新设计流程—全电动船（AESs）集成电力系统的可靠设计外文翻译资料

 2022-07-27 15:07:21

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新设计流程—全电动船（AESs）集成电力系统的可靠设计.

A.Vicenzutti, R. Menis, G. Sulligoi

Dept. of Engineering and Architecture University of Trieste

Trieste, Italy

avicenzutti@units.it, menis@units.it, gsulligoi@units.it

摘要

全电动船（AES）正在成为关于有大电力需求的大型船舶的标准（用于推进和车载）。目前，船舶复合电力系统的设计（即IPS—集成电力系统）是通过一个经过验证的过程完成的，它依靠历史数据和试错法程序近30年的设计经验。但是，船上电力系统（主要是由于要求较高服务质量和安全）正在向新的IPS架构和子系统发展，这未涵盖以前的知识。由此，传统的设计过程正在变得低效，因此要求新的设计范性。在这方面，可以采用创新的概念和工具实现“新设计过程”。在本文中，简要介绍一下常规设计流程的分析后，将提出一个关于新的设计过程的提案，它整合了可靠性理论和动力系统模拟器。关于它的见解一起包含在常规设计过程中，用一个应用示例显示这样一个新过程的有效性。

关键词：全电动船; 综合电力系统;可靠性 软件模拟器; 船舶设计; 设计过程

一，引言

现在，全电动船（AES）的概念被认为是许多类型大型船舶的标准，我们倾向于采用这样的概念来增加新建船舶数量。 AES被赋予了一个复杂的电气系统，称为集成电力系统（IPS），它可以被认为相当于一片孤岛电网（图1 [2]）。这样的系统具有高功率水平（高达100兆瓦），但延长时间缩短（通常在350 m以下），并且包括几个子系统，专用于电力的生成、分配和利用，以及系统的规范和保护。所有这些都安装在一个密闭的空间（船体），并且是严格耦合的。在在这方面，IPS必须被认为是一个复杂的系统，每个子系统与其他子系统相互作用，从而使在应用与设计陆地电力系统中应用相同的简化假设并管理变得困难。为了理清这种复杂性，IPS可以被认为是孤岛操作的微电网，同时具有超过陆地应用程序的总体权力级别。为了正确提供负载并确保用户所需的安全级别，IPS必须符合严格的电力质量（PQ）和服务质量（QoS）要求。特别是，PQ有关土地权力制度的规定要求略低，而QoS要求更严格（[2]，[3]，[4]）。尽管如此，必须符合要求的兼容性，IPS的不利特征是：

  • 电力系统孤岛作战;
  • 存在功率相当的单个负载具有单发电机（例如推进）;
  • 电源转换器普遍存在;
  • 存在几个控制系统的低耦合环境

此外，IPS是AES的核心系统，为每个负载电力供电。的确，失去电力（停电）意味着失去对船的控制，这可能导致有害后果。其实这样的行为是所谓的安全关键系统的典型，就是那些失败可能导致失去生命、严重财产损失或环境破坏的系统。这种特殊的特征使得IPS的设计成为一种复杂的任务，它正在变得越来越复杂因为这些要求变得更加严格，以及更多新的设定。本文对传统IPS设计过程进行了简要分析，讨论了推动其改变的动机。然后提出一个可能的新设计过程，整合创新工具，以解决常规设计过程的主要问题。最后，关于如何将这样的新流程的信息正确地集成到传统的设计中通过案例研究给出了一些有关其验证的见解。

常规设计流程

基于AES的IPS设计理想地贯穿整个船舶的设计过程[5] [6]。它从概念设计开始，其中构想了IPS的概念架构，并进行到功能设计，还定义了单个IPS组件（这是由外部供应商从造船厂获得的单一不可分割的元素）。IPS设计过程需要提供的负载、所有者的要求和相关的规则条例。预期的输出数据是IPS架构、发电机的大小和数量，以及整体系统设计，还包括要获取的组件的定义。这种过程的常规表示是螺旋形的，如图Fig.2.

在设计活动期间，每个步骤都依赖于其他步骤完成。活动从第一轮的一般设计开始，每次执行该过程时，它会越来越详细。通过这样，在以前的设计轮次中开发的信息可以用于改进下面的轮次，同时开发更多的细节，并将设计步骤引导到共同的目标[6] [7]。螺旋过程使用试错法迭代开发出可行的解决方案。这意味着每轮可以对所选设计进行改进，或者重新设计一些子系统的需求（以解决先前的设计错误或错误的评估）。虽然作为通常用于解释船舶设计基础的过程，设计螺旋并不完全代表真实的IPS设计如何工作。实际上，设计步骤之间有一定的独立性，导致了同一个步骤的重复开发。这样做，每个活动可以独立进行，直到他们需要来自另一个的信息，而保留一个整体的螺旋过程。

