中國儲能網(wǎng)訊：
本文亮點：（1）首次論述了新能源微電網(wǎng)技術在國內(nèi)外軍事能源領域方面的發(fā)展；（2）論述了各部分在軍事應用場景下的運行維護及故障處置方法；（3）介紹了軍事行動中針對新能源微電網(wǎng)可能采取的攻擊手段并提出相應的防護建議和應對策略；
新能源微電網(wǎng)是未來軍事設施和基地實現(xiàn)能源自給、獨立供電，裝備和作戰(zhàn)任務實現(xiàn)可持續(xù)、不間斷供電的有效方式，代表了未來軍事能源的發(fā)展趨勢，通過建立新能源微電網(wǎng)將集中發(fā)電模式轉(zhuǎn)向本地靈活可靠的可持續(xù)電力或儲能形式以此用來緩解戰(zhàn)場或?qū)俚厣鐣?、生產(chǎn)用電緊張，提高戰(zhàn)場和屬地的能源綜合利用效率和調(diào)度能力，降低后勤補給壓力。鑒于該發(fā)電方式的時域與空域不受限，其在軍事能源領域得到了廣泛應用，應用方式也隨著經(jīng)驗的積累和技術的迭代在不斷創(chuàng)新，對戰(zhàn)略決策、作戰(zhàn)部署和裝備效能的發(fā)揮也產(chǎn)生了顯著的增益影響。當然，有別于民用新能源微電網(wǎng)的使用環(huán)境和工況，軍用新能源微電網(wǎng)往往面臨極端的環(huán)境、復雜的工況和高強度的毀傷沖擊等新的挑戰(zhàn)，因此其運營與維護方面不僅需要組建專業(yè)的力量、建立快速反應、高效處置的運維預案及應對策略，而且在建設過程中也應提高相關組件及附屬設施的品質(zhì)，充分考慮軍事新能源微電網(wǎng)可能遭遇的各類特殊情況，包括電網(wǎng)石墨/碳纖維炸彈、爆炸波的沖擊毀傷、電磁脈沖干擾、電網(wǎng)病毒、無人機侵擾以及其他人為破壞電網(wǎng)平衡的干預方式，不斷提高微電網(wǎng)的戰(zhàn)場環(huán)境和復雜工況的適應能力，致力于實現(xiàn)戰(zhàn)場電能源的安全、高效和可持續(xù)保障?；谝陨峡紤]，本文系統(tǒng)綜述了太陽能、風能等軍用新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)的運營、維護及故障處置分析的最新研究成果，并對面向戰(zhàn)場的軍事新能源微電網(wǎng)的未來發(fā)展提出了參考建議。
隨著科技水平的發(fā)展和電力驅(qū)動設備的增加，其信息化和智能化導致的運算能力急劇提升，耗能也由此急劇增加，例如截至2023年10月，我國已建成5G基站318.9萬個，單站滿載功率3700 W，是傳統(tǒng)4G基站的2.5～3倍，而265萬個5G基站滿載運行就足以消耗三峽水電站全年的總發(fā)電量。此外，我國傳統(tǒng)的集中發(fā)電模式遠距離輸送損耗大、資源有限、建造成本高、落地難等問題亟待解決以滿足人民日益增長的用電需求，近幾年來全球發(fā)生數(shù)次典型大規(guī)模停電事故表明，傳統(tǒng)電網(wǎng)的供配電方式亟待優(yōu)化。為解決上述問題，貫徹落實國家“雙碳”目標，降低對傳統(tǒng)資源的依賴，新能源微電網(wǎng)得到大力發(fā)展。新能源由大自然中的各種無限循環(huán)的能源轉(zhuǎn)化而來，如太陽能、風能、潮汐能、地熱能和生物質(zhì)能等，與傳統(tǒng)的發(fā)電方法相比，具有取之不竭、分布極廣且對環(huán)境的危害較小等特點。過去十幾年里，可再生能源的獲取與利用在全球的部署一直快速增加，據(jù)國際可再生能源署(IRENA)發(fā)布可再生能源統(tǒng)計報告，其中統(tǒng)計了全球2012—2022年太陽能、風能、生物質(zhì)能和地熱能的能源產(chǎn)能增長情況。如圖1所示，2012—2022年，全球新增可再生能源裝機容量約1800 GW，年均增速約為8.7%，2020年增速最大，達10.4%，太陽能發(fā)電發(fā)展迅猛[6]，2012—2022年太陽能光伏發(fā)電裝機容量增長了10倍，2022年達1164 GW，同期風電增長了2.5倍。
圖1 2012—2022年可再生能源裝機情況(GW)
現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器裝備的迭代更新、新型作戰(zhàn)樣式和模式的創(chuàng)新速度加快，如單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、空中與海上新型作戰(zhàn)平臺、遠程投送與快速打擊等，都需要龐大能源供應體系作為支撐。就美國而言，其國防部是全球最大的單一能源消費機構(gòu)，根據(jù)能源情報署(EIA)的數(shù)據(jù)，其2022年度能源消費量達到了1.2億桶石油和38億千瓦時電力。近代幾場美對外作戰(zhàn)行動中，美軍的戰(zhàn)役和戰(zhàn)術級燃料后勤補給經(jīng)常遭受攻擊，例如，2007年在伊拉克和阿富汗就有3000多人在輸送油料的過程中遇襲傷亡。2023年的俄烏沖突中，俄羅斯通過使用伊朗的低成本Shahed-136/131無人機，癱瘓了烏克蘭60%以上的電力能源系統(tǒng)，從而扭轉(zhuǎn)了伊久姆地區(qū)、赫爾松南部地區(qū)反攻以來的頹勢。大量現(xiàn)代戰(zhàn)役事實表明：安全、高效、可持續(xù)的電力能源保障能力已成為現(xiàn)代化、信息化戰(zhàn)爭的重要制勝因素，而可獨立工作且可充分利用戰(zhàn)場資源稟賦的新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)可促成該保障能力的形成。
然而，微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)之后，其調(diào)節(jié)能力缺陷和上網(wǎng)隨機性會干擾電網(wǎng)穩(wěn)定性。例如，2021年2月份，美國得克薩斯州因極寒天氣導致大量新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障，事故導致400多萬用戶被迫停水停電，17人遇難。由于風能和光伏發(fā)電受制于自然環(huán)境，若出現(xiàn)極端天氣，清潔能源發(fā)電占比急劇下降，導致電能供應問題，因此，增強新能源微電網(wǎng)的管控與維護是提升新能源電網(wǎng)使用效能的當務之急。有別于民用新能源微電網(wǎng)的使用環(huán)境和工況，軍用新能源微電網(wǎng)的建立往往面臨著更為極端的環(huán)境、復雜的工況和高烈度的毀傷沖擊等，為滿足戰(zhàn)場布設和作戰(zhàn)任務需求，其運營與維護方面往往也需要更高的要求，不僅需要組建專業(yè)的力量、建立快速反應、高效處置的運維預案及應對策略，而且在建設過程中應該提高相關組件和附屬設施的品質(zhì)，充分考慮軍事新能源微電網(wǎng)可能遭遇的各類特殊情況。在未來的建設過程中，需要不斷發(fā)現(xiàn)和分析新能源發(fā)電系統(tǒng)中的各種故障，形成一定的預警預判能力，以便于制定更精準的應對方式。基于以上考慮，本綜述聚焦當前軍用新能源發(fā)展形勢，從已有的光伏、風能發(fā)電與儲能系統(tǒng)關鍵技術問題入手，闡述了軍用新能源發(fā)電與儲能系統(tǒng)的正常運作和維護，并展開了故障解析，進一步討論基于現(xiàn)場的各種維護策略，特別強調(diào)糾正性、預防性和預測性維護策略等，最后，結(jié)合軍用新能源微電網(wǎng)未來發(fā)展需要，提出發(fā)展建議。
