电力系统及其自动化

电力系统及其自动化一、学科简介海军工程大学电气与信息工程学院电力系统及其自动化专业是基于军用装备的战术技术性能、工作寿命和可靠性的特殊要求，瞄准国际军事装备在电力系统及其自动化技术领域的前沿，为国防战略战术武器及载体（如舰船、特种车辆、雷达站、坑道、导弹基地、消磁站等）急需的电力系统及其自动化技术而开展科学研究、培养人才和提供技术保障的学科专业。涵盖国家级舰船综合电力技术国防科技重点实验室、电力电子技术研究所、电气工程系、电磁环境与防护工程系、智能工程系。国家级舰船综合电力技术国防科技重点实验室本学科专业建立于1950年，1980年成为海军首批有权招收硕士研究生的两个学科专业之一，1998年获电力系统及其自动化学科博士学位授予权，1999年电力系统及其自动化学科成为海军首批重点建设专业之一，2001年获准建立电气工程学科博士后科研流动站，2003年成为湖北省重点学科，2005年以电力系统及其自动化为主干学科获得电气工程一级学科博士学位授予权，2006年经国防科工委、总装备部批准建成“舰船综合电力技术国防科技重点实验室”，2007年经教育部批准成为国家重点学科，2008年成为湖北省高校优势学科。本学科是国内军用电气工程学科领域唯一拥有电气工程一级学科博士学位授予权和博士后科研流动站的学科专业，是海军电气工程专业培养本科、硕士、博士到博士后各个层次专业人才的重要基地，是本技术领域自主创新的研究基地，为海军培养了大批高水平的专业技术人才，为舰船电力系统的不断发展提供了技术支撑。二、研究方向本学科专业经过多年的发展，已经形成了舰船高功率密度集成化发电和推进技术、舰船电力系统电磁兼容性研究、舰船电力系统网络及安全运行和舰船电力系统智能化监控管理技术等四个独具军队特色、我国军事斗争急需、稳定的领域和研究方向，在相关技术领域开展了一系列开拓性工作。1、舰船高功率密度集成化发电和推进技术集成化发电技术是将发电、电能变换、电气控制等多个传统发电系统中的功能模块集成于一体，形成系列化、标准化的新型发电功能模块，最大限度提高发电设备的功率密度和供电质量及可靠性，降低制造成本，提高运行效率。推进电机技术也是本研究方向的重要研究分支，在继续开展传统船用推进电机研究基础上，把研究体积小、转矩大、效率高、集成化的推进电机作为重要的研究内容，为实现电力推进舰船的发展提供技术基础。集成化发电与推进技术在未来综合电力战舰平台技术中占有十分重要的地位。本学科在此研究方向上已经取得一系列学术研究成果，并应用于实际工程：主持研制的多相整流型充电发电机处于当今国际同类电机的先进水平，已推广用于多型舰艇；研制发明的交直流多绕组电力集成发电机为国际首创，具有一台发电机同时输出交直流电能的多种功能，该类发电机已应用于新一代潜艇；目前正在研究带蒸发冷却的多相整流高速异步发电机是功率密度更高的第三代舰船集成化发电机，在结构原理、控制技术、冷却方式等方面都有显著的创新，已经取得了重大突破。集成化发电技术是舰船综合电力技术国防科技重点实验室一个重要研究方向，已经建立了多相整流中压发电试验系统、双绕组交直流发电机试验系统、高速异步整流发电机试验系统和电机电器蒸发冷却试验系统等四个实验研究平台，添置了相应的设计、分析软件和测试仪器。在此基础上结合高新技术人才培养，进一步深入研究高功率密度的集成化发电技术，对于提升我国舰船电力系统技术水平，推动国防建设的发展和科学技术的进步具有十分重要的意义。2、舰船电力系统电磁兼容性研究电磁干扰是伴随电能的开发和使用同时出现的问题，电磁兼容研究的目的就是控制设备和系统的电磁骚扰发射、抑制电磁骚扰的传播和提高设备和系统的抗干扰能力，从而减小和避免电磁干扰现象的发生。为了有效的利用舰船独立系统的空间和能源，现代舰船采用了综合电力系统是为推进系统、脉冲功率系统、控制系统及日常用电系统同时供电，且各种电力电子功率设备、敏感电子设备和计算机监控系统并存于舰船平台的有限空间，电磁干扰问题尤其严重。