舰船电力系统智能化发展趋势探究

刘振冲 严传续

（中国船舶及海洋工程设计研究院 船舶设计技术国家工程研究中心 上海201114）

引 言

在舰船电气化、自动化、网络化、信息化、智能化及模块化程度日趋增长的情况下，舰船电力系统已成为舰船最重要的系统之一［1］。随着电力推进方式和高能武器的出现，舰船电力系统将发生革命性的变化，其地位将从辅助系统变成主动力系统，即发展成为综合电力系统。随着综合电力系统研究的不断深入以及舰船电力设备技术的进步，普遍采用综合电力系统设计方案成为未来舰船动力系统发展的趋势［2］。

随着电力系统在舰船系统中的重要程度不断提升，成为决定舰船战斗力和生存力的核心系统之一，其发展水平的高低将直接决定母船的使用效能。伴随着现代工业的发展过程，舰船电力系统由最原始的人工手动操作，逐渐发展为电气化，直至今天已经基本实现了发电及配电的自动化管理。

现代信息技术水平快速发展，信息化、智能化已然成为工业和制造业发展的必然方向， “智能制造”也上升成为了国家战略，是各行业都在积极抢占的制高点。同样为满足未来海上方向信息化局部战争的需求，作为舰船核心系统之一，舰船电力系统也必将朝着智能化方向发展。

1 国内外现状

从自动化程度来讲，国内外船舶电力系统差距不大，都实现了电站及配电的自动化控制，电力系统监控自动化水平的提高，大大减轻了船员的工作量。目前舰船电力系统通过传感器、现场总线等技术实现系统内各参数的监测，并对异常数据进行实时报警；通过能量管理模块实现了电网的自动调频调载和自动调压，并可做到自动增机和自动减机；通过控制装置实现对负载的自动分级卸载，机组发生故障时的感知和隔离处理，远程遥控负载开关开闭等功能，基本实现了电力系统正常情况下的无人值班。

随着舰船电力系统规模日益扩大和综合电力系统概念的提出，传统舰船电网虽已实现了自动化管理，但其设备水平和管理方式已经难以满足舰船未来发展要求，迫切需要采取智能化措施提升设计理念和应用层次，实现舰船电力系统的数字化、自动化、信息化和互动化［3］。

关于舰船电力系统的智能化，国内正处于初级发展阶段。中国船级社于2015年全球首发了《智能船舶规范》，分别从数据感知、分析、评估、诊断、预测、决策支持和自主响应实施等方面对不同智能功能提出了相应的要求，这对舰船电力系统智能化发展具有较强的指导和参考意义，着重强调了数据的全面感知能力、数据的集成交互、智能诊断及辅助决策功能。

美国海军于2007年10月提出下一代综合电力系统（NGIPS）概念，并于2009年4月公开发布NGIPS发展战略［4］，构建了电力系统的形态与电力管理模式，使之复杂性越来越高，并不断强调其在舰船中的核心地位，最终发展成为全电力战舰。2009年7月，英国45型驱逐舰服役，成为世界上首艘采用综合电力系统的水面主战舰船，2016年10月，美国DDG 1000驱逐舰服役，这些舰艇的服役表明美国和英国等世界海军强国已经在主战舰船上实现了交流综合电力系统的工程化应用［5］，并在舰船电力系统的智能化方面处于领先地位。

2 舰船电力系统智能化发展趋势

综合电力系统已经成为舰船电力系统的发展方向，我国在综合电力技术方面领先的是海军工程大学舰船综合电力技术重点实验室，该实验室在系统层面解决了综合电力系统建模和电磁暂态仿真、系统稳定性分析和分层保护等关键技术，为我国为舰船综合电力系统的工程化应用提供了技术支撑［5］。

显而易见，舰船电力系统的发展对其信息化和智能化水平提出了更高的要求，利用现代信息技术及智能理论支撑舰船电力系统发展的需求也是非常迫切的，本文将借鉴其他领域信息化、智能化的发展成果并结合舰船电力系统的实际需求，对其智能化发展趋势进行分析和设计。