1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 國外
1.1.1 民用
2020年世界銀行發(fā)布的一份調(diào)查報告顯示，全球約有1.9萬個微電網(wǎng)項目為4700萬人供應電力。預計到2030年，微電網(wǎng)數(shù)量將達到21萬，可為4.9億人口供電，其中大部分微電網(wǎng)部署在南亞和東亞及太平洋地區(qū)。美國在世界微電網(wǎng)的研究和實踐中居于領先地位，擁有全球最多的微電網(wǎng)示范工程，主要用于集成可再生分布式能源、提高供電可靠性為電網(wǎng)提供支持服務。2023年10月18日，美國能源部(DOE)宣布了電網(wǎng)彈性和創(chuàng)新伙伴計劃(GRIP)，并為該計劃首期撥款34.6億美元，重點用來部署超過35 GW獨立儲能和400個獨立微電網(wǎng)，并資助4200萬美元旨在開發(fā)下一代半導體技術提高電網(wǎng)可靠性、彈性和靈活性，以消納更多風、光等可再生能源，助力實現(xiàn)脫碳目標。2022年，歐洲新能源的發(fā)電量首次超過化石燃料并占比22.3%，2022年9月13日，歐盟議會通過《可再生能源發(fā)展法案》，將2030年可再生能源發(fā)展目標終端能源占比從2021年的40%進一步提升至45%。在新興市場，由世界銀行和非洲開發(fā)銀行提供融資2.2億美元在尼日利亞建立了兩個太陽能混合微電網(wǎng)融資項目，在未來估計會有更多的新能源項目上線。
1.1.2 軍用
通過推行減少對石油資源的依賴和提高能源利用效率等措施，軍隊能夠更好地適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要。美軍在應用可再生能源方面始終處于領先地位，2008年起，美軍陸、海和空等軍種陸續(xù)制定了各自的能源發(fā)展戰(zhàn)略，可再生能源的利用是主基調(diào)。2022年，美國陸軍宣布將在其全球130個基地的每個基地建設一個微電網(wǎng)，并計劃2030年前所有基地將不再依賴傳統(tǒng)電網(wǎng)，2050年全面推廣新能源。
早在2011年，美軍總計投入3850萬美元在珍珠港-西肯、卡森堡和史密斯3個軍事基地分別建設3個微電網(wǎng)示范工程，用來保障基地用電需求，3個示范性工程給美國未來的軍用新能源電網(wǎng)戰(zhàn)略提供了很大的參考價值。此后，為加快軍需能源轉(zhuǎn)型，美國陸軍能源部陸續(xù)建立了包括如圖2(a)～(c)所示的大批新能源微電網(wǎng)項目，其中位于加利福尼亞州范登堡空軍基地的光伏發(fā)電項目是美空軍目前最大的光伏項目之一，如圖2(b)所示，該項目占地200英畝，相當于約163個美式足球場的大小，總投資額達1億美元，總裝機容量為28 MW，該項目是美空軍“核心任務全要素保障”計劃的一部分，旨在確保美空軍軍事設施遭受重大自然災害、物理攻擊和突發(fā)事件的時候依然能夠保障航天發(fā)射、航天器追蹤等重大任務的順利實施。
圖2 (a) 美國陸軍能源部可再生能源項目；(b) 范登堡空軍基地光伏發(fā)電系統(tǒng)；(c) 美國猶他州1.8 MW風力發(fā)電系統(tǒng)
1.2 國內(nèi)
1.2.1 民用
我國的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電量持續(xù)增長，已居全球之首。2023年1月，中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的一項報告顯示，目前我國新能源微電網(wǎng)行業(yè)主要集中于公共機構(gòu)、工商業(yè)區(qū)和社區(qū)領域三個細分領域市場，在2021年市場占比分別為33%、31%和19%，相比之下軍隊和海島領域占比較低，約為11%和6%。2022年，國家能源局印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，要求2025年可再生能源消費總量達到10億噸標準煤，截至2022年，我國可再生能源裝機達12.13億千瓦，占全國發(fā)電總裝機的47.3%，新增裝機1.52億千瓦，占全國新增發(fā)電裝機的76.2%。其中風電平均利用率96.8%、光伏發(fā)電平均利用率98.3%，持續(xù)保持高利用率水平，可再生能源總體上進入了增量替代和區(qū)域性存量替代的發(fā)展階段。
1.2.2 軍用
我軍在裝備發(fā)展建設中必須把能源結(jié)構(gòu)從單一的石油類能源向多元化能源結(jié)構(gòu)擴展，改變過于依賴石油資源的裝備建設方式，以確保未來能源可獲取性，降低戰(zhàn)場能源斷供風險。
目前我國正在加快構(gòu)建現(xiàn)代軍事能源體系，對高效太陽能電池、柔性薄膜太陽能電池、鋰離子電池等技術發(fā)展進行了籌劃，提出了2030年前掌握45%以上效率太陽能電池、550～750 Wh/kg鋰離子電池等相關技術發(fā)展目標。我國西部和東南沿海島嶼地區(qū)的自然條件給新能源微電網(wǎng)的建設和使用提供了巨大的資源稟賦，光伏發(fā)電營房于2013年在太陽能資源豐富的西藏軍區(qū)首次投入使用并取得了效果，近年來太陽能電池在技術領域的一系列突破提高了光伏發(fā)電在軍事應用中的可靠性。2021年集風力、光伏、柴油發(fā)電機和儲能電池于一體的離網(wǎng)型新能源微電網(wǎng)在海拔高達5380 m的新疆軍區(qū)神仙灣邊防連建成，為戰(zhàn)士們提供了持續(xù)穩(wěn)定的電源，徹底解決了炊事、取暖、洗澡等諸多問題。目前，全軍高原海島邊防已建立了超過百個軍用新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)。
2 軍用新能源微電網(wǎng)
2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)
軍用光伏發(fā)電(SPV)系統(tǒng)是一種利用太陽輻射能實現(xiàn)軍事能源供應的系統(tǒng)，其工作原理是光電效應?，F(xiàn)階段軍用光伏發(fā)電系統(tǒng)最常見的是用于供給營地的用電，光伏電站具有建設周期短、運行維護簡單、無人值守、安裝擴容方便、維護成本低等優(yōu)點，發(fā)展前景廣闊。尤其是對于邊境、孤島、山區(qū)等普通電網(wǎng)難以覆蓋的軍隊駐地，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以為部隊提供可靠、實時的電力供應，有效解決偏遠駐訓、野外作戰(zhàn)、災難救援等能源供應問題，并實現(xiàn)靈活部署，因此，光伏發(fā)電已成為多國能源革命的重點內(nèi)容并進行長期規(guī)劃。此外光伏電池軍事應用還包括太陽能作戰(zhàn)無人機、太陽能發(fā)電帳篷、太陽能發(fā)電背包以及各種太陽能作戰(zhàn)車輛。
2.1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
太陽能電池的發(fā)展可劃分為三代，第一代太陽能電池是以單晶硅和多晶硅為代表的硅晶太陽能電池，技術成熟，轉(zhuǎn)化效率為25%。第一代電池原料的要求較高且生產(chǎn)工藝復雜，人們又開發(fā)了第二代以碲化鎘(CdTe)和砷化鎵(GaAs)等為代表的薄膜太陽能電池，該電池耗材少且易規(guī)?；a(chǎn)，轉(zhuǎn)化效率為28%～30%。第三代太陽能電池則是基于新材料和新技術，以染料敏化太陽能電池(DSSC)和鈣鈦礦太陽能電池(PSC)等為代表的新型太陽能電池，轉(zhuǎn)化效率為26%。目前，各類太陽能電池憑借其自身特色在不同領域得到了應用，滿足了不同的使用需求。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏列陣、光伏控制器、逆變器和儲能蓄電池(組)構(gòu)成。
