CN102751723A - 船舶交流区域配电网络系统及其可靠性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种船舶交流区域配电网络系统及其可靠性分析方法，所述系统将整个船舶分为多个区域，每台发电站机组保障一个或几个区域的负载供电，每台发电站机组由发电机、配电板、断路器和负载构成，电力母线从船舱的两舷穿过水密舱，连接船首和船尾的四台发电机，最终形成一个环形供电网络。所述方法根据配电网络结构画出相应的可靠性框图；对局部相对独立的串联或并联结构进行等效，化简可靠性框图；对某负荷点j建立其与不同电源之间的不同的连接矩阵；根据连接矩阵求出最小路径，进而求出最小割集；利用SDP法消除共用设备对计算结果的影响；计算负荷点可靠性参数和系统可靠性参数。

Description

船舶交流区域配电网络系统及其可靠性分析方法

技术领域

本发明属于船舶工程领域，涉及一种船舶区域配电网络的结构设计及其可靠性分析方法。

背景技术

以辐射式配电系统和交流电机组成的电力系统是目前船舶电力系统的主流，电力系统的负载由船舶上少数几个集中式配电中心通过电缆馈送，这样造成全船数十根电缆在船上各部位穿插，尤其是大量的穿舱电缆不仅布置上有困难，而且会造成船舶耐压舱壁的开孔密封问题。随着舰船电力系统容量的日趋增大，集中式配电逐渐成为船舶设计和建造成本中一个十分突出的问题，局部的电气隔离变得很困难；同时在出现故障的时候，也很难隔离故障，局部故障有可能直接影响到整个电力系统。

采用区域配电系统则可以有效地解决这一问题，环形区域配电系统由发电机、配电板、断路器和负载构成。电力母线从船舱的两舷通过，连接船首和船尾的四台发电机，最终形成一个环形供电网络。区域配电技术将整个船舶电力系统划分成数个区域，在建造各舱段时就独立进行电缆布置，在此分段连接到船舶的其他分段之前，将所有本分段的设备连接好并供电。区域配电板的馈电电缆不用穿越水密舱，提高了船舶的安全性和生命力，节省了大量的配电板馈线电缆，同时也可降低电缆损耗和重量，削减建造成本。同时，在各区域的入口，环形供电网的母线上具有多个断路器，在某区域出现故障后，可以通过这些断路器切断部分母线，或切除某个区域，从而有效地防止故障蔓延。

环形区域配电方式是未来船舶电力系统的发展趋势，目前已成为各国船舶配电结构的研究热点。但是交流区域配电网络结构是一个相对复杂的网络结构，设计出一个好的交流区域配电网络结构要求能够从系统结构上保证重要负载的多路供电和操作灵活性，从管理上提高系统运行效率和重要负载供电持续时间，从保护上将故障限制在最小范围内。

发明内容

本发明目的在于，针对现有技术存在的缺陷提供一种船舶交流区域配电网络系统及其可靠性分析方法。

本发明船舶交流区域配电网络系统，整个船舶分为多个区域，每台发电站机组保障一个或几个区域的负载供电，每台发电站机组由发电机、配电板、断路器和负载构成，电力母线从船舱的两舷穿过水密舱，连接船首和船尾的四台发电机，最终形成一个环形供电网络。

船舶交流区域配电网络系统的可靠性分析方法，包括如下步骤：

步骤一：根据配电网络结构画出相应的可靠性框图；

步骤二：对局部相对独立的串联或并联结构进行等效，化简可靠性框图；

步骤三：对某负荷点j建立其与不同电源之间的不同的连接矩阵；

步骤四：根据连接矩阵求出最小路径，进而求出最小割集；

步骤五：利用SDP法消除共用设备对计算结果的影响；

步骤六：计算负荷点可靠性参数和系统可靠性参数。

所述串联结构等效方法如下：

对n个独立的设备串联而成的串联结构，其等效的故障率为：

$\mathrm{\λ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i^{\′},---\left(1\right)$

其中λ′_i表示第i个设备的故障率，当故障修复率μ′_i和故障率λ′_i满足λ′_i/μ′_i<<1时，根据串联结构的等效可用率：

$A=\frac{\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}+\mathrm{\&mu;}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{A}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}+{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}},---\left(2\right)$

求得故障引起的等效平均年停运时间：

$u=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}{r}_i^{\&prime;},---\left(3\right)$

及等效的故障修复时间：

$r=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}{r}_i^{\&prime;}}{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{u}{\mathrm{\&lambda;}},---\left(4\right)$