2.1 统一的数据交互标准

舰船电力系统的快速发展使系统变得日益复杂，规模日益扩大，只有把从底层传感器、执行机构等设备的信息到高层的决策信息都能够有效地集成、整合和共享，才能发挥信息的最大价值。充分的信息和共享是舰船电力系统信息化、智能化的基础，是打破信息孤岛、发挥最大效能的前提，因此，数据和交换的核心地位越来越凸显。

目前而言，通过布设传感器、现场仪表、通信等手段，基本可以获取有关舰船电力系统所有的所需数据，但这种网络化的监控系统采用了不同的通信技术和信息交换标准，难以实现信息共享和统一管理，已经不能满足舰船电力系统智能化发展的需求。如何使不同子系统间通过大量不同总线系统、协议、接口访问自动化设备上的数据，而隐藏各自差别地自由通讯、交换信息将逐渐成为标准化的电力系统软件开发的一个重要需求。

传统的监控系统结构中，各系统中应用程序需要访问底层或其他系统硬件设备中的数据，需分别开发专用通信驱动程序，如图1所示，这种形式会导致系统设计和开发的工作量会随着系统复杂程度的提升而急剧增加，且易导致系统可靠性降低。所以在舰船电力系统未来的发展过程中，系统内部或者系统之间将逐渐采用统一的数据交互标准，类似总线型的数据交换架构，所有系统设备数据将由统一的驱动服务器打包后送入总线型数据交互网络，如图2所示。

图1 传统数据交互形式

图2 总线型数据交互形式

目前已经流行的一些自动化领域的标准，比如EEMUA191、IEC 62769 等，以及自动化领域主流的标准化组织如 IEC、ISA、PLCOpen 等定制的配套标准，都具有一定的成为舰船电力系统标准化数据交互协议的可行性。

OPC UA是比较新的国际标准，由OPC基金会于2006年提出，它整合了现存的OPC规范并摒弃了传统OPC规范中的限制，是用于数据互联的基础标准与规范，并于2017年正式成为中国国家标准。OPC UA为应用程序之间提供了互操作的、平台独立的、高性能、可扩展、安全和可靠的通信。

OPC UA相比于传统OPC，具有以下优点［6］：COM/DCOM的终止；打破COM的局限；OPC通信穿过防火墙；通过Web服务实现跨平台的OPC通信；统一数据模型；支持复杂数据结构等。

鉴于以上所述，舰船电力系统未来可采用OPC UA协议作为数据交互标准，其强大的信息建模能力使更为丰富的数据语义信息可以在系统内外交互，最终形成一个高度透明、开放和共享的数据服务平台，并实现系统内外设备模块的互联互通、无缝集成、即插即用，成为舰船电力系统智能化发展的基础和保障，可进一步推广成为全船的数据交互标准。

2.2 智能诊断、规划与重构

舰船电力系统在实际运行中，由于设备故障、人员误操作、战斗损耗等问题，会引起系统出现非正常工作状态，严重时可能会导致整个电力系统的崩溃，影响舰船航行安全及使命任务的完成。同时，随着大功率电磁武器，激光武器，脉冲雷达等脉冲功率设备的上舰和使用，也可能对舰船电力系统的稳定运行带来影响，这对舰船电力系统供电的可靠性和生命力提出了更高的要求，要求系统能在出现故障时够快速定位并重构，最大限度恢复供电，以保障舰船在各种情况下的用电需求。

现代舰船电力系统的电气化程度较高，各电气设备较集中，一个部件的故障易于引起链式反应，影响整个系统安全运行，必须通过故障识别快速有效地预测、发现、诊断和消除故障隐患。目前所采用的故障诊断方法有基于直接的测量方法、基于数学模型的方法、专家诊断法、故障树分析法以及人工神经网络诊断法等［7］。目前，大部分的故障诊断技术都采用单一的诊断方法，该方法的确在某些方面具有显著的优势，但是往往存在一定缺陷，并不能很好地解决电网故障诊断所面临的所有问题。将各种不同的诊断技术进行有机结合用于诊断，便可扬长避短，更准确更快速地对舰船电力系统的故障进行诊断。因此，现代舰船电力系统故障诊断技术将向着多技术融合的故障诊断技术方向发展［8］。同时，基于状态的视情维护及故障预测也将逐渐成为舰船电力系统智能化发展的趋势，更多的故障情况将由“事后诊断”变为“事前诊断”。

