Design of zonal distribution system configuration of warships
摘要：现代舰船设计中区域配电正在从概念走向工程实际，区域配电技术可通过对全船的电力系统进行区域划分，达到降低电力系统建造成本，提高舰船生命力的目标。文章比较了舰船区域配电技术与传统配电技术。给出了区域配电结构设计的原则，指出了区域划分的思想，并详细说明了所提出的三种不同类型的区域配电结构，最后为区域配电结构设计的进一步发展提供了思路。
关键词：舰船；区域配电；系统结构
Abstract: In modern warships design, zonal power distribution is developed from concept to project, zonal power distribution technology can partition the electric system of the whole warship to reach the target that reducing the cost of system construction and improving warship’s survivability. In this paper, modern distribution system is introduced by comparing normal distribution system with zonal distribution system. The principles of designing of zonal distribution system configuration are given. The paper proposes the idea of segment the zones, and explained three different kinds of zonal power distribution structures. At last, the paper provided thought that how to develop zonal distribution system design to a further step.
Keys: warship; zonal distribution; system configuration

1 引言
一个典型的舰船电力系统主要是由电源、配电装置、电力网和用电设备组成，其中电力网是由船用电缆、导线和配电装置以一定的连接方式组成的整体。发电机所产生的电能就是通过电网配送到船上各个用电设备的。而舰船电网包括供电网络和配电网络：供电网络是指主发电机与主配电板之间、应急发电机与应急配电板之间、主配电板之间以及主配电板与应急配电板、岸电箱之间的电气连接网络；配电网络是指主配电板、应急配电板到用电设备之间的电气连接网络。电网设计的主要内容就是合理设计电网器件之间和电网与用电设备之间的连接，以便在有限连接线的条件下，努力增加每项用电设备至电源的通路，也就是使用电设备有尽量多的通向各个电源的可能途径[1]。
随着舰船综合电力系统（IPS）概念的提出，电力推进方式和电热化学炮、中级能激光武器、大功率微波武器等高性能武器的出现，舰船电力系统的系统容量将以几何曲线上升，这使得电缆布置成为一个突出的问题：一是电缆数量的增加，导致舰船建造成本的上升；二是如果不能合理地布置电缆，将会使穿过隔舱壁的电缆数目增加，不利于舰船生命力的提高 。另一方面，舰船电力系统有很多特殊性，例如舰船电力系统为有限电网，且是独立活动单元，舰船在遭受攻击后，电源很可能受到损伤；系统输电线路比较短，短路电流大，等
等。而舰船电力系统的某些负载对电力中断和电能质量非常敏感，断电70－100ms就会引起整个作战系统关闭，且需要很长的时间恢复。各种故障或非正常运行状态，将会严重影响电力系统的可靠运行，影响战斗及航行安全。因此，随着舰船电气化、自动化程度的日益提高，对舰船电力系统供电可靠性和生命力提出了更高的要求。
2区域配电方式与传统配电方式的比较
舰船电力系统采用统一的供电网络为全船的装备和武器供电，优质的电能必须通过网络和监控才能高效地得到使用。目前，我国舰船电力系统的规划还停留在对小型舰船电力系统的规划基础上，即前后两电站互为备用，对称分布，供电量为100％冗余。目前，舰船上常用的供电网络形式是传统的树形供电网络，也就是干馈式供电网络，由于其结构的特点，使得它供电的可靠性较低，如果在母线附近短路，会使得该点之后的所有负载失去供电。
而随着舰船电力系统的系统容量以几何曲线上升，网络拓扑结构将会越来越复杂，国外一些大型舰船已经由原来两个电站的干馈混合式供电发展为多电站环形供电，多电站环形网络是电源之间利用纵向横向连接线或母线构成闭环，将母线组成的环形分成若干个区域，向用电设备供电的网络，其优点是可以构成较多的电源至负载的通路，电源母线闭环网络能解决靠近负载端的多路径供电问题[4]。区域配电电力系统网络将是未来的发展趋势，以提高供电可靠性和生命力，并有灵活的运行方式和良好的运行经济性。美国海军新型舰船电力系统的配电技术正逐步向区域配电技术方面发展，其新型的DD(X)型驱逐舰的电力系统设计中就已体现了区域配电的思想[2]。
3 区域配电系统结构设计
3.1设计原则
为了维持供电网络的可靠性和生命力，设计供电网络的基本要求主要有：（1）发电机组和线路局部损坏时，供电网络可以继续在最大范围内维持供电；（2）电网严重破坏时，继续保持最重要设备不间断供电；（3）将电力系统设备故障的影响面缩小和限制在最小的范围内。基于上面的要求，在设计供电网络时，往往采取下面的措施：（1）选择可靠性较高的电网拓扑结构形式；（2）按负载的重要性实行分级供电；（3）采用分段母线方式供电。
3.2区域的划分
    通过权衡舰船的建造成本的经济性与其生命力这两个方面，来确定区域的大小。一般而言，对区域的破坏集中在某一个区域或者相邻的两个区域。一个配电区域不能划分的很大，划分很大时虽然任务系统设备或许未被破坏，但是因为配电系统的破坏，而使得整个区域内的任务系统不起作用。就大多数的舰船而言，将其划分成6－7个区域是比较合理的，这时每个区域占整条船长的15％左右[3]。由于舰船水密舱的划分是建立在舰船的稳定性基础上的，实际配电区域的划分同样应以水密舱为标准。这样配电板的馈电电缆不用穿越水密舱，提高了舰船的生命力，另外也降低了电缆的重量和造价。在战斗状态下，舰船受到攻击后，一方面可能导致船体破裂，另一方面还可能导致火灾的发生，这两种灾害对于舰船的生命力和战斗力都是致命的。因此结合防火的要求，将区划防火的思想融合到了区域配电的设计当中。
基于以上的设计思想和原则，将区域配电系统设计为如下三种结构：
3.3区域配电结构类型
3.3.1单母线结构
将储能设备以及相关发电机设备与母线的花费进行比较，如果前者的花费较少的话，这时选择单母线结构比较合适。如图1所示，一条母线被几个区域所分隔，在每一个区域内部都有一个储能设备来确保所在区域的供电连续性。为了使整个电力系统工作性能达到最优，母线并不是孤立的。当舰船电力系统因受到攻击而遭到破坏时，控制系统能够自动地将被破坏的区域隔绝，并启动所有的发电机设备。如果某一区域的发电机元件不工作或者因其区域内的负载过多，则与其相邻的未遭破坏区域可以通过母线对其进行供电。这时未遭破坏的相邻区域要对它实现供电的连续性和电力系统的重构。在单母线结构中，为了增强舰船的生命力，发电机设备必须布置在舰船的船头和船尾区域。

