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

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案是：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。
6.在本发明一实施例中，该方法实现步骤如下：
7.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；
8.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；
9.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；
10.步骤s4、负载卸载后，检查供电电源功率是否仍有较大冗余；
11.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；
12.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；
13.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。
14.在本发明一实施例中，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gi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，loadj＝[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]
在本发明一实施例中，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]
在本发明一实施例中，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]
在本发明一实施例中，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]
在本发明一实施例中，步骤s6中，若电源功率没有冗余能为卸载的部分负载供电，即则直接输出重构结果load
recon_result
。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。
[0021]
在本发明一实施例中，所述步骤s7具体实现方式为：首先根据船舶区域电网拓扑图设计出可视化电力系统结构环境；然后根据需要的测试结果设计相应的输出环境；最后将改进平衡优化器重构方法打包转换为dll动态链接库，lib静态链接库以及c++头文件，导入设计好的模拟器，点击线路上的电子开关设置故障点，实现电网的故障重构，验证方法的可行性。
[0022]
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0023]
本发明基于平衡优化器的船舶区域电力系统拓扑重构以船舶为载体，采用可视化软件平台实现了船舶区域电网故障重构功能。经基于连通图和最短路径处理区域电网拓扑结构，通过改进平衡优化器和目标函数对电网进行智能重构。通过电源与负载的关系由功率约束选择直接输出重构结果还是需经改进平衡优化器优化后输出结果，这种方式即节省了运行内存又缩短了重构收敛时间。并且初始候选解通过步骤s3～s5得到确定，从而避免了随机初始解带来的不确定解和收敛速度慢的情况。
[0024]
本发明解决了船舶区域电网遭遇损伤时快速恢复负载和电网稳定供电的一系列问题，使得船舶区域电网拥有较强的重构功能。与一些完全采用随机初始解去解决船舶电网重构带来的不确定解和局部最优问题，此方法电网重构最优解的精度和收敛速度得到明显提高，有效提高船舶区域电网重构能力。采用可视化操作平台测试方法的有效性，通过模拟各种故障环境所提方法都能快速做出响应，实现故障电网的重构使得电网稳定可靠运行。
附图说明
[0025]
图1是船舶区域电力系统拓扑图。
[0026]
图2是船舶区域电网重构流程。
[0027]
图3是电源与负载连通拓扑图。
[0028]
图4是改进平衡优化器重构流程图。
[0029]
图5是改进平衡优化器与模拟器结合流程图。
[0030]
图6是船舶区域电网结构模拟器测试图。
[0031]
图7是船舶区域电网模拟器输出环境图。
[0032]
图8是船舶区域电网模拟器软件界面图。
[0033]
图9是本发明一实例的故障点示意图。
[0034]
图10是本发明一实例的船舶区域电网故障重构模拟结果。
[0035]
图11是本发明一实例的船舶区域电网故障重构输出结果。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0037]
本发明一种改进平衡优化器适用于船舶直流区域电力系统故障重构的方法及其可视化模拟器。该故障重构功能实现方法以船舶区域电网为载体，如图1所示。设计四步论求解法。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，从而确定负载由哪个电源进行供电。然后在根据各个区域供电电源的功率上限，若电源所连接负载的总功率超载，则依据负载的重要程度首先卸载三级负载，仍不满足约束时继续卸载二级负载。最后为节省内存和时间将分为两个小步。第一小步为在第二步满足功率约束卸载负载后，若相应区域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。第二小步为在卸载负载后，若各个电源不满足对任何负载的供电，则直接输出重构结果。通过将重构方法打包后导入到模拟器测试方法的有效性。图2展示船舶区域电网故障重构过程框架。本方法有效提高在船舶区域电网线路或电源故障下的重构能力，使得船舶能够完成快速恢复网络供电满足实际需求。
[0038]
船舶直流区域电力系统拓扑重构流程参照图2步骤如下：
[0039]
步骤1，对于已知的区域电网通过连通性法则，记录所有负载与电源连通状况在各自连通矩阵中；
[0040]
