中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
本文亮點(diǎn)：（1）首次論述了新能源微電網(wǎng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外軍事能源領(lǐng)域方面的發(fā)展；（2）論述了各部分在軍事應(yīng)用場(chǎng)景下的運(yùn)行維護(hù)及故障處置方法；（3）介紹了軍事行動(dòng)中針對(duì)新能源微電網(wǎng)可能采取的攻擊手段并提出相應(yīng)的防護(hù)建議和應(yīng)對(duì)策略；
新能源微電網(wǎng)是未來軍事設(shè)施和基地實(shí)現(xiàn)能源自給、獨(dú)立供電，裝備和作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)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(shì)，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(chǔ)能形式以此用來緩解戰(zhàn)場(chǎng)或?qū)俚厣鐣?huì)生活、生產(chǎn)用電緊張，提高戰(zhàn)場(chǎng)和屬地的能源綜合利用效率和調(diào)度能力，降低后勤補(bǔ)給壓力。鑒于該發(fā)電方式的時(shí)域與空域不受限，其在軍事能源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，應(yīng)用方式也隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)的迭代在不斷創(chuàng)新，對(duì)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(dāng)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(fù)雜的工況和高強(qiáng)度的毀傷沖擊等新的挑戰(zhàn)，因此其運(yùn)營(yíng)與維護(hù)方面不僅需要組建專業(yè)的力量、建立快速反應(yīng)、高效處置的運(yùn)維預(yù)案及應(yīng)對(duì)策略，而且在建設(shè)過程中也應(yīng)提高相關(guān)組件及附屬設(shè)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(jī)侵?jǐn)_以及其他人為破壞電網(wǎng)平衡的干預(yù)方式，不斷提高微電網(wǎng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和復(fù)雜工況的適應(yīng)能力，致力于實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)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(fēng)能等軍用新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)及故障處置分析的最新研究成果，并對(duì)面向戰(zhàn)場(chǎng)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(dòng)設(shè)備的增加，其信息化和智能化導(dǎo)致的運(yùn)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(guó)已建成5G基站318.9萬個(gè)，單站滿載功率3700 W，是傳統(tǒng)4G基站的2.5～3倍，而265萬個(gè)5G基站滿載運(yùn)行就足以消耗三峽水電站全年的總發(fā)電量。此外，我國(guó)傳統(tǒng)的集中發(fā)電模式遠(yuǎn)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(zhǎng)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(shí)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，降低對(duì)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(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮芎蜕镔|(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(duì)環(huán)境的危害較小等特點(diǎn)。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(guó)際可再生能源署(IRENA)發(fā)布可再生能源統(tǒng)計(jì)報(bào)告，其中統(tǒng)計(jì)了全球2012—2022年太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能和地?zé)崮艿哪茉串a(chǎn)能增長(zhǎng)情況。如圖1所示，2012—2022年，全球新增可再生能源裝機(jī)容量約1800 GW，年均增速約為8.7%，2020年增速最大，達(dá)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(jī)容量增長(zhǎng)了10倍，2022年達(dá)1164 GW，同期風(fēng)電增長(zhǎng)了2.5倍。
圖1 2012—2022年可再生能源裝機(jī)情況(GW)
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(tái)、遠(yuǎn)程投送與快速打擊等，都需要龐大能源供應(yīng)體系作為支撐。就美國(guó)而言，其國(guó)防部是全球最大的單一能源消費(fèi)機(jī)構(gòu)，根據(jù)能源情報(bào)署(EIA)的數(shù)據(jù)，其2022年度能源消費(fèi)量達(dá)到了1.2億桶石油和38億千瓦時(shí)電力。近代幾場(chǎng)美對(duì)外作戰(zhàn)行動(dòng)中，美軍的戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)級(jí)燃料后勤補(bǔ)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(jī)，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(shì)。大量現(xiàn)代戰(zhàn)役事實(shí)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(zhēng)的重要制勝因素，而可獨(dú)立工作且可充分利用戰(zhàn)場(chǎng)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(jī)性會(huì)干擾電網(wǎng)穩(wěn)定性。例如，2021年2月份，美國(guó)得克薩斯州因極寒天氣導(dǎo)致大量新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生故障，事故導(dǎo)致400多萬用戶被迫停水停電，17人遇難。由于風(fēng)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(dǎo)致電能供應(yīng)問題，因此，增強(qiáng)新能源微電網(wǎng)的管控與維護(hù)是提升新能源電網(wǎng)使用效能的當(dāng)務(wù)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(fù)雜的工況和高烈度的毀傷沖擊等，為滿足戰(zhàn)場(chǎng)布設(shè)和作戰(zhàn)任務(wù)需求，其運(yùn)營(yíng)與維護(hù)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(yīng)、高效處置的運(yùn)維預(yù)案及應(yīng)對(duì)策略，而且在建設(shè)過程中應(yīng)該提高相關(guān)組件和附屬設(shè)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(shè)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(yù)警預(yù)判能力，以便于制定更精準(zhǔn)的應(yīng)對(duì)方式?；谝陨峡紤]，本綜述聚焦當(dāng)前軍用新能源發(fā)展形勢(shì)，從已有的光伏、風(fēng)能發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題入手，闡述了軍用新能源發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常運(yùn)作和維護(hù)，并展開了故障解析，進(jìn)一步討論基于現(xiàn)場(chǎng)的各種維護(hù)策略，特別強(qiáng)調(diào)糾正性、預(yù)防性和預(yù)測(cè)性維護(hù)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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 國(guó)外
