多电站多分区供配电系统设计准则研究

寿海明，关 涛，许轶楠

应用研究

多电站多分区供配电系统设计准则研究

寿海明，关 涛，许轶楠

（海军研究院，北京 100161）

随着系统容量的增加，舰船电力系统供配电形式正向多电站多分区的区域供配电技术方向发展，传统基于前后电站、左右分区电力系统的设计原则、配电方式、标准规范已不能完全适用。本文在典型船舶电力系统特点及发展趋势分析基础上，研究了现有标准体系的主要问题，提出了多电站多分区供配电系统基本设计准则。

电力系统 多电站 多分区 设计准则

0 引言

随着我国舰船用电设备不断增多，用电规模不断增大，在大型舰船中采用多电站多分区供电模式已逐渐成为主流形式。传统的基于前后双电站、左右双分区的电力系统按100%电站冗余设计的设计原则、配电方式、标准规范已不能完全适用，而应根据实际情况优化设计。为满足大型船舶用电需求，针对大容量多电站多分区供配电系统，建立合适的电力系统供配电设计准则，研究提出合适的连续供配电方案迫在眉睫。

1 多电站多分区电力系统典型应用样式

二十世纪九十年代初，美国海军研究提出区域配电网络结构，交流区域配电网络结构迅速得到了推广应用，自1993年起先后应用于DDG51驱逐舰后续舰、LPD－17、LHD-8两栖舰、CVN21航空母舰，交流区域配电已成为美国海军舰船配电网络标准型式之一。

美国阿利·伯克级驱逐舰已建造三型：I型（DDG51-71）、II型（DDG72-78）、IIA型（79-112），其中I、II型主要采用环形配电方式，IIA型则均采用交流区域配电方案。DDG79-90舰交流区域配电系统如图1所示，全舰设置3个电站，15个负载中心，配电网络通过左右两舷两条交流主电缆为全舰15个负载中心供电；DDG91级后续舰增加至22个负载中心。这种配电网络结构可以根据负载和总体布置需要向两侧不断延伸，系统拓展性较强，但是这种可拓展性也造成了配电系统监控复杂性不断增加。

图1 美国DDG79-90舰交流区域配电系统结构图

福特号航母是美国最新一代核动力航母，该舰代表了目前美国航母技术发展的最新成就，其满载排水量10万吨级，全舰设置4个电站，2个汽轮机电站，各配置了2台大功率汽轮发电机组；2个柴油机电站，各配置了2台应急柴油发电机组，电站总功率达到了百兆瓦级，是目前电站容量最大的舰船。福特号航母主电网采用中压交流电制，通过分布在全舰的多个区域配电中心和4套中压主配电板组向全舰负荷供电；低压电网采用交流区域配电方式，配置了数十台中压变压器，从区域配电中心取电并将13.8 kV中压交流电能转换为450 V低压交流电能，接入各区负载中心（LC）。

朱姆沃尔特级大型驱逐舰是美国DD21、DD(X)项目的延续，该舰排水量约1.5万吨，最大航速大于30节。朱姆沃尔特级驱逐舰是第一艘采用综合电力系统的万吨级驱逐舰。发电模块采用2台36 MW的MT-30燃气轮机发电机组和2台4 MW的RR-4500燃气轮机轮机发电机组；主电网电压等级为交流4160V。该舰低压网络采用直流区域配电系统[1~3]，如图2所示，全舰分为若干分区。其中PCM-4将中压交流4160 V变换成直流1000 V，功率为1.5 MW不等；PCM-1将直流1000 V电制变换成直流800 V电制，功率为750 kW不等，实现直流区域配电；PCM-2将直流800 V电制变换成交流60 Hz，功率500 kW不等，或者变换成400 Hz满足不同负载电力需求。

鉴于直流区域配电系统的诸多优点，国内也在积极开展直流区域配电系统相关技术研究，有关院校在该系统顶层设计、运行特性分析、系统稳定性、系统保护等方面开展了深入的研究工作[5]。