同时，在发生故障时，舰船电力系统应能够依靠智能保护和重构体系，自动完成对故障的隔离和自我恢复，最大程度减小故障影响，并避免供电中断，提高供电生命力。需根据当前的舰船工况、系统运行状态以及负荷优先等级，利用约束条件和目标函数优化选择供电路径，保证系统稳定运行；同时结合舰船地理信息系统和损坏管制系统，提供全面、优化、系统的故障恢复决策，重新构建供配电网络，利用备用供电路径或应急/事故配电系统为重要设备提供不间断的电力供应，保障舰船的生命力和战斗力；利用先进的目标探测和识别技术精确检测打击舰船的武器，并对来袭武器将对舰船造成损伤的地理区域进行预测，在遭受打击之前进行重构操作或提出恢复策略，用于降低武器造成的实际损伤水平，减小对电力网络和电气设备的潜在破坏［9］。

2.3 三维可视化调度管理

三维可视化能够提供更直观、真实、交互感强的信息展示，越来越广泛地应用在工业生产过程中，其在舰船电力系统调度和管理领域中的应用也将是研究的一个热点。

舰船电力系统三维可视化调度管理将由电力系统实时数据驱动，结合计算机通信、GIS、数据库等技术，以三维图形化的方式实时显示电力系统综合态势，以全方位、多角度、多源信息融合的三维化显示方式，为决策者提供系统运行状态的全方位展示，能够更好为其提供辅助决策支持。

舰船电力系统三维可视化进一步可应用当下流行的VR（虚拟现实）技术及AR（增强现实）技术，利用计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、信息技术、传感与测量技术、仿真技术、多媒体技术、语音与模式识别技术、人机接口技术、软件工程、网络技术和人工智能技术等多种高新技术的集成［10］，为使用者展现更为逼真、直观、丰富的系统整体形态，并提供了沉浸式的电网调度管理方式。

2.4 信息安全评估

信息技术作为舰船电力系统智能化发展的重要推动力，随着系统规模的不断扩大、复杂程度迅速提升，将成为影响电力系统使用效能的核心要素之一。信息技术是把双刃剑，一方面极大推动了舰船电力系统的发展，但同时也带来了信息安全方面的新挑战，尤其是未来的舰船电力系统必将高度依赖信息技术，所以在构建系统的同时必须高度重视其信息安全问题。

舰船电力系统信息安全是一项综合性的系统工程，设计的环节很多，涉及到发电、输电、配电到用电的各个环节，以及内部和外部的信息交互。目前鲜有关于舰船电力系统信息安全的研究，类比其他领域信息安全设计的思路，舰船电力系统信息安全首先应构建电力系统信息安全体系总体架构，然后要对系统信息安全的评估机制和评估方法进行研究，进一步完成对信息安全补救措施及系统信息安全管理策略的研究。

分析舰船电力系统信息安全问题，发现存在信息安全的主要环节，对系统信息安全进行全面评估，然后针对安全隐患进行处理，最终为舰船电力系统建立一套动态安全的信息系统防护体系，保障系统的可靠运行。

3 结 语

随着舰船电力系统朝着综合电力系统的方向发展，系统规模将越来越大、结构将越来越复杂、地位也将越来越高。信息技术将成为推动其发展的核心力量之一，信息化、智能化也必将成为舰船电力系统的重要发展形态和发展方向。采用统一的数据交互标准进行系统内外的数据通信和交换，成为了舰船电力系统智能化发展的前提和基础；智能诊断、规划与重构将全面提升舰船电力系统的可靠性与生存能力，是其智能化发展的核心目标；三维可视化调度管理为决策者提供了全方位、高度直观的系统运行态势；信息安全则是舰船电力系统智能化发展的重要保障。当然，舰船电力系统的智能化发展也应站在全船的角度进行统一的规划和考虑，并与全船系统进行有机结合，最终推动全船智能化整体水平的发展。