2.1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)典型軍事應用場景下的故障分析
軍用SPV系統(tǒng)需要滿足軍事使用的特殊要求，需要經(jīng)受極端的地質(zhì)、氣候和戰(zhàn)爭環(huán)境的考驗，所以軍用光伏發(fā)電系統(tǒng)相比民用系統(tǒng)應當具有更高的運維要求。據(jù)統(tǒng)計，SPV系統(tǒng)中故障發(fā)生和退化導致的太陽能損失占總功率輸出的17.5%。常規(guī)故障主要包括熱斑現(xiàn)象、光伏組件老化以及逆變器故障等。
2.1.2.1 熱斑現(xiàn)象
如圖3所示，熱斑效應是太陽能光伏組件常見的一種故障類型，光伏電池板被遮蔽后，其內(nèi)部電流輸出量會小于正常情況下的輸出電流，而組件的工作電流一旦超過該電池的短路電流時，這塊電池電壓會被偏置當成負載，在光伏電池板內(nèi)部產(chǎn)生熱量，這些熱量不斷積累可導致最高溫度高達200 ℃，局部燒毀形成暗斑、焊點熔化、導致不可逆轉(zhuǎn)的永久損壞，造成組件的輸出功率降低。其次引發(fā)熱斑效應的原因還有電池片功率混搭、柵線虛焊或電池片自身存在缺陷，以及組件存在嚴重隱裂、碎片、氣泡、組件表面粘貼了頑固污漬或被雜物、植物異物遮擋造成陰影。
圖3 光伏熱斑
2.1.2.2 光伏組件老化與局部損壞
光伏組件老化是指光伏組件受光照、氣溫等自然因素影響下造成的使用壽命降低、發(fā)電功率衰減等現(xiàn)象，它主要表現(xiàn)在太陽能轉(zhuǎn)換效率降低、串聯(lián)電阻增大、工作溫度升高等。光伏組件的老化程度越明顯，其性能衰減也越嚴重。此外，光伏電池組件老化可能會導致開路故障，使電流無法正常流通，這種情況一般是由組件內(nèi)部連接線路或焊點松動、斷裂、腐蝕等原因引起的。
光伏組件電池片通常非常薄且脆弱，當光伏組件放置方式或者搬運過程不恰當時會受到應力作用而發(fā)生破裂，這種電池片的裂紋很難用肉眼觀察到，隱裂可能導致電池片短路，嚴重影響光伏組件的工作效率。除了安裝和搬運過程造成的局部損壞，在設備運行過程中，也可能會受到如冰雹、刮風、鳥類撞擊等外界多種形式的破壞以及敵方的蓄意破壞等，必要時需要及時更換相應組件。
2.1.2.3 逆變器故障
逆變器可以調(diào)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為蓄電池提供最佳的工作狀態(tài)，其故障分為參數(shù)性故障和結(jié)構(gòu)性故障兩類。其中，參數(shù)性故障主要由電阻、電感等器件的特性退化所造成，而結(jié)構(gòu)性故障產(chǎn)生因素包括相關單元及其部件損壞等。常見的逆變器故障主要包括通風故障、過電流、逆變器溫度異常、相電流不平衡等。逆變器通風故障主要是指通風口堵塞、風扇葉片損壞或松動、風扇供電線路或接頭燒壞、保險熔斷或者短路和斷路，這些情況都會導致風扇無法正常工作，進而導致局部溫度過高影響整個系統(tǒng)的工作效率。逆變器過電流涉及的故障原因有很多，比如負載阻抗太小、軟件程序非法更改、強電磁干擾、接地故障、交流側(cè)短路、過流保護失效等。逆變器溫度故障是指電感器溫度、絕緣柵雙極形晶體管(IGBT)溫度、機箱溫度和變壓器溫度異常，造成該故障的原因有逆變器散熱系統(tǒng)存在故障、軟件運行參數(shù)或者通信系統(tǒng)故障等。
2.1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)典型軍事應用場景下的運行維護
2.1.3.1 光伏組件的清洗與熱斑現(xiàn)象維護
光伏組件的清洗工作不容忽視，灰塵會阻礙光伏組件吸收太陽光輻射能，除了阻礙熱量傳遞，還可能產(chǎn)生熱斑增加自燃的風險。因此，除了定期檢查一些故障率較高的部位，如玻璃、顏色變化、線盒開裂、變形等，針對特定季節(jié)以及戰(zhàn)時情況，應制定具體的維護措施。SPV系統(tǒng)的光伏組件清洗工作選擇在清晨、傍晚、夜間或陰雨天陽光暗弱的時段，嚴禁選擇在中午前后或陽光較強烈的時段進行清洗工作，人工使用抹布擦拭是常見的清洗方式，但該方法容易因操作不當導致組件損壞，當前，也常使用工程車和機器人進行光伏組件的清洗以提高清洗效率和效果。在組件清洗前，應該查詢電流、電壓監(jiān)測系統(tǒng)，查看當前是否存在電量輸出異常情況，分析是否可能因漏電引起，并且需要檢查組件的連接線和相關電器元件有無破損、粘連，以排除漏電隱患，確保人身安全。組件清洗后，表面應無肉眼可見的油污、斑點以及附著物，還可穿戴白手套或使用白紗布擦拭組件表面，檢查是否有灰塵覆蓋殘留。此外，針對熱斑現(xiàn)象，可在光伏組件上安裝旁路二極管解決，當某個電池被遮蓋發(fā)生熱斑現(xiàn)象時，其他電池促其反偏使其成為一個高電阻，此時二極管發(fā)揮作用使得電流分流，從而避免被遮蓋的電池因過熱而被損壞。
2.1.3.2 逆變器維護
在逆變器的安裝過程中，應仔細核對說明書中的內(nèi)容，包括各組件的完好性、線纜規(guī)格、線路絕緣情況、接地情況以及灰塵處理等。使用時，逆變器的操作使用要嚴格按照使用說明書的要求和規(guī)定進行，開機前要檢查輸入電壓是否正常，操作時要注意開關機的順序是否正確，各項指標顯示屏和指示燈的指示是否正常，應盡可能避免打開柜門，以防止高壓危險發(fā)生。此外，應嚴格控制柜內(nèi)的溫度，溫度超限時應立即采取散熱措施，逆變器各連接部位應按周期進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)并解決可能存在的接線脫落等問題。在故障維修過程中，應全面詳細地記錄故障狀況、原因和解決措施等，方便后期處理。在使用控制器時，應嚴格關注監(jiān)測控制器的工作狀態(tài)，重點排除控制器接線端出現(xiàn)的銹蝕和腐蝕等問題，查看是否出現(xiàn)異常情況，其次應在控制器上設置警示標識，提示使用人員注意可能來自控制器產(chǎn)生的各種危險。
2.1.3.3 光伏陣列快速組網(wǎng)
光伏在軍事應用場景下需要具備快速部署能力，保證戰(zhàn)時能源的供應。光伏組件支架通常由基礎結(jié)構(gòu)、梁、柱和斜柱組成，并用鍍鋅螺栓連接，鑒于其模塊化的特性，在進行轉(zhuǎn)移和安裝過程中需要避免設備之間的碰撞和摩擦，防止面板損壞。同時，光伏組件的串聯(lián)過程嚴格按照使用說明書進行操作，至同一臺逆變器的光伏組件的規(guī)格類型、串聯(lián)數(shù)量及安裝角度應保持一致，電纜的長度應有空余，以預留后續(xù)處理的可控空間。此外，螺栓必須擰緊，以防止發(fā)生泄漏故障，定期檢查連接線和連接器，并確保電纜無損、接插件緊密，保證關鍵的控制電子元件不會受到損壞。且在焊接支架前后檢查是否存在隱裂片、防止漏焊虛焊、增加組件整體強度等。
2.1.3.4 故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測
