CN103164571A - 船舶电力系统模块化仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是船舶电力系统模块化仿真的方法。包括人机界面模块、电力网络路径智能化分析模块、船舶电力系统分析模块、信息存储模块、暂态仿真曲线输出模块；首先人机界面模块搭建船舶电力系统；电力网络路径智能化分析模块从信息存储模块中获得来自人机界面模块的整个电力网络中设备的数字编号，船舶电力系统分析模块从信息存储模块中获得来自电力网络路径智能化分析模块中的母线间的路径连接关系以及从信息存储模块中获取来自人机界面模块中的母线节点数据信息；暂态仿真曲线输出模块从信息存储模块中获得来自船舶电力系统分析模块中暂态计算的数据来完成曲线的绘制。本发明为用户提供了一个操作简单、仿真高效的船舶电力系统仿真平台。

Description

船舶电力系统模块化仿真平台

技术领域

本发明涉及的是一种电力系统仿真技术，特别是涉及一种用于船舶电力系统模块化仿真的方法。

背景技术

在船舶工业的发展中仿真环节扮演着不可或缺的角色，在以往船舶电力系统规模较小的时期采用全物理模型或数学物理混合模型模拟实际的系统来进行分析，然而随着科学技术的不断发展电力电子技术广泛的应用于船舶电力系统中，这使得船舶电力系统的规模以及复杂程度日益的加大，上述的仿真分析方法难以适应这种大规模复杂的船舶电力系统网络。

在当今面对规模庞大复杂的船舶电力系统的仿真中具有良好经济性和实用性的数字仿真技术得到了船舶电力系统研究工作者的广泛应用。目前船舶电力系统的仿真工作都使用国外比较成熟的仿真软件来完成，这些仿真软件有EMTP(Electromagnetic Transients Program)仿真程序，德国西门子公司开发的NETOMAC软件，美国电力公司(PTI)开发的PSS/E(PowerSystem Simulator for Engineering)，Math works公司开发的MATLAB(大于5.2版本)中所包含的Power System Blockset(PSB)工具箱，PSCAD，SABER等。

近年来研究船舶电力系统的工作者正是以这些软件工具作为仿真平台来对庞大复杂的船舶电力系统进行一系列的研究如：武汉理工大学罗乐的硕士论文“船舶电力系统建模与控制”中作者归纳了船舶电力系统中的数学模型，并将数学模型简化为仿真模型利用MATLAB/Simulink软件搭建系统并进行典型工况和故障的仿真实验。最后利用PID调节方法，实现对船舶电网的协调控制。大连海事大学王浩亮的硕士论文“船舶电力系统稳定性研究”中采用MATLAB和VB联合编程的方法研究船舶电力系统的稳定性，利用Simulink模块搭建仿真系统，对同步电机在突加或突卸负荷，并车操作等情况下进行仿真实验，根据仿真分析结果，总结得到有效提高电压稳定性的方法。

综合来看目前的船舶电力系统的软件仿真工作一般可分为以下几个步骤：

1.根据给已知的船舶电力系统网络给其中的电力设备建立数学模型包括相应设备的控制策略如原动机、发电机、变频器、推进电机等，然后将这些数学模型包括相应的控制策略转换成所用仿真软件下的模型。

2.将上述转换后的各电力设备在相应仿真软件下的模型进行各个部分的连接（可以是整个船舶电力系统也可以是船舶推进部分也可以是船舶的负载部分或是船舶电力系统中的发电部分）。

3.针对不同的仿真目的进行仿真工作。

然而这些软件是根据陆地电力系统仿真方案设计的并没有船舶电力系统的针对性，很多船舶电力系统的特有模块都需要自己搭建如螺旋桨模块、特殊负载模块等，其次，电力设备建模过程与转换成所使用的仿真平台下的模型过程繁琐、复杂这给船舶电力系仿真研究人员带来了诸多的不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、仿真高效的船舶电力系统模块化仿真平台。

