基于马尔可夫过程船舶电力系统可靠性仿真分析
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基金 项 目：福 建 省科 技重 大专 项 （０ ６ Ｚ ０２３ ０ ８ Ｚ ０ ２１；科 技部 重 大专项 （０ ９ Ｊ ４ ０３ 。 ２０ Ｈ ００ ．， ０Ｈ ０ ０ ．） ２ ２ ０ Ｇ Ｃ ０３ ）
中
国 源自文库
造
船
学术 论文
部分 组 成 。 电力 系统 可靠 性 是指 电力 系 统按 可接 受 的质量 标准 和 所 需数量 不 问断地 向 电力 设备 供应 电 力和 电能量 的能 力 的量 度， 括 充裕度 和 安全性 两个 方面 ［ 。一个 简 单 电网 的可靠性 就包 含许 多复 杂 其包 ］ 问题 ，通 常 将 电力 系统划 分 为发 电系 统 、输 电系统 、配 电系 统 ，并分 别估 计其 可靠 性 ［ 。发 电系 统 埽们 可靠 性 是指 统一 并 网 的全 部 发 电机组 按 可接 受标 准及 期 望数 量满 足 电力系 统 电力和 电能量 需求 的能力 的量 度 。发 电系 统 的研 究可 分 为充裕 度 和安全 度 的研 究 ；充 裕度 的研 究 主要 是分 析稳 态情 况下 系统 满 足用 户 电力 需求 的 能力 ，安全 度 的研 究主 要是 分析 动态 情况 下系 统 的抗扰 动 能力 【 。本文 主要 是从 充 ２ ¨ 裕度 角度 建立 基 于马 尔可 夫过程 的发 电系统 的容 量模 型 。
基于 马尔可夫 过程船舶 电力系统 可靠性仿 真分析
林 少芬 ，江小 霞，陈子凯 ，郑文 杰
（ 集美大学轮机工程 学院，厦 门 ３ １２ ） ６ １ ０
摘
要
船舶可靠性 至关 重要 ，该 文采用 马尔可夫过程 ，从接近实 际情 况出发 ，建 立有别 于 以往的船舶 发 电系统 的容量模型；从概 率论 出发 ， 用ＭＡ Ｌ Ｂ 利 Ｔ Ａ ，选择合适 的模拟方法 ，模拟 出电力负荷概率分布 曲线，快速地 建立负荷模 型。创新性地 应用 电力不足概 率法 （ Ｏ Ｐ 于船舶 电力系统 中，结合容量模型 与负荷模 型 ，得 ＬＬ ） 出船舶发 电系统 可靠性指标 ，为船舶发 电 组的容量 、台数 以及 预防性 维修提供 参考 ，有助于完善 能量管理 机
１１ 负荷模 型 ．． ２
船 舶 电力负荷 预测 是 船舶 电力 系统 安全 、稳 定运 行和船 舶 经济航 行 的重要 基础 。依 据 电力负荷 预 测 结果 可掌握 船 舶运行 过程 中的功 耗情 况 ，进而 实现 功耗控 制 ，提 高 了船舶航 行 的经济 性 。船舶 电力
系统 电力负荷计算，是确定电站容量和选择发电机组功率和台数的依据 。因此，计算方法 的合理与否， 直接 影 响到船 舶 电力 系统运 行 的可 靠性和 经 济性 【， ７ 。但 由于在 船 舶运行 工 况不 断变化 的条 件下 ，各 ’ ８
种用 电负荷在 运行 功率 、启动 次数 或工 作持 续 时间上 都带有 随机 的性 质 ，使得 当 设计没 有母 船实 际 电
系统 （ ＭＳ）功 能，提 高电力 系统安全 与经济运行水平 。 Ｐ
关 键 词 ：船舶发电系统；电力负荷；可靠性评估；充裕度
０ 引 言
船舶 ，特 别 是 军用 舰船 ， 由于 工 作特 性 的要 求 ， 出航后 长 时期 远 离基 地 ，在 发生 故 障 时不可 能及 时得 到 岸上 的支援 ，因此 ，可靠 性 尤 显重 要 …。船舶 电站 是船 舶 的重 要 组成 部 分 ，是 船舶 电力 系 统 的 核 心 ，特 别 是船 舶 电力 推 进 的发展 与 推广 ，更 凸显 出电站 运行 的可 靠 性经 济 性对 船 舶 的航行 安全 及 经 济 运 行 具有 重要 意 义 。近 年来 ，关于 船 舶 电站 可靠 性 的研 究颇 丰 ，但 采用 马 尔可 夫过 程 理论 研 究方 法
５ ２卷
第 ２期（ 总第 １５期 ） ９