SPV發(fā)電系統(tǒng)的故障檢測與分析是保證光伏發(fā)電系統(tǒng)安全運行和提高光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的關鍵因素?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷與檢測方法主要有三種，分別是利用視頻及圖像處理的方法識別光伏組件故障、利用傳感器對光伏組件進行狀態(tài)判斷以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷方法。
SPV發(fā)電系統(tǒng)故障中一些肉眼可觀察到的故障或者隱患通常用第一種視頻和圖像處理的方法去識別，比如太陽能電池板上的一些灰塵、雜質(zhì)或者電池板破裂和明顯的支架故障，利用無人機、攝像頭和紅外相機對光伏列陣進行巡視。為了防止光伏組件灰塵積聚導致故障，可以通過測量某些物理變量，如太陽輻射、電池溫度和空氣污染指數(shù)，通過使用多元線性回歸分析方法推測灰塵值是否阻礙SPV系統(tǒng)正常運作，當測量值超過預期值則說明需要進行故障排除處理。
Bonacina等提出了一種基于對光伏電站監(jiān)測信號分析的方法，主張使用圖形建模技術來建立光伏設備與傳感器之間的連接，在SPV系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡分析的基礎上預測故障模式。Oma?a等提出了一種逆變器故障早期檢測策略，通過在控制電路中嵌入微型控制器，當逆變器流通電流達到臨界值生成警報消息后可以激活微型控制器恢復程序，以便在晶體管出現(xiàn)故障之前及時更換它們，該策略無須中斷逆變器的正常運行。Geoff報道了一種基于MATLAB進行參數(shù)提取和模型評估的方式，實現(xiàn)對降壓和升壓最大功率點跟蹤(MPPT)的比較，進行故障預測，不過該方法沒有考慮陰影的影響，存在一定的局限性。
2.2 風力發(fā)電系統(tǒng)
風電已在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模的開發(fā)應用，2022年清潔電力合計占全球電力的39%，其中風力發(fā)電量增長17%，增長部分足以為整個英國供電。
2.2.1 風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
根據(jù)風力機轉(zhuǎn)速的不同，可以將風力發(fā)電機組分為恒速運行風力機和變速運行風力機。恒速運行風力機使用感應發(fā)電機直接連接到電網(wǎng)，這種機組具備結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、維護方便、造價低等優(yōu)勢，但也存在局限性，例如在風速極不穩(wěn)定時容易增大機械負載量，故障風險增加。變速運行的雙饋式發(fā)電通過變速恒頻控制實現(xiàn)風力機的最大風能捕獲，以提高系統(tǒng)的效率及發(fā)電量，并且由于其可實現(xiàn)動態(tài)無功調(diào)節(jié)和故障穿越，因此具有更好的電網(wǎng)適應性。與恒速風力發(fā)電機相比，變速雙饋式風力發(fā)電機具有安全系數(shù)高、無需無功補償、風能利用率高、變頻器損耗小等優(yōu)勢，但雙饋式風力發(fā)電機造價較高、控制技術復雜?，F(xiàn)階段，市場建設以雙饋式風力發(fā)電機為主。
2.2.2 風力發(fā)電系統(tǒng)典型軍事應用場景下的故障分析
2.2.2.1 發(fā)電機故障
通常，發(fā)電機故障可以分為定子繞組故障、軸承故障、葉片故障以及變流器故障等。定子繞組故障會導致繞組出現(xiàn)破損、磨損和裂紋等問題，使得繞組無法提供絕緣功能。軸承故障會產(chǎn)生螺栓、齒輪等連接部位的異常松動，由于轉(zhuǎn)子和定子由軸承支撐，承受較大的徑向負荷，當轉(zhuǎn)子不對中時會引發(fā)偏心故障，進而影響到承軸出現(xiàn)內(nèi)外圈損壞、點蝕和磨損等情況。葉片是風力發(fā)電機中受力荷載最復雜的部件，槳葉的旋轉(zhuǎn)速度隨風速變化而改變，將激蕩力傳遞到其他傳動鏈的各個部位，使得這些部件受到復雜的交變沖擊，加速了機組的老化。葉片的常見故障模式包括表面裂紋和砂眼、葉片偏移、彎曲和葉片材料碳化等，如圖4所示，高速旋轉(zhuǎn)的葉片與空氣中的顆粒(沙塵、水汽等)碰撞摩擦，長時間持續(xù)會導致前緣磨損和后緣渦流磨蝕，初期表現(xiàn)為葉片麻面，隨著風機運行時間增長，麻面會逐步擴大變成砂眼，特別是有冰凍災害的區(qū)域，雨水浸入砂眼反復結(jié)冰，砂眼擴散速度增加，葉片的振動和產(chǎn)生激振時的彎扭力會使原有的裂紋不斷加深加長，橫向裂紋到一定程度則導致葉片斷裂。而葉片的碳化主要是由于日曬、高溫和雷擊導致。變流器故障其主要包括過電流、過電壓、過熱以及欠電壓等問題，過電流和過電壓會導致開關管超過自身承受能力而擊穿或者燒毀，造成永久性損傷，其形成的原因主要是高溫發(fā)熱、油水臟污、各種灰塵、交變電磁干擾，以及長期高電壓大電流工況下，因高頻次分合斷路器和接觸器造成的觸頭磨損、彈簧疲勞及線圈老化。
圖4 (a) 葉片前緣侵蝕；(b) 葉片裂紋
2.2.2.2 異常振動與過熱
對于工作下的風力發(fā)電機組來說振動是不可避免的，處于規(guī)定范圍內(nèi)的振動都屬于正常情況，系統(tǒng)運維要時刻監(jiān)測發(fā)電機組的振動情況，異常振動會加快機組的老化，如軸失去質(zhì)量平衡、機組內(nèi)的各種動靜摩擦、膨脹受阻、軸承磨損或者軸承底座松動以及電磁力的不平衡等問題，都將加劇軸承的振幅導致振動異常，而振動異常將造成零部件的松動或者損壞，并進一步加劇動靜部分的摩擦，加劇設備損壞的程度。溫度過高也是發(fā)電機常見故障，發(fā)電機過熱故障的原因包括軸承缺油、軸承嚴重偏磨或者損壞、轉(zhuǎn)子軸彎曲或者磁片安裝有誤差、定子線圈發(fā)生匝間短路、開路或者接線錯誤等[50]，而正確地使用潤滑油可以降低該故障的發(fā)生。
2.2.3 風力發(fā)電系統(tǒng)典型軍事應用場景下的運行維護
風力發(fā)電機在惡劣的環(huán)境下工作，不可避免地會受到各種異常和故障的影響，陸上和海上風力渦輪機的運營和維護成本分別占風力發(fā)電系統(tǒng)總壽命成本的10%～15%和20%～35%，因此，風能行業(yè)對提高風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、安全性、可用性和生產(chǎn)率的需求很高，風力發(fā)電站必須高度重視機組維護工作，結(jié)合中控室的微機數(shù)據(jù)檢查、分析機組的運行狀況。
2.2.3.1 發(fā)電機日常維護
考慮到發(fā)電機內(nèi)的齒輪、承軸和螺栓等連接部件長期承受各種應力作用，容易出現(xiàn)松動現(xiàn)象，為此，在維護檢修中必須對螺栓的力矩進行定期檢查，以確保連接件的穩(wěn)定牢固。此外，還應檢查各傳動部件間的潤滑情況，并進行各項功能的測試，定期維護的功能測試主要包括過速測試、緊急停機測試、液壓系統(tǒng)各元件定值測試、振動開關測試以及一些常規(guī)的控制器極限定值測試。在各項功能測試過程中，操作人員應認真檢查風機的各項指標，如轉(zhuǎn)速、葉片角度、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等。當環(huán)境溫度低于-5 ℃時，需要將連接件的力矩下降至額定力矩的80%，當環(huán)境溫度升高至-5 ℃以上后，需再次對連接件的力矩進行復查，連接件的維護通常安排在無風或微風的夏季進行，通過定期維護檢修工作，風力發(fā)電機組的工作性能和安全性能才能得到有效保障。
