自我感知与诊断的船舶区域配电电力系统智能自愈方法

摘要

本发明公开一种自我感知与诊断的船舶区域配电电力系统智能自愈方法，研究船舶区域配电电力系统故障智能自愈的主动控制与故障防御，提出分级分区协调的自愈控制技术，针对不同功能区域，在船舶不同区域、不同级别实施相应的协调自愈，并采用计算机控制中的监督控制策略，智能自愈组织作为上位机对船舶运行中各种运行参数进行实时采样，按照描述船舶运行过程的数学模型进行复杂的数据处理，找出船舶运行过程的故障最优自愈方案，输入给自愈任务分配单元进行任务分配控制，提高各区域对于故障的控制能力，以实现船舶电力系统的自我感知、自我诊断、自我决策和自我恢复，达到船舶区域配电电力系统安全、稳定、优质和高效运行的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶区域配电电力系统技术领域，特别涉及一种自我感知与诊断的船舶区域配电电力系统智能自愈方法。

背景技术

船舶在海洋中航行环境恶劣，船舶区域配电电力系统在工作中可能出现各种故障，常见的船舶综合电力系统故障类型有大负荷扰动、短路、断路等。船舶电力系统在故障或遭受武器攻击时需要快速重构系统，为最大限度恢复重要负载的供电提供决策方案，以保证供电的可靠性和生命力。区别于陆地电力系统，舰船电力系统的恢复尤其强调实时性及全局最优性。而随着电力推进方式和高能武器的出现，船舶电力系统容量以几何曲线上升，网络拓扑结构越来越复杂，一些简单的故障恢复算法不再适用。为了减少因供电扰动造成的船上人员危险和财产损失情况发生，必须时刻保证船舶的安全稳定运行，这就要求船舶区域配电电力系统能够准确地判断出船舶是否出现故障并及时切断故障，因此船舶区域配电电力系统的故障感知诊断自愈很重要。

智能化控制方法最早出现的是模糊数学、人工神经网络和专家系统方法；从船舶电力系统自动控制角度来看，目前国内外研究实际上对发电机组的控制方法还是以传统的PID控制为主，研究的热点有智能控制、鲁棒控制、最优控制、非线性控制等方法。从技术的发展方向来看，智能控制及其与各种控制方法相结合的方法将是船舶电力系统的发展方向。其中，遗传算法具有很强的并行计算和全局搜索能力，适于求解各种复杂的问题，遗传算法因其独特的优点，在非线性寻优问题中占有重要地位，已在很多领域得到应用。

在传统控制系统设计中应用最广的控制方法是PID控制，但PID控制对船舶电力系统这个复杂的非线性系统来说寻优效果不佳，仅仅运用经典的PID控制很难将船舶电力系统的运行质量提高到一个新的运行水平。智能控制方法中，作为一种普遍适用的、随机大范围搜索策略，现有遗传算法本身还存在着一些缺陷，只是根据适应度对个体进行选择，各个个体之间的选择没有联系，因而没有形成一定的概率分布，算法搜索范围大，导致收敛速度慢，不能绝对保证不陷于局部极值，常常出现过早收敛，以及没有判定当前解是否达到最优解的合理准则，进化过程中不能很好地利用系统信息等，因此遗传算法不能保证以最大概率收敛到全局最优解。另外专家系统的方法恢复故障区域的供电，其处理恢复控制时需要建立庞大的专家知识库，且对于复杂系统，知识的全部获取也非常困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种自我感知与诊断的船舶区域配电电力系统智能自愈方法，以提高船舶区域配电电力系统对故障的免疫力与可靠性，应对天气恶劣时船舶摇摆剧烈和推进螺旋桨的水动力负荷变化大的情况，帮助船舶主动力的电力系统承受巨大的不确定性负荷的冲击，实现对船舶的高可靠性优质电能的供应，解决遗传算法陷入局部最优的搜索问题，寻找故障后船舶最优自愈控制方案，实现船舶自我感知、诊断、决策、恢复的智能自愈，达到船舶区域配电电力系统安全、稳定、优质和高效运行的目的，保证船舶主推进动力的安全可靠运行。