因此，舰船电力系统电磁兼容研究是保障现代舰船装备充分发挥战术技术性能所必须解决的首要问题之一，已引起了世界各国的高度重视。本学科在独立系统电磁兼容研究，如电力电子设备干扰源和干扰耦合途径的建模及定量描述方法，接地系统的阻抗特性和地电流干扰的抑制技术等独立系统传导干扰研究方面取得多项学术研究成果，并应用于工程实际，处于国内领先地位。通过国家基金委的第一期的资助，在马伟明院士带领下，“电力系统电磁兼容创新研究群体”已建立了传导电磁干扰的精确定量预测理论，解决了多项重大、重点国防科研项目中电磁不兼容的难题，圆满完成预期研究目标。依据该项目相关理论研究成果出版专著《独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容研究》，现已获得国家自然科学基金委创新研究群体基金二期资助。电磁兼容的预测和分析方法涉及电力系统、电路理论、电机、控制理论、信号处理、电磁场和计算电磁学等众多学科，具有很大的技术难度。在舰船综合电力系统电磁兼容的测量、电磁兼容的预测和电磁干扰的抑制等方面急需培养专门的高级人才。目前，结合舰船综合电力技术国防科技重点实验室建设，已经建立了舰船交流电网、直流电网、地网模拟试验系统，添置了EMI和敏感度测试分析系统。在此基础上进一步开展独立电力系统电磁兼容性研究，对于保障系统的正常运行和提高舰船系统的战术技术性能，具有重要的学术研究意义和工程应用价值。3、舰船电力系统网络及安全运行舰船电力系统网络实现电能的输送、变换与分配，是发电单元到用电设备之间的联系枢纽。舰船电力系统安全运行是在正常与故障情况下保证系统供电品质、保证重要设备连续供电的重要性能，是舰船生命力水平和战术技术性能发挥的重要保障。与陆地电力系统不同，舰船电力系统是一种强耦合、强非线性、紧凑型系统，因此，从系统网络结构顶层设计、系统数值分析方法、系统运行稳定性理论到系统保护与重构技术、可靠性与生命力评估均有其独有的特点。近年来，我海军舰船朝着大型化、现代化方向发展，电力系统装机容量不断增大，系统结构更加复杂，特别是综合电力系统概念的提出，对舰船电力系统结构设计与运行分析提出了许多新的课题，舰船电力系统网络与安全运行分析已成为舰船研究领域的热点和重要课题。多年来，本学科开展了大量舰船电力系统理论和工程应用技术研究，取得了一批有价值的成果。系统深入地研究了同步发电机整流并联系统的运行稳定性问题，揭示了系统并联运行的稳定条件、物理本质、影响因素及镇定方法；提出了大型舰船电力系统母线设计方法，构建了舰船独立电力系统母线设计理论体系；系统研究了独立电力系统网络规划、分析计算以及生命力、可靠性评估等问题，建立了舰船电力网络计算、重构与故障恢复的基本理论与方法；完成了多型舰船、潜艇电力系统仿真分析课题，为设计部门方案决策提供了重要的依据；深入研究了舰船电力系统绝缘以及绝缘状态的在线实时监测问题，掌握了舰船多电站、复杂网络结构下绝缘状态的监测、分析、故障判别与系统管理等关键技术，首次实现了舰船电力网络绝缘故障的在线定位，填补了国内空白，依据该成果研制出的绝缘监测装置已广泛推广应用；研制了多种型号的新型舰船动力、电力系统仿真模拟系统，将半实物数字仿真、软操作界面数字仿真与物理模拟等多种仿真方式有效集成，成功解决了舰艇动力、电力系统仿真规模大、模型复杂、仿真精度与速度要求高等难题。目前，本学科正结合“973”国家安全重大基础研究——综合电力系统电网结构理论研究项目，依托舰船综合电力技术国防科技重点实验室先进的软硬件平台和测试设备，联合清华大学、浙江大学等五所国内著名大学开展电网结构的分析方法、潮流和稳定性、保护及重构机理等方面的研究工作，力争在舰船综合电力系统电网结构理论领域实现理论创新和关键技术突破。4、舰船电力系统智能化监控管理技术舰船电力系统智能化监控管理系统，是舰船电力系统的管理中心，它负责全船能量的监控和管理，完成电力系统网络状态分析、潮流计算、故障重构、能量调度、电能质量的监测和控制、电力系统的状态监测与实时故障诊断，从而保证舰船供电的连续性、稳定性和经济性，确保向推进、武备系统、日用等用电负载提供稳定、优质电能，以提高舰船生命力、续航力和战斗力。