2.2.3.2 潤滑維護
風機的潤滑維護主要采用潤滑油潤滑和潤滑脂潤滑兩種方式，兩種潤滑劑的黏附性、溫度適用范圍、耐壓性決定了其有不同用途。齒輪箱和偏航減速齒輪箱因其高速低扭矩的工作情況，一般使用潤滑油進行潤滑，需要定期對潤滑油進行補充以及采取采樣化驗措施，根據(jù)采樣化驗結(jié)果判斷該潤滑油是否還符合工作要求，有必要時應當立即更換新的潤滑油，換油時必須將潤滑部位清洗干凈，并且必須使用與上次相同種類的潤滑油。而低速高扭矩的部位，比如主軸軸承、發(fā)電機軸承、偏航軸承和變槳軸承等使用潤滑脂進行潤滑，由于這些部件的運行溫度較高，潤滑脂容易發(fā)生變質(zhì)現(xiàn)象，導致軸承磨損，因此，在定期維護過程中，必須定期對各承軸部件進行補充或者更換潤滑脂以降低其磨損程度。
2.2.3.3 故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測
有效的故障診斷技術可以快速識別故障類型，降低風電場的運營和維護成本，提高發(fā)電效率。風力發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷方法大概可分為三種：基于模型、專業(yè)知識和數(shù)據(jù)驅(qū)動。前兩種方法一般也被概括為基于信號技術處理的方法。而數(shù)據(jù)驅(qū)動利用數(shù)據(jù)源統(tǒng)計分析來執(zhí)行診斷。
振幅和溫度是檢測風力發(fā)電機組工作狀態(tài)常用的兩個指標，比如檢測變速箱工作振幅和溫度，再通過數(shù)據(jù)對比可以分析變速箱的實際工作狀態(tài)?？紤]到葉片的復雜受力情況，以及長時間暴露在外受強風浪及閃電、酸雨腐蝕等諸多因素影響，葉片狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術有如應力-應變法、光柵光纖傳感器、聲發(fā)射探測和紅外圖像探測技術等。光柵光纖傳感器體積小且具有較強的抗電磁干擾和耐腐蝕能力，可用于衡量葉片的應力和應變，此外，聲發(fā)射探測和紅外圖像探測可補充光纖光柵傳感器的不足，其中，聲發(fā)射探測可探測葉片中的裂紋、缺陷等問題，紅外圖像探測則可用于分析葉片表面的熱輻射能量，并以此判斷葉片的健康狀況。此外，發(fā)電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷還涉及對轉(zhuǎn)/定子電流、電壓以及輸出功率等信號進行實時監(jiān)測，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，將電流信號進行時域分析獲得幅值信號，通過觀察諧波成分的變化可以判斷發(fā)電機故障的具體類型。
Duan等提出了一種永磁同步發(fā)電機變頻變流器故障診斷方法，為避免閾值不當引起的誤判或漏判，該方法首次將局部均值分解和多尺度熵應用于風電系統(tǒng)故障診斷變頻器，使用多類支持向量機對故障進行分類，仿真結(jié)果表明，該方法具有適應性強、準確性高、診斷時間短的特點。Zhang等考慮風速、轉(zhuǎn)速、主軸水平和垂直振動等多源風電信息，提出了一種基于部分互信息(PMI)和最小二乘支持向量機(LSSVM)的風力發(fā)電機系統(tǒng)故障診斷方法，其中分析了大量包含故障狀態(tài)的數(shù)據(jù)，采用PMI方法篩選風機運行狀態(tài)的特征參數(shù)，以此識別機組故障。另外采用LSSVM方法對風機的特征參數(shù)進行研究，建立不同特征的參數(shù)向量與故障類型的映射關系，從而達到故障診斷的目的，該方法具有良好的故障識別能力和較快的運算速度，能夠滿足在線故障診斷的要求。
2.3 大規(guī)?；瘜W儲能系統(tǒng)
各國都高度重視大規(guī)模儲能技術的發(fā)展，從新增裝機規(guī)模來看，2021年，中國電化學儲能新增裝機規(guī)模大幅度增長至1844.6 MW，同比增長18.02%，2022年中國化學儲能新增裝機規(guī)模約為5.93 GW，同比增長221.48%，儲能電站在軍用新能源微電網(wǎng)中可以起到削峰填谷、功率調(diào)節(jié)等重要作用，可以彌補新能源發(fā)電的隨機性，在今后很長的時期內(nèi)將成為我國電力及能源發(fā)展的重點。
現(xiàn)階段化學儲能主要包括鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池、鎳氫電池和超級電容等，幾類儲能技術各有其特點，鉛炭電池的電解液中不含可燃物，安全性顯著高于其他儲能體系。液流電池的優(yōu)點是易于維護和高安全性。而鋰離子電池因其能量密度高、功率性能較好、循環(huán)壽命長等優(yōu)點受到重視?，F(xiàn)階段我國軍用大規(guī)模儲能系統(tǒng)著重于研究耐低溫、高安全、高容量的磷酸鐵鋰電池，并不斷提升新型安全預警控制技術，以滿足高原高寒、邊防海島等使用條件。截至2022年底，中國鋰離子電池占電化學儲能裝機量的94.5%，電化學儲能電站的主流建設形式是預制艙式鋰離子電池儲能電站。
2.3.1 大規(guī)?；瘜W儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
儲能系統(tǒng)涵蓋了電化學、熱力學、機械、電子電氣等相關技術，實現(xiàn)將能量以電的形式吸收、儲存、釋放的一類產(chǎn)品。儲能系統(tǒng)一般包括儲能元件及管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、儲能變流器(PCS)以及其他電氣設備。儲能系統(tǒng)中，電池組是最主要的部分，其生產(chǎn)成本占整個系統(tǒng)的60%左右。
2.3.2 大規(guī)?；瘜W儲能系統(tǒng)典型軍事應用場景下的故障分析
儲能電站的安全性和可靠性極為關鍵，鋰電池儲能系統(tǒng)故障演變機理大概可分為兩種，一是電池自身老化引起可靠性降低引發(fā)安全事故，另一種為儲能系統(tǒng)遭遇突發(fā)事故造成系統(tǒng)破壞進而導致的熱失控。
2.3.2.1 電池老化
電池老化通常指的是電池容量或功率衰減，主要原因是活性鋰離子損失、活性材料損失和內(nèi)阻增加。如圖5所示，電池老化不是單一的變化過程，而是由諸多因素相互作用所引起的復雜過程，它在不同環(huán)境條件下的老化機理各不相同，過充過放和溫度都是影響鋰離子電池老化的重要原因。
圖5 電池老化及其原因影響
鋰離子電池的負極老化與固體電解質(zhì)界面(SEI)膜相關，SEI膜是鋰離子電池首次充放電期間在石墨等負極表面上形成的鈍化層，可以保護負極不受腐蝕。SEI膜的形成需要鋰離子的參與，當電池在高電壓、高SOC和高溫等條件下工作時，SEI膜會呈現(xiàn)出不穩(wěn)定特性，它的異常生長導致活性鋰的損耗和電解質(zhì)的分解，活性鋰的損耗導致電極阻抗增加、電池容量和功率衰減。高電流、低溫和高SOC可以使電極表面的鋰離子濃度達到極限飽和，此時，鋰離子傾向于沉積在電極的表面，導致鋰枝晶生長刺穿電池隔膜造成短路，進而導致熱失控。此外，電池老化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物使得電流和電勢分布不均勻，加速鋰沉積。而正極材料的老化主要是由于應力引發(fā)微裂紋、過渡金屬溶解和可溶物質(zhì)遷移，老化產(chǎn)物與正極材料相互作用影響鋰離子電池的容量發(fā)揮，增加阻抗及降低循環(huán)壽命，加速電池老化。
