壽海明，關(guān) 濤，許軼楠

應(yīng)用研究

多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究

壽海明，關(guān) 濤，許軼楠

（海軍研究院，北京 100161）

隨著系統(tǒng)容量的增加，艦船電力系統(tǒng)供配電形式正向多電站多分區(qū)的區(qū)域供配電技術(shù)方向發(fā)展，傳統(tǒng)基于前后電站、左右分區(qū)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、配電方式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已不能完全適用。本文在典型船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)分析基礎(chǔ)上，研究了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系的主要問(wèn)題，提出了多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

電力系統(tǒng) 多電站 多分區(qū) 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

0 引言

隨著我國(guó)艦船用電設(shè)備不斷增多，用電規(guī)模不斷增大，在大型艦船中采用多電站多分區(qū)供電模式已逐漸成為主流形式。傳統(tǒng)的基于前后雙電站、左右雙分區(qū)的電力系統(tǒng)按100%電站冗余設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則、配電方式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已不能完全適用，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)計(jì)。為滿(mǎn)足大型船舶用電需求，針對(duì)大容量多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)，建立合適的電力系統(tǒng)供配電設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，研究提出合適的連續(xù)供配電方案迫在眉睫。

1 多電站多分區(qū)電力系統(tǒng)典型應(yīng)用樣式

二十世紀(jì)九十年代初，美國(guó)海軍研究提出區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，交流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)迅速得到了推廣應(yīng)用，自1993年起先后應(yīng)用于DDG51驅(qū)逐艦后續(xù)艦、LPD－17、LHD-8兩棲艦、CVN21航空母艦，交流區(qū)域配電已成為美國(guó)海軍艦船配電網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)型式之一。

美國(guó)阿利·伯克級(jí)驅(qū)逐艦已建造三型：I型（DDG51-71）、II型（DDG72-78）、IIA型（79-112），其中I、II型主要采用環(huán)形配電方式，IIA型則均采用交流區(qū)域配電方案。DDG79-90艦交流區(qū)域配電系統(tǒng)如圖1所示，全艦設(shè)置3個(gè)電站，15個(gè)負(fù)載中心，配電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)左右兩舷兩條交流主電纜為全艦15個(gè)負(fù)載中心供電；DDG91級(jí)后續(xù)艦增加至22個(gè)負(fù)載中心。這種配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)負(fù)載和總體布置需要向兩側(cè)不斷延伸，系統(tǒng)拓展性較強(qiáng)，但是這種可拓展性也造成了配電系統(tǒng)監(jiān)控復(fù)雜性不斷增加。

圖1 美國(guó)DDG79-90艦交流區(qū)域配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

福特號(hào)航母是美國(guó)最新一代核動(dòng)力航母，該艦代表了目前美國(guó)航母技術(shù)發(fā)展的最新成就，其滿(mǎn)載排水量10萬(wàn)噸級(jí)，全艦設(shè)置4個(gè)電站，2個(gè)汽輪機(jī)電站，各配置了2臺(tái)大功率汽輪發(fā)電機(jī)組；2個(gè)柴油機(jī)電站，各配置了2臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，電站總功率達(dá)到了百兆瓦級(jí)，是目前電站容量最大的艦船。福特號(hào)航母主電網(wǎng)采用中壓交流電制，通過(guò)分布在全艦的多個(gè)區(qū)域配電中心和4套中壓主配電板組向全艦負(fù)荷供電；低壓電網(wǎng)采用交流區(qū)域配電方式，配置了數(shù)十臺(tái)中壓變壓器，從區(qū)域配電中心取電并將13.8 kV中壓交流電能轉(zhuǎn)換為450 V低壓交流電能，接入各區(qū)負(fù)載中心（LC）。

朱姆沃爾特級(jí)大型驅(qū)逐艦是美國(guó)DD21、DD(X)項(xiàng)目的延續(xù)，該艦排水量約1.5萬(wàn)噸，最大航速大于30節(jié)。朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦是第一艘采用綜合電力系統(tǒng)的萬(wàn)噸級(jí)驅(qū)逐艦。發(fā)電模塊采用2臺(tái)36 MW的MT-30燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和2臺(tái)4 MW的RR-4500燃?xì)廨啓C(jī)輪機(jī)發(fā)電機(jī)組；主電網(wǎng)電壓等級(jí)為交流4160V。該艦低壓網(wǎng)絡(luò)采用直流區(qū)域配電系統(tǒng)[1~3]，如圖2所示，全艦分為若干分區(qū)。其中PCM-4將中壓交流4160 V變換成直流1000 V，功率為1.5 MW不等；PCM-1將直流1000 V電制變換成直流800 V電制，功率為750 kW不等，實(shí)現(xiàn)直流區(qū)域配電；PCM-2將直流800 V電制變換成交流60 Hz，功率500 kW不等，或者變換成400 Hz滿(mǎn)足不同負(fù)載電力需求。