图2 美国朱姆沃尔特级驱逐舰直流区域配电系统

2 舰船供配电系统现有标准体系及存在问题

一是现有国家军用标准体系的适用范围难以满足当前舰船发展需求。当前，舰船电力系统设计、研制、使用，总体上遵循国家军用标准《舰船通用规范》GJB4000-2000，在科研、生产和使用中正在发挥重要作用；2002年～2019年期间，又进行了多次修改，基本可以满足常规船舶电力系统工程应用需求。但是，当前船舶电力系统容量快速增长，电力系统电制已经推广到中压交流、直流等多种电制。GJB4000-2000中规定的设计准则，如供电的连续性和安全性、供电生命力、系统线制和电制等均难以适应当前舰船发展需求。

二是现行标准对于多电站多分区供配电系统有较大的局限性。随着供电区域的增多，传统的基于前后电站、左右分区的电力系统设计原则、配电方式、标准规范已不能完全适用。例如，根据生命力设计要求，双电站、双分区按100%电站冗余设计，前电站战损退出运行，后电站仍能满足全舰满负荷用电需求，因此设置左右两舷电源转换装置可无需考虑电源过载问题。但是采用多电站多分区电力系统，由于系统容量较大，按100%冗余设计总体资源过于浪费；且对于n个独立分区的系统，一个分区故障退出，系统容量只损失1/n，适当考虑容量冗余即可保证全舰用电需求。因此，对于多电站多分区系统，原有标准体系和设计准则已不适用，应根据实际情况优化设计。

三是当前国家军用标准体系尚缺乏综合电力系统设计、研制、试验和使用要求的相关标准。制定科学、适用和有效的标准，是在工作实践中贯彻实施标准、充分发挥标准作用，以标准为准则全面落实质量管理要求，以标准为依据实现科学论证，取得预期的军事效益的前提。制定装备标准，需要针对装备论证的科学发展和规范化管理的实际需要，以长期积累的专业技术和论证工作成果为基础，以行业或者专业标准体系表为依据，通过研究、计算、试验、仿真、借鉴等多种技术手段，固化成熟的技术与经验成为技术准则。我国综合电力系统技术发展路线与美国等发达国家有较大差异，是一种全新的技术体系，只能自己建标，没有捷径可走。

四是现行标准对于电力系统供电间断的处理已难以满足现代化装备的发展需求。GJB4000-2000规定，重要设备采用多路电源供电，从正常电源转接至备用电源的转换时间一般应在0.5~20 s的范围内；从正常电源转接至应急电源的转换时间一般应在10~30 s的范围内；对向大容量动力负载供电的特殊有限间断电源，最长转换时间不应超过2 min。当前，舰船设备信息化、电子化程度越来越高，对供电连续性的要求也越来越高，电力电子装备对供电连续性的要求通常在10 ms以内。对此，通常有三种做法：一是为每套信息化设备分布配置一套不间断电源系统，临时支撑设备不间断运行；二是舰船平台集中统一配置一套不间断电源系统，支撑重要设备的不间断运行；三是配置快速电源转换装置，对失电区域通过快速电源转换装置实现不间断电源转换。前两种做法均需要占用较多的总体资源，蓄电池需要定期更换；第三种做法一般基于固态开关实现，可靠性不如机械转换装置，同时会增加一定损耗，但相对来说总体资源可以得到优化。例如，美国DDG51级驱逐舰采用固态电源转换装置作为重要负载的电源转换开关，其转换时间为约为5 ms。该装置还具有集中监控和管理功能，能够在顶层对重要设备的供电电源进行优化配置和管理。

综合分析，当前国家军用标准GJB4000-2000在针对多电站多分区舰船电力系统方面存在的局限性突出表现在两个方面：一是对舰船电力系统生命力的考虑对于论证、设计、使用多电站多分区电力系统方面不尽合理；二是对于舰船电力系统供电连续性难以满足当前日益发展的信息化电子设备类负载的供电连续性要求。

图3 美国DDG51级驱逐舰采用的SABT固态转换装置

3 多电站多分区供配电系统的设计准则 研究

多电站多分区供配电系统设计与传统单电站或双电站左右两舷供配电方式发生了较大变化，现有的GJB4000-2000难以有效支撑装备论证、设计和使用需求。在新的装备论证、设计和使用中，应根据新技术新方案的应用，综合评估使用要求，合理配置系统设备和网络结构，提升电力系统的生命力和供电可靠性、连续性，充分发挥系统效能。结合国内外多电站多分区供配电系统的典型应用样式和关于电力系统生命力、供电连续性要求的现状分析，我们认为在多电站多分区供配电系统论证和设计中应重点考虑供电生命力设计、供电连续性设计、功率储备设计等方面设计因素，在原则遵循GJB4000-2000标准基础上，进行合理优化和调整。