2.3.2.2 熱失控
熱失控是指電池由各種誘因引發(fā)的鏈式反應現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會導致電池急劇升溫，往往伴隨著冒煙、噴射火焰甚至爆炸。熱失控觸發(fā)的原因包括內(nèi)因與外因，內(nèi)因主要指在電池設計及制造過程中產(chǎn)生的原因，包括設計結(jié)構(gòu)不合理與使用材料不合格等原始缺陷導致的內(nèi)部短路，外因是指在電池運輸、維護以及使用過程中，由于人為和外部條件等方面的因素所引發(fā)的問題，包括碰撞、擠壓、過充、過放、過熱等，按失效形式來說，造成熱失控的因素主要有可分三類：機械濫用、電濫用與熱濫用。
機械濫用即在電池運輸、儲存或使用過程中，由于刺穿、擠壓、碰撞等機械作用導致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，引發(fā)的熱失控。當電池隔膜遭到損壞，正負極短路之后，電池溫度迅速升高并產(chǎn)生大量的氣體，當電池外殼破裂，電池內(nèi)部暴露在空氣中，電解液和活性材料會發(fā)生劇烈的氧化還原反應，伴隨產(chǎn)生大量的熱量。外殼作為電池系統(tǒng)的首要保護層，確保電池適應外部環(huán)境和維持溫度穩(wěn)定。不同類型的電池具有不同的外殼材料和結(jié)構(gòu)，因此它們所抵抗機械力量以及抵御刺穿、碰撞等外來物的壓力的能力也不同。
電濫用是一種常見的電池故障，其主要因為電池的短路、過充和過放等情況引起。當電濫用導致枝晶生長刺穿電池隔膜使正負極短路時，電池內(nèi)部的電流密度會迅速上升，誘發(fā)的副反應產(chǎn)生大量的熱量和氣體，導致電池鼓包，加速電池內(nèi)部“熱-溫度-反應”循環(huán)，導致熱失控。而過充和過放也是兩個不同的故障機理，過充是造成電濫用的主要原因，由于過量的鋰嵌入，使得活性鋰在負極表面沉積成金屬鋰，并生長成鋰枝晶。而正極材料因為過度脫鋰導致高溫和釋放氧氣，氧氣會加速電解液的分解，并且促進副反應釋放出更多的氣體，使電池外殼脹氣破裂導致外部的空氣與電芯直接接觸，發(fā)生劇烈反應。而過度的放電會導致負極集流體(如銅箔)溶解，并在正極形成具有較低電位的銅枝晶，銅枝晶持續(xù)生長穿透隔膜導致嚴重的內(nèi)短路。
熱濫用工況包括環(huán)境溫度過高或電池局部過熱，往往不會單獨存在，而是由機械濫用和電濫用發(fā)展衍變的，熱濫用與熱失控直接相關，例如軟包裝三元正極電池在熱失控過程中發(fā)生的反應情況如圖6所示。
圖6 熱失控發(fā)展過程
2.3.3 大規(guī)?；瘜W儲能系統(tǒng)典型軍事應用場景下的運行維護
2.3.3.1 儲能系統(tǒng)日常維護
儲能系統(tǒng)日常維護工作主要包括電池維護、PCS維護、控制系統(tǒng)維護、冷卻系統(tǒng)維護、結(jié)構(gòu)及連接件檢查等。電池是儲能系統(tǒng)核心部分，需要定期對電池、電池模塊和電池柜進行清潔，并且放置警示標志，避免受到外力的擠壓或者穿透發(fā)生故障。檢查電池系統(tǒng)主回路和二次回路各連接處是否可靠，并進行儲能電池絕緣和接地電阻測試，并且定期進行電池荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)標定，關注電池的電壓、溫度等參數(shù)是否處于正常范圍。檢查電池柜或集裝箱內(nèi)的煙霧和溫度探測器是否正常工作，在電池出現(xiàn)過溫告警時，應進行紅外測溫檢查，及時處理相關過熱故障，當電池工作溫度過低時，及時采取保溫措施，確保電池工作狀態(tài)，以避免電池高溫或低溫濫用造成容量不可逆損傷。當電池管理系統(tǒng)的關鍵部件進行更換或軟件升級后重新運行時，需要重新進行功能和保護測試，此外儲能系統(tǒng)設計的不合理或者在制造過程中使用劣質(zhì)材料也會導致內(nèi)部故障，發(fā)現(xiàn)應及時更換元件，確保儲能系統(tǒng)高效運行。
PCS可以接收連接在監(jiān)控系統(tǒng)上的指令，按照工作需求將交流/直流(AC/DC)相互轉(zhuǎn)換，工作人員需要定期對變流器機柜進行清潔，并關注PCS工作時是否發(fā)出異響，如觸發(fā)警報需及時檢查變流器工作功率是否超過額定值、溫度是否過高，以免因為熱故障導致火災或者爆炸。控制系統(tǒng)維護需要定期檢查整個儲能系統(tǒng)的軟硬件工作狀態(tài)，校驗相關參數(shù)。冷卻系統(tǒng)維護包括檢測制冷風扇是否正常工作，定期更換防塵網(wǎng)、冷卻液等。最后，需要對各部分的控制開關、接觸器、斷路器和保護功能等進行檢查和測試，確保各連接部位是否緊固，有無生銹、氧化、電路短路和斷路等潛在危險，如有異常，及時修復。
2.3.3.2 緩解熱蔓延與爆炸沖擊波
軍事應用場景下，儲能系統(tǒng)在遭受多種手段的攻擊下會直接或者間接導致電池熱失控，當單個鋰電池或者電池簇遭受爆炸攻擊著火后，在外部高溫的作用下電池模組內(nèi)相鄰電池也會發(fā)生熱失控，最終導致儲能電站出現(xiàn)火災甚至爆炸。熱失控的本質(zhì)主要是電極材料與電解質(zhì)的分解，預防熱失控可以從電池本身的材料和制造工藝入手，比如通過摻雜、包覆和混合等改性方法研制適應戰(zhàn)場極端環(huán)境和復雜工況的電池材料提高正/負極材料和電解液的穩(wěn)定性。有研究結(jié)果表明，儲能電池結(jié)構(gòu)刀片化可以有效降低電池溫升帶來的熱失控隱患，蜂巢能源、比亞迪等企業(yè)已研發(fā)出相關儲能電芯。還應聚焦外部儲能系統(tǒng)，選用智能高效的BMS、EMS和遠程控制系統(tǒng)等數(shù)字技術進行儲能事故預警，有必要時及時進行故障隔離。有效的消防技術可以及時預防事故，儲能集裝箱常用的滅火介質(zhì)有水、全氟己酮、七氟丙烷等，其中全氟己酮因具有不導電、對人體無害等優(yōu)點正在逐步擴大市場。為防止氣體聚集，可以選擇在集裝箱頂部或者兩側(cè)設計靈活的通風口進行泄爆，抑制儲能系統(tǒng)持續(xù)的溫升。此外，儲能系統(tǒng)的保護殼結(jié)構(gòu)設計中應包括緩沖沖擊波和防彈片穿透的高韌性結(jié)構(gòu)材料，例如，使用專門的金屬合金或者復合材料保護殼設計來吸收和分散沖擊波能量。
2.3.3.3 電池無損檢測監(jiān)測
能源的供應直接關系到作戰(zhàn)性能和任務執(zhí)行能力，為了確保電池在軍事應用中的穩(wěn)定運行，提前預知電池的健康狀況和性能變化，對電池的檢測和監(jiān)測顯得尤為重要。通過對電池的容量、內(nèi)阻、充放電曲線等關鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)電池存在的故障或異常，采取相應的措施進行修復或替換。電池檢測監(jiān)測技術大概可分為傳感器技術、磁共振技術、超聲技術和X射線技術。
傳感器技術又可細分為電壓、溫度、氣體、光信號等傳感器，傳感器能感知電池內(nèi)部的變化，它以嵌入方式植入單體電池內(nèi)部，實時監(jiān)測電壓、溫度、釋放的氣體和應變等參數(shù)。Li等設計了一種溫度傳感器裝置，將增材制造法與電阻溫度檢測器(RTD)相結(jié)合，將RTD嵌入3D打印的聚合物基板中，并放置在CR2032扣式電池的電極集流體后，該電池可承受惡劣的電化學操作環(huán)境，且RTD嵌入式墊片的尺寸與普通CR2032扣式電池墊片相當，在組裝后不影響電池密封并且還能保持傳感器和電極之間的有效接觸，內(nèi)部RTD測得的電池內(nèi)部溫度平均比外部RTD高5.8 ℃，檢測能力快近10倍，在不干擾電池運行的情況下起到安全預警作用。