步骤2，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近路径电源；
[0041]
步骤3，由电源与负载的功率约束，检查各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；
[0042]
步骤4，负载卸载后，检查电源功率是否仍有较大冗余。
[0043]
步骤5，若电源有冗余则采用改进平衡优化器对卸载负载进行部分重新供电，检查是否满足功率约束，若是则输出重构结果；
[0044]
步骤6，若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。
[0045]
步骤7，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。
[0046]
对于步骤1，负载连通矩阵。首先要根据区域电网和负载load的数量将电路图转化
为拓扑结构，如图1所示，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电源gi的供电连通性，得到每个负载和电源供电路径的连通矩阵，loadj＝[a，b，c，d，...]。矩阵中的维数{a，b，c，d，...}代表每个区域的电源到每个负载的连通路径。拓扑结构如图3所示，作为起点的节点node(例如node
1～4
)代表电源，其余代表线路节点与负载。
[0047]
对于步骤2，最短供电路径。通过连通矩阵设节点与节点之间的长度为1，可以计算出各负载最短供电路径电源，由此确定负载将由哪个电源供电：
[0048][0049]
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。
[0050]
对于步骤3，功率约束计算。在确定了电源与负载的供电状态后，通过电源的功率上限计算所连接负载总功率是否超载，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。如果超载依据负载优先级，首先卸载三级负载，然后是二级负载。然后进行步骤4，否则直接输出重构结果load
recon_result
。
[0051]
对于步骤4，经过步骤3的运算，得到一个初步重构结果，但其结果还存在一些可以改善的空间。
[0052]
对于步骤5，若电源功率仍然由一定冗余能为卸载的部分负载供电，对于步骤5，若电源功率仍然由一定冗余能为卸载的部分负载供电，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
，如图4所示为eo的求解流程图。m为失电负载数。
[0053]
对于步骤6，若电源功率没有冗余能为卸载的部分负载供电，则直接输出重构结果load
recon_result
。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。
[0054]
对于步骤7，使用qt5.14.2软件根据船舶区域电网结构图，设计出可视化模拟器以测试改进平衡优化器的可行性。设计流程如图5所示，首先根据船舶区域电网拓扑图设计出可视化电力系统结构环境，如图6所示。然后根据需要的测试结果设计相应的输出环境，如图7所示。最后将改进平衡优化器重构方法打包转换为dll动态链接库，lib静态链接库以及c++头文件，导入设计好的模拟器，点击线路上的电子开关设置故障点，实现电网的故障重构，验证方法的可行性，模拟器环境整体结构如图8所示。
[0055]
以下为本发明一具体应用实例。
[0056]
针对平衡优化器(equilibrium optimizer，eo)有时会遇到随机性高和陷入局部最优解的不足。通过根据需要重新配电的失电负载数据去设定初始候选解，以此减少不可行解，电网重配属于离散的开关重构，因此将eo改进为离散化的deo。
[0057]
众所周知，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，系统可靠性和安全性能力下降甚至伤及船员时，对电网安装重构技术至关重要，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备用电源给其供电。目前船舶区域电网尚处于发展中其重构技术并不完善，因此发明一种针对船舶区域电网的重构技术。并且大多重构方法还停留在代码仿真上，这使得在实际应用中可能出现很多不可操作的局面，因此为使得船员能直观的操作和观察到电网的重构状态，本文根据船舶区域电网结构设计出可视化、可操作性模拟器，用于验证所提重构方法的可行性有效性。eo是一种基于控制容积质量平衡物理现象启发的优化算法。通过估计动态和平衡状态的控制体积质量平衡模型，以溶液浓度作为搜索代理更新最优解。优化器最突出的地方是在求解时会得到四个目前为止最好的解，然后通过改进的质量平衡方程式更新代理，从而得到更好的局部和全局最优解。eo因其具有较高随机性，致使其工作效率较低且属于求解连续问题不适合直接用于离散问题，因此需对eo改进为离散形式，且减小求解随机性，以此提高eo工作效率。在deo中融入重构目标函数，函数使的deo朝着对失电负载按最大功率值进行供电重配。一方面实现负载的最大数量的供电，另一方面提高了电源的供电使用效率，减小了空载造成的损耗。采用失电在重新供电负载生成初始候选解，避免了解的随机性，以及对全局空间进行搜索时极大的减少了运算量，提高了收敛速度。
[0058]
通过采用改进平衡优化器实现对船舶区域电网的重构，以负荷供电状态作为可行解，结合目标函数进行计算，在通过qt5软件对船舶区域电网进行软件模拟器的可视化设计，在故障重构过程中能清晰的看到电网自修复的过程。具体过程如下：
[0059]
步骤一，根据船舶区域电网拓扑结构图，通过连通性以及负载电源最短路径法则，就每个负载设定连通矩阵，其中重要负载有八条供电路径，其他负载有四条供电路径。例如负载l13：
[0060][0061]
上式为三级负载l13的连通矩阵load
13
，大括号内为电源与负载l13连通的路径。式中gi代表供电电源，xj代表节点与节点之间的供电线路状态值，由0和1组成，0代表线路断开，1代表线路正常。
[0062]
