基于层次分析—模糊综合评估法的电力推进船舶电能质量实时评估系统张文保，施伟锋，兰莹，顾思宇，卓金宝

张文保，施伟锋*，兰莹，顾思宇，卓金宝201306上海海事大学 物流工程学院，上海

摘 要：［目的］随着电力电子器件在船舶上的广泛应用和船舶电力系统容量的不断增加，船舶电能质量问题日益突出。为此，设计一种电能质量实时评估系统。［方法］首先，基于电力推进船舶电力系统的特点和船舶电能质量的研究现状，分析主流电能质量评估算法的优缺点与可行性；然后，根据最新评估标准，筛选可以反映船8个电能质量指标，构建多层次评估体系，提出基于层次分析法（AHP）—模糊综合评估舶电力系统运行特点的（FCE）法的船舶电能质量实时评估系统；最后，基于电力推进船舶实验装置进行可行性验证，并通过Matlab软件设计相应的图形用户界面（GUI）。［结果］该评估系统可以实现船舶电能质量的1s级实时评估打分，同时生成2种形式的评估结果。［结论］AHP—模糊综合评估法可以成功应用于船舶电能质量的实时评估系定性与定量

统，有利于船舶电力系统设备的集中监测管理，并为其他评估方法在船舶领域的应用提供一种新的设计思路。关键词：船舶电力系统；电能质量；电力推进；层次分析法；模糊综合评估；实时评估中图分类号：U665.13 文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01527

Realtime power quality evaluation system of the electric propulsion ship based on AHP-fuzzy comprehensive evaluation method

Zhang Wenbao，Shi Weifeng*，Lan Ying，Gu Siyu，Zhuo Jinbao Logistics Engineering College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China Abstract：［Objectives］ With the wide application of power electronic devices in electric propulsion ships and the increasing capacity of marine electric power systems，the problem of ship power quality has become increasingly prominent. In view of the issues above，a realtime power quality evaluation system is designed. ［Methods］ Firstly，the advantages，disadvantages and feasibility of the mainstream power quality assessment algorithms were analyzed based on the characteristics of the electric power system the ships and the research status of the ship power quality. Then，according to the latest evaluation criteria，a multi-level evaluation system containing eight power quality indexes which can reflect the operating characteristics of marine electric power system was constructed and the ship's power quality realtime evaluation system based on the Analytic Hierarchy Process （AHP）-Fuzzy Comprehensive Evaluation （FCE） method was proposed. Finally， the feasibility test based on the electric propulsion ship experimental device was carried out and the corresponding Graphic User Interface（GUI）was designed by Matlab software.［Results］ The evaluation system can realize the realtime evaluation and scoring of the ship's power quality at 1 s level and generate qualitative and quantitative results at the same time. ［Conclusions］AHP-FCE method can be successfully applied to the realtime evaluation system of ship power quality，which is conducive to improving the centralized monitoring and management of marine electric power system equipment and provides a new design idea for the application of other evaluation methods in marine fields. Key words：marine electric power system；power quality；electric propulsion；Analytic Hierarchy Process （AHP）；Fuzzy Comprehensive Evaluation（FCE）；realtime evaluation

收稿日期：2019 - 01 - 30 网络首发时间：2019-12-2 10:42基金项目：国家自然科学基金资助项目（61503240）作者简介：张文保，男，1992年生，硕士生。研究方向：船舶电力系统控制与优化，电能质量监测评估。E-mail：826613110@qq.com施伟锋，男，1963年生，教授，博士生导师。研究方向：电力系统控制与优化。E-mail：wfshi@163.com

