船舶配电系统可靠性评估

刘坤

摘要：随着船舶工业的快速发展，船舶配电系统越来越受到重视，并且对船舶供电的可靠性要求逐渐提高。本文首先对可靠性问题进行探讨，其次分析可靠性的建模和分析方法，最后利用后果模式分析法对船舶配电系统进行可靠性评估，通过算例，验证了理论的正确性。

关键词：船舶 配电 可靠性评估

引言：

当前，随着船舶工业的高速发展，对船舶供电的质量提出了更高的要求。相对于国家电网而言，而船舶配电系统容量不大，可视为微型孤岛配电系统，但船舶供电系统运行状况复杂，其与船舶推进系统尚有耦合关系，并且其运行环境相对恶劣，常年在潮湿、高盐度的环境下工作。船舶供电可靠性对整个船舶的运行有重大影响，甚至短暂的电力重大都有可能造成较大损失，因此开展对船舶配电网可靠性的评估具有重要意义。

1. 可靠性

可靠性的构成要素包括持久性、可修复性、设计可靠性。

持久性：设备或系统能够长时间使用，设备不出现可靠性问题或寿命周期较长称为持久性。比如宇宙飞船、火星探测器，系统从发射之后，希望它不不出现可靠性问题或者能够长时间运行，。但是，任何设备都不可能100%不发生故障。

可维修性：当设备或系统出现故障后，是否可以通过修复来排除故障，此为可修复性。可修复性分为事先修复和事后修复，比如配电系统，如果某一开关出现了故障，那么可以通过更换新的开关，使配电系统恢复正常，此为事后维修；对于一个系统，也可以通过定期的保养，比如配电系统的巡检等，发现问题，提前排除，这属于事前修复。

设计可靠性：通过合理的设计，考虑到设备使用的环境因素，对于重要的环节，采取并联工作方式，并考虑设备的可操作性，可称为设计可靠性。设计可靠性是可靠性的关键环节。

2.船舶配电网可靠性指标

船舶配电系统可靠性指标较多，通常以下主要指标为评估对象：配电系统单位时间的故障次数ASIAI、单次停电平均持续时间SAIDI、各负荷停电时平均停电电量CAIDI、停电损失；配电系统的故障次数的计算，首先应考虑单个元件的故障率，进而分析每个元件故障造成的设备或系统的故障情况。^[1]单次停电平均持续时间是在系统故障率的基础上，考虑每次元件或设备的故障所造成的供电中断时间，最终可得出系统的停电时间。停电电量应综合考虑船舶配电网的故障率和故障时间，考虑每个节点的负荷容量，计算得出停电电量。停电损失包含直接损失和间接损失，直接损失包含直接的经济效益，但是间接损失可能远远大于直接损失，而且无法准确计算。

3.船舶配电系统可靠性评估

3.1可靠性评估方法

船舶配电系统可靠性评估通常采用解析法和蒙特卡罗模拟法。

（i）蒙特卡洛模拟法

蒙特卡洛模拟法是常用的模拟法，蒙特卡洛模拟法基于概率和统计理论法为基础，通过计算机对船舶配电网的元器件以一定的概率进行抽样，用以模拟实际的船舶配电网的故障状态。用蒙特卡罗法求解时，元器件的故障模型可以是恒定概率模型也可以是指数模型，船舶配电系统的数学模型可以是确定性模型也可以是非确定性模型。由于船舶配电系统的元器件的故障具有一定的随机性，因此蒙特卡洛法可以模拟其实际的运行过程。但是，蒙特卡洛法需要多次抽样，其求解过程较复杂。

（ii）解析法

解析法基于对元器件进行故障状态抽样，然后基于网络拓扑结构，分析故障元件对系统的影响，通过解析的方法进行求解。由于解析法是在建立元件数学模型的基础上，通过严谨的数学分析而得出的结论，因此其可信度较高。^[2]但是，解析法需要分析系统的网络结构，其计算结果随网络结构的增长呈指数增加，因此，其更适合小型系统。船舶供电系统一般节点较少，比较适合采用解析法。

3.2船舶配电系统可靠性评估

（i）可靠性评估建模

解析法有很多种，其主要区别是在对网络的分析上，本文采用其中的故障模式后果分析法(Failure Mode and Effect Analysis，FMEA)。FMEA法首先对各个元件进行统计分析，分析元件个估值状态，建立其故障状态数据库，根据网络拓扑结构，分析每一故障对网络的影响，得出每一故障模式的后果，求得系统的可靠性指标。^[3]

图
3.1 船舶配电系统网络拓扑结构

以图3.1某船舶配电系统为例，来说明FMEA法的建模过程。首先应建立网络的的故障状态库，比如单一元件故障，开关CB1故障、线路L1故障等；复合故障，变压器LD1故障，加上开关CB7拒动带来的复合故障等。其次分析每一故障状态对整个配电网可靠性的影响，如变压器变压器LD1故障，它只会影响其自身的设备正常供电，不会对其余的设备产生影响；开关CB6故障，其会影响负荷LD2-LD3的正常供电；在开关CB5故障，此时开关CB6拒动带来的复合故障的情况下，整个供电网络将面临供电中断。最后，通过逐一计算各种状态对供电可靠性的影响，通过累计统计，得到系统整体的供电可靠性。

（ii）算例分析

本文以图3.1船舶配电系统为算例进行分析计算，仅考虑船舶供电系统的高压部分，分析计算至400V变压器接口，低压400V及以下不参与计算：计算参数选取如下，开关故障率为5次/100台·年，开关修复时间1.2小时/台次，开关取三遥开关，三遥开关开断时间为0.03h，发电机故障率为5次/100台·年，发电机修复时间12小时/台次，变压器故障率为1次/100台·年，变压器修复时间12小时/台次，忽略线路故障，因相对于国家电网而言，船舶配电网线路较短，从而导致线路故障率较低，因此忽略线路的故障对计算的结果影响较小。通过采用故障模式后果分析法，采用MATLAB编程计算，便可轻易得到此船舶配电网的供电可靠性。

船舶配电可靠性及船舶配电设计的基础，可靠性满足要求是船舶设计最基础的要求，另外在可靠性计算的基础上，方可进行配电系统的优化设计。

结束语

在国家十四五规划的背景下，我国船舶工业在迅速发展，在船舶设计中，供电可靠性计算是一项非常重要的内容。本文通过分析可靠性理论基础，进而探讨可靠性的建模和计算方法，最后利用FMEA法进行船舶配电可靠性评估。船舶配电可靠性评估，是后续船舶配电经济性问题探讨的基础，因而此方面的研究具有非常重要的意义。

中国的船舶工业快速向前发展，船舶配电系统在向大型化发展，另外，船舶配电系统与船舶推进系统具有耦合关系，这些都为船舶配电可靠性评估带来新的问题。

参考文献

1. 郑玲玲, 王铮, 杨丽徙. 不同网络结构及可靠性要求环境下FTU的最优配置[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(24): 69-74

2. 廉兴旺，余胜．基于FM EA法的复杂配电网可靠性评估新算法的研究[J]．江苏电机工程，2008，27(2)

3. 林功平. 配电网馈线自动化解决方案的技术策略[J]. 电力系统自动化,2001,(07):52-55.