中
国
造
船
、０．２ Ｎｏ２ （ ｅ ａ Ｎｏ １ ５） ，１ ５ ． Ｓ ｆ １ ．９ ｉ
Ｊｎ． ０ １ ｕ ｅ ２ １
２ １年 ６月 ０１
Ｓ ＩＢ ＩＤＩ ＦＣ ＮＡ ＨＰ Ｕ Ｌ ＮＧＯ ＨＩ
文章编号 ：１０ ．８ ２（ ０ １ ２０ ６ —９ ０ ０４ ８ ２ １ ）０ ．１ １ ０
的成果［ ］ ２ ，仍是在大量假设前提 的条件下，跟实际情况还是有一定差距。本文主要是从充裕度角度上 击 衡量船舶电站可靠性，建立基于马尔可夫过程容量模型，考虑 了冷储备机组存在失效率 的实际情况 ，
研 究 的情 况 更加 贴 近 实 际 。近 年 来 ，关 于 电力 负荷 模 型 的研 究方法 也 有 很 多，但 都 相对 较 复杂 且理 论 与实 际 相差 很 大［１，本文 从 负 荷 的概 率 出发 ，利 用ＭＡ Ｌ ７６ －］ Ｔ ＡＢ，经 研 究选择 合 适 的步 长 和三 次样 条 插 值【 １ ，模 拟 出 电力负 荷概 率 分布 曲线 ，快速 地 建立 负荷 模 型 。由于 电气 设备 相互 连接 ， 电机 和 负载 相 发 互影 ｎ ，对 电力 系 统优化 运 行和 控 制 的最基 本 要求 是 安全 运行 并 且 能量消 耗最 少 ；为 了将 发 电机 和 ａｔ 负载 统 一到 电力 系统 中，本文 运用 电力不足 概 率法 （ ＯＬ ），结合 容量 模 型与 负荷模 型 ，分析 船舶 电 Ｌ Ｐ 力 系统 可 靠 性 ，为 船 舶 发 电机 组 的容 量 、 台数 以及 预 防性 维 修 提 供 参 考 ，有 助 于 完 善 能 量 管理 系 统
（Ｍ Ｓ Ｐ ）功 能 ，提 高 电力 系统 安 全 与经 济运 行水 平 。
１ 电力 系 统
１１ 理 论 模型 ．
１１１ 容 量模 型 ．． 船舶 电力系 统是 一个 产 生 、分配 和 消耗 电 能的统 一整 体 ， 由发 电机组 、配 电网络 和 电力 负荷三 大
收稿 日期 ：２ １．６Ｏ ；修 改稿 收稿 日期：２ １．５０ ０ ００一１ ０ ００ —４
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学术 论文
部分 组 成 。 电力 系统 可靠 性 是指 电力 系 统按 可接 受 的质量 标准 和 所 需数量 不 问断地 向 电力 设备 供应 电 力和 电能量 的能 力 的量 度， 括 充裕度 和 安全性 两个 方面 ［ 。一个 简 单 电网 的可靠性 就包 含许 多复 杂 其包 ］ 问题 ，通 常 将 电力 系统划 分 为发 电系 统 、输 电系统 、配 电系 统 ，并分 别估 计其 可靠 性 ［ 。发 电系 统 埽们 可靠 性 是指 统一 并 网 的全 部 发 电机组 按 可接 受标 准及 期 望数 量满 足 电力系 统 电力和 电能量 需求 的能力 的量 度 。发 电系 统 的研 究可 分 为充裕 度 和安全 度 的研 究 ；充 裕度 的研 究 主要 是分 析稳 态情 况下 系统 满 足用 户 电力 需求 的 能力 ，安全 度 的研 究主 要是 分析 动态 情况 下系 统 的抗扰 动 能力 【 。本文 主要 是从 充 ２ ¨ 裕度 角度 建立 基 于马 尔可 夫过程 的发 电系统 的容 量模 型 。
基于 马尔可夫 过程船舶 电力系统 可靠性仿 真分析
林 少芬 ，江小 霞，陈子凯 ，郑文 杰
（ 集美大学轮机工程 学院，厦 门 ３ １２ ） ６ １ ０
摘
要
船舶可靠性 至关 重要 ，该 文采用 马尔可夫过程 ，从接近实 际情 况出发 ，建 立有别 于 以往的船舶 发 电系统 的容量模型；从概 率论 出发 ， 用ＭＡ Ｌ Ｂ 利 Ｔ Ａ ，选择合适 的模拟方法 ，模拟 出电力负荷概率分布 曲线，快速地 建立负荷模 型。创新性地 应用 电力不足概 率法 （ Ｏ Ｐ 于船舶 电力系统 中，结合容量模型 与负荷模 型 ，得 ＬＬ ） 出船舶发 电系统 可靠性指标 ，为船舶发 电 组的容量 、台数 以及 预防性 维修提供 参考 ，有助于完善 能量管理 机
