舰船电力系统联合仿真研究及实现

金 珍，李维嘉，李 霖



舰船电力系统联合仿真研究及实现

金 珍1，李维嘉1，李 霖2

（1. 华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉 430074；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205）

舰船研制的方案设计阶段，常常需要根据各个分系统的用电需求，配置电力系统的发、配电设备。本文采用参数化的数学模型来模拟电力系统，并与液压、运动操控、高压空气等子系统联通，设计了基于用户操作的仿真分析软件，实现了电、液、气、水等多学科的联合仿真。根据仿真结果可以得到舰船系统的电能消耗，从而进行舰船设计阶段的电力设备选型。仿真软件采用C#搭建软件系统框架，采用SQL实现数据库管理，采用C语言编写各个子系统的数学模型。仿真平台具备快速性、准确性、准动态要求。

舰船 电力系统 联合仿真 准动态演示

0 引言

目前，舰船电力系统仿真主要是基于陆地电力系统仿真软件来完成。例如MATLAB/Simulink、PSPICE和SABER等，但一般只用于原理性验证以及单模块仿真，无法实现实时的、联合的数字化仿真，在输出及图形显示方面不尽如人意，也实现不了快速响应的目标[[1]]。舰船电力系统在方案设计阶段，还没有一个合适的软件，用于满足快速性、准确性要求的多领域联合仿真的需要。

本文将结合方案设计阶段的特点，研发一个可以实现舰船电力系统与机械、液压、水路、气路等多系统之间的联合仿真的工程软件，兼具快速响应性、一定的准确性以及准动态性能等特点，为舰船方案设计阶段提供一个可供设计人员进行功能分析、验证、修改的实用性工具。

1 联合仿真软件的设计

舰船电力系统联合仿真的关键技术在于电力系统子模块建模、电力系统与其他系统参数传递、以及软件交互界面设计等。为此，本文在电力系统子模块的建模过程中，采用参数化的数学模型，来满足用户仿真分析过程中的参数修正需要；对于电力系统与操控系统、液压系统、高压空气系统等之间的参数传递，则基于各个系统工作过程中的电能需求，以电流为传递参数，将各个系统准动态无缝联接；软件交互界面设计以应用较为广泛的VS2012为开发平台，基于仿真软件对图形化显示以及满足数据库的频繁交互的需求，采用C#搭建系统框架，从而为用户提供一个可进行功能选择、配置参数修改的实用性软件。

2 舰船电力系统建模

舰船电力系统各部分的关系可用图1表示。发电单元和配电系统相连，构成船舶主电站，通过配电系统为电力推进系统及舰船其他用电系统提供电能[2]。

图1 舰船电力系统示意图

针对配电系统对重要的负荷如电力推进系统进行直接供电、对其他用电系统如照明系统、空调系统等通过船舶电网进行配电的特点[3]，本文按配电系统、电力推进系统和其它系统进行舰船电力系统的建模。

2.1配电系统

配电系统对电能进行集中控制、分配和切换。在分配电能的过程中，配电系统把从电源发出的400 V电压电源转换为380 V、220 V、24 V三种不同电压的电源，供不同设备使用。其中，电力推进系统、液压系统、燃油滑油系统、冷却水系统、日用水系统、通风系统使用380 V电压源，照明系统、空调系统则使用220 V电压源，而24 V电压源主要供给电子信息系统以及照明系统中的低照度照明设备。配电系统数学模型构建如下：

其中，V、V、V分别为三种幅值的电压，I、I、I分别为使用这三种电压电源的系统工作时的电流。

2.2电力推进系统

电力推进系统主要用于推进电机驱动螺旋桨转动，其负载特性与船-机-桨的特性有关[4]。电力推进系统的建模如下。

2.2.1电机运动方程

电动机传递的是驱动负荷需要的能量，从配电吸收的功率主要取决于转轴上的机械负荷[5]。电动机的轴马力、转矩、转速及输出功率如公式(2)所示。

2.2.2螺旋桨转矩方程

推进电机经轴系和减速装置，带动螺旋桨工作从而为船身产生推进力。螺旋桨推力和转矩可用下列无因次数表示[6]。

式中，为推力，为转矩，为海水密度，取1030 kg/m2。为旋桨转速，为螺旋桨直径，取5 m。对于螺旋桨的效率η也可以用K、K和进速系数来表示，如公式（6）。

(5)

式中，为进速系数：

其中，为伴流系数，为航速。根据螺旋桨的敞水特性及舰船运动方程理论可得，螺旋桨转矩和推力方程为：

(7)

2.2.3电力推进系统模型

电力推进模块与螺旋桨负载模块之间的联接是通过求解船机桨模型得到的。船桨数学模型根据推进电机的转速和航速推算出螺旋桨转矩。将螺旋桨转矩方程和推进电机输入转矩方程联立，可以得到电力推进系统功率消耗和船航速及螺旋桨转速的数学模型，如图2所示。

2.3舰船系统联合仿真模型

图2 电力推进系统数学模型

基于舰船各个系统间的能量传递和耦合关系，将舰船电力系统和其他系统进行联合建模，以模拟舰船在各个工况下的准动态工作过程。联合仿真模型如图3所示。

舰船运动操控系统实现舰船的操纵和控制。在各个系统对操控系统的响应过程中，需要有电能的供应，此时舰船电力系统发挥作用[7]。舰船各个系统间也有其他参数的传递，如高压空气系统通过充气体积来作用于启闭升降系统、冷却水系统通过冷却水流量来作用于燃油滑油系统。

