一种船舶直流供配电系统网络结构优化设计的方法

技术领域

本发明涉及一种船舶直流供配电系统网络结构优化设计的方法，属于船舶供配电技术领域。

背景技术

目前，船舶直流供配电系统网络结构设计通常采用基于经验并结合工程校验的设计方法，通过分析机组容量、负荷水平以及电压等级等基本元素，并结合供配电系统可靠性、经济性以及连续性，开展中高船舶直流供配电网络结构的设计。

但随着船舶用电设备的种类和数量不断的增加，供配电系统容量日益增长，供配电网络结构越来越复杂，重要的用电设备对电能质量和供电可靠性的要求不断提高，特别是采用电力电子变流设备、推进设备等特殊负载与直流区域配电的船舶综合电力系统的应用，更是给船舶直流供配电系统网络结构的设计带来不小的难度。采用基于经验并结合工程校验的设计方法无法做到船舶供配电网络的整体规划设计，随着用电设备负载数量、类型的增加以及电站装机容量的增大，船舶供配电网络的供电可靠性、连续性、网络架构和适应性等众多因素的复杂性、关联性与不确定性，使得设计者无法直接评判决策待选的规划方案，导致整体网络结构较为混乱，在发生故障时，可能会因为设计不当，无法实施高效的负荷转移。

发明内容

本发明的目的是为解决如何实现船舶直流供配电系统复杂网络结构的优化设计的技术问题。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种船舶直流供配电系统网络结构优化设计的方法，包括以下步骤：

步骤1：船舶直流供配电系统网络结构等效拓扑建模；将船舶直流供配电网络简化为一个由节点和边构成的网络模型，根据其拓扑特性，采用复杂网络理论开展船舶直流供配电网络等效建模；

步骤2：运用综合评估方法对等效拓扑模型进行船舶直流供配电网络局部特性分析；包括船舶直流供配电网络关键环节评价指标集计算；各指标属性权重计算和进行多属性决策；

步骤3：运用复杂网络抗毁性分析方法对等效拓扑模型进行船舶直流供配电网络整体特性分析；进行船舶直流供配电系统网络抗毁度优化；

步骤4：根据步骤2的多属性决策结果和步骤3的优化方案，推荐船舶直流供配电系统网络结构方案。

优选地，所述步骤1中建立等效模型需要设有如下假设：只限于船舶供配电网络的同一个电压等级；基于元件设备特性，将网络结构中所有节点分为两类集合，等值电源节点和等值负荷节点；输配电线路为网络拓扑模型中的边，且所有边均视为无向边；所有输配电线路具有相同的拓扑特性，忽略不同配电线路的物理构造特性的差异，根据研究需要设定网络边为无权边或是加权边；不存在以同一起点和终点的边，且任意两个节点之间至多有一条。

优选地，所述步骤1中针对等效网络拓扑节点处理过程设为将电力系统网络中的节点设为电源节点和负荷节点两类，分别设为等值电源节点集和等值负荷节点集；等效网络拓扑节点中设有的联络节点与特殊负载节点纳入等值负荷节点集中。

优选地，所述步骤1中针对等效网络拓扑边的处理过程设为任意节点对之间无论是单连接或者多连接，均用一条边来表征该节点对之间的连接关系，即任意节点对之间不考虑连接方式，只考虑是否连接；边的权重由线路的等值阻抗和定义权重指标确定。

优选地，所述步骤2中对船舶直流供配电网络关键环节评价指标集计算，包括节点度数、节点接近度、节点介数、节点效率、网络凝聚度、最大连通子图规模、效能函数7个指标。

优选地，所述步骤2中对各指标属性权重计算；如果初始属性权重已知，直接采用多属性决策方法计算各方案的评价函数，从而对各方案进行排序；如果属性权重完全未知，此时的多属性决策问题需要对决策信息的模糊性进行度量，利用离差最大化法计算出属性权重。

优选地，所述步骤2中多属性决策是在属性权重归一化后的量化属性评价值的基础上，通过决策方案的效用函数集结为综合评价指标，再根据效用函数为决策方案优劣来作出决策。

优选地，所述步骤3中进行船舶直流供配电系统网络抗毁度优化，设为将传统的网络约束条件映射到网络结构的拓扑约束上，建立船舶直流供配电网络抗毁性优化模型，并利用船舶直流供配电系统网络抗毁度优化计算方法优化后计算出抗毁度最优的船舶直流供配电网络结构设计方案。

优选地，所述船舶直流供配电系统网络抗毁度优化计算方法设为在完全图的基础上保持节点总数及类型不变，通过考虑船舶供配电网络备选线路的方案，结合逐步递减的方法获得现有的抗毁度最高的结构方案。