1.1.1 民用
2020年世界銀行發(fā)布的一份調(diào)查報(bào)告顯示，全球約有1.9萬個(gè)微電網(wǎng)項(xiàng)目為4700萬人供應(yīng)電力。預(yù)計(jì)到2030年，微電網(wǎng)數(shù)量將達(dá)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(guó)在世界微電網(wǎng)的研究和實(shí)踐中居于領(lǐng)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(wù)。2023年10月18日，美國(guó)能源部(DOE)宣布了電網(wǎng)彈性和創(chuàng)新伙伴計(jì)劃(GRIP)，并為該計(jì)劃首期撥款34.6億美元，重點(diǎn)用來部署超過35 GW獨(dú)立儲(chǔ)能和400個(gè)獨(dú)立微電網(wǎng)，并資助4200萬美元旨在開發(fā)下一代半導(dǎo)體技術(shù)提高電網(wǎng)可靠性、彈性和靈活性，以消納更多風(fēng)、光等可再生能源，助力實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。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(huì)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(biāo)終端能源占比從2021年的40%進(jìn)一步提升至45%。在新興市場(chǎng)，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(gè)太陽能混合微電網(wǎng)融資項(xiàng)目，在未來估計(jì)會(huì)有更多的新能源項(xiàng)目上線。
1.1.2 軍用
通過推行減少對(duì)石油資源的依賴和提高能源利用效率等措施，軍隊(duì)能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。美軍在應(yīng)用可再生能源方面始終處于領(lǐng)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(guó)陸軍宣布將在其全球130個(gè)基地的每個(gè)基地建設(shè)一個(gè)微電網(wǎng)，并計(jì)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(jì)投入3850萬美元在珍珠港-西肯、卡森堡和史密斯3個(gè)軍事基地分別建設(shè)3個(gè)微電網(wǎng)示范工程，用來保障基地用電需求，3個(gè)示范性工程給美國(guó)未來的軍用新能源電網(wǎng)戰(zhàn)略提供了很大的參考價(jià)值。此后，為加快軍需能源轉(zhuǎn)型，美國(guó)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(xiàng)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(xiàng)目是美空軍目前最大的光伏項(xiàng)目之一，如圖2(b)所示，該項(xiàng)目占地200英畝，相當(dāng)于約163個(gè)美式足球場(chǎng)的大小，總投資額達(dá)1億美元，總裝機(jī)容量為28 MW，該項(xiàng)目是美空軍“核心任務(wù)全要素保障”計(jì)劃的一部分，旨在確保美空軍軍事設(shè)施遭受重大自然災(zāi)害、物理攻擊和突發(fā)事件的時(shí)候依然能夠保障航天發(fā)射、航天器追蹤等重大任務(wù)的順利實(shí)施。
圖2 (a) 美國(guó)陸軍能源部可再生能源項(xiàng)目；(b) 范登堡空軍基地光伏發(fā)電系統(tǒng)；(c) 美國(guó)猶他州1.8 MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
1.2 國(guó)內(nèi)
1.2.1 民用
我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電量持續(xù)增長(zhǎng)，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(xiàng)報(bào)告顯示，目前我國(guó)新能源微電網(wǎng)行業(yè)主要集中于公共機(jī)構(gòu)、工商業(yè)區(qū)和社區(qū)領(lǐng)域三個(gè)細(xì)分領(lǐng)域市場(chǎng)，在2021年市場(chǎng)占比分別為33%、31%和19%，相比之下軍隊(duì)和海島領(lǐng)域占比較低，約為11%和6%。2022年，國(guó)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(fèi)總量達(dá)到10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，截至2022年，我國(guó)可再生能源裝機(jī)達(dá)12.13億千瓦，占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)的47.3%，新增裝機(jī)1.52億千瓦，占全國(guó)新增發(fā)電裝機(jī)的76.2%。其中風(fēng)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(jìn)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(shè)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(kuò)展，改變過于依賴石油資源的裝備建設(shè)方式，以確保未來能源可獲取性，降低戰(zhàn)場(chǎng)能源斷供風(fēng)險(xiǎn)。
目前我國(guó)正在加快構(gòu)建現(xiàn)代軍事能源體系，對(duì)高效太陽能電池、柔性薄膜太陽能電池、鋰離子電池等技術(shù)發(fā)展進(jìn)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(guān)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)。我國(guó)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(shè)和使用提供了巨大的資源稟賦，光伏發(fā)電營(yíng)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(shù)領(lǐng)域的一系列突破提高了光伏發(fā)電在軍事應(yīng)用中的可靠性。2021年集風(fēng)力、光伏、柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能電池于一體的離網(wǎng)型新能源微電網(wǎng)在海拔高達(dá)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(gè)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(shí)現(xiàn)軍事能源供應(yīng)的系統(tǒng)，其工作原理是光電效應(yīng)。現(xiàn)階段軍用光伏發(fā)電系統(tǒng)最常見的是用于供給營(yíng)地的用電，光伏電站具有建設(shè)周期短、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、無人值守、安裝擴(kuò)容方便、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊。尤其是對(duì)于邊境、孤島、山區(qū)等普通電網(wǎng)難以覆蓋的軍隊(duì)駐地，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以為部隊(duì)提供可靠、實(shí)時(shí)的電力供應(yīng)，有效解決偏遠(yuǎn)駐訓(xùn)、野外作戰(zhàn)、災(zāi)難救援等能源供應(yīng)問題，并實(shí)現(xiàn)靈活部署，因此，光伏發(fā)電已成為多國(guó)能源革命的重點(diǎn)內(nèi)容并進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)劃。此外光伏電池軍事應(yīng)用還包括太陽能作戰(zhàn)無人機(jī)、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(shù)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(fù)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(shù)，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(lǐng)域得到了應(yīng)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(chǔ)能蓄電池(組)構(gòu)成。