本发明的目的是这样实现的：

包括人机界面模块、电力网络路径智能化分析模块、船舶电力系统分析模块、信息存储模块、暂态仿真曲线输出模块；首先人机界面模块搭建船舶电力系统，并将搭建完的船舶电力系统中的各个电力设备连接关系用数字的形式表现出来，并将数字编号信息和相对应的电力设备存入信息存储模块；电力网络路径智能化分析模块从信息存储模块中获得来自人机界面模块的整个电力网络中设备的数字编号，通过路径的智能化分析将整个电力网络的路径连接信息、拓扑结构存入信息存储模块中，船舶电力系统分析模块从信息存储模块中获得来自电力网络路径智能化分析模块中的母线间的路径连接关系以及从信息存储模块中获取来自人机界面模块中的母线节点数据信息，从而来进行潮流计算、暂态计算并将计算后的潮流信息、暂态计算的一系列数据存入信息存储模块；暂态仿真曲线输出模块从信息存储模块中获得来自船舶电力系统分析模块中暂态计算的数据来完成曲线的绘制。

所述的电力网络路径智能化分析模块建立分为以下两步：

（1）人机界面搭建的船舶电力网络元件信息转换为计算机识别的数字信息，并将数字信息存入到信息存储模块；

（2）根据整个搭建的船舶电力网络的数字信息进行识别当前的网络拓扑结构。

本发明的方法的主要特点是：为从事船舶电力系统仿真工作的研究人员提供了一个针对船舶电力系统特点的仿真平台，该平台对船舶每一主要的电力设备进行了数学建模，用户可自由搭建船舶电力网络后输入各电力设备的相关参数便可从系统的角度进行相关的仿真，为用户提供了一个操作简单、仿真高效的船舶电力系统仿真平台。

附图说明

图1是本发明模块关系示意图；

图2是5节点的船舶电力网络图；

图3是图2的5节点船舶电力系统网络的基本拓扑结构图；

图4是图2的5节点突出了母线元件节点和母线的连接关系表示图；

图5是本发明数据库构成图；

图6是本发明程序算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

该仿真平台是以VC++6.0为开发工具，以数据库SQL2005为存储工具分为以下几步:

一、人机界面模块的建立

人机界面模块是用户与计算机进行信息交流的平台，在人机界面的构建与功能实现上主要是以下两大部分：

1.人机界面的整体构架。

2.在人机界面中能够实现船舶电力网络的自由化搭建，以形象直观的电力设备图形为单元展现给用户整个船舶电力网络。

3.在搭建完毕整个船舶电力网络后人机界面中提供了各个电力设备基本参数的输入途径并将这些参数存入信息存储模块以及其他功能模块的调用。

针对第一部分具体实现的方法如下；

在人机界面的开发中包括：标题栏、菜单栏、工具栏其中标题栏中写有“船舶电力系统模块化仿真平台”的字样，菜单栏中包含有：文件、操作、元件、帮助、稳态潮流分析（用于船舶电力系统稳态分析的调用）暂态曲线输出。其中文件中包含新建、打开、保存、打印、打印预览、打印设置、退出。操作中包含拖动、水平对齐、垂直对齐、逆时针旋转、顺时针旋转等用于对电力系统网络的规划。元件中包含柴油机、汽轮机、同步发电机、母线、电缆、断路器、电阻、电容、电感、开关、电灯、双绕组变压器、三绕组变压器、熔断器、逆变器、整流器、螺旋桨这些电力设备。帮助中包含着对此仿真平台的操作规范。稳态潮流分析包含调用分析船舶电力系统稳态的算法，暂态曲线输出可以调用相应的暂态输出曲线。工具栏中包含的快捷按钮为新建、打开、保存、打印、水平方向对齐（所选择的器件）竖直方向对齐、添加注释、放置电压表、放置电流表、观察数值（放置的电压表、电流表）、存入数据库、路径搜索、计算支路数值、分析电力网络潮流。工具栏中还包含经过图形化的电力设备柴油机、汽轮机、同步发电机、母线、电缆、断路器、电阻、电容、电感、开关、电灯、双绕组变压器、三绕组变压器、熔断器、逆变器、整流器、螺旋桨且工具栏中的每一种电力设备拖到窗口的形状与真实的实物形状类似都是由语言程序所编写。