负荷点的修复时间为故障修复时间和计划检修修复时间之和；当负荷点存在冗余路径时，不需考虑计划检修修复时间。

所述并联结构等效方法如下：

对n个独立设备并联而成的并联结构，其等效的故障修复率为：

$\mathrm{\&mu;}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}---\left(6\right)$

等效的故障修复时间为：

$r=\frac{8760}{\mathrm{\&mu;}}---\left(7\right)$

当满足λ′_i/μ′_i<<1时，根据并联结构的等效可用率：

$A=1-\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+\mathrm{\&mu;}}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}(1-A_i)=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}+{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}---\left(8\right)$

求得故障引起的等效故障率：

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}---\left(9\right)$

年平均故障停运时间：

$u=\mathrm{\&lambda;r}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{u}_i---\left(10\right).$

所述最小割集法如下：

对于由n个设备构成的串联系统，有一个最小路和n个最小割；对于由n个设备构成的并联系统，有一个最小割和n个最个路；对某个负荷点，其所有的最小路所构成的集合称为最小路径，其所有的最小割所构成的集合称为最小割集；最小割集由最小路径求得；

求最小路首先要建立m×m连接矩阵C，连接矩阵的建立依赖于系统可靠性框图；可靠性框图由节点和线组成，节点表示系统网络中不同线路之间的交点，线表示节点间的所有设备所构成的等效设备；建立连接矩阵C时，需将电源所对应的节点与C₁₁对应、负荷点与C_mm对应。如果节点i和节点j不直接相连，则C_ij=C_ji=0；如果节点i和节点j之间通过等效设备k相连，则Ci_j=C_ji=x_k，x_k表示等效设备的可靠率；

然后依据下面两个公式

C′_ij＝C_ij+C_i2·C_2j i≠2，i≠j，1≤i<m，2<j<m    （11）

C′_ii=1 i＝1，2，...，m.                         （12）

用C′_ij替换掉m×m矩阵C中的C_ij，再去掉第二行第二列就得到新的矩阵C′_m-1×m-1，重复此步骤，直到最后得到一个2×2的矩阵；该2×2矩阵的右上角的多项式的每一项即为一个最小路，用MP_i表示，MP_i所构成的集合即为最小路径；将MP_i逻辑取反再进行逻辑乘，所得到的多项式的每一项即为一个最小割，用MC_i表示，MC_i所构成的集合即为最小割集；

首先画出整个船舶电力系统的网络图，对图中的每个连接导线进行编号，导线交点处为节点，同样用数字表示节点；节点包括电源节点、负载节点和普通节点；根据所得到的网络图，列写出连接矩阵，求节点之间的最小路集，继而可求得最小割集。

所述SDP法如下：

步骤三：对某负荷点j建立其与不同电源之间的不同的连接矩阵；

步骤四：根据连接矩阵求出最小路径，进而求出最小割集；

步骤五：利用SDP法消除共用设备对计算结果的影响；

步骤六：计算负荷点可靠性参数和系统可靠性参数。

分别令i＝1，2，...m，根据公式（11）--（12）及上述求最小割集MC_i的方法，求出割1、割2……割i的表达式，首先根据割1的表达式求出故障率1；然后在割1表达式中去掉割2表达中所含有的项再取反，然后与割2表达式逻辑乘，根据结果表达式可求得故障率2；在割1表达式、割2表达式之逻辑和中去掉割3表达式所含有的项再取反，然后与割3表达式逻辑乘，根据结果表达式求得故障率3；以此类推；将求得的所有的故障率相加，即是负荷点的故障率。

区域配电系统的电力母线从船舱的两舷穿过水密舱，每台发电机组均与左右舷母线相连，通过左右舷母线组成一个环形供电网络。这有利于对所有的发电机组进行集中管理和控制，合理配置各台发电机组的备用容量，提高发电机利用效率。

采用环形网络后，根据负载类型以及防火要求，将整个船舶分为多个区域，每台发电站机组保障一个或几个区域的负载供电。每一个区域可以从线路的两个方向获得电源，所以任一线路的故障不会使线路停止供电；同时，根据具体需要，可在两舷母线上安装适当数目的断路器，将母线分成数个区间，如果某一区段发生故障，则断路器动作，隔离故障区域，这样就能最大程度地保证船舶生命力，满足对重要负载供电可靠性的要求。