2.1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)典型軍事應(yīng)用場(chǎng)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(zhēng)環(huán)境的考驗(yàn)，所以軍用光伏發(fā)電系統(tǒng)相比民用系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有更高的運(yùn)維要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，SPV系統(tǒng)中故障發(fā)生和退化導(dǎo)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(yīng)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(huì)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(shí)，這塊電池電壓會(huì)被偏置當(dāng)成負(fù)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(dǎo)致最高溫度高達(dá)200 ℃，局部燒毀形成暗斑、焊點(diǎn)熔化、導(dǎo)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(yīng)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(yán)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(yán)重。此外，光伏電池組件老化可能會(huì)導(dǎo)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(diǎn)松動(dòng)、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(dāng)光伏組件放置方式或者搬運(yùn)過程不恰當(dāng)時(shí)會(huì)受到應(yīng)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(dǎo)致電池片短路，嚴(yán)重影響光伏組件的工作效率。除了安裝和搬運(yùn)過程造成的局部損壞，在設(shè)備運(yùn)行過程中，也可能會(huì)受到如冰雹、刮風(fēng)、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(shí)需要及時(shí)更換相應(yīng)組件。
2.1.2.3 逆變器故障
逆變器可以調(diào)控整個(gè)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(guān)單元及其部件損壞等。常見的逆變器故障主要包括通風(fēng)故障、過電流、逆變器溫度異常、相電流不平衡等。逆變器通風(fēng)故障主要是指通風(fēng)口堵塞、風(fēng)扇葉片損壞或松動(dòng)、風(fēng)扇供電線路或接頭燒壞、保險(xiǎn)熔斷或者短路和斷路，這些情況都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇無法正常工作，進(jìn)而導(dǎo)致局部溫度過高影響整個(gè)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(fù)載阻抗太小、軟件程序非法更改、強(qiáng)電磁干擾、接地故障、交流側(cè)短路、過流保護(hù)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(jī)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(yùn)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(yīng)用場(chǎng)景下的運(yùn)行維護(hù)
2.1.3.1 光伏組件的清洗與熱斑現(xiàn)象維護(hù)
光伏組件的清洗工作不容忽視，灰塵會(huì)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(fēng)險(xiǎn)。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(duì)特定季節(jié)以及戰(zhàn)時(shí)情況，應(yīng)制定具體的維護(hù)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(shí)段，嚴(yán)禁選擇在中午前后或陽光較強(qiáng)烈的時(shí)段進(jìn)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(dāng)導(dǎo)致組件損壞，當(dāng)前，也常使用工程車和機(jī)器人進(jìn)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(yīng)該查詢電流、電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，查看當(dāng)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(guān)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(yīng)無肉眼可見的油污、斑點(diǎn)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(duì)熱斑現(xiàn)象，可在光伏組件上安裝旁路二極管解決，當(dāng)某個(gè)電池被遮蓋發(fā)生熱斑現(xiàn)象時(shí)，其他電池促其反偏使其成為一個(gè)高電阻，此時(shí)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(hù)
在逆變器的安裝過程中，應(yīng)仔細(xì)核對(duì)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(shí)，逆變器的操作使用要嚴(yán)格按照使用說明書的要求和規(guī)定進(jìn)行，開機(jī)前要檢查輸入電壓是否正常，操作時(shí)要注意開關(guān)機(jī)的順序是否正確，各項(xiàng)指標(biāo)顯示屏和指示燈的指示是否正常，應(yīng)盡可能避免打開柜門，以防止高壓危險(xiǎn)發(fā)生。此外，應(yīng)嚴(yán)格控制柜內(nèi)的溫度，溫度超限時(shí)應(yīng)立即采取散熱措施，逆變器各連接部位應(yīng)按周期進(jìn)行檢查，及時(shí)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(yīng)全面詳細(xì)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(shí)，應(yīng)嚴(yán)格關(guān)注監(jiān)測(cè)控制器的工作狀態(tài)，重點(diǎn)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(yīng)在控制器上設(shè)置警示標(biāo)識(shí)，提示使用人員注意可能來自控制器產(chǎn)生的各種危險(xiǎn)。
2.1.3.3 光伏陣列快速組網(wǎng)