优选地，所述逐步递减策略设为根据实际网络约束条件，以完全图为基础，对每一条可行备选新增路径做剔除后的网络抗毁性计算，排序后将抗毁性最大的网络方案对应的那条可行备选新增路径剔除，直到新增支路满足约束条数为止。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

相较于传统的基于经验并结合工程校验的设计方法，本发明的优势在于：

1.本发明能够从定性和定量的角度分别评估和分析船舶直流供配电系统网络结构的优劣，能够用于指导网络结构的设计，规避风险点。

2.本发明规避了单一网络结构综合评估指标定量分析方法的不足，从供配电系统网络的全局特征出发，在船舶直流供配电系统网络结构设计时，引入船舶供配电系统网络抗毁度参数来评估网络结构的可靠性。

3.本发明提高了船舶电力系统，特别是综合电力推进系统，供配电系统的可靠性与稳定性，同时减少局部故障引发的区域停电等事故的发生。

附图说明

图1为本发明船舶直流供配电系统网络结构优化设计方法的步骤框图。

图2为本发明船舶直流供配电系统网络结构局部特性分析—关键环节评价指标集。

图3为本发明供配电系统网络拓扑结构抗毁度优化算法计算框图。

图4为实施例某船供配电系统典型网络拓扑结构(辐射结构)。

图5为实施例某船供配电系统网络结构等效模型(辐射结构)。

图6为实施例某船等效网络拓扑结构图。图中虚线表示新增路径。

图7为实施例某型船电力系统网络结构带状结构。

图8为实施例某型船电力系统网络结构优化方案。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

本发明提供一种船舶直流供配电系统网络结构优化设计的方法，包括以下步骤：

步骤1：船舶直流供配电系统网络结构等效拓扑建模；将船舶直流供配电网络简化为一个由节点和边构成的网络模型，根据其拓扑特性，采用复杂网络理论开展船舶直流供配电网络等效建模；

步骤2：运用综合评估方法对等效拓扑模型进行船舶直流供配电网络局部特性分析；包括船舶直流供配电网络关键环节评价指标集计算；各指标属性权重计算和进行多属性决策；

步骤3：运用复杂网络抗毁性分析方法对等效拓扑模型进行船舶直流供配电网络整体特性分析；进行船舶直流供配电系统网络抗毁度优化；

步骤4：根据步骤2的多属性决策结果和步骤3的优化方案，推荐船舶直流供配电系统网络结构方案。

上述步骤1中建立等效模型需要设有如下假设：只限于船舶供配电网络的同一个电压等级；基于元件设备特性，将网络结构中所有节点分为两类集合，等值电源节点和等值负荷节点；输配电线路为网络拓扑模型中的边，且所有边均视为无向边；所有输配电线路具有相同的拓扑特性，忽略不同配电线路的物理构造特性的差异，根据研究需要设定网络边为无权边或是加权边；不存在以同一起点和终点的边，且任意两个节点之间至多有一条。

上述步骤1中针对等效网络拓扑节点处理过程设为将电力系统网络中的节点设为电源节点和负荷节点两类，分别设为等值电源节点集和等值负荷节点集；等效网络拓扑节点中设有的联络节点与特殊负载节点纳入等值负荷节点集中。

上述步骤1中针对等效网络拓扑边的处理过程设为任意节点对之间无论是单连接或者多连接，均用一条边来表征该节点对之间的连接关系，即任意节点对之间不考虑连接方式，只考虑是否连接；边的权重由线路的等值阻抗和定义权重指标确定。

上述步骤2中对船舶直流供配电网络关键环节评价指标集计算，包括节点度数、节点接近度、节点介数、节点效率、网络凝聚度、最大连通子图规模、效能函数7个指标。

上述步骤2中对各指标属性权重计算；如果初始属性权重已知，直接采用多属性决策方法计算各方案的评价函数，从而对各方案进行排序；如果属性权重完全未知，此时的多属性决策问题需要对决策信息的模糊性进行度量，利用离差最大化法计算出属性权重。

上述步骤2中多属性决策是在属性权重归一化后的量化属性评价值的基础上，通过决策方案的效用函数集结为综合评价指标，再根据效用函数为决策方案优劣来作出决策。

上述步骤3中进行船舶直流供配电系统网络抗毁度优化，设为将传统的网络约束条件映射到网络结构的拓扑约束上，建立船舶直流供配电网络抗毁性优化模型，并利用船舶直流供配电系统网络抗毁度优化计算方法优化后计算出抗毁度最优的船舶直流供配电网络结构设计方案。

上述船舶直流供配电系统网络抗毁度优化计算方法设为在完全图的基础上保持节点总数及类型不变，通过考虑船舶供配电网络备选线路的方案，结合逐步递减的方法获得现有的抗毁度最高的结构方案。