能量管理系统技术是该研究方向上的核心研究内容，其包括智能采集终端ITU、现场总线与计算机网络构成的体系结构研究；网络状态分析、潮流计算与能量调度、故障后系统重构技术研究；电能质量的监测与控制技术研究；电力系统状态监测与故障诊断等技术的研究内容。本学科在电力系统智能化监控技术方面取得了一系列学术研究成果，多项成果应用于实际工程：在智能采集终端ITU、现场总线与计算机网络构成的体系结构研究中，突破常规测量采集终端的不足，提出利用嵌入式系统实现电能质量采集和同步向量采集的智能终端ITU，从而实现了电能数据的实时同步采集；针对监控网络的结构、实时性、抗干扰性等指标，建立了现场总线实物仿真实验系统，并成功应用于舰船的研制过程中，取得了重大的军事与经济效益。在网络状态分析、潮流计算与能量的调度技术、故障后系统重构研究中，利用分布式人工智能技术进行网络状态分析和故障重构，在利用多Agent实现故障后系统的重构研究中获得了突破。电能质量的监测与控制技术研究中，研制出电能质量采集设备，能够完成电能质量扰动问题的自动识别、实时谐波参数的检测、跟踪、参数测试等。在系统测试与故障诊断领域研究中，瞄准自动测试技术前沿，在基础理论、测试技术在电力系统和电子设备与电路板的应用研究方面开展研究和工程应用，研究开发了多套用于不同设备条件下电路板测试与故障诊断系统，完成了发电机多种故障的定位与判断，提出了电力设备的机内测试技术。目前正在进行的舰船能量管理系统方面的研究工作，在国内舰船电力系统领域建成了舰船能量管理的实验系统，并具备相应的设计、分析和测试能力。在此基础上结合高新技术人才培养，进一步深入研究舰船电力系统智能化监控技术，对于推动我海军舰船电力系统的信息化具有重要的意义。三、梯队人员本学科专业拥有以国内电力系统及其自动化领域著名专家、博士生导师马伟明院士为代表的特别能吃苦、特别能战斗的优秀教学科研队伍,通过努力，人才队伍建设取得了可喜的成绩：教员队伍中，有院士1人，博士生导师15人，硕士生导师41人，学科带头人11名，中青年学科带头人培养对象5人。具有高级职称35人，其中教授16人，副教授19人，中级职称21人。出站博士后3人，博士学位34人，正在攻读博士学位19人，教员队伍的平均年龄只有33.8岁。逐渐形成了一支学缘结构多元化、年龄结构年轻化、层次结构合理化的学术队伍，2004年被大学推荐为人才队伍建设先进单位上报海军给予表彰。拥有国内电气工程领域首个受国家自然科学基金委创新研究群体基金资助的“电力系统电磁兼容创新研究群体”，通过几年的艰苦的研究与探索，已经取得了一批显著的成绩，现已继续获得资助（二期）。中国工程院院士、教授、博士生导师马伟明少将马伟明，舰船电气工程专家。男，1960年4月出生，江苏扬中市人，中共党员。1982年毕业于海军工程大学电气工程系，1987年于海军工程大学获船舶电气工程专业硕士学位，毕业后留校任教，1993年至1996年在清华大学攻读并获电机专业博士学位。现任海军工程大学教授、博士生导师，2001年当选为中国工程院院士。兼任第五届国务院学科评议组成员，国家自然科学基金委员会学科评审组成员，中国青年科技工作者协会副会长，湖北省科协副主席，中国电工技术学会理事，中国电机工程学报编委会委员，中国电工技术学报编委会委员，中国造船学会理事，武汉造船学会副理事长等职务。长期致力于独立系统集成化发电、独立电力系统电磁兼容、电力电子应用技术等领域的研究。先后承担重大科研课题20多项，获国家科技进步一等奖1项，国家发明三等奖2项，军队科技进步一等奖2项、二等奖4项，国家专利4项。出版专著2部，在权威性学术刊物上发表论文180多篇，其中SCI、EI、ISTP收录100多篇。主持建立电气工程博士学位授权点和博士后科研流动站，长期从事硕士、博士研究生教学工作，治学严谨，教学经验丰富，培养博士、硕士4