目前的磁共振技術可以用來監(jiān)測電極、電解質(zhì)分解及其界面上原子核周圍的局部電子環(huán)境等。Zhao等報道了研究氧化還原液流電池的兩種原位核磁共振方法，圖7(a)可以監(jiān)測液體電解質(zhì)流出電池時1H NMR位移的變化，圖7(b)可以監(jiān)測電化學電池正/負極同時發(fā)生的變化，同時監(jiān)測出兩個單電子對的電勢差，識別和量化還原物質(zhì)和氧化物質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移速率，并確定電子離域的程度和自由基陰離子上的未配對自旋。
圖7 兩種原位核磁共振裝置
用于電池監(jiān)測方面包括X射線吸收光譜(XAS)和X射線計算機斷層掃描技術(CT)，該技術可以定性定量地分析電極組件材料元素組成、電子態(tài)以及微觀結(jié)構(gòu)、界面相互作用等。為研究鋰離子電池正極材料的熱分解，Nonaka等采用了一種X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(CEY-XAFS)檢測器來檢測電極表面的電子轉(zhuǎn)換率，該檢測器可在室溫至450 ℃之間控制樣品溫度的情況下進行測量，用于檢測電池處于0% SOC和50% SOC條件下LiNi0.75Co0.15Al0.05Mg0.05O2正極材料在升溫過程中發(fā)生的化學變化，除上述檢測技術之外，還可采用中子散射、超聲波和拉曼散射等技術，各技術針對不同的監(jiān)測環(huán)境各有其優(yōu)勢。
2.4 電路傳輸與網(wǎng)信控制系統(tǒng)
新能源微電網(wǎng)的電路傳輸與網(wǎng)信控制系統(tǒng)具備可實時監(jiān)控、遠程控制和動態(tài)調(diào)節(jié)等特點，該系統(tǒng)通過電路傳輸和網(wǎng)信控制，實現(xiàn)能源的分配和調(diào)度，保證新能源微電網(wǎng)高效和可靠運行，減少能量損耗和電力波動，維持電壓、電流穩(wěn)定，主要依托有功-無功(PQ)、恒壓恒頻(V/f)和下垂等控制方法來實現(xiàn)。
2.4.1 電路傳輸與網(wǎng)信控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
電路傳輸與網(wǎng)信控制系統(tǒng)包括各種能源的發(fā)電裝置(如太陽能電池板、風力發(fā)電機等)、能源儲存裝置(如電池組、儲能裝置等)以及轉(zhuǎn)換裝置(如逆變器等)。這些裝置通過相互連接的電纜、開關和變壓器等組成一個微電網(wǎng)電力傳輸網(wǎng)絡，用于實現(xiàn)能源的供給和分配，實現(xiàn)監(jiān)控、通信與控制功能，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的電力供應，促進能源的高效利用，提高電網(wǎng)的魯棒性和可持續(xù)性。
2.4.2 電路傳輸與網(wǎng)信控制系統(tǒng)典型軍事應用場景下的故障分析
在經(jīng)濟破壞戰(zhàn)理論的指導下，電力設施已成為戰(zhàn)略價值極高的精確打擊目標之一。戰(zhàn)時出現(xiàn)供電中斷或是供電延遲都可能對戰(zhàn)局造成重大影響。軍事應用場景下，電路傳輸與網(wǎng)信控制系統(tǒng)受到的攻擊方式有石墨炸彈、電磁干擾彈、網(wǎng)絡病毒和爆炸沖擊等。
2.4.2.1 石墨炸彈
1991年的海灣戰(zhàn)爭，美軍利用戰(zhàn)斧式巡航導彈首次向伊拉克的基礎電力系統(tǒng)投放了大量的石墨炸彈，導致伊拉克全國85%供電系統(tǒng)都處于癱瘓狀態(tài)，給伊方軍隊指揮系統(tǒng)造成了巨大的打擊。
石墨炸彈是由經(jīng)過研磨和化學清洗等特殊處理的純碳纖維絲制成，每根纖維絲的直徑只有0.05～0.1 mm，石墨炸彈通常采用“子母彈”式的結(jié)構(gòu)，在打擊目標上空將其引爆，由于純碳纖維絲直徑小且質(zhì)量輕盈，可以漂浮至電力設施上，高壓線、變電站、變壓器等電力設施都會被像蜘蛛網(wǎng)一樣的碳纖維覆蓋使其出現(xiàn)電路短路故障。石墨炸彈的攻擊有兩重效果，首先，大功率的短路電流會導致石墨纖維汽化并產(chǎn)生電弧，從而擊穿熔斷電路控制系統(tǒng)；其次，由于供電設備過載而過熱，極易引發(fā)火災。上述兩種攻擊效果均會造成供電網(wǎng)絡癱瘓，引發(fā)大范圍停電，且短時間內(nèi)無法修復。
2.4.2.2 電磁脈沖彈
2019年，委內(nèi)瑞拉全國十余個州出現(xiàn)大規(guī)模停電，電力基礎設施幾乎全部癱瘓，通信中斷，給社會造成巨大恐慌。經(jīng)過多方面的調(diào)查，如此大規(guī)模的電力故障極有可能是遭到了電磁脈沖武器攻擊。電磁脈沖是一種瞬變電磁現(xiàn)象，瞬間產(chǎn)生的電磁場，在以光速傳播的同時會產(chǎn)生極強的沖擊波，從而對電子、信息、光電等設施造成破壞。
電磁脈沖武器又稱為“電磁殺手”，因其能夠輕易擊穿、燒毀電子器件，在打擊指揮控制系統(tǒng)和通信電子設備方面的能力卓越，在戰(zhàn)場上，該攻擊手段會使被打擊目標區(qū)域的通信、指揮、控制、情報、監(jiān)視和偵察等作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)瞬間癱瘓，失去戰(zhàn)斗力。電磁脈沖武器主要通過電磁場與電子系統(tǒng)之間的耦合形成干擾和破壞，其耦合機制分為兩種類型，一是“前門耦合”，脈沖信號與天線、傳輸線等直接耦合，二是“后門耦合”，脈沖信號通過孔縫、電纜接頭等介質(zhì)傳遞電磁能量而形成耦合。當外界電磁環(huán)境與通信設備耦合能量超過晶體管、半導體等器件的門限閾值時，則會對電子電路器件造成擊穿、過熱或機械破壞，進而導致系統(tǒng)電路失靈。
2.4.2.3 網(wǎng)絡病毒攻擊
電力系統(tǒng)的優(yōu)化和調(diào)度極度依賴網(wǎng)絡，正因如此，網(wǎng)絡攻擊也會對電力系統(tǒng)安全構(gòu)成巨大威脅。2015年12月，烏克蘭多地電網(wǎng)遭黑客攻擊，導致大規(guī)模停電。此外，美國、巴西、歐洲等國家和地區(qū)的電力系統(tǒng)都曾不同程度地遭遇網(wǎng)絡病毒的攻擊，可見電網(wǎng)的網(wǎng)絡安全問題必須得到高度重視。
電力系統(tǒng)受到網(wǎng)絡病毒攻擊之后，信息傳輸網(wǎng)絡失效是導致電網(wǎng)故障的關鍵原因，現(xiàn)代電力系統(tǒng)的感知與控制中，數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)等信息系統(tǒng)是電力系統(tǒng)正常運行的必要依賴，當信息系統(tǒng)出現(xiàn)故障，例如信息傳輸中斷、延遲或者被惡意修改，導致信息系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤的決策指令，使電網(wǎng)進行自發(fā)性的超高壓負荷供電、保護系統(tǒng)失效，造成變壓器擊穿、線路短路起火等后果。惡意信息攻擊文件的傳播會極大擾亂電網(wǎng)的運行狀態(tài)，需要特別注意的是，這種文件可以利用信息網(wǎng)絡快速復制和擴散，從而影響到更廣泛的電網(wǎng)領域，這進一步擴大了信息攻擊的范圍和影響[92]。