上述逐步递减策略设为根据实际网络约束条件，以完全图为基础，对每一条可行备选新增路径做剔除后的网络抗毁性计算，排序后将抗毁性最大的网络方案对应的那条可行备选新增路径剔除，直到新增支路满足约束条数为止。

本发明所要解决的问题——提出一种新型船舶直流供配电系统网络结构优化设计方法，借助复杂网络综合评估方法和复杂网络抗毁性研究方法，建立船舶直流供配电系统网络结构定量评估与优化设计方法，实现船舶直流供配电系统复杂网络结构的优化设计。

如图1-图3所示，本发明提出的一种供配电系统网络结构优化设计方法，是对船舶直流供配电系统网络结构开展等效拓扑建模，然后利用综合评估方法和复杂网络抗毁性研究方法开展船舶直流供配电系统网络结构的局部分析与整体分析，船舶直流供配电系统网络结构优化设计方法步骤如图1所示。

1)从复杂网络理论的角度出发，结合多属性决策的理论和分析方法开展船舶直流供配电网络局部特性分析；

2)在保证船舶供配电网络各节点指标合理的基础上引入抗毁度评估方法，从网络全局特征的角度出发，开展船舶直流供配电网络整体特性分析。

步骤1：船舶直流供配电系统网络结构等效拓扑建模；大部分的复杂系统可以抽象为节点之间相互作用的网络，而网络的结构决定系统的功能。船舶直流供配电网络可以简化为一个由节点和边构成的网络模型，考虑到其拓扑特性，本发明采用复杂网络理论开展船舶直流供配电网络等效建模，建立等效模型需提出如下假设：

a)只限于船舶供配电网络的同一个电压等级；

b)基于元件设备特性，将网络结构中所有节点分为两类集合，等值电源节点和等值负荷节点。

c)输配电线路为网络拓扑模型中的边，且所有边均视为无向边；

d)所有输配电线路具有相同的拓扑特性，忽略不同配电线路的物理构造特性的差异，可根据研究需要设定网络边为无权边或是加权边；

e)不存在以同一起点和终点的边，且任意两个节点之间至多有一条。

步骤1.1：等效网络拓扑节点处理；基于以上假设，将电力系统网络中的节点定义为电源节点和负荷节点两类，分别称为等值电源节点集和等值负荷节点集，分别用V

步骤1.2：等效网络拓扑边的处理；为保证建立的拓扑模型为简单的网络图，任意节点对之间无论是单连接或者多连接，均用一条边来表征该节点对之间的连接关系，即任意节点对之间不考虑连接方式，只考虑是否连接；边的权重由线路的等值阻抗(电气距离)和定义权重指标确定。

步骤2：船舶直流供配电网络局部特性分析——综合评估方法；

步骤2.1：关键环节评价指标集；本发明根据系统科学分析方法开展船舶直流供配电网络关键环节评价指标集计算，其中，包含节点度数、节点接近度、节点介数、节点效率、网络凝聚度、最大连通子图规模、效能函数7个指标，如图2所示。从电网整体结构和系统运行状态的角度，较为准确地考虑了供配电网络节点与支路在船舶直流供配电网络中的地位和作用。

步骤2.1：各指标属性权重计算；如果初始属性权重已知，直接采用多属性决策方法计算各方案的评价函数，从而对各方案进行排序。但如果属性权重完全未知，此时的多属性决策问题需要对决策信息的模糊性进行度量，利用离差极大化的思想对决策信息的模糊性进行度量，找出合理的属性权重。

步骤2.3：多属性决策；本发明采用多属性决策方法，多属性效用理论的决策方法一般是在属性权重归一化后的量化属性评价值的基础上，通过决策方案的效用函数集结为综合评价指标，再根据U(A

其中，wj表示各属性的初始权重；Xij表示归一化后的属性评价值；

步骤3：船舶直流供配电网络整体特性分析——复杂网络抗毁性分析方法；

船舶直流供配电系统网络抗毁度优化；本发明从网络拓扑的角度出发，以提高船舶直流供配电系统网络结构的供电可靠性为目的，将传统的网络约束条件映射到网络结构的拓扑约束上，提出并建立了船舶直流供配电网络抗毁性优化模型，并利用算法优化后计算出抗毁度最优的船舶直流供配电网络结构设计方案。

a)目标函数：

J＝max s(G)