有必要强调，船只具有特殊的限制，主要是在空间和重量方面（实际上，为部件投入更多的空间将导致可用空间的减少，因为船上的空间是有限的）。因此，有必要平衡船上的每个部件的约束花费和可实现的性能，确保在他们同时满足要求。注意保证非电子系统的平衡也是很关键的。正是由于这些，在不考虑对整个船舶的影响的情况下，无法实现IPS的正确设计，所以把验证过程加入到IPS的设计过程中是很有必要的（详细的视图如Fig.2）

传统的设计过程适用于已知系统的设计，其中存在明确的子系统的相互关系和因果关系。事实上，要是新的要求没有出现，这样一个船舶IPS设计过程会被允许到现在，它可以保持原样。由于缺乏已知的知识，新系统架构的设计和创新组件的集成改变了这种情况。在这种情况下，常规设计过程的应用仍然是可行的，但是这要以增加资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）为代价。前者是由于缺乏设计这种系统的经验而导致设计时间的增加。在船舶运行期间可能发生的意外问题则导致后者。

二．IPS设计过程创新的需求

在IPS设计过程中为了解决IPS设计的复杂性需要创新，传统方法是单独设计每个IPS的子系统，假设分别不与其他系统交互。由于在过去30年间开发的先前知识库和试错过程存在，这种方法运作良好。然而，现在船载电力系统的发展正在快速发展，要求这一设计过程的改进。事实上，新的要求（如安全返回港口- 客船的SRtP [3]规定）和集成板载创新子系统需求（如脉冲式负载[8]，储能系统[9]等）的存在正在推进船载电力系统的向前演变。这样的演变是从传统的交流电源系统开始，这导致了几个新架构的提出，如创新型ACIPS，混合AC / DC IPS和全DC IPS（MVDC提案[10] [11] [12]）。因此，常规的试错过程已经变得无效，不安全，因为它依赖于长期且及时地实施修改和观察系统的行为。因此，传统设计过程应用与创新的IPS会导致一系列问题和错误，如文献[2] [13][14]所述因此，很明显，新的设计过程必须重新定义定义，考虑到船上电力系统的演变，这必须精心设计并以防止发生事故为目的，而不是在系统运行出现故障后对其进行处理。显然，为了达到这个目的，有必要把IPS作为单一的复杂系统，考虑整体内部相互依赖关系，从而改变传统的相应设计过程。

三，设计工具的创新

解决传统的设计过程问题最有力的方法是彻底地重新思考它，从而开发一个全新的过程。这样的方法目前正在被研究，并且已经导致了两种提案的定义：协同并发设计和设计空间探索[6]。这些方法是有希望的，但是对设计师来说是一个重大的改变。其实这种设计过程的彻底的变化不仅意味着在设计室改变软件、工作组织和数据流，而且要改变设计师的设计思维方式。正是由于这个，应用另一种“较少侵入性”的方法可以减轻设计师的负担。其实通过创新的设计工具和方法与常规设计的耦合来减轻它的缺陷是可能的。在缺乏对创新系统的先前认知的情况下，这些工具的挑选必须以解决传统设计过程主要问题为目的，这导致了传统设计过程的整体的发展。

在文献中提出的各种建议中，有两种常用于其他技术领域的工具已被考虑：可靠性理论和软件模拟器。特别的是，前者可以应用系统的方法对系统的QoS和安全性进行评估和提高，而后者则可以在实际运行之前评估整体系统的设计选择效果。可靠性理论由于监管机构和船东对安全和QoS主题的日益重视被选中。事实上，基于这两个主题的要求正在变得更严格，且新的东西正在执行（例如SRTP法规[3]）。在这方面，可靠性理论不仅给出了范性能够客观地评估合规性，还提供了专门的技术对安全关键系统进行分析和改进（正如现代船舶一般）。对于软件模拟器，他们是一个强大的工具，能够验证已提出的涉及系统动态响应的设计的合规性（如电压恢复时间），而这些设计通常在其施工前并不能进行评估。

由于他们独特的特征，可靠性理论和软件模拟被选为最多的适合于改进常规设计过程的工具，因此已经被纳入了目前这个新的设计过程法规。在这方面，可以证明他们融入IPS设计过程使由于使用已有的船舶设计基础导致的可能后果变得可以承受。特别地，在[15]中，它显示了在船舶设计中可靠性理论是如何被用作的项目管理工具，以及如何在造成影响最小的情况下将其技术整合到当前设计工具中去。此外，考虑动态定位（DP）船舶，文献中建议全部的设计过程中采用可靠性技术可用于文献（例如[16]）。相反，对于某些涉及要将动态仿真应用到系统设计的设计，要指出的是，这样的应用已经在最先进的IPS组件提供的研究中了（例如参考[17]）。最后，新的IEC 61892-5 法规[18]将执行主要船上控制的硬件在环测试变为必要以确保它们适合于目的，推动发展创新工具的应用。