针对第二部分具体实现的方法如下：

用C语言来描述各个电力设备的图形特点例如电阻性设备，首先在VC++6.0开发平台中建立描述电阻图形特点的类，该类中用C语言描述了电阻的组成结构（两个线段一个矩形）、颜色、接口端点。在用C语言建立描述电阻图形的类中首先是在类中定义一个中心点，并以中心点为坐标原点依次描绘出矩形以及两条线段，并且定义两条线段的终点为鼠标识别的端点，然后在定义颜色，其他的电力设备也都是如此先建立描述他们的类，类的建立过程和电阻的建立过程相似即：先定义中心点、描述图形、确定图形端点、定义图形颜色。在人机界面中对电力设备调用的过程就是对上述语言描述图形的可视化过程。

电力设备之间相互自由化搭建的功能是由各个电力设备的端口识别来完成，端口识别具体实现方法分为两步：第一步是在每个用C语言描述电力设备图形的同时也用C语言定义出鼠标能够识别该电力设备的端点且端点的个数视电力设备而定，每一个电力设备都是如此。第二步是在VC++6.0开发平台中定义一个类且该类也由C语言来描述，该类的作用是在人机界面中当鼠标识别一个电力设备的端点按住鼠标左键滑动会拖出线段直到鼠标托至能够识别出将要连接的电力设备的端点便可在两个电力设备之间形成可视化的线段，完成电力设备之间的连接。电力设备之间的相互连接就构成了一个完整的船舶电力系统。

针对第三部分具体的实现方法是在用户搭建完毕整个船舶电力网络图后双击所要添加参数的电力设备后弹出属性对话框然后进行参数添加，利用Visual C++6.0提供的ADO数据库访问接口，对数据库进行访问，并将填写的参数对应的传送到信息存储模块中。在人机界面中经过程序上的编写可以直接调用稳态潮流分析、暂态曲线输出等功能模块。

二、电力网络路径智能化分析模块的建立

电力网络路径智能化分析模块用于识别船舶电网仿真图的连接路径关系，实现对任意连接的船舶电力系统接线图进行连接关系分析，方便准确的给出电力网络拓扑结果，达到电力网络结构拓扑分析智能化，明确船舶电力设备连接关系。

电力网络路径智能化分析是根据用户搭建的船舶电力系统的网络图来分析所有的路径连接关系来为船舶电力系统的暂稳态分析做出铺垫。船舶电力系统的元件组成和接线方式都是根据用户需要任意搭建的，网络拓扑结构具有不确定性。电力网络路径智能化分析的任务是针对人机界面的电网连接关系，同时根据支路开关信息的变化，自动识别当前的网络拓扑结构，给各仿真程序提供拓扑信息和数据。

电力网络路径智能化分析模块在设计上分为两大部分：

1.人机界面搭建的船舶电力网络元件信息转换为计算机识别的数字信息，并将数字信息存入到信息存储模块。

2.根据整个搭建的船舶电力网络的数字信息进行识别当前的网络拓扑结构。

针对第一部分的具体实现方法是当我们每在人机界面中放置一个电力元件时，在程序上就给它自动的分配一个编号，当用户将整个船舶电力网络都搭建完毕后，整个电力网络就可以用数字信息来表述，并将电力元件与相与之匹配的数字信息都存入到信息存储模块中。