为达到上述目的，本发明提供一种自我感知与诊断的船舶区域配电电力系统智能自愈方法，采用上位机结合直接数字控制系统的策略对船舶区域配电电力系统进行监督控制，包括：

智能自愈组织单元作为监督控制系统中的上位机，根据船舶运行信息参数和故障信息参数，按照描述船舶运行过程的数学模型进行复杂数据计算，并通过智能自愈任务分配单元进行任务分配；

智能自愈任务分配单元作为监督控制系统中的直接数字控制系统，对于上位机的指令进行选择性分配给用于实施智能监督控制算法的单元，控制自我感知单元、自我诊断单元、自我决策单元和自我恢复单元的闭环运行过程；

自我感知单元对船舶区域配电电力系统进行在线检测、实时评估，对船舶区域配电电力系统中控制对象进行数据采集与分析，并把获取的船舶运行电气参数反馈到智能自愈任务分配单元以便对自我诊断单元作出任务工作指令；

自我诊断单元运用上位机的监督控制识别进行故障诊断，根据自我感知单元输入的电气运行参数对船舶电网进行脆弱点评估，发现船舶有可能发生故障的被控区域后，按照智能自愈任务分配单元的指令对该区域进行故障风险评估，划分出该区域下一步可能的运行状态，并提取该区域的运行状态特征，反馈到智能自愈任务分配单元以便对自我决策单元作出任务工作指令；

自我决策单元根据自我诊断单元传送的船舶运行状态选择处理模式，若船舶运行状态为故障已经发生的状态，则寻找船舶区域配电电力系统的最优自愈方案，反馈到智能自愈任务分配单元以便对自我恢复单元作出任务工作指令；

自我恢复单元根据自我决策单元的最优自愈方案中故障处理信息，对故障进行恢复，优先保证恢复重要推进负荷的供电。

可选的，若船舶运行状态为正常的状态，所述自我决策单元对船舶电网的运行状态有选择性、有目的地进行优化控制，改善船舶电网运行性能。

可选的，若船舶运行状态出现不良时，所述自我决策单元进入警戒状态，做到以预防控制为主的故障发现、诊断与消除，对可能的故障进行预警以避免事故发生，提高船舶电网稳定裕度和抵御扰动的能力，变被动的事后处理为主动抑制事故发生。

可选的，所述自我恢复单元确定对故障下一步采用系统重构、降级运行、故障补偿、故障切换方式中的一种或多种，优先保证恢复重要推进负荷的供电，在避免发生船舶失去动力的严重事故的情况下，迅速按照指令安排各种操作及其执行顺序，包括重新设置各种保护器件的整定值，开关的跳闸、合闸，从而实现网络的重构，以及重构后启动针对新网络的保护，通过自愈修复功能从故障中恢复到正常运行状态。

可选的，所述船舶区域配电电力系统中的控制对象包括发电单元、电力推进单元及其他负荷单元。

可选的，所述船舶区域配电电力系统按负荷的用电量大小和对船舶的重要程度进行统一分配划分，将全船划分为多个供电区域。

可选的，在区域配电网络结构中，重要负载与区域配电板以直连的方式进行连接，而一般负载则由各区域内的分电箱进行供电，实现了负载的分级处理。

可选的，自我决策单元采用模拟退火多种群遗传算法生成船舶区域配电电力系统的最优自愈方案，具体步骤如下：

(1)基因编码，对大群体的船舶失电区域可能恢复供电的路径进行二进制编码形成基因染色体；

(2)种群初始化，随机生成N个初始个体；

(3)系统计算，将个体的基因取值映射成系统的网络拓扑结构，计算个体的适应值；

(4)依据适应度函数优先保证重要负荷供电进行个体选择与淘汰；

(5)选择优良个体进行交叉反之，产生新群体；

(6)终止条件判断，若进化代数已达到最大设定值，则输出最优个体，终止计算；否则，转入下面的步骤开始迭代；

(7)群体调整，若最佳适应值在进化一定代数中保持不变，只保留最佳个体，其他个体随机生成；

(8)退火选择，将最优个体在下一代中以概率p生成此类最优个体；

(9)对个体进行交叉、变异操作。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明为适应船舶电力系统安全可靠控制要求，对柴油发电机组、电力推进电机系统运用上位机监督控制方法实施控制，提高了可靠性。本发明提供的系统结构与控制方法充分考虑海洋船舶按需移动、孤立无援、船舶上资源有限的状况，为了船舶航行安全、保证船舶主动力不失电，从发电方面的发电机组控制，在电力系统发生故障时能够在智能方法控制下，调动船舶及其电力系统一切资源实施智能自愈，快速恢复供电，大大提高电力系统的供电安全性。另外，通过智能算法实现对数据的分析，并可实现在不同工况下发电机最优运行模式的选择，以及故障情况下如何更优分配电力，使发电机的工作效率得到提升，使船舶电力系统的安全可靠性得到提高，具有对于故障的自愈恢复能力。本发明的船舶区域配电电力系统智能自愈方法的最终目标是保证船舶主推进动力的安全可靠运行，在船舶安全航行上有着重要地位。

