基于平衡优化器船舶直流区域电网拓扑重构及可视化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于平衡优化器船舶直流区域电网拓扑重构及可视化方法。以船舶区域电网为载体，运用连通性法则和最短路径方法，判断电源到负载的最短供电通路，从而确定相应负载供电电源；判断供电电源所连接负载的总功率是否超载，若超载则依据负载的重要程度依据优先级别卸载负载；在满足功率约束卸载负载后，若相应区域供电电源仍有冗余可为部分卸载负载供电时，则使用改进平衡优化器以最大供电限度和开关操作次数最少为目标进行优化求解；在在满足功率约束卸载负载后，若各个供电电源不满足对任何负载的供电，则直接输出重构结果。本发明专利技术能够抵抗各种紧急状况下对船舶区域电网供电的影响，为海上船舶提供强大电力支持满足船舶实际需求。足船舶实际需求。足船舶实际需求。

【技术实现步骤摘要】
基于平衡优化器船舶直流区域电网拓扑重构及可视化方法


[0001]本专利技术属于船舶直流区域电网故障智能重构及其可视化操作领域，具体涉及一种基于平衡优化器船舶直流区域电网拓扑重构及可视化方法。

技术介绍

[0002]早期的船舶电网大都采用前后两电站互为备用即干馈式供电，主供电电源和备用供电电源连接于同一个母线(汇流排)为所有负载供电。但当母线附近出现短路时负载都将失电，冗余度100％。因此供电可靠性低，并且对负载的优先级也没有较好的重分配。因此传统的辐射式电力系统和重构技术已经不能满足大中型船舶的供电要求。随着大功率电力电子器件和变频技术和船舶综合电力系统的发展，船舶区域直流供电系统应运而生，它以各个区域的供电电源为出发点，通过DC/DC变换器分出两条线路，分别连接到船舶左舷直流母线和右舷直流母线对相应区域负载供电，其中重要负载同时连接两条母线互为备用，这种布置简洁、可靠性更高，因此正逐渐作为大型舰船的发展方向。同时对船舶的重构技术提出了更高的要求。与之而来的就是对船舶区域电网相应的智能管理与控制方法，一种智能的重构技术必不可少。船舶电力系统是船舶唯一的供电电源，本着节能减排的政策，船舶电网重构技术可以在电网故障时无需额外成本，仅通过改变开关状态提高负载的供电可靠性。因此我们可以通过对故障时的电力系统进行合理的负载重分配，从而使整个电力系统恢复正常运行，由此可知电网重构技术在船舶中具有举足轻重的地位。当舰船在海上执行任务时，由于出现某些设备故障、船员操作不当或者受到袭击致使电力系统处于非正常状态，使得重要负载供电受到影响导致系统可靠性和安全性能力下降甚至伤及船员时。要求舰船在发生故障时及时检测到故障区域，并将其与正常供电区域隔离，然后对故障区域的由于供电线路受损而无法工作的负载及时由其他线路或备用电源给其供电。在电网出现故障或受损时，我们要求对故障区域进行快速地，尽可能多的恢复对重要负载的供电。因此需要一种智能的故障重构技术来维护船舶电网的供电可靠性。
[0003]随着船舶综合电力系统的发展，所携载负荷无论在数量上还是在功率都有着指数倍的增长。面临越发复杂的工况，在遭遇电网线路或电源突发断电时如何快速对负载进行重构变得越来越重要和困难。一方面，现有技术一般是根据负载的优先级程度依次卸载，为重要负载提供电力，尽管这种方式比较简单，但明显会对电力造成极大的损失以及时间上是浪费。现有一些基于粒子群等优化算法的方式使得部分船舶电网例如船舶环形电网的故障重构得到了一些缓解。但收敛速度较长且因为算法的随机性获得的局部和全局最优解的质量较差，不能很好的应用到船舶电网。当船舶电网遭遇破坏时，对重要负载的正常供电不能及时的响应，满足不了船舶实际工作需要。另一方面，多数重构方法目前还停留在代码仿真上，这使得结果比较单调且可能无法有效利用到电网上。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于平衡优化器船舶直流区域电网拓扑重构及可视
化方法，以船舶区域电网作为控制对象，制定通用故障重构策略和提出智能重构方法，并通过Qt5软件设计出可视化船舶故障模拟器，模拟电网重构过程，为海上船舶提供强大电力支持满足船舶实际需求。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于平衡优化器船舶直流区域电网拓扑重构及可视化方法，以船舶区域电网为载体，首先运用连通性法则和最短路径方法，在不考虑功率约束的情况下判断电源到负载的最短供电通路，从而确定相应负载供电电源；然后根据各个区域供电电源的功率上限，判断供电电源所连接负载的总功率是否超载，若超载则依据负载的重要程度依据优先级别卸载负载；最后在满足功率约束卸载负载后，若相应区域供电电源仍有冗余可为部分卸载负载供电时，则使用改进平衡优化器以最大供电限度和开关操作次数最少为目标进行优化求解；在在满足功率约束卸载负载后，若各个供电电源不满足对任何负载的供电，则直接输出重构结果。
[0006]在本专利技术一实施例中，该方法实现步骤如下：
[0007]步骤S1、对于已知的船舶区域电网通过连通性法则，记录所有负载与供电电源连通状况在各自连通矩阵中；
[0008]步骤S2、根据各负载的连通矩阵使用最短路径处理方法，得到负载所连接到的给其供电的最短供电路径供电电源；
[0009]步骤S3、由供电电源与负载的功率约束，检查各供电电源功率上限是否大于连接负载总功率，若大于则依据优先级卸载负载，否则直接输出重构结果；