针对第二部分的具体实现方法是将用搭建完毕的船舶电力系统的转换后的数字信息进行电力系统网络的拓扑分析，其中分析的理论是基于图论的方法。船舶电力系统是由众多电气元件通过电缆或线路连接在一起的整体，忽略元件特性而只研究系统的网络拓扑关系，将电力系统抽象成图结构，图中包含了顶点与边的连接关系。其中图是由顶点集合V＝{n₁,n₂,......,n_N}以及描述顶点间关系的边的集合E＝{I₁,I₂,......,I_M}组成的一组数据结构，记作G(V,E)。边I_k可以用它的两个端点n_i和n_j表示，记为(n_i,n_j)。如果n_i是边I_k的一个端点，则称顶点n_i与边I_k关联。如果n_i，n_j是同一条边I_k的两个端点，则称n_i或n_j相邻或邻接。如果I_i和I_j关联同一个顶点，则称两条边I_i和I_j相邻或邻接。图的遍历是在图论方法的基础上通过嵌套搜索某一顶点的邻接顶点，直至所有顶点都被标记，如图2所示是一个船舶电力系统5节点示意图。

在对任意一个随意搭建的船舶电力网络图的智能化路径分析中将分析过程分为两个阶段。

第一阶段为不考虑电网的元件属性和电气关系，只分析图的连接关系的初步拓扑分析。把连线看作边，元件看作顶点，对由此组成的图进行遍历搜索，得到电力系统网络的基本拓扑结构，进而识别系统网络的路径连通关系，如图3所示是图2的5节点船舶电力系统网络的基本拓扑结构。

第二阶段是母线节点与母线间支路路径的拓扑分析。根据分析船舶电网接线结构的特点，以及船舶电力系统潮流分析等仿真算法的数据要求，将电力系统看作是以母线为节点，母线间的连通支路为边的图结构。这是在原始图第一阶段的基础上，突出了母线元件节点和母线的连接关系，阻抗元件及开关元件等只考虑其对支路参数的影响，如图4所示是图2的5节点突出了母线元件节点和母线的连接关系表示。

拓扑分析模块程序设计的思想是根据图的方法。首先需要将电网的图形化接线图建立成图结构。将船舶电力系统网络接线图中的每个元件看作图的顶点，而两个元件间的连线看作图的边如图3所示。本仿真平台中拓扑分析模块程序设计上采用邻接表结构表示图即对电力系统网络图中的每一个元件顶点建立一个单链表，用于存放由该顶点发出的所有边的另一端的顶点。每一个顶点结构保存着自己的顶点编号以及指向下一条边的指针。其中编号是由程序设计的，在搭建电力系统网络时自动给网络图中的每一电力元件一个编号并且将该编号存入信息存储模块。通过对此无向图进行遍历搜索即可得到整个船舶电力系统的拓扑结构信息。

三、信息存储模块的建立

本仿真平台开发中采用Microsoft SQL Server2005作为船舶电力系统模块化仿真平台的信息存储工具。信息存储模块用于管理船舶电力系统仿真相关的所有数据，是本仿真平台各个模块数据相互调用的中枢，对仿真数据信息进行统一分类管理，能够方便快捷的存储或读取电力网络中所涉及到的数据。

数据库SQL2005的整体设计由三大部分组成如图5示分别为：设备表、电力网络信息存储表、电力网络分析表如图所示其中设备表中存储着如：原动机、发电机、电动机、变压器、永磁同步电动机、母线节点数据信息、母线间间路径的数据（电阻、电容、电感值）、螺旋桨等电力设备的参数信息，这些具体的参数是用户通过仿真平台中每一个电力设备的属性对话框输入到数据库的设备表中。电力网络信息存储表中存放着整个电力网络的元件连接关系，这些连接关系都是在电力网络路径智能化分析模块中以数字信息的方式存入到电力网络信息存储表中的，电力网络的信息存储表由原始元件连接表和母线连接表组成。电力网络分析表由稳态分析表和暂态分析表组成，在稳态分析表中存放着稳态计算时各个母线节点的初始值，这些初始值由节点对话框输入相关信息，而暂态分析表中存放的是暂态分析的初始值，这些初始值是由稳态计算的结果所提供的。

