船舶電力系統(tǒng)脆性建模ppt課件

1、船舶電力系統(tǒng)的脆性建模學(xué)生： 姜威威導(dǎo)師：朱志宇 教授分三部分內(nèi)容：分三部分內(nèi)容：1.1.船舶電力系統(tǒng)脆性研究背景、意義及其定義船舶電力系統(tǒng)脆性研究背景、意義及其定義2.2.研究內(nèi)容研究內(nèi)容3.3.結(jié)論與展望結(jié)論與展望1. 船舶電力系統(tǒng)脆性研究背景、定義及其意義船舶電力系統(tǒng)脆性研究背景、定義及其意義 1986年年1月月，助推器兩個(gè)部件之間的接頭破，助推器兩個(gè)部件之間的接頭破損導(dǎo)致美國航天飛機(jī)升空飛行損導(dǎo)致美國航天飛機(jī)升空飛行7272秒后爆炸。秒后爆炸。 2000年年8月，月，魚雷裝置上微小的裂縫導(dǎo)致魚雷裝置上微小的裂縫導(dǎo)致俄俄羅斯核潛艇羅斯核潛艇“庫爾斯克號(hào)庫爾斯克號(hào)”在軍事演習(xí)中發(fā)生在軍事演

2、習(xí)中發(fā)生爆炸爆炸。 2003年年5月，系統(tǒng)某個(gè)部件出現(xiàn)機(jī)械故障月，系統(tǒng)某個(gè)部件出現(xiàn)機(jī)械故障導(dǎo)導(dǎo)致我國的一艘致我國的一艘常規(guī)潛艇失事。常規(guī)潛艇失事。 2003年年8月，美國月，美國一家發(fā)電廠突然出現(xiàn)了故一家發(fā)電廠突然出現(xiàn)了故障，電閘自動(dòng)關(guān)閉，障，電閘自動(dòng)關(guān)閉，導(dǎo)致導(dǎo)致北美發(fā)生大停電事故。北美發(fā)生大停電事故。研究背景 因此對復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)尤其是大型武裝系統(tǒng)的安全性安全性的研究，引起引起了國防科工委的重視重視。 復(fù)雜系統(tǒng)的脆性脆性正是在這樣的背景下提出來的，2001年國防科工委副主任欒恩杰提出了復(fù)雜系統(tǒng)的脆性：復(fù)雜系統(tǒng)規(guī)模越大，復(fù)雜系統(tǒng)越脆弱，越容易崩潰，即復(fù)雜系統(tǒng)規(guī)模越大，復(fù)雜系統(tǒng)越脆弱，越容易

3、崩潰，即復(fù)雜系統(tǒng)的脆性問題復(fù)雜系統(tǒng)的脆性問題。 本文研究工作來源于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于基于脆性理論的船舶電力系統(tǒng)可靠性研究脆性理論的船舶電力系統(tǒng)可靠性研究”，該項(xiàng)目主要是針對提高復(fù)雜船舶電力系統(tǒng)的可靠性、安全性提出的。 脆性是指系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，由于受內(nèi)部或外部因素的干擾，系統(tǒng)中某一子系統(tǒng)因故障而崩潰，使與其相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)受到影響，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，最終使整個(gè)系統(tǒng)崩潰。 現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高。同時(shí)復(fù)雜船舶電力系統(tǒng)難免要受到來自于系統(tǒng)內(nèi)外的各種不確定干擾，因而系統(tǒng)的脆性就越來越容易被激發(fā)。 因此研究船舶電力系統(tǒng)的脆性過程和機(jī)理，能夠?yàn)楣芾韽?fù)雜船舶

4、電力系統(tǒng)，預(yù)防、解決危機(jī)提供決策意見，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。 脆性定義以及研究意義 脆性分析方面：（1）基于熵理論對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行脆性分析（2）基于突變理論對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行脆性分析 脆性建模方面：（1）建立復(fù)雜系統(tǒng)的脆性結(jié)構(gòu)模型 （2）基于元胞自動(dòng)機(jī)對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行脆性建模 （3）基于圖論對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行脆性建模（4）基于適應(yīng)性Agent圖對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行脆性建模 適應(yīng)性Agent圖是一種新的理論方法，為復(fù)雜系統(tǒng)研究開拓一個(gè)新的思路，具有廣闊的應(yīng)用前景。 脆性研究現(xiàn)狀 2.本課題研究內(nèi)容：1.船舶電力系統(tǒng)脆性結(jié)構(gòu)模型2.基于適應(yīng)性Agent圖的船舶電力系統(tǒng)脆性建模3.基