光伏在軍事應(yīng)用場(chǎng)景下需要具備快速部署能力，保證戰(zhàn)時(shí)能源的供應(yīng)。光伏組件支架通常由基礎(chǔ)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(jìn)行轉(zhuǎn)移和安裝過程中需要避免設(shè)備之間的碰撞和摩擦，防止面板損壞。同時(shí)，光伏組件的串聯(lián)過程嚴(yán)格按照使用說明書進(jìn)行操作，至同一臺(tái)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(yīng)保持一致，電纜的長(zhǎng)度應(yīng)有空余，以預(yù)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(guān)鍵的控制電子元件不會(huì)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(qiáng)度等。
2.1.3.4 故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)
SPV發(fā)電系統(tǒng)的故障檢測(cè)與分析是保證光伏發(fā)電系統(tǒng)安全運(yùn)行和提高光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷與檢測(cè)方法主要有三種，分別是利用視頻及圖像處理的方法識(shí)別光伏組件故障、利用傳感器對(duì)光伏組件進(jìn)行狀態(tài)判斷以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jī)、攝像頭和紅外相機(jī)對(duì)光伏列陣進(jìn)行巡視。為了防止光伏組件灰塵積聚導(dǎo)致故障，可以通過測(cè)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(cè)灰塵值是否阻礙SPV系統(tǒng)正常運(yùn)作，當(dāng)測(cè)量值超過預(yù)期值則說明需要進(jìn)行故障排除處理。
Bonacina等提出了一種基于對(duì)光伏電站監(jiān)測(cè)信號(hào)分析的方法，主張使用圖形建模技術(shù)來建立光伏設(shè)備與傳感器之間的連接，在SPV系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)故障模式。Oma?a等提出了一種逆變器故障早期檢測(cè)策略，通過在控制電路中嵌入微型控制器，當(dāng)逆變器流通電流達(dá)到臨界值生成警報(bào)消息后可以激活微型控制器恢復(fù)程序，以便在晶體管出現(xiàn)故障之前及時(shí)更換它們，該策略無須中斷逆變器的正常運(yùn)行。Geoff報(bào)道了一種基于MATLAB進(jìn)行參數(shù)提取和模型評(píng)估的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)降壓和升壓最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的比較，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
風(fēng)電已在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的開發(fā)應(yīng)用，2022年清潔電力合計(jì)占全球電力的39%，其中風(fēng)力發(fā)電量增長(zhǎng)17%，增長(zhǎng)部分足以為整個(gè)英國(guó)供電。
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分為恒速運(yùn)行風(fēng)力機(jī)和變速運(yùn)行風(fēng)力機(jī)。恒速運(yùn)行風(fēng)力機(jī)使用感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接連接到電網(wǎng)，這種機(jī)組具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、維護(hù)方便、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，但也存在局限性，例如在風(fēng)速極不穩(wěn)定時(shí)容易增大機(jī)械負(fù)載量，故障風(fēng)險(xiǎn)增加。變速運(yùn)行的雙饋式發(fā)電通過變速恒頻控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲，以提高系統(tǒng)的效率及發(fā)電量，并且由于其可實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(yīng)性。與恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，變速雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有安全系數(shù)高、無需無功補(bǔ)償、風(fēng)能利用率高、變頻器損耗小等優(yōu)勢(shì)，但雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)造價(jià)較高、控制技術(shù)復(fù)雜?，F(xiàn)階段，市場(chǎng)建設(shè)以雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為主。
2.2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)典型軍事應(yīng)用場(chǎng)景下的故障分析
2.2.2.1 發(fā)電機(jī)故障
通常，發(fā)電機(jī)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(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生螺栓、齒輪等連接部位的異常松動(dòng)，由于轉(zhuǎn)子和定子由軸承支撐，承受較大的徑向負(fù)荷，當(dāng)轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)會(huì)引發(fā)偏心故障，進(jìn)而影響到承軸出現(xiàn)內(nèi)外圈損壞、點(diǎn)蝕和磨損等情況。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中受力荷載最復(fù)雜的部件，槳葉的旋轉(zhuǎn)速度隨風(fēng)速變化而改變，將激蕩力傳遞到其他傳動(dòng)鏈的各個(gè)部位，使得這些部件受到復(fù)雜的交變沖擊，加速了機(jī)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(zhǎng)時(shí)間持續(xù)會(huì)導(dǎo)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(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，麻面會(huì)逐步擴(kuò)大變成砂眼，特別是有冰凍災(zāi)害的區(qū)域，雨水浸入砂眼反復(fù)結(jié)冰，砂眼擴(kuò)散速度增加，葉片的振動(dòng)和產(chǎn)生激振時(shí)的彎扭力會(huì)使原有的裂紋不斷加深加長(zhǎng)，橫向裂紋到一定程度則導(dǎo)致葉片斷裂。而葉片的碳化主要是由于日曬、高溫和雷擊導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致開關(guān)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(zhǎng)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(dòng)與過熱
對(duì)于工作下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說振動(dòng)是不可避免的，處于規(guī)定范圍內(nèi)的振動(dòng)都屬于正常情況，系統(tǒng)運(yùn)維要時(shí)刻監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)情況，異常振動(dòng)會(huì)加快機(jī)組的老化，如軸失去質(zhì)量平衡、機(jī)組內(nèi)的各種動(dòng)靜摩擦、膨脹受阻、軸承磨損或者軸承底座松動(dòng)以及電磁力的不平衡等問題，都將加劇軸承的振幅導(dǎo)致振動(dòng)異常，而振動(dòng)異常將造成零部件的松動(dòng)或者損壞，并進(jìn)一步加劇動(dòng)靜部分的摩擦，加劇設(shè)備損壞的程度。溫度過高也是發(fā)電機(jī)常見故障，發(fā)電機(jī)過熱故障的原因包括軸承缺油、軸承嚴(yán)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(cuò)誤等[50]，而正確地使用潤(rùn)滑油可以降低該故障的發(fā)生。