其中，s(G)表示完全图的自然连通度；τ表示邻接矩阵的特征根；N表示可行路径集的数量。

即表征供配电网络结构抗毁性最大，表征电力系统冗余度强、故障率低以及供电可靠。

b)约束条件：

①供配电网络机组数量一定，即电源节点数量一定，故等效电源节点V

其中，k(VG)表示等效电源节点数量；α表示常数。

②节点及边数限制：

N≤N

M≤M

其中，N表示节点的数量；M表示边的数量；

其中，N

③为了满足线路输电容量的限制和潮流约束，在优化过程中，应保证网络所有节点中的最大度值k

k

④整个网络始终保持连通，以保证电源节点能向所有的负荷节点连续供电，即：f

其中，C(G)表示网络G的连通性矩阵，若C(G)中出现无穷大元素，则表示网络不连通。

船舶直流供配电系统网络抗毁度优化计算方法；本发明在完全图的基础上保持节点总数及类型不变，通过考虑船舶供配电网络备选线路的方案，结合N-1原则的逐步递减的方法获得现有的抗毁度S(G)最高的结构方案。

逐步递减策略：根据实际网络约束条件，以完全图为基础，对每一条可行备选新增路径做剔除后的网络抗毁性S(G)计算，排序后将抗毁性S(G)最大的网络方案对应的那条可行备选新增路径剔除，直到新增支路满足约束条数为止。

另外，相同的抗毁度值时，可能具备多种不同的网络连接关系，需要本发明提出的采取综合评价指标对不用的网络拓扑结构进行考量，选取综合评价较优的网络结构作为最优解，供配电系统网络拓扑结构抗毁度优化算法框图如图3所示。

实施例

1.等效拓扑建模：本实施方案主要结合供配电系统网络结构拓扑建模方法对某船供配电网络结构进行等效建模。某船供配电系统网络拓扑原始结构如图4所示，该结构为辐射结构。该船采用2台燃气轮机发电机组、6台柴油发电机组、4套推进模块并采用直流区域配电技术，总装机容量可达100MW以上，设计的典型网络拓扑结构如图4所示。

根据图4计算出原始邻接矩阵A(G

第1行、第1列序号表示各节点编号，矩阵元素不为0表示两节点间有线路相连，反之元素为0表示两节点间无电气连接。其中，节点G

该船供配电系统原始网络结构属于传统辐射型，为提高电力系统对整个网络的供电可靠性，本节结合上述发明的方法对该船供配电系统网络结构进行二次优化。

2.优化设计算例分析：

为方便进行抗毁性优化及评估，根据本发明提供的研究方法，首先应添加新增路径建立完全图。考虑实际网络结构设计中，供配电系统主配电板间跨接线路的设计灵活度最高，是具有工程可行性的备选新增路径或备选冗余路径，因此建立完全图的方法为：在原始网络结构的基础上，仅在联络节点(即供配电系统主配电板)间增加备选路径(共21条)，不考虑在电源节点和负荷节点中直接建立供电路径。因此，本算例的完全图如图6所示。

按抗毁度最大的原则，完全图是冗余供电路径最多、供电可靠性和生命力最高的网络结构，但考虑实际工程对供电路径数量的约束，不可能新增21条跨接线路，因此，需设置新增路经的约束条件。针对特定船型，可根据总体工程余量进行约束。但在本案例中，选择工程设计中常见的供电可靠性最高的带状网络结构(详见图7)为参照方案，带状网络结构相对原始网络结构多出7条跨接线路。因此仿真算例将通过采用本发明方法，在21条备选新增路径中选择7条最合理的路径，建立更加可靠的复杂环状供配电系统网络结构，并开展不同方案对比工作。

针对边的加权问题，为区别特殊负载、传统负载等相关节点重要性与各边之间的关系，本计算节点之间边的权值主要以每条线路的额定电流的标幺值为基值，通过边的权重与连接情况反映自然连通度θ与抗毁度S(G)的强弱。另外，针对特殊负载等重要负载设备，通过相应增加其连接边的权重来表征其重要性。

根据舰船电力系统网络结构抗毁性优化方法，首先，在原始邻接矩阵A(G

a)按照本发明提出的方法对电力系统网络结构原始方案进行优化，得到供配电系统网络结构优化方案，如图8所示；

b)为满足供配电系统网络结构优化方法在工程上的应用，根据本发明的定量评估方法计算原始方案、优化方案与带状结构的综合评价指标值、自然连通度θ与抗毁度S(G)指标。其中，表1为抗毁度指标计算结果；表2、表3分别表示各方案的属性权重值与综合评价指标值。

c)对比原始方案、优化方案与带状结构的各项参数指标，提出可靠性最高的供配电系统网络拓扑结构。

表1直流供配电系统网络结构各方案拓扑参数对比

表2直流供配电系统网络结构各方案相关属性权重

表3直流供配电系统网络结构各方案综合评价指标

对比原始方案、优化方案(采用本发明提出的方法)与带状结构的参数发现。比较三种方案的抗毁度指标，优化方案的抗毁度S(G)较其他两种方案高，表明经过抗毁度优化后，船舶直流供配电网络的冗余度得到提高。在相同跨接线路数量下，本发明提出的方法可以优化计算出抗毁度最优的供配电系统网络结构，从而验证了本发明提出方法的合理性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。