鑒于直流區(qū)域配電系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)也在積極開(kāi)展直流區(qū)域配電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究，有關(guān)院校在該系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)、運(yùn)行特性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)保護(hù)等方面開(kāi)展了深入的研究工作[5]。

圖2 美國(guó)朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦直流區(qū)域配電系統(tǒng)

2 艦船供配電系統(tǒng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系及存在問(wèn)題

一是現(xiàn)有國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)體系的適用范圍難以滿(mǎn)足當(dāng)前艦船發(fā)展需求。當(dāng)前，艦船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、使用，總體上遵循國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)《艦船通用規(guī)范》GJB4000-2000，在科研、生產(chǎn)和使用中正在發(fā)揮重要作用；2002年～2019年期間，又進(jìn)行了多次修改，基本可以滿(mǎn)足常規(guī)船舶電力系統(tǒng)工程應(yīng)用需求。但是，當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)容量快速增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)電制已經(jīng)推廣到中壓交流、直流等多種電制。GJB4000-2000中規(guī)定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如供電的連續(xù)性和安全性、供電生命力、系統(tǒng)線制和電制等均難以適應(yīng)當(dāng)前艦船發(fā)展需求。

二是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)有較大的局限性。隨著供電區(qū)域的增多，傳統(tǒng)的基于前后電站、左右分區(qū)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、配電方式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已不能完全適用。例如，根據(jù)生命力設(shè)計(jì)要求，雙電站、雙分區(qū)按100%電站冗余設(shè)計(jì)，前電站戰(zhàn)損退出運(yùn)行，后電站仍能滿(mǎn)足全艦滿(mǎn)負(fù)荷用電需求，因此設(shè)置左右兩舷電源轉(zhuǎn)換裝置可無(wú)需考慮電源過(guò)載問(wèn)題。但是采用多電站多分區(qū)電力系統(tǒng)，由于系統(tǒng)容量較大，按100%冗余設(shè)計(jì)總體資源過(guò)于浪費(fèi)；且對(duì)于n個(gè)獨(dú)立分區(qū)的系統(tǒng)，一個(gè)分區(qū)故障退出，系統(tǒng)容量只損失1/n，適當(dāng)考慮容量冗余即可保證全艦用電需求。因此，對(duì)于多電站多分區(qū)系統(tǒng)，原有標(biāo)準(zhǔn)體系和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則已不適用，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)計(jì)。

三是當(dāng)前國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)體系尚缺乏綜合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)和使用要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。制定科學(xué)、適用和有效的標(biāo)準(zhǔn)，是在工作實(shí)踐中貫徹實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)、充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)作用，以標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則全面落實(shí)質(zhì)量管理要求，以標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)實(shí)現(xiàn)科學(xué)論證，取得預(yù)期的軍事效益的前提。制定裝備標(biāo)準(zhǔn)，需要針對(duì)裝備論證的科學(xué)發(fā)展和規(guī)范化管理的實(shí)際需要，以長(zhǎng)期積累的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和論證工作成果為基礎(chǔ)，以行業(yè)或者專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系表為依據(jù)，通過(guò)研究、計(jì)算、試驗(yàn)、仿真、借鑒等多種技術(shù)手段，固化成熟的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)成為技術(shù)準(zhǔn)則。我國(guó)綜合電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差異，是一種全新的技術(shù)體系，只能自己建標(biāo)，沒(méi)有捷徑可走。