3.3.2双母线结构
图2是一个典型的双母线结构，部分区域内有发电机设备，两条母线沿着船的左右舷纵向布置，电能从发电机向母线传输，经过母线、区域配电板最后由区域配电板负责给其上面的负载供电。因此，在每个区域的内部，可以将其看成是辐射形的网络结构。从舰船生命力的角度考虑，两条母线应该相隔较远并且应全面的保护，使两条总线同时遭破坏的可能性尽可能减小。当一条母线遭到破坏，区域配电板能够自动将其负载转向另一条母线来保持负载的供电连续性。图中设有三个发电机设备，即使其中一个遭到破坏，另外两个应该仍然能够保证对负载的服务质量。

从图2可以看出共有三类负载，按照其重要等级可以分成三类：重要负载(1＃、4＃、7＃)、次重要负载（3＃、5＃）、非重要负载（2＃、6＃）。重要负载指的是设备供电不能间断且直接关系到舰船生命安全的，如关系到人员安全的通风装置，一些应急设备等，由图2可以得出即使两条母线都遭到破坏，重要负载仍然可以通过储能设备得电；次重要负载指设备关系到舰船的使命任务，属于重要用电设备，如动力辅助设备等；而非重要负载指工作时间较短，对供电指标要求不搞的一般设备负荷，如生活空调设备等，考虑到绘图的方便，图中只给出了一个负载。非重要负载可以直接接在母线上，这样可以减少电缆的长度。
3.3.3混合式结构
结合了图1、图2的特点，得到图3所示的混合式结构。区域7＃内没有单独的发电机设备， 1＃、4＃内的发电机设备通过母线对其内部的负载进行供电。之所以在4＃与7＃之间相隔几个区域，是因为相邻的区域容易一起遭到破坏，如5＃与6＃被破坏，7＃上的负载依然可以通过1＃、4＃内的发电设备正常运行。
 

在区域配电的所遭到的破坏这一概念上，我们都假设遭到一次武器的攻击并且是相邻的区域受到破坏。在实际战争中，舰船可能遭到多次攻击而身受重创，此时，若要设计出一种在承受多次任意位置攻击后仍然能够完成使命的舰船是不切实际的。网络重构技术则是解决这一问题继续研究的方向[4]。
4 结束语
从文中可以清楚地认识到，一种合适任何情况的区域配电结构是不存在的。区域配电结构的选择要从舰船的生命力、建造的经济性以及运行的经济性、灵活性等各个方面综合考虑。同时随着新型的高性能大功率器件相继出现以及电机、储能设备的发展，舰船配电技术进入一个新的发展阶段。由于其在经济性、安全性以及灵活性等方面具有其它传统配电方式无法比拟的优越性，舰船区域配电在未来舰船上的应用将会是一个必然的趋势。
本文作者创新点：提出了舰船区域配电结构划分的思想，集合舰船生命力和建造经济性的要求提出的三种不同类型的区域配电结构，并对它们进行详细的介绍。
参考文献
1. 王涣文.舰船电力系统及自动装置[M].科学出版社，2004
2. 回志澎，冀路明，陈新刚，王硕丰.现代舰船区域配电[J].船舶工程，2005(6)，63-67
3.  Capt.Norbert Doerry. Zonal Ship Design[J]. Ship Service System. 2005(2)，16-31
4.  焦寨军，沈兵，李红江.几种遗传算法在舰船电力系统网络重构中应用及比较［J］．微计算机信息，2005，12-1：184-187
作者简介：
孟思齐（1982—），男（汉族），江苏盐城人，模式识别与智能系统专业在读硕士研究生，主要从事舰船电力系统方面的研究，E-mail：mengsq_just@sohu.com；
王德明（1956—），男（汉族），教授，博士生导师，主要从事电力工程、智能控制方面的研究；
刘维亭（1965—），男（汉族），教授，硕士生导师，主要从事舰船自动化、智能控制方面的研究。
(212003江苏科技大学）孟思齐 王德明 刘维亭）
通信地点： （212003 江苏镇江梦溪路2号 江苏科技大学东校区 321信箱） 孟思齐