附图说明

图1是本发明提供的一种自我感知与诊断的船舶区域配电电力系统自我自愈方法的框架图；

图2是改进遗传算法智能自愈流程图。

具体实施方式

以下结合附图1～2和具体实施方式对本发明提供的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

由于自愈控制所涵盖的各项技术进行有机融合在船舶自愈功能的实现中还缺乏足够的研究和探讨，本发明提供了一种自我感知诊断决策恢复的闭环系统——基于区域配电系统实施的自我决策智能自愈方法。本发明用于提高船舶区域配电电力系统安全的韧性和可靠性，在电力系统发生故障时能够在智能自愈控制下自愈，快速恢复供电，船舶电力系统的供电安全性得到大幅度提高。对于电力推进船舶的发电机组系统、电力推进系统等采用基于上位机直接数字控制系统的监督控制方法。改进遗传算法采用带最优个体保留的方法，在最优值保持一定代数不变时将群体更新，可有效跳出局部最优解。通过区域配电系统的智能自愈控制系统与方法，实现船舶电力系统的自我感知、自我诊断、自我决策和自我恢复的能力。

下面结合附图对本发明的工作原理进行介绍。

船舶区域配电电力系统中多个发电单元可以独立或组合地对各个功能区域进行单独或共同供电，当部分发电单元受损，可以有余下发电单元维持供电。附图1按照分级分区协调的自愈控制技术，针对船舶不同功能将船舶负载分为不同区域、不同等级，智能自愈控制系统在船舶的不同区域、不同负载级别实施相应的协调自愈，如优先恢复重要的电力推进负载后，再满足船舱生活区域等负载的供电。

另外，船舶自愈控制采用上位机结合直接数字控制系统的策略对船舶区域配电电力系统进行监督控制，船舶智能自愈组织作为上位机(SSC)不断监视整个运行过程，对船舶运行中各种故障信息参数和其他参数进行采样，按照描述船舶运行过程的数学模型迅速进行复杂的数据处理。尤其在自我决策单元中，为了解决遗传算法容易陷入局部最优及后期收敛较慢的问题，提出将模拟退火溶于遗传算法来改进遗传算法的收敛性，采用多种群遗传算法并加入退火机制。模拟退火多种群遗传算法由于其前期搜索空间较大、退火温度高、适应度值的变化范围大，因此可保证算法不会陷入局部最优的情况。随着温度不断下降，搜索空间会急剧缩小，算法后期可发挥遗传算法局部搜索的能力，从而保证最终结果收敛到最优解的区间，故本发明通过改进的遗传算法寻找船舶故障最优自愈方案，根据最优自愈方案里的各项参数的设定值发出指令，输入给自我恢复单元进行网络重构、故障切除等动作，实现船舶的自我感知与诊断、决策与恢复的功能。

如图1所示，本发明提供的一种自我感知与诊断的船舶区域配电电力系统智能自愈方法的整体框架包括：

智能自愈组织单元01，作为监督控制系统中的上位机(SCC)，根据船舶运行信息参数和故障信息参数，按照描述船舶运行过程的数学模型进行复杂数据计算，找出船舶运行过程的故障最优自愈方案，输入给智能自愈任务分配单元02。智能自愈组织单元01的输出值不直接控制整个闭环工作单元，而是自动地改变以直接数字控制系统中微型机的给定值，它的任务着重在控制规律的修正与实现。

智能自愈任务分配单元02，作为监督控制系统中的直接数字控制系统，起到控制任务分配器作用，对于上位机的指令进行选择性分配，用于实施智能监督控制算法的单元，通过模拟量输出直接控制自我感知单元06、自我诊断单元07、自我决策单元08和自我恢复单元09的闭环运行过程，可实现多回路的控制，只要改变程序就可以实现复杂的控制规律。