１１ 负荷模 型 ．． ２
船 舶 电力负荷 预测 是 船舶 电力 系统 安全 、稳 定运 行和船 舶 经济航 行 的重要 基础 。依 据 电力负荷 预 测 结果 可掌握 船 舶运行 过程 中的功 耗情 况 ，进而 实现 功耗控 制 ，提 高 了船舶航 行 的经济 性 。船舶 电力
系统 电力负荷计算，是确定电站容量和选择发电机组功率和台数的依据 。因此，计算方法 的合理与否， 直接 影 响到船 舶 电力 系统运 行 的可 靠性和 经 济性 【， ７ 。但 由于在 船 舶运行 工 况不 断变化 的条 件下 ，各 ’ ８
种用 电负荷在 运行 功率 、启动 次数 或工 作持 续 时间上 都带有 随机 的性 质 ，使得 当 设计没 有母 船实 际 电
系统 （ ＭＳ）功 能，提 高电力 系统安全 与经济运行水平 。 Ｐ
关 键 词 ：船舶发电系统；电力负荷；可靠性评估；充裕度
０ 引 言
船舶 ，特 别 是 军用 舰船 ， 由于 工 作特 性 的要 求 ， 出航后 长 时期 远 离基 地 ，在 发生 故 障 时不可 能及 时得 到 岸上 的支援 ，因此 ，可靠 性 尤 显重 要 …。船舶 电站 是船 舶 的重 要 组成 部 分 ，是 船舶 电力 系 统 的 核 心 ，特 别 是船 舶 电力 推 进 的发展 与 推广 ，更 凸显 出电站 运行 的可 靠 性经 济 性对 船 舶 的航行 安全 及 经 济 运 行 具有 重要 意 义 。近 年来 ，关于 船 舶 电站 可靠 性 的研 究颇 丰 ，但 采用 马 尔可 夫过 程 理论 研 究方 法
５ ２卷
第 ２期（ 总第 １５期 ） ９
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国
造
船
、０．２ Ｎｏ２ （ ｅ ａ Ｎｏ １ ５） ，１ ５ ． Ｓ ｆ １ ．９ ｉ
Ｊｎ． ０ １ ｕ ｅ ２ １
２ １年 ６月 ０１
Ｓ ＩＢ ＩＤＩ ＦＣ ＮＡ ＨＰ Ｕ Ｌ ＮＧＯ ＨＩ
文章编号 ：１０ ．８ ２（ ０ １ ２０ ６ —９ ０ ０４ ８ ２ １ ）０ ．１ １ ０
的成果［ ］ ２ ，仍是在大量假设前提 的条件下，跟实际情况还是有一定差距。本文主要是从充裕度角度上 击 衡量船舶电站可靠性，建立基于马尔可夫过程容量模型，考虑 了冷储备机组存在失效率 的实际情况 ，
研 究 的情 况 更加 贴 近 实 际 。近 年 来 ，关 于 电力 负荷 模 型 的研 究方法 也 有 很 多，但 都 相对 较 复杂 且理 论 与实 际 相差 很 大［１，本文 从 负 荷 的概 率 出发 ，利 用ＭＡ Ｌ ７６ －］ Ｔ ＡＢ，经 研 究选择 合 适 的步 长 和三 次样 条 插 值【 １ ，模 拟 出 电力负 荷概 率 分布 曲线 ，快速 地 建立 负荷 模 型 。由于 电气 设备 相互 连接 ， 电机 和 负载 相 发 互影 ｎ ，对 电力 系 统优化 运 行和 控 制 的最基 本 要求 是 安全 运行 并 且 能量消 耗最 少 ；为 了将 发 电机 和 ａｔ 负载 统 一到 电力 系统 中，本文 运用 电力不足 概 率法 （ ＯＬ ），结合 容量 模 型与 负荷模 型 ，分析 船舶 电 Ｌ Ｐ 力 系统 可 靠 性 ，为 船 舶 发 电机 组 的容 量 、 台数 以及 预 防性 维 修 提 供 参 考 ，有 助 于 完 善 能 量 管理 系 统
（Ｍ Ｓ Ｐ ）功 能 ，提 高 电力 系统 安 全 与经 济运 行水 平 。
１ 电力 系 统
１１ 理 论 模型 ．
１１１ 容 量模 型 ．． 船舶 电力系 统是 一个 产 生 、分配 和 消耗 电 能的统 一整 体 ， 由发 电机组 、配 电网络 和 电力 负荷三 大
收稿 日期 ：２ １．６Ｏ ；修 改稿 收稿 日期：２ １．５０ ０ ００一１ ０ ００ —４