四是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電力系統(tǒng)供電間斷的處理已難以滿(mǎn)足現(xiàn)代化裝備的發(fā)展需求。GJB4000-2000規(guī)定，重要設(shè)備采用多路電源供電，從正常電源轉(zhuǎn)接至備用電源的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般應(yīng)在0.5~20 s的范圍內(nèi)；從正常電源轉(zhuǎn)接至應(yīng)急電源的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般應(yīng)在10~30 s的范圍內(nèi)；對(duì)向大容量動(dòng)力負(fù)載供電的特殊有限間斷電源，最長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2 min。當(dāng)前，艦船設(shè)備信息化、電子化程度越來(lái)越高，對(duì)供電連續(xù)性的要求也越來(lái)越高，電力電子裝備對(duì)供電連續(xù)性的要求通常在10 ms以?xún)?nèi)。對(duì)此，通常有三種做法：一是為每套信息化設(shè)備分布配置一套不間斷電源系統(tǒng)，臨時(shí)支撐設(shè)備不間斷運(yùn)行；二是艦船平臺(tái)集中統(tǒng)一配置一套不間斷電源系統(tǒng)，支撐重要設(shè)備的不間斷運(yùn)行；三是配置快速電源轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)失電區(qū)域通過(guò)快速電源轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)不間斷電源轉(zhuǎn)換。前兩種做法均需要占用較多的總體資源，蓄電池需要定期更換；第三種做法一般基于固態(tài)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，可靠性不如機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，同時(shí)會(huì)增加一定損耗，但相對(duì)來(lái)說(shuō)總體資源可以得到優(yōu)化。例如，美國(guó)DDG51級(jí)驅(qū)逐艦采用固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置作為重要負(fù)載的電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為約為5 ms。該裝置還具有集中監(jiān)控和管理功能，能夠在頂層對(duì)重要設(shè)備的供電電源進(jìn)行優(yōu)化配置和管理。

綜合分析，當(dāng)前國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB4000-2000在針對(duì)多電站多分區(qū)艦船電力系統(tǒng)方面存在的局限性突出表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)艦船電力系統(tǒng)生命力的考慮對(duì)于論證、設(shè)計(jì)、使用多電站多分區(qū)電力系統(tǒng)方面不盡合理；二是對(duì)于艦船電力系統(tǒng)供電連續(xù)性難以滿(mǎn)足當(dāng)前日益發(fā)展的信息化電子設(shè)備類(lèi)負(fù)載的供電連續(xù)性要求。

圖3 美國(guó)DDG51級(jí)驅(qū)逐艦采用的SABT固態(tài)轉(zhuǎn)換裝置

3 多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 研究

多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)單電站或雙電站左右兩舷供配電方式發(fā)生了較大變化，現(xiàn)有的GJB4000-2000難以有效支撐裝備論證、設(shè)計(jì)和使用需求。在新的裝備論證、設(shè)計(jì)和使用中，應(yīng)根據(jù)新技術(shù)新方案的應(yīng)用，綜合評(píng)估使用要求，合理配置系統(tǒng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升電力系統(tǒng)的生命力和供電可靠性、連續(xù)性，充分發(fā)揮系統(tǒng)效能。結(jié)合國(guó)內(nèi)外多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的典型應(yīng)用樣式和關(guān)于電力系統(tǒng)生命力、供電連續(xù)性要求的現(xiàn)狀分析，我們認(rèn)為在多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)論證和設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮供電生命力設(shè)計(jì)、供電連續(xù)性設(shè)計(jì)、功率儲(chǔ)備設(shè)計(jì)等方面設(shè)計(jì)因素，在原則遵循GJB4000-2000標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理優(yōu)化和調(diào)整。

1）系統(tǒng)生命力設(shè)計(jì)

對(duì)照電力系統(tǒng)生命力要求，多電站（至少3個(gè)電站）多分區(qū)供配電系統(tǒng)論證和設(shè)計(jì)中建議遵循以下原則：一是電力系統(tǒng)的生命力要求應(yīng)與艦船生命力等級(jí)相匹配。電力系統(tǒng)生命力是艦船生命力的重要組成部分，它為許多重要戰(zhàn)斗器材設(shè)備提供能源，是確保遭受戰(zhàn)斗破損和事故破損情況下重要戰(zhàn)斗器材設(shè)備繼續(xù)保持系統(tǒng)功能的基本保障，因此艦船電力系統(tǒng)生命力應(yīng)適當(dāng)高于電動(dòng)武備、主要電動(dòng)技術(shù)裝備的生命力，與平臺(tái)總體生命力相匹配。二是任一單個(gè)電站容量?jī)?chǔ)備至少應(yīng)能夠滿(mǎn)足艦船重要負(fù)荷即一級(jí)負(fù)荷的供電需要，以保障艦船生命力，并保障自身供電能力的恢復(fù)。三是加強(qiáng)區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的信息化、智能化，合理匹配網(wǎng)絡(luò)層級(jí)和電力負(fù)荷重要設(shè)備優(yōu)先級(jí)，避免產(chǎn)生級(jí)聯(lián)雪崩效應(yīng)。