A.可靠性理论与技术

可靠性理论提供了一种对复杂系统中故障的影响进行分析的系统的方法。它是为了分析安全关键系统而开发的，评估其行为以降低错误，并评估纠正程序能够保证预期系统的实现性能。可靠性概念和技术有几个应用，特别是在所有的需要保证一定的QoS级别故障（航空航天，化工厂，核电厂等）的系统中。事实上，可靠性理论对这一问题给出了一致和全面的方法，它在一个理论中凝聚了几个技术领域，并完成了不同的实现。有关这种理论的广泛解释可以在这里找到文献[15] [19] [20]，这些文章主要关注其应用创新设计流程。

可靠性理论主要概念是威胁（事件威胁系统的可靠性：故障，错误和故障）、属性（数量或质量测量系统可靠性级别：可靠性可维护性，可用性和可用性、安全）和执行技术（旨在提高系统的可靠性的技术）[20]。已经有一些专注于应用这样的理论来设计流程的讨论产生了，特别是关于属性和技术。首先，可靠性属性被严格定义，但可以使用不同的数学指标进行评估，这取决于单个应用程序。这些指标可以以不同的方式获得，从不同的数据开始，但是将始终可以评估四种独特的由理论定义的可靠性属性。其次，执行技术多种多样，可以遵循可靠性理论定义进行分类。其中，故障预测技术由于专注于评估系统的可靠性特征，似乎是最适合的解决设计缺乏历史数据的系统的问题（即创新的系统）。

文献中可以发现几种故障预测技术，但在本文中选择的一个改进IPS设计过程是故障树分析（FTA）[21]。这是因为在执行FTA时分析过程是隐含的，并且它可以理解系统如何工作和子系统之间的相互关系，从而降低了创新体系中由于缺乏先前的知识造成的的不确定性的数量。此外，FTA可以进行定量分析，这是其超过其他技术的最大的优势[22]。其实，在建立失败树（FTA的结果之一）时评估的因果关系可以用数学关系表达，从而可以计算适当使用关于系统组件的数字故障数据的系数。这些系数不仅可以用于评估系统的可靠性属性，也可以指导设计过程，以提高效率和效能。

B.软件模拟器

如今，软件模拟器可以被认为是在几个领域的标准应用。事实上，他们可以评估系统响应各种事件的行为，通过软件实现系统的数学模型[17] [23]。在设计新系统时这个功能很重要，因为建立真实系统之前正确构建

软件模拟器可以评估设计选择的效果，从而协助了解设计变量对它的影响。这样的协助在复杂的系统中被认为是必不可少的(如AES,IPSs),因为让获得创新的子系统的知识成为可能，同时降低与实际安装测试有关的风险。软件模拟器可以检查：控制系统和保护之间的正确协调;对紧急行动的更简单的定义;一个更好的设计灵活性;控制系统的参数的更快定义;支援船员培训。

四，一个新的设计过程

如前所述，本文的目的是提出一个改进的设计过程，它通过使用创新工具减轻常规设计过程的缺陷。尤其是，可靠性理论和软件模拟器的整合可以在设计过程中建立关于创新子系统的知识，从而降低了不可预见的后果的发生。因此，通过使用这样的工具使定义新的循环设计过程成为可能（如图3所示），它由几个为实现上述新工具的显着优点的步骤组成。

所提出的过程从系统的可靠性评估开始（图3中较高的步骤），即通过应用FTA技术进行。这个意味着构建失败树（定性的分析），以及对数学系数的计算都对评估可靠性属性（定量分析）有用。FTA技术应用有很好的记录，所以不会在这里讨论。相反，有一些重要的数学系数必须强调：

  • 故障频率（FF）：每单位测量时间内的故障次数；
  • Fussell-Vesely重要性（FV）：它是指示单个故障事件（组件/子系统故障）对系统的可靠性的影响的一个系数；
  • Birnbaum 重要性（BB）：它是一个测量更改单个组件的数据对系统的可靠性的敏感性的指标。

这些指标是很重要的，因为他们提供了关于系统的重要信息，这又可以用于改善设计。其实FF可以理解哪个将是系统生命周期中最常见的故障，从而精确定位最弱的元素。 相反，FV和BB聚焦设计修改对系统影响最大的元素，通过突出这些需要重新设计或升级的单个的组件或子系统。在此步骤中，必须计算这些系数，以便在接下来的设计步骤中进行适当的评估。

提出的设计过程的第二步是专门的对可靠性分析结果进行严格检查。这是为

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