2.2.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)典型軍事應(yīng)用場(chǎng)景下的運(yùn)行維護(hù)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)在惡劣的環(huán)境下工作，不可避免地會(huì)受到各種異常和故障的影響，陸上和海上風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本分別占風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總壽命成本的10%～15%和20%～35%，因此，風(fēng)能行業(yè)對(duì)提高風(fēng)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(fēng)力發(fā)電站必須高度重視機(jī)組維護(hù)工作，結(jié)合中控室的微機(jī)數(shù)據(jù)檢查、分析機(jī)組的運(yùn)行狀況。
2.2.3.1 發(fā)電機(jī)日常維護(hù)
考慮到發(fā)電機(jī)內(nèi)的齒輪、承軸和螺栓等連接部件長(zhǎng)期承受各種應(yīng)力作用，容易出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，為此，在維護(hù)檢修中必須對(duì)螺栓的力矩進(jìn)行定期檢查，以確保連接件的穩(wěn)定牢固。此外，還應(yīng)檢查各傳動(dòng)部件間的潤(rùn)滑情況，并進(jìn)行各項(xiàng)功能的測(cè)試，定期維護(hù)的功能測(cè)試主要包括過速測(cè)試、緊急停機(jī)測(cè)試、液壓系統(tǒng)各元件定值測(cè)試、振動(dòng)開關(guān)測(cè)試以及一些常規(guī)的控制器極限定值測(cè)試。在各項(xiàng)功能測(cè)試過程中，操作人員應(yīng)認(rèn)真檢查風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)，如轉(zhuǎn)速、葉片角度、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等。當(dāng)環(huán)境溫度低于-5 ℃時(shí)，需要將連接件的力矩下降至額定力矩的80%，當(dāng)環(huán)境溫度升高至-5 ℃以上后，需再次對(duì)連接件的力矩進(jìn)行復(fù)查，連接件的維護(hù)通常安排在無風(fēng)或微風(fēng)的夏季進(jìn)行，通過定期維護(hù)檢修工作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作性能和安全性能才能得到有效保障。
2.2.3.2 潤(rùn)滑維護(hù)
風(fēng)機(jī)的潤(rùn)滑維護(hù)主要采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑和潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑兩種方式，兩種潤(rùn)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(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，需要定期對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行補(bǔ)充以及采取采樣化驗(yàn)措施，根據(jù)采樣化驗(yàn)結(jié)果判斷該潤(rùn)滑油是否還符合工作要求，有必要時(shí)應(yīng)當(dāng)立即更換新的潤(rùn)滑油，換油時(shí)必須將潤(rùn)滑部位清洗干凈，并且必須使用與上次相同種類的潤(rùn)滑油。而低速高扭矩的部位，比如主軸軸承、發(fā)電機(jī)軸承、偏航軸承和變槳軸承等使用潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑，由于這些部件的運(yùn)行溫度較高，潤(rùn)滑脂容易發(fā)生變質(zhì)現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承磨損，因此，在定期維護(hù)過程中，必須定期對(duì)各承軸部件進(jìn)行補(bǔ)充或者更換潤(rùn)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(cè)
有效的故障診斷技術(shù)可以快速識(shí)別故障類型，降低風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，提高發(fā)電效率。風(fēng)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(shí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。前兩種方法一般也被概括為基于信號(hào)技術(shù)處理的方法。而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)利用數(shù)據(jù)源統(tǒng)計(jì)分析來執(zhí)行診斷。
振幅和溫度是檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)常用的兩個(gè)指標(biāo)，比如檢測(cè)變速箱工作振幅和溫度，再通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以分析變速箱的實(shí)際工作狀態(tài)?？紤]到葉片的復(fù)雜受力情況，以及長(zhǎng)時(shí)間暴露在外受強(qiáng)風(fēng)浪及閃電、酸雨腐蝕等諸多因素影響，葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)有如應(yīng)力-應(yīng)變法、光柵光纖傳感器、聲發(fā)射探測(cè)和紅外圖像探測(cè)技術(shù)等。光柵光纖傳感器體積小且具有較強(qiáng)的抗電磁干擾和耐腐蝕能力，可用于衡量葉片的應(yīng)力和應(yīng)變，此外，聲發(fā)射探測(cè)和紅外圖像探測(cè)可補(bǔ)充光纖光柵傳感器的不足，其中，聲發(fā)射探測(cè)可探測(cè)葉片中的裂紋、缺陷等問題，紅外圖像探測(cè)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(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷還涉及對(duì)轉(zhuǎn)/定子電流、電壓以及輸出功率等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將電流信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析獲得幅值信號(hào)，通過觀察諧波成分的變化可以判斷發(fā)電機(jī)故障的具體類型。
Duan等提出了一種永磁同步發(fā)電機(jī)變頻變流器故障診斷方法，為避免閾值不當(dāng)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(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)故障診斷變頻器，使用多類支持向量機(jī)對(duì)故障進(jìn)行分類，仿真結(jié)果表明，該方法具有適應(yīng)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、診斷時(shí)間短的特點(diǎn)。Zhang等考慮風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、主軸水平和垂直振動(dòng)等多源風(fēng)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(jī)(LSSVM)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，以此識(shí)別機(jī)組故障。另外采用LSSVM方法對(duì)風(fēng)機(jī)的特征參數(shù)進(jìn)行研究，建立不同特征的參數(shù)向量與故障類型的映射關(guān)系，從而達(dá)到故障診斷的目的，該方法具有良好的故障識(shí)別能力和較快的運(yùn)算速度，能夠滿足在線故障診斷的要求。
2.3 大規(guī)?；瘜W(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)