在程序的实现方面利用Visual C++6.0提供的ADO数据库访问接口，对数据库进行访问调用数据，利用C++语言对调用数据库的函数进行类的封装进而在此仿真平台功能中可通过调用封装的类函数来对数据库SQL2005的数据进行存储或是提取。

四、船舶电力系统分析模块的建立

船舶电力系统分析模块由暂态计算部分与稳态潮流计算部分组成，其中暂态计算部分的解决方法是将船舶电力系统网络的主要电力设备的数学模型、控制策略进行程序化利用各个电力设备之间参数耦合的关系进行暂态分析如：原动机、发电机、励磁装置、大功率负载、永磁推进电动机、螺旋桨等。每一个电力设备的数学模型在电力网络中都存在着电压、电流等参数的耦合关系，暂态过程的计算就是以数学模型为基础，在其中一个或几个电力设备的设定参数发生变化时必定影响其他电力设备的工作状态，在暂态计算的程序设计上具体做法是通过龙格库塔法来进行编程，例如当推进部分的永磁推进电动机的转速发生变化时必定会带来变频器中电流及电压的改变，而变频器中电流、及电压的改变必将会影响配电网络电压及电流的变化，从而会影响到发电机端的电压、电流、励磁电压、原动机转矩等的变化，每一种电力设备中都有数学模型和电压、或是电流存在着耦合关系，正是利用这种耦合关系在编程的龙格库塔法中可以将其视为变量，由于变量随时的变化进而产生一系列的动点，当电力网络运行方式的改变或是大功率负载的切除或是加入也都会引起配电网络电压、电流等参数的改变，同样的设计思想即把这些变量当做电力设备龙格库塔法编程的变量由于变量随时的变化进而产生一系列的动点，并将这些动态点存入数据库以备暂态仿真曲线输出模块调用。

潮流计算方法主要分为三个步骤：潮流计算方法的确立、制定算法流程、编制程序。其中在潮流计算方法上采用牛顿法，牛顿法解算电力系统潮流的思想就是对用复功率表示的节点电压向量非线性方程组进行迭代求解得过程，得到方程的解即为各节点的电压幅值及相角。由此可以继续计算得到系统各支路和节点的有功及无功功率等，潮流计算时以直角坐标的形式首先列出各节点的功率方程。

功率的直角坐标方程式:

$\left.\begin{array}{c}{P}_i=e_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+f_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)\\ Q_i=f_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-e_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)\end{array}\right\}$ （式1）

式1为节点电压向量的非线性方程组。在潮流分析时,将功率方程写成式2的形式:

$\left.\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_i=P_{\mathrm{is}}-e_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+f_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0\\ {\mathrm{\ΔQ}}_i=Q_{\mathrm{is}}-f_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-e_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0\end{array}\right\}(i=\mathrm{1,2},...,n)$ （式2）

式中P_is，Q_is为节点i给定的有功功率及无功功率。由这个公式，我们可以把电力系统潮流问题概略归结为：对于给定的P_is，Q_is(i＝1,2,…，n)，寻求这样一组电压相量V_i、θ_i或e_i、f_i(i＝1，2，…,n)，使按式2所得到的功率误差ΔP_i、ΔQ_i(i＝1,2,…,n)在容许的范围以内。

e_i为第i个节点电压实部，i＝1,2,3,....n，f_i为第i个节点电压虚部，i＝1,2,3,....n，V_i为第i个节点电压，i＝1,2,3,....n，θ_i为第i个节点电压角度，i＝1,2,3,....n，ΔP_i为第i个节点有功功率误差，i＝1,2,3,....n，ΔQ_i为第i个节点无功功率误差，i＝1,2,3,....n，ΔV_i为第i个节电压误差，i＝1,2,3,....n，G_ij为电导矩阵中第i行第j列元素值，B_ij为电纳矩阵中第i行第j列元素值，a_i为第i个节点的常数矩阵，i＝1,2,3,....n，b_i为第i个节点的常数矩阵，i＝1,2,3,....n。