根据区域配电板数量、负载的连接方式不同，本发明设计了5种区域配电系统结构，分析了各种配电结构对重要负载供电的可靠性。借鉴陆地上电网可靠性评估方法，采用网络等效简化思想，对所设计的区域配电网结构进行可靠性计算。首先画出整个船舶电力系统的网络图，对图中的每个连接导线进行编号，导线交点处为节点，同样用数字表示节点。节点包括电源节点、负载节点和普通节点。根据所得到的网络图，列写出连接矩阵，求出节点之间的最小路径，继而可求得最小割集。求出最小路径和最小割集后，原复杂的船舶电力系统就可转化为由最小路的并联或由最小割的串联所构成的等效网络。如果求得的任意两个最小路之间没有共用的设备或任意两个最小割之间没有共用的设备，即最小路或最小割是相对独立的，则负荷点故障率可按上述的串联或并联方法进行相关计算。

一般性况下复杂网络的不同最小路间或不同的最小割间有不同的共用设备。在可靠性分析时若不考虑共用设备，会导致评估结果存在误差，这种情况下采用SDP法消除最小路或最小割中共用设备对评估结果的影响后再进行计算。

通过对比计算得到的可靠性数值，可以选择出高性能的区域配电网络结构。

附图说明

图1环形区域配电系统结构示意图；

图2某一区域配电结构图；

图3方案一区域配电结构图；

图4方案二区域配电结构图；

图5方案三区域配电结构图；

图6方案四区域配电结构图；

图7方案五区域配电结构图。

具体实施方式

环形区域配电系统的结构如图1所示。

船舶环形区域配电系统由发电机、配电板、断路器和负载构成。电力母线从船舱的两舷穿过水密舱，连接船首和船尾的四台发电机，最终形成一个环形供电网络。

根据负载类型以及防火要求，将整个船舶分为多个区域，每台发电站机组保障一个或几个区域的负载供电。采用环形网络后，每一个区域可以从线路的两个方向获得电源。所以，任意一条线路的故障不会使线路停止供电，这样就能更好地满足供电可靠性要求。同时，环形供电网络采用分段母线方式，母线上具有多个断路器，断路器可以起到电能分配作用。在某区域出现故障后，可以通过这些断路器切断部分母线，或切除某个区域，最小范围地隔离故障区域。

区域负载可根据重要性分为三个等级。一级负载是那些直接影响船舶生命安全的极重要的用电设备，这些设备供电不能中断，且供电品质不要受其他电路干扰，如操舵装置、防空设备等。二级负载关系到船舶的使命任务，属于重要用电设备，如动力辅助设备、武器装置等。三级负载是指对供电要求不高的一般设备。如电池充电设备。重要负载直接连接到区域配电板上，普通负载通过配电箱连接到区域配电板上。船舶区域配电系统的一个区域结构示意图如图2所示。

根据区域配电板数量、负载的连接方式不同，本发明设计了5种区域配电系统结构。

方案一如图3所示，为单母线运行方式，亦即通常所说的干馈式配电。图中IL代表重要负载，CL代表普通负载，下同。区域配电板通过变压器、断路器连接到环形供电网络的一边，另一边不相连接。重要负载直接连接到区域配电板上，普通负载则通过分电箱、断路器或隔离开关连接到区域配电板上，结构简单、清晰，短路电流计算方便。在该区域内，配电方式属于典型的干馈式，主要是利用了环形供电的可靠性来保证对重要负载的持续供电，当环形母线在某处断开时，该区域仍然可以获得电源。

显然，该方案是最简单的一种形式，所用的电气设备最少，电缆最短，但是可靠性较低，一旦母线和区域配电板之间的断路器出现故障，则整个区域都会停电；同时，如果所连母线段由于故障而被切除，则该区域同样会出现停电故障。所以，该方案没有充分发挥环形供电的优势，重要负载供电的可靠性不是很高。

方案二如图4所示，该方案是上述方案一的改进，每个区域配电板都从左右两舷的母线通过智能断路器获得电源。当母线一端发生损害时，区域配电板电源可自动/手动转换到另一母线供电，即使母线和区域配电板之间的某一个断路器出现故障，该区域配电板照样可以从另一边获得电源，这样可保障区域配电具有较强的生命力。每个区域进线端均有智能断路器，该智能断路器具有通讯功能，监控系统通过对船舶工况的判断来选择智能断路器的通断状态。两路电源进线共同连接到一个区域配电板，区域内的负载直接连接在区域配电板上，监控计算机通过区域配电板对负载进行管理，实现对负载的分配。

