不同电网结构比较

舰船电力系统由舰船上的电力供应站和电气设备之间的电能传输与分配系统组成，其结构可以采用馈电式、环形或区域式供电网络^{[4 − 5]}。

1）馈电式供电网络采用类似树枝的布局，主配电板直接向各个区域配电板、分配电板以及关键负载供电。这种布局的主要优势在于便于集中管理和增加负载，成本较低，投资较少。然而，当舰船上的电气设备数量较多时，会导致分支线路增多，一旦某个分支发生短路，相应的保护装置会启动，导致该分支上的设备断电，从而影响供电的连续性。

2）环形供电网络则通过闭合的环路来供电，发电机与用电设备之间通过纵向连接，形成闭合的供电回路。这种布局的优点在于供电的可靠性和稳定性较高，局部故障不会导致整个系统的瘫痪，能够降低阻抗、减少损耗、提高电能的使用效率。不过，这种布局在发生故障时电流的分布较为复杂，故障电流较小，这使得保护装置的设定和协调变得困难，容易发生跳闸，对保护装置的要求较高。

3）区域供电网络是环状与树枝状结构复合体，主干网环状、区域内树枝状，设双电站且互为备用、供电量100%冗余。各区域由两舷母线供电，配电板设两路电源转换装置，重要负载直连配电板，非重要负载经分电箱连接。其优点是舰船破损时最多一两个区域受损，其他区域能稳定供电，还可以根据舰船设计制造方案，区分船舶不同的功能区，缺点是结构复杂，对设计和管理要求高。

1.2 舰船区域配电网络可靠性分析指标

对舰船区域配电网络可靠性分析有多个指标，如评估故障间隔时间、电压偏差以及冗余度等^[6]。

1）平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures，MTBF）

MTBF指相邻两次故障之间的平均工作时间。它是衡量系统可靠性的一个重要指标，MTBF值越大，说明系统的可靠性越高。计算方法为：

$ {MTBF} = {\rm 总运行时间} / {\rm 故障发生次数}。$

对于舰船区域配电系统，同样可以分别计算各区域及整体的MTBF。

2）电压偏差

电压偏差指系统实际运行电压与额定电压之间的差值占额定电压的百分比。它反映了电压偏离额定值的程度，过大的电压偏差可能会影响用电设备的正常运行。计算方法为：

电压偏差 =（实际电压−额定电压）/ 额定电压×100%。

对于舰船区域配电系统，需要在各个区域的关键节点测量电压，并计算电压偏差。一般要求电压偏差在一定的合理范围内，如±5%等，具体范围根据不同的用电设备要求而定。

3）冗余度

冗余度是指系统中备用电源的容量与正常工作电源容量之比。它反映了系统在电源方面的冗余能力，较高的电源冗余度可以在主电源故障时更好地保障系统的供电。计算方法为：

电源冗余度 = 备用电源容量 / 正常工作电源容量。

对于舰船区域配电系统，需要明确各区域的主电源和备用电源容量，然后计算电源冗余度。如果一个区域有1台1000 kW的主发电机和1台500 kW的备用发电机，则电源冗余度为500 / 1000 × 100%=50%。

1.3 区域配电网络结构设计

区域配电技术在舰船电力系统中起着至关重要的作用。图1为某型号舰船配电区域划分示意图，不同的舰船可以根据其基本结构，划分为不同的配电区域，使得整个供电系统更加合理。

为了简化分析，本文使用区域配电网络结构设计的方法，将舰船上分为4个区域，如图2所示。电能首先由发电设备产生，然后通过左右舷2根主母线进行输送，这种布局方式能够有效提高供电的可靠性，即使在舰船遭遇一些特殊情况（如水浸等）时，也能保障电能的稳定传输。电能从主母线传输到各个区域配电板，区域配电板作为区域配电的核心组件，通常被设置在各个区域的中心位置，以便更好地对区域内的负载进行配电管理。在区域配电板内部，设置了两路电源转换装置，这一设计使得各区域能够同时由左右两舷母线供电，从而增加了供电的冗余性和可靠性。当一侧母线出现故障时，电源转换装置能够迅速切换到另一侧母线，确保区域内的负载持续获得电能供应。

在区域内部，负载的连接方式根据其重要性有所不同。重要负载直接与区域配电板相连，这样可以确保它们在获取电能时具有更高的优先级和稳定性。而非重要负载则通过分电箱连接在区域配电板上，这种连接方式既能够满足非重要负载的用电需求，又能够在一定程度上对其进行集中管理和控制。区域配电系统的一个重要优势在于其故障隔离能力。当某个区域的母线出现故障时，系统能够迅速检测到故障，并通过断开该区域的断路器，将故障区域与其他正常区域隔离开来，避免故障的进一步扩大，从而保障其他区域的正常供电。