由式2看出，各节点的功率方程组中需求解的未知量为电压向量的实部及虚部：e₁，f₁，e₂，f₂，…，e_n，f_n，而平衡节点已知其电压相量，所以总的待求量有2(n-1)个，需要2(n-1)个方程式。将它们按泰勒级数展开，略去高次项后，即可得到直角坐标系下的修正方程式3，这是牛顿法潮流程序中需要迭代求解的基本方程式。

$\frac{\∂{\mathrm{\ΔQ}}_i}{{\∂f}_i}=-\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+G_{\mathrm{ii}}{e}_i+B_{\mathrm{ii}}{f}_i=-a_i+G_{\mathrm{ii}}{e}_i+B_{\mathrm{ii}}{f}_i$

$\frac{\∂{\mathrm{\ΔP}}_i}{{\∂f}_i}=-\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)+B_{\mathrm{ii}}{e}_i-G_{\mathrm{ii}}{f}_i=-b_i+B_{\mathrm{ii}}{e}_i-G_{\mathrm{ii}}{f}_i$

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}{Q}_i}{{\∂e}_i}=\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)+B_{\mathrm{ii}}{e}_i-G_{\mathrm{ii}}{f}_i=b_i+B_{\mathrm{ii}}{e}_i-G_{\mathrm{ii}}{f}_i$

$\frac{{\∂\mathrm{\ΔV}}_i^2}{{\∂e}_i}=-2e_i$

$\frac{{\∂\mathrm{\ΔV}}_i^2}{{\∂f}_i}=-2f_i$ （式3）

算法流程如图6所示：在程序的编制中运用C++语言将上述的数学公式转换成程序，其中各支路的电导、导纳等路径信息通过程序由数据库提供。

五、暂态仿真曲线输出模块

本仿真平台中曲线是体现暂态过程的载体，通过程序的设计来描绘这种曲线，并且这种曲线是以对话框为基本的载体，当我们的暂态仿真任务不同时就会调用不同的对话框输出不同的仿真曲线，暂态仿真曲线输出模块就是这些不同对话框的集合体，例如当想要观察推进电机转速的变化时就会调用与之相应的对话框，其中暂态的曲线是由一系列的点来描绘的，而这些点是从数据库暂态分析表中调用而来，该曲线是以时间为横轴，纵轴依仿真的对象而定。

Claims (2)

1.一种船舶电力系统模块化仿真平台，其特征是：包括人机界面模块、电力网络路径智能化分析模块、船舶电力系统分析模块、信息存储模块、暂态仿真曲线输出模块；首先人机界面模块搭建船舶电力系统，并将搭建完的船舶电力系统中的各个电力设备连接关系用数字的形式表现出来，并将数字编号信息和相对应的电力设备存入信息存储模块；电力网络路径智能化分析模块从信息存储模块中获得来自人机界面模块的整个电力网络中设备的数字编号，通过路径的智能化分析将整个电力网络的路径连接信息、拓扑结构存入信息存储模块中，船舶电力系统分析模块从信息存储模块中获得来自电力网络路径智能化分析模块中的母线间的路径连接关系以及从信息存储模块中获取来自人机界面模块中的母线节点数据信息，从而来进行潮流计算、暂态计算并将计算后的潮流信息、暂态计算的一系列数据存入信息存储模块；暂态仿真曲线输出模块从信息存储模块中获得来自船舶电力系统分析模块中暂态计算的数据来完成曲线的绘制。

2.根据权利要求1所述的船舶电力系统模块化仿真平台，其特征是：所述的电力网络路径智能化分析模块建立分为以下两步：

（1）人机界面搭建的船舶电力网络元件信息转换为计算机识别的数字信息，并将数字信息存入到信息存储模块；

（2）根据整个搭建的船舶电力网络的数字信息进行识别当前的网络拓扑结构。

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