5、于自組織臨界理論的船舶電力系統(tǒng)脆性分析（1）.船舶電力系統(tǒng)脆性結(jié)構(gòu)模型船舶電力系統(tǒng)脆性結(jié)構(gòu)模型圖1 復(fù)雜系統(tǒng)脆性結(jié)構(gòu)模型圖2 船舶電力系統(tǒng)脆性結(jié)構(gòu)模型序號(hào) 名稱序號(hào) 名稱序號(hào) 名稱D1 發(fā)電機(jī)組件故障D5 合閘操作不當(dāng)D9 斷相運(yùn)行D2 配電板組件故障D6 負(fù)荷分配不合理D10 過載啟動(dòng)D3 負(fù)載組件故障D7 絕緣等級降低D11 保護(hù)裝置失靈D4 電網(wǎng)故障D8 控制電器故障(0.46680.27760.09530.1603)BW 123( (), (), ()0.5325 0.1148 0.2108 0.1420CBWW B BC B BC B BC W11211212113121141211

6、( ()(), ()(),()(), ()()0.2486 0.1478 0.0507 0.0854 0.0230 0.0918 0.1581 0.0527 0.0149 0.0905 0.0367DCWW C CD DDDC CD DDDC CD DDDC CD DDDW子系統(tǒng)層相對于船舶電力系統(tǒng)脆性風(fēng)險(xiǎn)層的重要度為：脆性事件層相對于船舶電力系統(tǒng)脆性風(fēng)險(xiǎn)層的重要度為：脆性因子層相對于船舶電力系統(tǒng)脆性風(fēng)險(xiǎn)層的重要度為：圖3 Agent圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2） 基于適應(yīng)性基于適應(yīng)性Agent圖的船舶電力系統(tǒng)脆性建模圖的船舶電力系統(tǒng)脆性建模 圖4 Agent圖各個(gè)頂點(diǎn)演化規(guī)則系統(tǒng) 頂點(diǎn)的流用熵流表示，根據(jù)

7、熵理論定義為： 交互作用權(quán)值為： 1( )( )log( )rii ji jjL tptpt maxi ji ji jFwF頂點(diǎn)的知識(shí)庫用于存儲(chǔ)頂點(diǎn)的狀態(tài)、熵流 ：頂點(diǎn)的演化規(guī)則：(1)( )( )xxMtMtM t(0)(0)xMx(1)( )( )LLMtMtM t(0)(0)LML00(1)( )( )( )LiiijiiL tL tw L tL ie 頂點(diǎn)的狀態(tài)與流的關(guān)系按照if/then準(zhǔn)則執(zhí)行：0( ),(1)1iiiifL tHthenx t01( ),(1)exp(1)iiiiiifHL tHthenx tL t1( )log( ),(1)0iiiifL tHmthenx t

8、根據(jù)熵理論整個(gè)系統(tǒng)的行為特性用脆性綜合風(fēng)險(xiǎn)熵函數(shù) 表示，反映整個(gè)系統(tǒng)的無序程度：Slog()1iinKppiS(2.1)仿真分析仿真分析圖5 某混合饋電線式船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖6 船舶電力系統(tǒng)脆性綜合風(fēng)險(xiǎn)熵圖7 基于直流潮流優(yōu)化的改進(jìn)后的船舶電力系統(tǒng)脆性綜合風(fēng)險(xiǎn)熵 如圖6 ，在船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行中 ，選取某節(jié)點(diǎn)崩潰 ，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的負(fù)荷重新分配，潮流重新分布，節(jié)點(diǎn)的熵值增加，無序程度加深。節(jié)點(diǎn)為了維持自身的穩(wěn)定性，向其臨近的節(jié)點(diǎn)吸收負(fù)熵流，臨近節(jié)點(diǎn)因被吸收負(fù)熵，其熵值也不斷增加，節(jié)點(diǎn)接近崩潰。以此類推，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都在爭取與之相鄰節(jié)點(diǎn)的負(fù)熵，又由于外界環(huán)境的干擾，各個(gè)節(jié)點(diǎn)自身熵值增加，最終會(huì)導(dǎo)致整

9、個(gè)船舶電力系統(tǒng)的無序程度加深，達(dá)到脆性風(fēng)險(xiǎn)閾值，系統(tǒng)全局崩潰。05101520253035404550012345678910t/hs/nat 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組負(fù)載組配電板組051015202530354045500123456789t/hs/nat 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組負(fù)載組配電板組 目標(biāo)函數(shù)： 約束條件為： maxiji Di GPP10nitiPttFBAP 如圖7，改進(jìn)后的船舶電力系統(tǒng)脆性綜合風(fēng)險(xiǎn)熵降低，沒有達(dá)到閾值，系統(tǒng)某一節(jié)點(diǎn)崩潰后，通過有效調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的出力和負(fù)載負(fù)荷，能夠較好地降低電力系統(tǒng)的脆性風(fēng)險(xiǎn)，避免系統(tǒng)全局崩潰的危險(xiǎn)，提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （3）基于自組織臨界理論的船舶電