2）系統(tǒng)供電連續(xù)性設(shè)計(jì)

綜合分析我國(guó)艦船電力負(fù)載發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒國(guó)外艦船先進(jìn)配電技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)連續(xù)性設(shè)計(jì)提出以下設(shè)計(jì)原則：一是應(yīng)根據(jù)艦船的不同使命、不同的電站和供電區(qū)域設(shè)置和配置、重要用電設(shè)備的數(shù)量、容量和排序以及供電轉(zhuǎn)換的延時(shí)許可等來(lái)合理確定所采取的主備電源轉(zhuǎn)換配置方案，或合理配置有限間斷電源裝置的供電范圍。二是當(dāng)有限間斷電源的使用受到備用供電區(qū)域的容量限制時(shí)，對(duì)未采用有限間斷電源供電的重要用電設(shè)備應(yīng)通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)兩路或多路供電，以確保在各種不同工況(如停泊、巡航、功能和應(yīng)急工況)下對(duì)重要用電設(shè)備的供電連續(xù)性和可靠性。三是應(yīng)根據(jù)負(fù)載類(lèi)型和負(fù)載重要級(jí)別采取措施控制典型斷電時(shí)間，避免突然轉(zhuǎn)移負(fù)載對(duì)正常供電區(qū)域產(chǎn)生沖擊。

3）系統(tǒng)功率儲(chǔ)備設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)的功率儲(chǔ)備用于描述配置電站的電站總功率與艦船全功能戰(zhàn)斗工況下所需電力負(fù)荷的關(guān)系，是反應(yīng)電力系統(tǒng)戰(zhàn)損或故障情況下，剩余系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足艦船功能執(zhí)行能力的重要指標(biāo)。結(jié)合當(dāng)前我國(guó)艦船發(fā)展實(shí)際，多電站（至少3個(gè)電站）多分區(qū)供配電系統(tǒng)論證和設(shè)計(jì)建議遵循以下原則：一是多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的功率儲(chǔ)備設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)照艦船生命力等級(jí)和電力系統(tǒng)生命力等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。論證和設(shè)計(jì)階段，應(yīng)結(jié)合電力負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同戰(zhàn)損條件下重要負(fù)載的電力負(fù)荷，分層級(jí)進(jìn)行統(tǒng)一配置管理，合理匹配各種典型戰(zhàn)損情況下的電力系統(tǒng)供配電能力。二是多電站供配電系統(tǒng)的功率儲(chǔ)備設(shè)計(jì)應(yīng)與艦船不沉性要求相適應(yīng)，滿(mǎn)足總體不沉性要求的條件下，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)盡量恢復(fù)重要設(shè)備供電能力。三是多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的功率儲(chǔ)備設(shè)計(jì)應(yīng)綜合分析各種戰(zhàn)損情況下的功率儲(chǔ)備要求，沒(méi)有特殊情況下，應(yīng)按最嚴(yán)酷、最高功率儲(chǔ)備要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 小結(jié)

現(xiàn)代武器裝備均以電能為基本能源，為此艦船電力系統(tǒng)容量需求越來(lái)越大，艦船電力系統(tǒng)采用多電站多分區(qū)供配電方案成為裝備和技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。我國(guó)在多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)方面的研究和體系建設(shè)還比較薄弱，尚缺乏與之配套的標(biāo)準(zhǔn)體系和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，還處在邊研究邊發(fā)展的階段特別是對(duì)電力系統(tǒng)功率儲(chǔ)備、生命力要求等方面還有爭(zhēng)議。本文分析了多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)的典型樣式、技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了艦船多電站多分區(qū)供配電系統(tǒng)幾點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基本考慮。

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Study on Design Principles of Ship Electric Power Distribution System of Multiple Stations and Distribution Zones

Shou Haiming，Guan Tao，Xu Yinan

(Navy Research Academy, Beijing 100161, China)

TM73

A

1003-4862(2021)04-0032-04

2020-10-09

壽海明(1979-)，男，工程師。研究方向：船舶電氣工程。E-mail: 55541002@qq.com