自我感知单元06，对船舶区域配电电力系统05进行在线检测，实时评估，对船舶区域配电电力系统05中控制对象如多个发电单元、推进电机以及传感器与变送器的输入/输出等进行数据采集与分析，并把获取的船舶运行电气参数反馈到智能自愈任务分配单元02以便对自我诊断单元07作出任务工作指令。

自我诊断单元07运用上位机的监督控制识别进行故障诊断，根据自我感知单元06输入的电气运行参数对船舶电网进行脆弱点评估，发现有船舶可能发生故障的被控区域后，按照智能自愈任务分配单元02的指令对该区域进行故障风险评估，划分出该区域下一步可能的运行状态，从而诊断可能故障的性质和发生位置，并提取该区域的运行状态特征，同样反馈到任务分配单元，并把运行状态信息输入到自我决策单元。

电能质量指标输入单元03把设定的船舶运行电气参数，如电压、电流、功率等，并与自我诊断单元07所获取的状态特征一起输入到自我决策单元08。自我决策单元08接收智能自愈任务分配单元02发出的工作指令，根据自我诊断单元07传送的船舶运行状态选择处理模式。正常运行状态下，对船舶电网的运行状态有选择性、有目的地进行优化控制，改善船舶电网运行性能。当运行状态出现不良的一面，进入警戒状态，做到以预防控制为主的故障发现、诊断与消除，对可能的故障进行预警以避免事故发生，提高船舶电网稳定裕度和抵御扰动的能力，变被动的事后处理为主动抑制事故发生。故障已经发生的情况，自我决策单元08将按照改进的遗传算法进行寻找船舶区域配电电力系统05的最优自愈方案，输出方案中故障处理信息到自我恢复单元09，并反馈到智能自愈任务分配单元02。

如果船舶运行中已经发生了故障，此时位于发电机附近的若干传感器发出信号，自我恢复单元09根据自我诊断单元07提供的故障类型、级别、区域范围等信息，结合自我决策单元08的自愈控制方案，决定该故障的处理方式，输出指令到执行机构，确定下一步采用系统重构、降级运行、故障补偿、故障切换之一的方式。要优先保证恢复重要推进负荷的供电，在避免发生船舶失去动力的严重事故的情况下，迅速按照指令安排各种操作及其执行顺序，包括重新设置各种继电器、限流装置等保护器件的整定值，开关的跳闸、合闸等，从而实现网络的重构，以及重构后启动针对新网络的保护，通过自愈修复功能从故障中恢复到正常运行状态。

如图1所示，船舶区域配电电力系统05中的被控对象主要由发电单元、电力推进单元及其他负荷单元组成。发电单元作为船舶区域配电电力系统05的电能产生单元，与驱动螺旋桨运动的异步电动机一起，构成了系统最重要的组成部分。船舶区域配电电力系统05按负荷的用电量大小和对船舶的重要程度进行统一分配划分，将全船划分为多个供电区域。控制对象船舶区域配电电力系统05有四台发电机，为船舶区域配电电力系统05提供电力。两台推进电机及螺旋桨用来推动船舶的航行。整个船舶区域配电电力系统05分为四个隔离的用电区域，增强船舶区域配电电力系统05的稳定性和故障隔离能力。

本发明提供的一种自我感知与诊断的船舶区域配电电力系统智能自愈方法，工作流程如下：采用计算机控制中的上位机与直接数字控制系统的分级控制系统思想，将智能自愈组织单元作为上位机模拟自动控制系统中的控制器的功能，根据故障信息参数和船舶运行信息参数，按照描述船舶运行过程的数学模型进行复杂的数据计算，找出船舶运行过程故障的最优自愈方案，输入给智能任务分配单元。

在本发明的闭环工作过程中，包括前向通路和反馈通路。前向通路包括直接数字控制器，也就是智能自愈任务分配单元，以及自我感知单元、自我决策单元、自我恢复单元和被控对象。智能自愈任务分配单元(DDC)接受到智能自愈组织单元发出的设定值指令后，将整个自愈任务进行分配，按照设定值对输入参数和反馈参数，自我决策单元通过改进的遗传算法进行寻优自愈方案，并由自我恢复单元对故障进行自愈恢复，从而实现控制整个船舶区域配电电力系统中的发电机组单元。反馈回路主要是对系统输出值进行自我诊断，主要由自我诊断单元完成，该单元对一系列的电气参数进行比对，找出船舶系统中可能发生故障的脆弱点，对运行状态进行区分并把相应的参数指标反馈到智能自愈任务分配单元以及自我决策单元。