10、力系統(tǒng)脆性分析 自組織臨界指的是一類開放的，動(dòng)力學(xué)的，由多個(gè)單元組成的系統(tǒng)能夠通過漫長的自組織過程演化到一個(gè)臨界態(tài)，處于臨界態(tài)時(shí)，一個(gè)微小的局域擾動(dòng)可能會(huì)通過類似“多米諾效應(yīng)”的機(jī)制被放大，其效應(yīng)可能會(huì)延伸到整個(gè)系統(tǒng)，形成一個(gè)大的雪崩。圖8 不同規(guī)模米堆冪律分布圖 挪威大學(xué)研究米堆模型解釋自組織臨界現(xiàn)象。 研究表明：當(dāng)米堆的某一處坡度超過了極限，該米堆就開始下滑，下滑的米堆將繼續(xù)增加其它地方的坡度，從而可能引發(fā)雪崩，此時(shí)米粒一直滑至沙堆下沿直至出局。此時(shí)米粒模型的狀態(tài)處于自組織臨界態(tài)。其崩塌的分布如圖8呈現(xiàn)冪律特性。米堆模型v 為了通過仿真說明船舶電力系統(tǒng)脆性具有自組織臨界特性，建立如圖9所示

11、的船舶電力系統(tǒng)脆性自組織臨界性模型流程圖。v 快動(dòng)態(tài)過程為船舶電力系統(tǒng)脆性Agent圖模型算法，慢動(dòng)態(tài)過程為船舶電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷和線路容量增長算法。v 模型流程圖中約束條件代表著兩種相反方向“作用力”所受到的供電技術(shù)的限制，為快動(dòng)態(tài)過程中系統(tǒng)的功率平衡條件以及慢動(dòng)態(tài)過程中負(fù)載負(fù)荷和線路潮流的取值范圍。 圖9 船舶電力系統(tǒng)脆性的自組織臨界性模型流程圖 01000200030004000500060007000800090001000000.10.20.30.40.50.60.70.80.91tP（L）01002003004005006007008009001000110000.050.10.15

12、0.20.250.30.350.40.450.5tP（L）圖10(a) 船舶電力系統(tǒng)脆性故障規(guī)模圖10(b) 前1100時(shí)刻船舶電力系統(tǒng)脆性故障規(guī)模圖11 不同過載參數(shù)情況下船舶電力系統(tǒng)脆性自組織臨界值曲線0100020003000400050006000700080009000100000.350.40.450.50.550.60.65t/hI t1=1074t2=863t3=6301=12=0.93=0.8圖12 不同線路容量的增長系數(shù) 圖13 不同負(fù)荷需求的增長系數(shù) 100101102100101102103104LossN 1=1.006 2=1.005 3=1.00410010110

13、2100101102103104LossN 1=1.0006 2=1.0005 3=1.0004圖14(a) 不同參數(shù) 下船舶電力系統(tǒng)脆性故障長尾分布 圖14(b)不同參數(shù) 下船舶電力系統(tǒng)脆性故障冪律分布 0510152025300200400600800100012001400160018002000LossN 1=12=0.93=0.8100101102100101102103104LossN 1=12=0.93=0.8v 由以上仿真實(shí)驗(yàn)總結(jié)：模型參數(shù) ，的不同，決定了船舶電力系統(tǒng)的線路傳輸容量和發(fā)電機(jī)、配電板、負(fù)載節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的大小，即船舶電力系統(tǒng)的“規(guī)?！?，系統(tǒng)仿真結(jié)果與米堆模型中在不同棒

14、形米堆“規(guī)?！毕碌拿锥驯浪植继卣髑€相同：在雙對數(shù)坐標(biāo)下，船舶電力系統(tǒng)脆性故障規(guī)模越大，其發(fā)生的次數(shù)并非指數(shù)性減小，而是按斜率線性減小，特征曲線呈現(xiàn)冪律分布，此時(shí)船舶電力系統(tǒng)所處的狀態(tài)即為自組織臨界態(tài)，船舶電力系統(tǒng)脆性具有自組織臨界性，表明船舶電力系統(tǒng)脆性行為是由表征系統(tǒng)處于自組織臨界狀態(tài)的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，因此發(fā)生系統(tǒng)脆性這種小概率事件的本質(zhì)是系統(tǒng)處于自組織臨界態(tài)。 總結(jié)v1.構(gòu)建船舶電力系統(tǒng)的脆性結(jié)構(gòu)模型，評價(jià)各子系統(tǒng)重要度，為建模做好基礎(chǔ)。 v2. 基于適應(yīng)性Agent圖建立船舶電力系統(tǒng)脆性模型。模擬和分析船舶電力系統(tǒng)的脆性過程。v3.在船舶電力系統(tǒng)適應(yīng)性Agent圖模型的基礎(chǔ)上，建立船舶電力系統(tǒng)脆性的自組織臨界性模型。分析了船舶電力系統(tǒng)脆性本質(zhì)及其與各參數(shù)的關(guān)系。展望v1. 繼續(xù)深入挖掘和研究適應(yīng)性Agent圖理論。v2. 針對低壓船舶電力系統(tǒng)，模型中采用交流潮流算法。v3.脆性分析延伸到環(huán)形式、網(wǎng)形式船舶電力系統(tǒng)，以及它們之間的比較。攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文1基于復(fù)雜系統(tǒng)脆性結(jié)構(gòu)模型的船舶電力系