该方案在区域内本质上属于干馈式混合配电，相当于双电源供电。重要负载直接连在区域配电板上，次重要负载和普通负载通过配电箱供电。这种连线方式简洁清晰，分析计算简单易行，电缆长度较短，同时保证了对重要负载的供电可靠性，性价比较高。

方案三如图5所示。该方案是方案二的演变，采用两个区域配电板在一个区域内并联，而每个区域配电板通过断路器从两个方向通向母线，对重要负载可以从两个区域配电板获得电源，从而降低了由于配电元件损坏所造成的对重要负载停电的可能性，进一步提高了重要负载的供电可靠性。普通负载通过二级或三级配电箱获得电源。同时，由于两个区域配电板的存在，每个区域配电板的负载容量可相应减少，也可提高整个区域的负载容量，但设备过于冗余，浪费较多，性价比较低。如果各种配电设备的可靠性足够高，则不宜采用该种方式。

方案四如图6所示。采用双区域配电板，构成环形，相对来说可以连接更多的负载，提高负载容量。电源仍然经由环形供电网络的两边通过智能断路器引入。重要负载由两个区域配电板协同供电，而普通负载接到最近的一个区域配电板上。该方案与方案三十分相似，只是少了两个与母线相连的断路器。由于两舷母线都同时通过智能断路器连接到每个区域配电板，所以即使任何一端发生了故障，仍然可以保证整个区域的供电持续。同时，由于区域内也形成了环形供电，因而任意负载的供电可靠性都比较高，重要负载的生命力较强。从理论上来说，如果区域配电板不出现故障，且负载容量足够，一个配电板足以保持整个区域系统的供电可靠性，使用两个区域配电板完全没有必要，这就造成了设备浪费，同方案三一样，性价比较差，不宜采用。

为了解决方案三和方案四中存在的问题，在方案二的基础上进行改进。改进后的方案五如图7所示。每个区域的最重要负载通过自动或手动转换开关连接到两个或三个区域配电板上，区域配电板可以在相邻的区域中，也可以在不相邻的区域中。为了使得由另一个区域配电板引入的电缆不穿越水密仓，可与母线并行放置。这样，当某一区域的供电系统出现故障后，仍能保持最重要负载由另一区域配电板供电，这样就更好地保证了对最重要负载的供电可靠性，提高了船舶的生命力，同时具有较高的经济性。

区域配电系统拓扑结构可靠性分析

船舶电网结构是关系船舶性能的关键因素。因此，对其进行可靠性分析是十分必要的。评价一个船舶电网拓扑结构的优劣，单纯从事故后重构恢复能力进行评价是不够全面的，需要从可靠性角度进行严格的论证分析。本发明以环形区域配电系统为模型，借鉴陆地上电网可靠性评估成果，采用网络等效简化思想，对所设计的区域配电网结构进行可靠性计算，并通过对比选择出高性能的电网结构。

可靠性评估的具体步骤如下：

步骤一：根据配电网络结构画出相应的可靠性框图；

步骤二：对局部相对独立的串联或并联结构进行等效，化简可靠性框图；

步骤三：对某负荷点j建立其与不同电源之间的不同的连接矩阵；

步骤四：根据连接矩阵求出最小路径，进而求出最小割集；

步骤五：利用SDP法消除共用设备对计算结果的影响；

步骤六：计算负荷点可靠性参数和系统可靠性参数。

下面对步骤中提到的方法进行阐述。

串联结构等效

对n个独立的设备串联而成的串联结构，其等效的故障率为：

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}$ (次/年)

其中λ′_i表示第i个设备的故障率，当故障修复率μ′_i(单位：次/年，μ′_i＝8760/r′_i，r′表示故障检修时间)和故障率λ′_i满足λ′_i/μ′_i<<1(一般情况下均满足这一条件)时，可根据串联结构的等效可用率：

$A=\frac{\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}+\mathrm{\&mu;}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{A}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}+{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}$

求得故障引起的等效平均年停运时间：

$u=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}{r}_i^{\&prime;}$ (小时/年)

及等效的故障修复时间：

$r=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}{r}_i^{\&prime;}}{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{u}{\mathrm{\&lambda;}}$ (小时/次)

负荷点的修复时间为故障修复时间和计划检修修复时间之和。当负荷点存在冗余路径时，不需考虑计划检修修复时间。

并联结构等效

对n个独立设备并联而成的并联结构，其等效的故障修复率为：

$\mathrm{\&mu;}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}$ (次/年)