各國(guó)都高度重視大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，從新增裝機(jī)規(guī)模來看，2021年，中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能新增裝機(jī)規(guī)模大幅度增長(zhǎng)至1844.6 MW，同比增長(zhǎng)18.02%，2022年中國(guó)化學(xué)儲(chǔ)能新增裝機(jī)規(guī)模約為5.93 GW，同比增長(zhǎng)221.48%，儲(chǔ)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(bǔ)新能源發(fā)電的隨機(jī)性，在今后很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)將成為我國(guó)電力及能源發(fā)展的重點(diǎn)。
現(xiàn)階段化學(xué)儲(chǔ)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(jí)電容等，幾類儲(chǔ)能技術(shù)各有其特點(diǎn)，鉛炭電池的電解液中不含可燃物，安全性顯著高于其他儲(chǔ)能體系。液流電池的優(yōu)點(diǎn)是易于維護(hù)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)受到重視。現(xiàn)階段我國(guó)軍用大規(guī)模儲(chǔ)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(yù)警控制技術(shù)，以滿足高原高寒、邊防海島等使用條件。截至2022年底，中國(guó)鋰離子電池占電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)量的94.5%，電化學(xué)儲(chǔ)能電站的主流建設(shè)形式是預(yù)制艙式鋰離子電池儲(chǔ)能電站。
2.3.1 大規(guī)?；瘜W(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
儲(chǔ)能系統(tǒng)涵蓋了電化學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械、電子電氣等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將能量以電的形式吸收、儲(chǔ)存、釋放的一類產(chǎn)品。儲(chǔ)能系統(tǒng)一般包括儲(chǔ)能元件及管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、儲(chǔ)能變流器(PCS)以及其他電氣設(shè)備。儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池組是最主要的部分，其生產(chǎn)成本占整個(gè)系統(tǒng)的60%左右。
2.3.2 大規(guī)模化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)典型軍事應(yīng)用場(chǎng)景下的故障分析
儲(chǔ)能電站的安全性和可靠性極為關(guān)鍵，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)故障演變機(jī)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(chǔ)能系統(tǒng)遭遇突發(fā)事故造成系統(tǒng)破壞進(jìn)而導(dǎo)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(fù)雜過程，它在不同環(huán)境條件下的老化機(jī)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(fù)極老化與固體電解質(zhì)界面(SEI)膜相關(guān)，SEI膜是鋰離子電池首次充放電期間在石墨等負(fù)極表面上形成的鈍化層，可以保護(hù)負(fù)極不受腐蝕。SEI膜的形成需要鋰離子的參與，當(dāng)電池在高電壓、高SOC和高溫等條件下工作時(shí)，SEI膜會(huì)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定特性，它的異常生長(zhǎng)導(dǎo)致活性鋰的損耗和電解質(zhì)的分解，活性鋰的損耗導(dǎo)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(dá)到極限飽和，此時(shí)，鋰離子傾向于沉積在電極的表面，導(dǎo)致鋰枝晶生長(zhǎng)刺穿電池隔膜造成短路，進(jìn)而導(dǎo)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(shì)分布不均勻，加速鋰沉積。而正極材料的老化主要是由于應(yīng)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?zhǔn)椒磻?yīng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)及制造過程中產(chǎn)生的原因，包括設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理與使用材料不合格等原始缺陷導(dǎo)致的內(nèi)部短路，外因是指在電池運(yùn)輸、維護(hù)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(jī)械濫用、電濫用與熱濫用。
機(jī)械濫用即在電池運(yùn)輸、儲(chǔ)存或使用過程中，由于刺穿、擠壓、碰撞等機(jī)械作用導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，引發(fā)的熱失控。當(dāng)電池隔膜遭到損壞，正負(fù)極短路之后，電池溫度迅速升高并產(chǎn)生大量的氣體，當(dāng)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(huì)發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，伴隨產(chǎn)生大量的熱量。外殼作為電池系統(tǒng)的首要保護(hù)層，確保電池適應(yīng)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(jī)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?yàn)殡姵氐亩搪贰⑦^充和過放等情況引起。當(dāng)電濫用導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)刺穿電池隔膜使正負(fù)極短路時(shí)，電池內(nèi)部的電流密度會(huì)迅速上升，誘發(fā)的副反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量和氣體，導(dǎo)致電池鼓包，加速電池內(nèi)部“熱-溫度-反應(yīng)”循環(huán)，導(dǎo)致熱失控。而過充和過放也是兩個(gè)不同的故障機(jī)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(fù)極表面沉積成金屬鋰，并生長(zhǎng)成鋰枝晶。而正極材料因?yàn)檫^度脫鋰導(dǎo)致高溫和釋放氧氣，氧氣會(huì)加速電解液的分解，并且促進(jìn)副反應(yīng)釋放出更多的氣體，使電池外殼脹氣破裂導(dǎo)致外部的空氣與電芯直接接觸，發(fā)生劇烈反應(yīng)。而過度的放電會(huì)導(dǎo)致負(fù)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(zhǎng)穿透隔膜導(dǎo)致嚴(yán)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(huì)單獨(dú)存在，而是由機(jī)械濫用和電濫用發(fā)展衍變的，熱濫用與熱失控直接相關(guān)，例如軟包裝三元正極電池在熱失控過程中發(fā)生的反應(yīng)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(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)典型軍事應(yīng)用場(chǎng)景下的運(yùn)行維護(hù)
2.3.3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)日常維護(hù)