0引言

船舶电能质量的定义为：表征船舶在各种工况下产生、分配及使用电能的一组参数［1］。船舶电能质量将影响船舶电力系统的持续性、可靠性和稳定性，是动力推进、甲板机械、控制与通信设备等正常工作的重要保障［2］。影响船舶电能质量的因素很多，例如：日益增加的非线性负载将为船舶电网注入大量的谐波；电力推进船舶的艏部侧向推进器、主推进器等大功率设备的投切将引起负载功率的突变，从而导致船舶微电网电压的波动；三相负载不平衡和系统元件三相参数不对称将导致船舶电力系统的三相不平衡。随着电力推进船舶的快速发展，有必要对船舶电能质量开展有效评估，以及时发现并排除故障，从而减少维修工作量［3］，并保障船舶电力系统的持续可靠运行。由于船舶电力系统的自身容量较小且结构较复杂，其质量评估方面的研究现状并不尽如人意。目前，研究学者已经针对陆上大电网提出了大量的电能质量评估方法，主要包括：神经网络法［4］、投影寻踪法［5］、模糊数学法［6］等。然而，船舶电力系统作为一个独立的小型系统，现有评估方法因其自身特性与船舶这类特殊对象之间存在相互耦合影响，所以并非完全适用。由于测试数据对电能质量综合评估的影响很大，故只有基于良好测试环境和准确测试结果而开展的综合评估，才具有真正的实用意义。需考虑的是：一方面，各种工况下船舶电力系统的运行状态及负荷变化差异很大，加之海洋环境等不确定性因素的影响，所以一般难以获取高质量的样本数据；另一方面，基于数据分析的评估方法有赖于高质量的训练样本与评估数据，所以其在船舶电能质量评估方面的应用存在一定限制。以神经网络法为例，该方法依赖于大量精准的数据，经过训练之后即可用于数据处理，且精度较高。然而，当前的船舶电能质量评估工作并没有统一的执行标准，所以无法明确训练数据的划分范围；同时，船舶运行工况易受外界环境因素的影响，所以无法为神经网络提供大量有效的训练样本，这将降低船舶电能质量评估结果的精度；此外，当评估指标较多时，神经网络法的计算速度较慢，无法完全满足船舶电能质量的实时评估要求。以投影寻踪法为例，该方法可以将高维数据投影到低维子空间，具有良好的稳健性、抗干扰性和较高的准确度，但计算量很大、计算过程复杂、编程实现困难，这在一定程度上限制了其应用范围。同时，为了保证投影值可以最大程度地提取原始数据的变异信息，其对寻求最优投影方向所需的样本质量要求较高，但船舶上因不确定因素导致的样本误差在所难免，所以该方法也不能完全满足实时评估的要求。针对上述问题，根据现有船舶电能质量评估工作的研究成果，本文拟结合主流评估算法的特点和陆上大电网的评估思想，提出基于层析分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP ）—模糊综合AHP—模糊法）的电力推进船舶电评估法（以下称能质量实时评估系统。该系统可以完成船舶电能1s质量的 级实时评估，还可以避免因训练样本数据误差所导致的评估结果不准确性，可为在船舶领域的质量实时评估提供一种新的设计思路。

1 电力推进船舶电能质量的相关标准

在船舶电力系统中，随着联网发电机台数的变化，船舶电源阻抗也会随之改变，且变化范围较大。同时，在实船电网中，往往并存了多种电能质量问题且其会相互影响，故船舶电能质量有一定的特殊性。目前，很多船级社公布的船舶检验规款［7-9］。以范中均包含了船舶电能质量的相关条电压与频率波动为例，中国船级社《钢质海船入级规范》2018 1版［10］对此提出了要求，如表 所示。其中，缺失的指标限制值表示船级社未定义该项电能质量指标。由于电力电子器件在电力推进船舶上应用广泛，故其电力系统的谐波问题颇为突出。对此，《钢质海船入级规范》2018 8版［10］第 章规定：对于1～15有半导体变换器装置运行的网络， 次的谐

5%，其后逐渐减少，在100波应不超过标称电压的1%。对于专用系统，总电压畸次谐波时应减少到10%。变应不超过另外，在功率的分配标准方面，《钢质海船入级规范》2018 4版［10］第 章规定：有功功率分配系数在±15%以内，无功功率分配系数在±10%以内。1下文将根据表 和船级社的相关规定，构建船舶电能质量评估体系，并划分评估等级。

2 总体设计方案

AHP—模糊综合评估法，本文设计了电基于力推进船舶电能质量的实时评估系统，其总体架1构如图 所示。

首先，本系统通过无线通信方式实时获取船舶电力系统的主要参数信息，并进行数据存储、清洗等预处理；然后，结合本文选定的电能质量评估体系和评估等级划分标准，进行数据运算；最后， GUI通过设计 界面和编译相关程序代码，完成实时评估功能。

3 层次分析法—模糊法的理论与应用

3.1 船舶电能质量的多层次评估指标体系

AHP法是一种将定性与定量分析相结合的多准则决策方法，可以将人类对复杂系统的思维过程数字化，将人工主观判断为主的定性分析定量化，将各种判断要素之间的差异数值化，从而帮助人类保持思维过程的一致性，是一种广泛应用的指标权重确定方法［11］。在船舶电能质量评估指标体系的构建过程中，首先，应选择船舶系统安全运行的相关指标；其次，还应考虑所选指标的适用性、经济性，以及对船舶电力系统故障状态的诊断性，即应确保所态［1］。此选指标可以明确指示船舶电力系统的状外，在实际应用中，瞬态过电压和暂时过电压不易测量，其可操作性较差，因此本文的评估工作暂不考虑该项指标。同时，我国船舶电能质量的相关评估标准并不完善，所以优先选择各国船级社已配套成熟标准的指标构建评估体系。经综合考8量，本文筛选了 项评估指标（电压偏差、波动、谐波、三相不平衡度、频率偏差、频率波动、有功功AHP率、无功功率），并采用 法来构建船舶电能质量评估体系。AHP根据 法的层次结构，可以将船舶电能质量的评估设定为目标层，将电压质量、频率质量、8功率分配系数设定为准则层，将 个具体评估指标设定为指标层，最终形成的综合评估指标体系2如图 所示。2图 船舶电能质量的多层次综合评估指标体系Fig.2 Index system for multi-level comprehensive evaluation of ship power quality