等效的故障修复时间为：

$r=\frac{8760}{\mathrm{\&mu;}}$ (小时/次)

当满足λ′_i/μ′_i<<1时，可根据并联结构的等效可用率：

$A=1-\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+\mathrm{\&mu;}}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}(1-A_i)=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}+{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}$

求得故障引起的等效故障率：

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}$ (小时/年)

年平均故障停运时间：

$u=\mathrm{\&lambda;r}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{u}_i$ (小时/年)

最小割集法

对于由n个设备构成的串联系统，有一个最小路和n个最小割；对于由n个设备构成的并联系统，有一个最小割和n个最个路。对某个负荷点，其所有的最小路所构成的集合称为最小路径，其所有的最小割所构成的集合称为最小割集。最小割集可由最小路径求得。

求最小路首先要建立m×m连接矩阵C，连接矩阵的建立依赖于系统可靠性框图。可靠性框图由节点和线组成，节点表示系统网络中不同线路之间的交点，线表示节点间的所有设备所构成的等效设备。建立连接矩阵C时，需将电源所对应的节点与C₁₁对应、负荷点与C_mm对应。如果节点i和节点j不直接相连，则C_ij=C_ji=0；如果节点i和节点j之间通过等效设备k相连，则C_ij=C_ji=x_k，x_k表示等效设备的可靠率。

然后依据下面两个公式

C′_ij=C_ij+C_i2·C_2j i≠2，i≠j，1≤i<m，2<j<m

C′_ii=1 i＝1，2，...，m.

将C′_ij替换掉m×m矩阵C中的C_ij再去掉第二行第二列就得到新的矩阵C′_m-1×m-1，重复此步骤，直到最后得到一个2×2的矩阵。该2×2矩阵的右上角的多项式的每一项即为一个最小路，用MP_i表示，MP_i所构成的集合即为最小路集。将MP_i逻辑取反再进行逻辑乘，所得到的多项式的每一项即为一个最小割，用MC_i表示，MC_i所构成的集合即为最小割集。

首先画出整个船舶电力系统的网络图，对图中的每个连接导线进行编号，导线交点处为节点，同样用数字表示节点。节点包括电源节点、负载节点和普通节点。根据所得到的网络图，列写出连接矩阵，求节点之间的最小路径，继而可求得最小割集。求出最小路集和最小割集后，原复杂的船舶电力系统就可转化为由最小路的并联或由最小割的串联所构成的等效网络。如果求得的任意两个最小路之间没有共用的设备或任意两个最小割之间没有共用的设备，即最小路或最小割是相对独立的，则负荷点故障率可按上述的串联或并联方法进行相关计算。

但一般性况下复杂网络的不同最小路间或不同的最小割间有不同的共用设备。在可靠性分析时若不考虑共用设备，会导致评估结果存在误差，这种情况下可采用SDP法进行计算。

SDP法

为了在应用最小路或最小割法进行可靠性分析时，消除最小路或最小割中共用设备对评估结果的影响，采用SDP法。其基本思路是：分别令i＝1，2，...m，根据公式（11）--（12）及上述求最小割集MC_i的方法，求出割1、割2……割i的表达式，首先根据割1表达式求出故障率1；然后在割1表达式中去掉割2表达中所含有的项再取反(应用逻辑运算进行化简，如果取反后的多项中某项表示单一设备的“真”，如x₁，则其它多项式要乘上

下同)，然后与割2表达式逻辑乘，根据结果表达式可求得故障率2；在割1表达式、割2表达式之逻辑和中去掉割3表达式所含有的项再取反，然后与割3表达式逻辑乘，根据结果表达式求得故障率3；以此类推；将求得的所有的故障率相加，即是负荷点的故障率。

根据上述方法，可以对图3至图7所示的不同配电网络结构的可靠性参数进行分析，选取出可靠性最高的配电网络结构。

Claims (6)

1.一种船舶交流区域配电网络系统，其特征在于整个船舶分为多个区域，每台发电站机组保障一个或几个区域的负载供电，每台发电站机组由发电机、配电板、断路器和负载构成，电力母线从船舱的两舷穿过水密舱，连接船首和船尾的四台发电机，最终形成一个环形供电网络。

2.一种基于权利要求1所述的船舶交流区域配电网络系统的可靠性分析方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：根据配电网络结构画出相应的可靠性框图；