儲(chǔ)能系統(tǒng)日常維護(hù)工作主要包括電池維護(hù)、PCS維護(hù)、控制系統(tǒng)維護(hù)、冷卻系統(tǒng)維護(hù)、結(jié)構(gòu)及連接件檢查等。電池是儲(chǔ)能系統(tǒng)核心部分，需要定期對(duì)電池、電池模塊和電池柜進(jìn)行清潔，并且放置警示標(biāo)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(jìn)行儲(chǔ)能電池絕緣和接地電阻測(cè)試，并且定期進(jìn)行電池荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)標(biāo)定，關(guān)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(cè)器是否正常工作，在電池出現(xiàn)過溫告警時(shí)，應(yīng)進(jìn)行紅外測(cè)溫檢查，及時(shí)處理相關(guān)過熱故障，當(dāng)電池工作溫度過低時(shí)，及時(shí)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(dāng)電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行更換或軟件升級(jí)后重新運(yùn)行時(shí)，需要重新進(jìn)行功能和保護(hù)測(cè)試，此外儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理或者在制造過程中使用劣質(zhì)材料也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部故障，發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)更換元件，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)高效運(yùn)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(duì)變流器機(jī)柜進(jìn)行清潔，并關(guān)注PCS工作時(shí)是否發(fā)出異響，如觸發(fā)警報(bào)需及時(shí)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?yàn)闊峁收蠈?dǎo)致火災(zāi)或者爆炸。控制系統(tǒng)維護(hù)需要定期檢查整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的軟硬件工作狀態(tài)，校驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。冷卻系統(tǒng)維護(hù)包括檢測(cè)制冷風(fēng)扇是否正常工作，定期更換防塵網(wǎng)、冷卻液等。最后，需要對(duì)各部分的控制開關(guān)、接觸器、斷路器和保護(hù)功能等進(jìn)行檢查和測(cè)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(xiǎn)，如有異常，及時(shí)修復(fù)。
2.3.3.2 緩解熱蔓延與爆炸沖擊波
軍事應(yīng)用場(chǎng)景下，儲(chǔ)能系統(tǒng)在遭受多種手段的攻擊下會(huì)直接或者間接導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，?dāng)單個(gè)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(huì)發(fā)生熱失控，最終導(dǎo)致儲(chǔ)能電站出現(xiàn)火災(zāi)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(yù)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(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)極端環(huán)境和復(fù)雜工況的電池材料提高正/負(fù)極材料和電解液的穩(wěn)定性。有研究結(jié)果表明，儲(chǔ)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(guān)儲(chǔ)能電芯。還應(yīng)聚焦外部?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，選用智能高效的BMS、EMS和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等數(shù)字技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)能事故預(yù)警，有必要時(shí)及時(shí)進(jìn)行故障隔離。有效的消防技術(shù)可以及時(shí)預(yù)防事故，儲(chǔ)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(dǎo)電、對(duì)人體無害等優(yōu)點(diǎn)正在逐步擴(kuò)大市場(chǎng)。為防止氣體聚集，可以選擇在集裝箱頂部或者兩側(cè)設(shè)計(jì)靈活的通風(fēng)口進(jìn)行泄爆，抑制儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)的溫升。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的保護(hù)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)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(fù)合材料保護(hù)殼設(shè)計(jì)來吸收和分散沖擊波能量。
2.3.3.3 電池?zé)o損檢測(cè)監(jiān)測(cè)
能源的供應(yīng)直接關(guān)系到作戰(zhàn)性能和任務(wù)執(zhí)行能力，為了確保電池在軍事應(yīng)用中的穩(wěn)定運(yùn)行，提前預(yù)知電池的健康狀況和性能變化，對(duì)電池的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。通過對(duì)電池的容量、內(nèi)阻、充放電曲線等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池存在的故障或異常，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)或替換。電池檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)大概可分為傳感器技術(shù)、磁共振技術(shù)、超聲技術(shù)和X射線技術(shù)。
傳感器技術(shù)又可細(xì)分為電壓、溫度、氣體、光信號(hào)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、溫度、釋放的氣體和應(yīng)變等參數(shù)。Li等設(shè)計(jì)了一種溫度傳感器裝置，將增材制造法與電阻溫度檢測(cè)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(xué)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(dāng)，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(cè)得的電池內(nèi)部溫度平均比外部RTD高5.8 ℃，檢測(cè)能力快近10倍，在不干擾電池運(yùn)行的情況下起到安全預(yù)警作用。
目前的磁共振技術(shù)可以用來監(jiān)測(cè)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(bào)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(cè)液體電解質(zhì)流出電池時(shí)1H NMR位移的變化，圖7(b)可以監(jiān)測(cè)電化學(xué)電池正/負(fù)極同時(shí)發(fā)生的變化，同時(shí)監(jiān)測(cè)出兩個(gè)單電子對(duì)的電勢(shì)差，識(shí)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(duì)自旋。
圖7 兩種原位核磁共振裝置