3.2 明确评估因素集

在船舶电能质量评估体系中，各因素之间有层次之分，且很难用定量关系来表示。为此，本文将采用基于模糊数学的多层次模糊综合评估方2 2法［12］。图 中，评估因素集可以分为 个层次：第1 =｛电压偏差，波个层次（指标层），即电压质量U1 =｛频率偏动，谐波，三相不平衡度｝，频率质量U 2 =｛有功功率，无差，频率波动｝，功率分配系数U 3 2功功率｝；第 个层次（准则层），即船舶电力系统的电能质量评估集U ={ U1 U 2 U 3}。

3.3 明确评估等级

为了更好地呈现船舶电网状态，需对船舶电能质量的评估结果进行等级划分。通过借鉴陆地大电网评估等级的划分方法，并结合船舶电力系8统的自身特点，针对前文选取的 个评估指标，采5用 等级变区间长度划分方法将单项指标在限定

5值范围内分为 个等级，记为评估等级集合V ={ 1 2 3 4 5} ，等级越高即电能质量越差。这

种分级标准的优势在于：等级数量不多，可以避免因评估过程的计算量过大而导致系统的实时性受到影响；同时，等级数量适中，可以避免因等级数量太少而导致评估结果的误差过大［13-14］。3船舶电能质量评估的等级区间划分方法如图1～5所示，横向变量 级评估值所对应的定性评估结果为：优、良、一般、差、很差。其中：1，2，3为合4，5格等级，采用均分方法； 为不合格等级，其跨2度为前面合格等级跨度的 倍。通过变区间长度的等级划分，可以在质量合格时精确考察质量状况，而在质量不合格时大范围地考察。

3.5 确定指标权重

已知船舶电能质量实时评估矩阵 Ri ，只需求得权重矩阵 wi ，经模糊算子 运算即可求得各子

目标的综合评估向量 Bi ，即（2） Bi = wi  Ri AHP本文将采用 方法求解船舶电能质量评4估体系各层次指标的权重值，其评估流程如图所示，主要步骤为： 1：建立如图2步骤 所示的递阶结构。本文以中国船级社《钢质海船入级规范》（2018 版）10 ［ ］为依据，进行船舶电能质量的评估等2级划分，具体如表 所示。其中：电压偏差 x1 的取值范围为-6～+10，由于该范围关于零点不对称， 2 2故取值区间在表 中分为 栏显示；其他指标的取值范围关于零点对称或仅为正值，故统一采用绝

对值表示。

3.4 指标评估并建立模糊评估矩阵

由表2可知，每5组数据构成一个评估数组计算单元。通过采取数据队列的形式，即可实现周1s期为 的实时评估。本文将采用横、纵向的双层概率统计方法来建立评估矩阵。首先，进行横向

计算，得出某时刻数据的评估等级；然后，进行纵1向评估，根据 个周期内各评估等级的次数与总统计次数的占比，生成相关的隶属向量，从而得到k行m列的实时评估矩阵 Ri 。2步骤 ：建立电能质量两两指标之间的评估矩阵。该矩阵表示针对上一层某元素，本层次相1～9关元素之间的相对重要性，通常采用 标度法3进行重要性比例标度描述，其含义如表 所示。3表 中，j为评估指标序号。评估矩阵一般通过专家调查或基于某一类型用户角度建立，这里以本文评估体系中准则层与2指标层的指标为例进行说明。对于图 综合评估体系中的具体指标U1，假设元素 x1~x 的重要程4 1，3，2，2，其中度分别为 x3 ，x 与 x2 之间的相对4 3 5，则重要程度分别为 和 x1~x 对 U1的评估矩阵4

3.6 综合评估结果的模糊合成

将各指标的实时评估矩阵与相应权重值进行模糊算子运算，即可得到综合评估的结果向量［15］。根据不同的模糊合成算子，可以演变出不同的模4 5所糊评估模型，常用的 种模糊算子的特点如表4示。本文将采用第 种加权平均算子，该算子可以充分利用船舶电能质量综合评估体系中的指标层信息，得到准确性高、综合性强的系统评估结果。

4 船舶电能质量的评估方法对比及结果分析

为了验证本文方法在船舶电能质量评估中的合理性和优越性，对电力推进船舶在不同工况下的电能质量进行综合评估，并与熵权法［16］、木桶原Mat⁃理法［17］的评估结果进行对比。评估数据来自lab 5电力推进船舶仿真模型，每种工况采集 组数5 5据，结果如图 所示。图 中：横坐标为评估指标5 x ～x ，每个指标对应 组数据，按采集顺序排列， 1 8 2；T1具体含义参考表 为船舶的加速工况；T2为船舶的全速运行工况；T3为船舶的减速工况；T4为船舶艏侧推启动工况；T5为船舶艏侧推启动工况的0～ 1s第 阶段。5中，8图 项评估指标（电压偏差、波动、谐波、