其中行数顺序决定了负载的优先供电路径。对节点与节点之间长度量化为数值1。对连通矩阵进行数求和，得到默认状态下各个电源为负载供电的路径长度，其中是各连通矩阵的求和，为无故障电网的电源与负载之间的供电路径距离矩阵。
[0063]
步骤二，在进行电网故障诊断时，可通过电源负载当前供电路径长度和确定负载供电的最短路径，又能确定负载由哪个电源供电，同时得到负载的重构结果。
[0064]
步骤三，在确定了负载的供电状态和电源后，计算各区域电源连接的负载总功率，若则符合功率约束则直接输出重构结果load
recon_result
(k，：)。若(k，：)。若则供电电源超载，此时按照负载供电优先级将超载电源下负载卸载，直到满足功率约束。
[0065]
步骤四，卸载负载后若电源剩余功率不满足对任一失电负载的重新供电，步骤四，卸载负载后若电源剩余功率不满足对任一失电负载的重新供电，则直接输出重构结果load
recon_result
(k，：)。
[0066]
步骤五，若启动deo对失电负载进行优化重构。根据上述重构结果确定失电负载数量长度为：
[0067]
len
lose
＝length(find(load
recon_result
(k，：)＜1))
[0068]
式中通过find()寻找重构结果中小于1的数，通过length()得到重构结果中失电负载的数量。len
lose
为失电负载总数。load
recon_result
(k，：)为重构结果，由0和1组成。
[0069]
然后根据失电负载长度初始化候选解，采用逻辑映射混沌模型如下：
[0070]
c(num
×
len
lose
，length(load
recon_result
))＝2
×
rand()
×
(1-rand())
[0071]
式中rand()为(0，1)内的随机数，num为一个常数，通过与失电负载数len
lose
相乘增加初始候选解的数量，提高了deo的搜索空间全局性。length(load
recon_result
)为电网中负载的总数。c代表初始候选解。
[0072]
候选解根据开关状态反应负载的供电状态，因此将其离散化后由0和1组成。也即如果c＞num1，则c＝1，否则c＝0。c代表候选解，num1代表一个常数。
[0073]
由得到的初始候选解进行功率约束计算
[0074][0075]
式中ploadi代表各区域电源连接负载总功率。设置deo优化参数，包括容积常数y，权重a1，a2，控制容积内部的质量生成速率g以及迭代次数maxiter，维数dim和候选解上下限值ub，lb。
[0076]
进入迭代过程，首先检验c是否超出界限，若是则令c等于候选解闭合区间相应最值。然后进行目标函数计算：
[0077][0078]
式中x代表候选解数组，l代表负载的功率值，m代表负载的权重系数矩阵，依据负载优先级，一级、二级、三级负载权重系数分别为num2，num3，num4。num5代表函数的权重系数。函数sum(x.*l.*m)代表最大限度恢复负载供电，函数代表开关次数
最小。
[0079]
因此适应度函数为
[0080][0081]
若电源连接负载总功率小于负载总功率则正常输出fitness值，否则fitness＝0，以此可快速计算出最大最优解。
[0082]
初始最优适应度值为
[0083]
best_fit＝[best_fit1，best_fit2，best_fit3，best_fit4]＝0
[0084]
式中矩阵内的best_fiti代表初始设置的四个最优适应度值。因为要求解最大值，所以都设置为0。为后续进行比较和赋值。
[0085]
通过best_fit与fitness比较，将fitness对best_fit进行赋值。若
[0086][0087]
则依次可输出best＝[best1，best2，best3，best4]和best_fit值。其中besti为在得到最优适应度值时相对应的最优候选解，best为当前最优候选解矩阵。
[0088]
通过对best求均值得到best_ave，则得到一个最优候选解解溶液平衡池best_pool＝[best，best_ave]。对其进行离散化处理，best_pool＝round(best_pool)。式中round()对best_pool进行四舍五入离散化。
[0089]
候选解更新，是通过控制容积动态质量平衡一阶微分方程进行的：
[0090][0091]
式中v为容积常数，g为控制容积内部的质量生成速率。q为流进或流出控制容积的容量流率，c为溶液密度也即候选解，c
eq
表示平衡状态下的浓度，也即从平衡池中取的候选解。
[0092]
通过对方程求解能得到：
[0093]
c(j，：)＝c
eq
+(c(j，：)-c
eq
)
×
f+(g./λv)
×
(1-f)
[0094]
式中f代表指数项系数，λ代表流动率。从平衡池best_pool中同概率取出一个当前最优候选解赋值给c
eq
对候选解更新。
[0095]
然后对c(j，：)进行离散化：
[0096]
c(j，：)＝round(c(j，：))
[0097]
实现对候选解的更新。由更新的候选解对当前电源连接的负载总功率进行更新计算，至此完成一次迭代更新，得到一个符合要求的最优候选解和最优适应度值。
[0098]
根据改进好的重构方法，将其打包转化为动态链接库dll，静态链接库lib以及基于c++的h头文件。然后根据船舶区域电网结构图采用qt5.14.2设计模拟器界面，最后将打包好的deo文件导入模拟器中，通过点击线路按钮制造故障点，此时电网立即将检测到故障路段隔离，且启动重构算法deo进行故障重构。在图1中，假设线路23和线路8断开对应图6中模拟器x23和x8断开，如图9所示。点击x23和x8处开关，则此时按钮将由闭合变为断开。电网
系统检测到系统线路故障，则立即启动deo进行重构。重构结果如图10所示，仅有负载l8卸载。输出结果如图11所示，显示负载重构结果以及四组电源的有功利用率和运算时间，满足功率约束要求且达到微秒级恢复重要负荷供电的目的。因此模拟器以及重构方法的结果验证了此方法的可行性。
[0099]
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。