步骤二：对局部相对独立的串联或并联结构进行等效，化简可靠性框图；

步骤三：对某负荷点j建立其与不同电源之间的不同的连接矩阵；

步骤四：根据连接矩阵求出最小路径，进而求出最小割集；

步骤五：利用SDP法消除共用设备对计算结果的影响；

步骤六：计算负荷点可靠性参数和系统可靠性参数。

3.根据权利要求2所述的船舶交流区域配电网络系统的可靠性分析方法，其特征在于所述串联结构等效方法如下：

对n个独立的设备串联而成的串联结构，其等效的故障率为：

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;},$

其中λ′_i表示第i个设备的故障率，当故障修复率μ′_i和故障率λ′_i满足λ′_i/μ′_i<<1时，根据串联结构的等效可用率：

$A=\frac{\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&lambda;}+\mathrm{\&mu;}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{A}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}+{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}},$

求得故障引起的等效平均年停运时间：

$u=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}{r}_i^{\&prime;},$

及等效的故障修复时间：

$r=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}{r}_i^{\&prime;}}{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{u}{\mathrm{\&lambda;}},$

负荷点的修复时间为故障修复时间和计划检修修复时间之和；当负荷点存在冗余路径时，不需考虑计划检修修复时间。

4.根据权利要求2所述的船舶交流区域配电网络系统的可靠性分析方法，其特征在于所述并联结构等效方法如下：

对n个独立设备并联而成的并联结构，其等效的故障修复率为：

$\mathrm{\&mu;}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}$

等效的故障修复时间为：

$r=\frac{8760}{\mathrm{\&mu;}}$

当满足λ′_i/μ′_i<<1时，根据并联结构的等效可用率：

$A=1-\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}+\mathrm{\&mu;}}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}(1-A_i)=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}+{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}$

求得故障引起的等效故障率：

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i^{\&prime;}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i^{\&prime;}}$

年平均故障停运时间：

$u=\mathrm{\&lambda;r}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{u}_i.$

5.根据权利要求2所述的船舶交流区域配电网络系统的可靠性分析方法，其特征在于所述最小割集法如下：

对于由n个设备构成的串联系统，有一个最小路和n个最小割；对于由n个设备构成的并联系统，有一个最小割和n个最个路；对某个负荷点，其所有的最小路所构成的集合称为最小路径，其所有的最小割所构成的集合称为最小割集；最小割集由最小路径求得；

求最小路首先要建立m×m连接矩阵C，连接矩阵的建立依赖于系统可靠性框图；可靠性框图由节点和线组成，节点表示系统网络中不同线路之间的交点，线表示节点间的所有设备所构成的等效设备；建立连接矩阵C时，需将电源所对应的节点与C₁₁对应、负荷点与C_mm对应。如果节点i和节点j不直接相连，则C_ij=C_ji=0；如果节点i和节点j之间通过等效设备k相连，则C_ij=C_ji=x_k，x_k表示等效设备的可靠率；

然后依据下面两个公式

C′_ij=C_ij+C_i2·C_2j i≠2，i≠j，1≤i<m，2<j<m

C′_ii=1 i＝1，2，...，m.

将C′_ij替换掉m×m矩阵C中的c_ij再去掉第二行第二列就得到新的矩阵C′_m-1×m-1，重复此步骤，直到最后得到一个2×2的矩阵；该2×2矩阵的右上角的多项式的每一项即为一个最小路，用MP_i表示，MP_i所构成的集合即为最小路集；将MP_i逻辑取反再进行逻辑乘，所得到的多项式的每一项即为一个最小割，用MC_i表示，MC_i所构成的集合即为最小割集；

首先画出整个船舶电力系统的网络图，对图中的每个连接导线进行编号，导线交点处为节点，同样用数字表示节点；节点包括电源节点、负载节点和普通节点；根据所得到的网络图，列写出连接矩阵，求节点之间的最小路径，继而可求得最小割集。

6.根据权利要求2所述的船舶交流区域配电网络系统的可靠性分析方法，其特征在于所述SDP法如下：

分别令i＝1，2，...m，根据公式（11）--（12）及上述求最小割集MC_i的方法，求出割1、割2……割i的表达式，首先根据割1的表达式求出故障率1；然后在割1表达式中去掉割2表达中所含有的项再取反，然后与割2表达式逻辑乘，根据结果表达式可求得故障率2；在割1表达式、割2表达式之逻辑和中去掉割3表达式所含有的项再取反，然后与割3表达式逻辑乘，根据结果表达式求得故障率3；以此类推；将求得的所有的故障率相加，即是负荷点的故障率。

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