[0010]步骤S4、负载卸载后，检查供电电源功率是否仍有较大冗余；
[0011]步骤S5、若供电电源有冗余则采用改进平衡优化器对部分卸载负载进行重新供电，检查是否满足功率约束，若是则输出重构结果；
[0012]步骤S6、若供电电源功率不足支撑任何负载正常供电，则直接输出重构结果；
[0013]步骤S7、采用Qt5软件设计可视化船舶区域电网重构模拟器，将改进平衡优化器重构方法转换为DLL动态链接库、LIB静态链接库以及C++头文件，导入模拟器验证方法的可行性。
[0014]在本专利技术一实施例中，步骤S1中，负载连通矩阵构建：首先要根据船舶区域电网和负载Load的数量将电路图转化为拓扑结构，对每个线路节点node进行依次数字标记，然后基于连通性法则得到所有负载与所有供电电源G
i
的供电连通性，得到每个负载和供电电源供电路径的连通矩阵，Load
j
＝[A，B，C，D，...]；矩阵中的维数{A，B，C，D，...}代表每个区域的供电电源到每个负载的连通路径；拓扑结构中，作为起点的节点node代表电源，其余节点node代表线路节点与负载。
[0015]在本专利技术一实施例中，步骤S2中，最短供电路径是通过连通矩阵设节点与节点之间的长度量化数值为1，计算出各负载最短供电路径供电电源，由此确定相应负载的供电电源：
[0016][0017]上式为连通矩阵求和后得到的供电路径距离矩阵，代表各电源到负载的供电线路状态长度值。其中重要负载可由左右舷母线通过四个电源进行供电，三级负载只能由一侧母线通过四个电源供电，因此重要负载供电路径为八条供电
线路，三级负载供电路径为四条供电线路。通过将计算得到的与无故障状态下电网供电路径距离矩阵进行比较，对与后者不相等的供电线路，说明存在线路断开将会被剔除，然后比较得出最短供电路径。
[0018]在本专利技术一实施例中，步骤S3中，功率约束的计算：在确定供电电源与负载的供电状态后，通过供电电源的功率上限计算所连接负载总功率是否超载，即式中代表各电源的功率值，代表相应电源下所连接的负载总功率值。
[0019]在本专利技术一实施例中，步骤S5中，若供电电源功率仍然有冗余能为卸载的部分负载供电，即式中代表电源提供电力后的剩余功率值，代表部分卸载负载的功率值。启动改进平衡优化器根据目标函数计算出最优重构结果Load
Recon_result
。
[0020]在本专利技术一实施例中，步骤S6中，若电源功率没有冗余能为卸载的部分负载供电，即则直接输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平衡优化器船舶直流区域电网拓扑重构及可视化方法，其特征在于，以船舶区域电网为载体，首先运用连通性法则和最短路径方法，在不考虑功率约束的情况下判断电源到负载的最短供电通路，从而确定相应负载供电电源；然后根据各个区域供电电源的功率上限，判断供电电源所连接负载的总功率是否超载，若超载则依据负载的重要程度依据优先级别卸载负载；最后在满足功率约束卸载负载后，若相应区域供电电源仍有冗余可为部分卸载负载供电时，则使用改进平衡优化器以最大供电限度和开关操作次数最少为目标进行优化求解；在在满足功率约束卸载负载后，若各个供电电源不满足对任何负载的供电，则直接输出重构结果。2.根据权利要求1所述的基于平衡优化器船舶直流区域电网拓扑重构及可视化方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：步骤S1、对于已知的船舶区域电网通过连通性法则，记录所有负载与供电电源连通状况在各自连通矩阵中；步骤S2、根据各负载的连通矩阵使用最短路径处理方法，得到负载所连接到的给其供电的最短供电路径供电电源；步骤S3、由供电电源与负载的功率约束，检查各供电电源功率上限是否大于连接负载总功率，若大于则依据优先级卸载负载，否则直接输出重构结果；步骤S4、负载卸载后，检查供电电源功率是否仍有较大冗余；步骤S5、若供电电源有冗余则采用改进平衡优化器对部分卸载负载进行重新供电，检查是否满足功率约束，若是则输出重构结果；步骤S6、若供电电源功率不足支撑任何负载正常供电，则直接输出重构结果；步骤S7、采用Qt5软件设计可视化船舶区域电网重构模拟器，将改进平衡优化器重构方法转换为DLL动态链接库、LIB静态链接库以及C++头文件，导入模拟器验证方法的可行性。3.根据权利要求2所述的基于平衡优化器船舶直流区域电网拓扑重构及可视化方法，其特征在于，步骤S1中，负载连通矩阵构建：首先要根据船舶区域电网和负载Load的数量将电路图转化为拓扑结构，对每个线路节点node进行依次数字标记，然后基于连通性法则得到所有负载与所有供电电源G
i
的供电连通性，得到每个负载和供电电源供电路径的连通矩阵，Load
j
＝[A；B；C；D；...]；矩阵中的维数{A；B；C；D，...}代表每个区域的供电电源到每个负载的连通路径；拓扑结构中，作为起点的节点node代表电源，其余节点node代表线路节点与负...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴德烽，张腾飞，黄赛枫，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：