图3 联合仿真模型

3 联合仿真软件及结果分析

3.1软件设计及实现

图形化软件编程、面向对象技术以及面向对象的数据库管理是现代舰船电力系统仿真分析软件的发展趋势和追求目标。基于Microsoft Visual Studio 2012开发环境具有灵活敏捷的开发流程、强大的功能组件、强调用户交互设计等特点[8]，采用这种开发环境来设计联合仿真软件。

舰船联合仿真软件交互界面设计如图4所示。软件操作界面由用户管理界面、仿真系统界面、动态显示界面、日志管理界面组成。用户管理界面服务于用户，记录用户登录信息及权限；仿真系统界面提供仿真接口、加载仿真模块、进行参数修改等；动态显示界面包括仿真过程监控及仿真曲线显示；日志管理界面记录操作人员、操作设计等。

图4 联合仿真软件交互界面设计

3.1.1主界面设计

联合仿真软件主界面如图5所示。

主界面中心是由17个子系统构成的仿真系统界面，用户可自行选中其中的某些相互关联的子系统，子系统运行时以原理图动态显示在仿真界面上。在动态显示界面，可实现仿真的运行、停止和过程监控，同时仿真曲线也将实时显示。在日志管理界面，可记录操作者姓名，操作时间，操作记录等，保存日志可追溯以往的操作。工具栏中有文件操作、仿真模块加载及参数设置、用户管理及帮助栏。

3.1.2子系统界面

在软件的界面中，子系统仿真时，界面上以原理图显示其工作进程，可设置和修改参数，满足不同配置下的仿真需求。界面也实时监控并记录仿真过程曲线。以电力推进子系统仿真界面为例，如图6所示。

3.1.3参数配置界面

参数设置界面提供仿真参数配置及参数修改的入口。

图5 仿真软件主界面

在参数配置中，可根据舰船实际配置情况设置参数，也可保留初始的参数设置。仿真前以实际需求对部分仿真参数进行修改，数据修改完成后由平台自动加载所有仿真数据。操控系统快速设计开发平台在不同配置要求下，可实现系统的快速建模、重构，满足不同工况设定下的集成仿真需求，满足总体多要素分析与优化需求。参数配置界面可实现良好的人机交互，对于系统不是很精通的用户来讲，参数可保持默认值，也可进行必要修改，如图7所示。

3.2仿真结果分析

现以某潜艇的数据为例，部分参数在参数配置界面按表1进行设置，加载仿真数据。实现艇身从水面下降到水下50 m、航速由0节变化到8节的过程。部分参数如表1。

参数设置完成后，可以快速地获得舰船动态工作过程的仿真。为了更好地适应不同监控值之间的数量级上的差异性，仿真数据通过无因次处理，着重显示数值的变化趋势。详细的仿真数据可以通过excel表格导出，以便对仿真实例进行具体分析。仿真动态曲线如图8所示。

图6 电力推进系统界面

图 7 参数配置界面

表1 参数设置

图8显示了五条曲线变化，分别是艏舵舵角、艏舵负载功率、深度变化、航速、总输入功率。仿真结果动态地显示了各个子系统变化的过程，给出了各个子系统的用电需求和整个潜艇的用电需求。如果将各个子模块设置在最大工况运行下，将得到整个潜艇的用电需求峰值，从而为设计阶段发电和配电装置的选型提供可靠依据。

4 结束语

针对船舶上各个子系统的建模仿真通常都是独立离线的情况，本文通过对船舶电力系统的研究分析，以电力消耗为基础，进行系统间的接口设计，将船舶各个系统进行联合建模，搭建仿真平台，实现了舰船电力系统、液压系统、气压系统、水路系统等多个学科的快速的、准动态的联合仿真。设计开发的联合仿真软件界面简洁、操作便捷，可以满足用户的仿真需求。仿真结果可以为舰船方案设计阶段的发电、配电装置的选型提供参考依据。

图8 仿真结果

[1] 陈永军, 李华伟, 李俊杰. 舰船电力系统的负载仿真控制器的建模与研制[J]. 船电技术, 2005, 10(3): 32-35.

[2] 马运义, 许建. 现代舰船设计原理与技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2012.

[3] 张威, 施伟锋, 张俊深. 船舶区域配电系统建模与故障仿真分析[J]. 中国航海, 2013, 36（4）: 42-46.

[4] Wang, M. and Liang, S. Condition Assessment of Marine Electric Propulsion System Using Support Vector Machine[J]. ICTIS 2013 (2156-2163).

[5] 兰海, 卢芳, 孟杰. 舰船电力系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013.

[6] 盛振邦, 刘应中. 船舶原理[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2004.

[7] Mukund R. Patel. Shipboard Electrical Power Systems[M]. New York: CRC Press LLC,2012.

[8] 孙鑫. VC++深入详解[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012.

Research and Implementation of United Simulation of Ship Power System

Jin Zhen1, Li Weijia1, Li Lin2

(1. School of Ship and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

TP391.9

A

1003-4862（2017）08-0033-05

2017-04-24

金珍（1992-），女，硕士研究生。研究方向：船舶电力系统与计算机仿真。E-mail: jinzhen@hust.edu.cn

李维嘉（1964-），男，教授，博导。研究方向：液压技术、机电液智能控制系统、机器人方面。