在舰船受到攻击导致舰船破损时，这种分区设计能够最大程度地减少受损区域对整个舰船电力系统的影响，最多可能只有一两个独立区域受到破坏，而其他区域仍然可以保证稳定供电，这对于提高全船的生命力和持续作战能力具有关键作用。

2 舰船区域配电网络结构分析及设计 2.1 区域配电网络建模及仿真

使用Matlab对舰船区域配电网络的结构进行分析和建模。

1）确定网络结构和参数，分析区域配电网络结构，包括各个区域的划分方式、母线连接形式（如环状布线和树枝状结构的组合方式）、电源位置（如双电站的分布）以及负载的连接方式（重要负载直接连接区域配电板，非重要负载通过分电箱连接等）。确定各个元件的电气参数，如发电机的额定功率、电压、频率，母线的电阻、电感，变压器的变比、电阻、漏电抗，负载的功率、功率因数等。这些参数可以从实际的舰船电气设计文档或相关标准中获取，如果是进行理论研究，也可以根据典型值设定。

2）建立数学模型 ：建立舰船区域配电网络中所有电气元件或设备的数学模型，包括发电机模型、母线模型、变压器模型等，发电机模型根据不同类型进行分析，对于同步发电机，可以使用Park变换建立其在dqO坐标系下的动态模型，考虑其定子绕组方程、转子运动方程以及电磁转矩方程等，以描述发电机的输出电压、电流和频率随时间的变化；对于母线模型，将母线看作是一个节点，其电压是该节点上所有连接元件共同作用的结果。可以根据基尔霍夫电流定律（KCL）建立母线的电流平衡方程，即流入母线的电流之和等于流出母线的电流之和；对于变压器模型，变压器可以使用T型等效电路或π型等效电路模型。通过变压器的变比关系以及等效电阻、漏电抗等参数，建立输入电压与输出电压、输入电流与输出电流之间的关系方程；对负载模型而言，负载可以分为恒功率负载、恒阻抗负载和恒电流负载等不同类型。根据负载的实际特性，建立相应的数学模型。例如，对于恒功率负载，其功率保持恒定，电压和电流会根据系统的运行情况自动调整，可以通过功率方程

$ \mathit{P} \mathrm= \mathit{UI} \mathrm{cos} \mathit{\varphi } 。$

式中：P为功率；U为电压；I为电流；φ为功率因素，来描述其特性。

在Matlab中最终通过一系列的非线性方程来描述舰船区域配电网络的拓扑结构和区域配电网络中的电气状态，最终建立Matlab仿真模型。图3为区域1的区域配电网络建模。

2.2 舰船区域配电网络仿真分析

对构建的舰船区域配电网络的可靠性进行分析，在使用Matlab完成仿真模型的设计及程序编写后，如1.2节所述，区域1由发电机1和发电机3实行双电源供电，主要考虑从3种情况来判断当前舰船电力系统的可靠性。

1）正常供电下的仿真结果如图4所示，正常供电情况下区域1负载功率变化时发电机1是否能及时调整并供电，可以发现发电机1功率可以完全跟随区域1功率变化而变化。

2）异常供电下的仿真结果如图5所示，在异常供电情况下，发电机1工作异常，此时输出功率极低，区域1的负载转由发电机2供电，区域1功率变化未受到发电机1工作异常影响，由此可见在双电源切换模式下具有较高的可靠性。

3）对区域1和主配电板1之间的母线（母线1）、对区域1和主配电板2之间的母线（母线3）电压分别进行监测，模拟在发电机1突然不工作时的母线电压变化监控情况，仿真结果如图6所示。为了使得仿真效果更加明显，设置发电机3处供电电压为AC250 V、频率60 Hz，母线1电压在0.08 s时变为0后，母线3的输出变为250 V交流正弦波形，即说明在发电机1异常时，区域1的供电完全由发电机3提供。

3 结　语

舰船电力系统的高可靠性对于保证舰船作战能力具有至关重要的作用，不同电网结构决定了最终电网运行效果。本文对舰船电力系统的区域配电技术进行研究，提出了一种区域配电网络结构，并对区域配电网络进行建模和仿真。采用区域配电网络可以有效提升舰船电力系统可靠性，在发电机异常时其他发电机可以及时为不同区域负载提供稳定电力。