本发明提供的一种自我感知与诊断的船舶区域配电电力系统智能自愈方法中，所述自愈控制方法基于船舶区域配电电力系统，以船舶发电机组、推进电机作为主要控制对象，基于改进的遗传算法的上位机监督控制策略计算系统最优自愈方案。

所述区域配电电力系统自愈方法，针对不同功能区域，智能自愈控制系统在船舶的不同区域、不同级别实施相应的协调自愈。在区域配电网络结构中，重要负载与区域配电板以直连的方式进行连接，而一般负载则由各区域内的分电箱进行供电，实现了负载的分级处理。整个船舶区域智能配电网自愈控制系统由智能自愈组织单元和任务分配单元通过网络通信组成，由四个闭环控制单元执行，对发电机输出功率及推进电机转速进行控制，整个系统应按照实现智能配电网“自我感知、自我诊断、自我决策、自我恢复”的目标进行主站系统和分布式终端软件设计。

采用监督控制的策略，上位机将数字直接控制系统中的控制器的功能、用计算机来实现不断监视整个船舶运行过程、对船舶运行中的各种参数(电压、电流、功率、压力、转速等)进行采样，通过控制智能自愈任务分配单元，输送给自我决策单元按照改进遗传算法进行计算出系统最优自愈方案，并发出各种控制命令，达到船舶区域配电电力系统安全、稳定、优质和高效运行的目的。

如图2所示，自我决策单元采用模拟退火多种群的改进遗传算法生成最优自愈方案的流程如下：

步骤1，自我感知单元、自我诊断单元工作，对船舶区域配电电力系统在线监测实时评估，对被控对象进行数据采集与分析，脆弱点和风险评估，进行船舶状态区分，根据运行电气参数和故障特征，从而诊断可能故障的性质和发生位置，输入自我决策单元生成自愈方案，自我决策单元根据船舶运行状态对可能的故障进行预警，利用改进遗传算法决策已发生的故障处理方式，首先对船舶失电区域可能的恢复路径二进制编码形成染色体；

步骤2，为了避免出现负载多路供电的情况，且尽量缩短编码长度，对仅有一路供电的负载，个体基因位采用数字0、1编码，对有备用供电路径的负载，基因位采用数字0、1、2编码，另外船舶区域配电电力系统的区域负载特点可作为求解问题时的特征信息。如随机选择某一基因位，若此位为备用供电，则考虑其相同供电馈线下的负载是否能全部得电，尤其是重要负载，根据计算结果调整受影响的基因位值。

步骤3，进行船舶供电恢复路径种群初始化，随机生成N个初始个体。所有负载采用正常路径供电的个体中包含了最多的最佳个体信息，也可以结合这些信息及故障部分，采用启发式搜索结果生成一些个体。

步骤4，系统计算个体适应值，将个体的基因取值映射成系统的网络拓扑结构，按节点电势法进行系统计算个体适应值。

步骤5，依据适应度函数优先保证重要负荷供电进行选择与淘汰；

步骤6，选择优良个体进行交叉繁殖，产生新群体。

步骤7，判断是否达到最大进化代数设定值，若进化代数已达到最大设定值，则输出最优个体，终止计算；否则，转入下面的步骤开始迭代。

步骤8，进化陷入局部最优判断及群体调整，若最佳适应值在进化一定代数中保持不变，则只保留最佳个体，其他个体随机生成。

步骤9，退火选择，将最优个体在下一代中以概率生成此类个体，由于最优个体包含了很多对进化过程有用的信息，因此在下一代中以一定概率生成此类个体，这样可大大加快进化速度。

步骤10，对个体进行变异，以一定概率选择个体进行局部启发式寻优。若寻优结果优于原来个体，则执行此操作，否则转步骤4。避免进化停滞，保留父代优良特性，减小群体规模，改善算法收敛，加快故障恢复。

当步骤7检测到进化代数达到最大设定值时，执行步骤11，输出最优自愈方案到自我恢复单元进行故障的隔离与重构。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。