1）系统生命力设计

对照电力系统生命力要求，多电站（至少3个电站）多分区供配电系统论证和设计中建议遵循以下原则：一是电力系统的生命力要求应与舰船生命力等级相匹配。电力系统生命力是舰船生命力的重要组成部分，它为许多重要战斗器材设备提供能源，是确保遭受战斗破损和事故破损情况下重要战斗器材设备继续保持系统功能的基本保障，因此舰船电力系统生命力应适当高于电动武备、主要电动技术装备的生命力，与平台总体生命力相匹配。二是任一单个电站容量储备至少应能够满足舰船重要负荷即一级负荷的供电需要，以保障舰船生命力，并保障自身供电能力的恢复。三是加强区域配电网络重构的信息化、智能化，合理匹配网络层级和电力负荷重要设备优先级，避免产生级联雪崩效应。

2）系统供电连续性设计

综合分析我国舰船电力负载发展现状，借鉴国外舰船先进配电技术经验，对于多电站多分区供配电系统连续性设计提出以下设计原则：一是应根据舰船的不同使命、不同的电站和供电区域设置和配置、重要用电设备的数量、容量和排序以及供电转换的延时许可等来合理确定所采取的主备电源转换配置方案，或合理配置有限间断电源装置的供电范围。二是当有限间断电源的使用受到备用供电区域的容量限制时，对未采用有限间断电源供电的重要用电设备应通过手动转换开关实现两路或多路供电，以确保在各种不同工况(如停泊、巡航、功能和应急工况)下对重要用电设备的供电连续性和可靠性。三是应根据负载类型和负载重要级别采取措施控制典型断电时间，避免突然转移负载对正常供电区域产生冲击。

3）系统功率储备设计

电力系统的功率储备用于描述配置电站的电站总功率与舰船全功能战斗工况下所需电力负荷的关系，是反应电力系统战损或故障情况下，剩余系统能够满足舰船功能执行能力的重要指标。结合当前我国舰船发展实际，多电站（至少3个电站）多分区供配电系统论证和设计建议遵循以下原则：一是多电站多分区供配电系统的功率储备设计应对照舰船生命力等级和电力系统生命力等级进行设计。论证和设计阶段，应结合电力负荷统计计算不同战损条件下重要负载的电力负荷，分层级进行统一配置管理，合理匹配各种典型战损情况下的电力系统供配电能力。二是多电站供配电系统的功率储备设计应与舰船不沉性要求相适应，满足总体不沉性要求的条件下，能够通过网络重构尽量恢复重要设备供电能力。三是多电站多分区供配电系统的功率储备设计应综合分析各种战损情况下的功率储备要求，没有特殊情况下，应按最严酷、最高功率储备要求进行设计。

4 小结

现代武器装备均以电能为基本能源，为此舰船电力系统容量需求越来越大，舰船电力系统采用多电站多分区供配电方案成为装备和技术发展的重要趋势。我国在多电站多分区供配电系统方面的研究和体系建设还比较薄弱，尚缺乏与之配套的标准体系和设计准则，还处在边研究边发展的阶段特别是对电力系统功率储备、生命力要求等方面还有争议。本文分析了多电站多分区供配电系统的典型样式、技术特点，并对现有标准体系及存在的问题进行了分析，在此基础上提出了舰船多电站多分区供配电系统几点设计准则的基本考虑。

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[5] 张怀亮, 吕敬高, 王瑞田等. 舰船综合电力系统直流区域配电实验研究[J]. 船电技术, 2013, 33(06).

Study on Design Principles of Ship Electric Power Distribution System of Multiple Stations and Distribution Zones

Shou Haiming，Guan Tao，Xu Yinan

(Navy Research Academy, Beijing 100161, China)

TM73

A

1003-4862(2021)04-0032-04

2020-10-09

寿海明(1979-)，男，工程师。研究方向：船舶电气工程。E-mail: 55541002@qq.com