2.4.2.4 爆炸沖擊
通過物理手段破壞電力供應一直是實施軍事打擊的首選，比如使用精準制導導彈進行轟炸或者高空投擲大型/集束炸彈。這種方式可以迅速中斷電力供應，直接攻擊發(fā)電站、電壓器、輸電線路和儲能電站，若這些設施在戰(zhàn)時沒有有效的保護措施，導彈打擊或者爆炸都會導致斷電短路、線路串擾從而造成停電和供電中斷。俄烏沖突中，俄軍采用低成本Shade-123型無人機對烏方的能源電力基礎設施進行了快速而有效打擊，雖然其橫向爆炸沖擊威力遠不如伊斯坎德爾導彈，但泛在破壞能力顯著，且這一類攻擊武器為無熱源載體，難以被擊落且攔截代價極高，該攻擊方式曾一度造成烏克蘭大面積停電，癱瘓了60%以上的能源系統(tǒng)。此外，回顧二戰(zhàn)期間，德國1.4%發(fā)電廠的發(fā)電量占據(jù)全國總發(fā)電總量的51%，這些發(fā)電廠被盟軍轟炸之后，導致德國工業(yè)陷入了困境，相比之下，日本75%的發(fā)電量則是通過大量分散的小型發(fā)電廠供給，這種分布式供電方式使得日本電網(wǎng)擁有更高的抵御轟炸風險的能力，可見分布式微電網(wǎng)是未來軍用電力系統(tǒng)發(fā)展方向。
2.4.3 電路傳輸與網(wǎng)信控制系統(tǒng)典型軍事應用場景下的運行維護
2.4.3.1 運行維護與攻擊防御
（1）建設規(guī)劃階段，強化線路以提高元器件抗外部沖擊的能力，盡量減少物理損毀的范圍和程度。常見的措施包括：將線路深埋地下，加固電塔和變電站，增設并聯(lián)線路提高冗余度等。此外，對于無法減弱物理傷害的情形，可以在規(guī)劃階段增設分布式發(fā)電和儲能單元，提高系統(tǒng)供能水平。
（2）戰(zhàn)前預防階段，主要進行分布式發(fā)電機、儲能系統(tǒng)、維修人員的提前調(diào)配等。
（3）戰(zhàn)后恢復階段，主要進行開關切換和拓撲結(jié)構(gòu)快速動態(tài)重構(gòu)，并利用新能源分布式發(fā)電和儲能系統(tǒng)對重構(gòu)后系統(tǒng)中的關鍵負荷恢復供電，最大限度降低由于負載切換帶來的惡劣影響。除此之外，針對不同的攻擊手段，具體可采用以下三點措施：
①加強防空系統(tǒng)，加強地空導彈部隊的建設，建立完整的遠中近、高中低空中預警系統(tǒng)，盡最大可能去攔截布撒載具，在轟炸機或者導彈襲擊電力設施之前將其擊毀，尤其是建設新型微波和激光無人機打擊系統(tǒng)，針對低成本和無熱源的“低小慢”無人機進行精準打擊。②增強電力設施的防范手段，設置各級輸電線路的保護措施設計：如制造特殊的線路與組件提高其能承受電磁脈沖攻擊能力和增加輸電線路的絕緣層減小石墨炸彈對其的傷害、設置完整的電力遠程監(jiān)測系統(tǒng)、城市內(nèi)部分輸電線路和通信線路埋在地下或者進行偽裝，重要的配電設備盡量做到封閉，建設抗毀傷、韌性強的鏈路和網(wǎng)信控制系統(tǒng)。③落實好網(wǎng)絡與信息安全防護管理。健全和完善計算機保密管理制度、移動儲存介質(zhì)保密等管理制度，提供工作人員的網(wǎng)絡安全防范意識，在計算機上安裝防火墻，同時安裝專業(yè)殺毒軟件，加強在防篡改、防病毒、防攻擊、防癱瘓、防泄密等方面的有效性。
2.4.3.2 故障檢測與系統(tǒng)優(yōu)化
只有通過加強新能源微電網(wǎng)的安全管理、運行監(jiān)測和技術支持，才能提供可靠的軍事能源保障。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡攻擊防護手段相比，文獻[93]在微電網(wǎng)的背景下提出了一種基于遞歸系統(tǒng)卷積(RSC)代碼和卡爾曼濾波器(KF)的方法。所提出的RSC代碼用于在微電網(wǎng)狀態(tài)中添加冗余，來恢復受網(wǎng)絡攻擊影響的狀態(tài)信息。測試結(jié)果表明，所提出的方法可以準確緩解網(wǎng)絡攻擊并正確估計和控制系統(tǒng)狀態(tài)。
在常規(guī)系統(tǒng)中，通常使用客戶端-服務器體系結(jié)構(gòu)和集中控制來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)督控制，但對于大型復雜的電力系統(tǒng)，消息的傳輸和故障清除速度太慢，鑒于微電網(wǎng)系統(tǒng)具有各種類型的分布式能源體系，其特性和容量都不同，因此，客戶端-服務器體系結(jié)構(gòu)和集中控制存在諸多不足。Ananda等[94]基于MATLAB/Simulink仿真軟件和Java代理開發(fā)框架(JADE)提出了一種新的故障保護技術，該技術使用多代理系統(tǒng)進行微電網(wǎng)中的故障檢測，故障隔離和服務恢復，并使用YBus矩陣算法的新拓撲識別方法，以成功識別網(wǎng)絡配置用來響應微電網(wǎng)的變化，此外，在故障發(fā)生期間，可以闡明智能電子設備、斷路器和代理之間的交互通信。仿真結(jié)果表明，所提出的基于MAS的微電網(wǎng)能夠迅速隔離故障，實時保護系統(tǒng)免受故障的侵害。
3 總結(jié)與展望
軍事應用場景下，戰(zhàn)場前伸型微電網(wǎng)主要為電驅(qū)動裝備和能量型武器提供能源支持，集成各種發(fā)供電設備、控制單元和儲能系統(tǒng)，具備模塊化快速組裝、高速機動耐極端環(huán)境，供電感知自適應、抗毀傷自愈合等功能，有助于整合到多域作戰(zhàn)行動中，而基地常備型微電網(wǎng)為通信、作戰(zhàn)規(guī)劃、作戰(zhàn)管理和后勤保障等提供電能，確保戰(zhàn)場供電的安全性和持續(xù)性，兩者構(gòu)成未來戰(zhàn)場全域電能源保障的基礎。戰(zhàn)時優(yōu)先打擊電力設施被視為一種重要的戰(zhàn)略手段，可以削弱敵方戰(zhàn)力、破壞經(jīng)濟基礎、阻斷通信，取得對敵的壓倒性優(yōu)勢，為軍事行動提供有利條件?，F(xiàn)今，最常用的方式還是用物理爆炸沖擊的方法對目標進行直接摧毀，當然也包括通過石墨纖維炸彈、電磁干擾彈和網(wǎng)絡病毒等這一類軟殺傷方式誘發(fā)敵目標毀傷并觸發(fā)一系列的次生災害如火災、爆炸等，實現(xiàn)癱瘓敵電網(wǎng)系統(tǒng)的目標。為不斷提高微電網(wǎng)的戰(zhàn)場極端環(huán)境和復雜工況的適應能力，致力于實現(xiàn)戰(zhàn)場電能源的安全、高效和可持續(xù)保障，應及時布局建設相應的防護措施，加強配電站和發(fā)電站的反導防御能力、增強抗物理打擊能力，并構(gòu)筑故障隔離體系等，減少電力系統(tǒng)中供配電設施露空設施，采用地下走線或者阻燃線，降低目標特征信號，并采用一定偽裝涂層，培訓專業(yè)搶修隊伍、完善應對策略和預案，加強事故處置的針對性培訓和應急保障演練，確保微電網(wǎng)在遭到襲擊后能在最短時間內(nèi)恢復供電能力。最后，結(jié)合新能源微電網(wǎng)和軍事應用運維特點，未來應用重點建設智能化的戰(zhàn)場能量管理系統(tǒng)，搭建軍事能源消耗的監(jiān)測、跟蹤、分析和管理平臺，采用先進的能源測量、能源監(jiān)視和能源控制等手段，推進能源管理信息化，借助大數(shù)據(jù)分析等手段，掌握軍隊裝備的能耗水平等信息，為戰(zhàn)時能源預計、分配和使用提供數(shù)據(jù)支撐，以實現(xiàn)更高效、智能和自動化的能源管理和控制。