用于電池監(jiān)測(cè)方面包括X射線吸收光譜(XAS)和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)，該技術(shù)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(xì)結(jié)構(gòu)(CEY-XAFS)檢測(cè)器來檢測(cè)電極表面的電子轉(zhuǎn)換率，該檢測(cè)器可在室溫至450 ℃之間控制樣品溫度的情況下進(jìn)行測(cè)量，用于檢測(cè)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(xué)變化，除上述檢測(cè)技術(shù)之外，還可采用中子散射、超聲波和拉曼散射等技術(shù)，各技術(shù)針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境各有其優(yōu)勢(shì)。
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(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，該系統(tǒng)通過電路傳輸和網(wǎng)信控制，實(shí)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(yùn)行，減少能量損耗和電力波動(dòng)，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(shí)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(fēng)力發(fā)電機(jī)等)、能源儲(chǔ)存裝置(如電池組、儲(chǔ)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(guān)和變壓器等組成一個(gè)微電網(wǎng)電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)能源的供給和分配，實(shí)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(yīng)，促進(jìn)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(yīng)用場(chǎng)景下的故障分析
在經(jīng)濟(jì)破壞戰(zhàn)理論的指導(dǎo)下，電力設(shè)施已成為戰(zhàn)略價(jià)值極高的精確打擊目標(biāo)之一。戰(zhàn)時(shí)出現(xiàn)供電中斷或是供電延遲都可能對(duì)戰(zhàn)局造成重大影響。軍事應(yīng)用場(chǎng)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(luò)病毒和爆炸沖擊等。
2.4.2.1 石墨炸彈
1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，美軍利用戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈首次向伊拉克的基礎(chǔ)電力系統(tǒng)投放了大量的石墨炸彈，導(dǎo)致伊拉克全國(guó)85%供電系統(tǒng)都處于癱瘓狀態(tài)，給伊方軍隊(duì)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(xué)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(biāo)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(shè)施上，高壓線、變電站、變壓器等電力設(shè)施都會(huì)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(huì)導(dǎo)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(shè)備過載而過熱，極易引發(fā)火災(zāi)。上述兩種攻擊效果均會(huì)造成供電網(wǎng)絡(luò)癱瘓，引發(fā)大范圍停電，且短時(shí)間內(nèi)無法修復(fù)。
2.4.2.2 電磁脈沖彈
2019年，委內(nèi)瑞拉全國(guó)十余個(gè)州出現(xiàn)大規(guī)模停電，電力基礎(chǔ)設(shè)施幾乎全部癱瘓，通信中斷，給社會(huì)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(chǎng)，在以光速傳播的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的沖擊波，從而對(duì)電子、信息、光電等設(shè)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(shè)備方面的能力卓越，在戰(zhàn)場(chǎng)上，該攻擊手段會(huì)使被打擊目標(biāo)區(qū)域的通信、指揮、控制、情報(bào)、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(chǎng)與電子系統(tǒng)之間的耦合形成干擾和破壞，其耦合機(jī)制分為兩種類型，一是“前門耦合”，脈沖信號(hào)與天線、傳輸線等直接耦合，二是“后門耦合”，脈沖信號(hào)通過孔縫、電纜接頭等介質(zhì)傳遞電磁能量而形成耦合。當(dāng)外界電磁環(huán)境與通信設(shè)備耦合能量超過晶體管、半導(dǎo)體等器件的門限閾值時(shí)，則會(huì)對(duì)電子電路器件造成擊穿、過熱或機(jī)械破壞，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)電路失靈。
2.4.2.3 網(wǎng)絡(luò)病毒攻擊
電力系統(tǒng)的優(yōu)化和調(diào)度極度依賴網(wǎng)絡(luò)，正因如此，網(wǎng)絡(luò)攻擊也會(huì)對(duì)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(dǎo)致大規(guī)模停電。此外，美國(guó)、巴西、歐洲等國(guó)家和地區(qū)的電力系統(tǒng)都曾不同程度地遭遇網(wǎng)絡(luò)病毒的攻擊，可見電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題必須得到高度重視。
電力系統(tǒng)受到網(wǎng)絡(luò)病毒攻擊之后，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)失效是導(dǎo)致電網(wǎng)故障的關(guān)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(yùn)行的必要依賴，當(dāng)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(dǎo)致信息系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的決策指令，使電網(wǎng)進(jìn)行自發(fā)性的超高壓負(fù)荷供電、保護(hù)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(huì)極大擾亂電網(wǎng)的運(yùn)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(luò)快速復(fù)制和擴(kuò)散，從而影響到更廣泛的電網(wǎng)領(lǐng)域，這進(jìn)一步擴(kuò)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(yīng)一直是實(shí)施軍事打擊的首選，比如使用精準(zhǔn)制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)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(yīng)，直接攻擊發(fā)電站、電壓器、輸電線路和儲(chǔ)能電站，若這些設(shè)施在戰(zhàn)時(shí)沒有有效的保護(hù)措施，導(dǎo)彈打擊或者爆炸都會(huì)導(dǎo)致斷電短路、線路串?dāng)_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(jī)對(duì)烏方的能源電力基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了快速而有效打擊，雖然其橫向爆炸沖擊威力遠(yuǎn)不如伊斯坎德爾導(dǎo)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(jià)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(guó)1.4%發(fā)電廠的發(fā)電量占據(jù)全國(guó)總發(fā)電總量的51%，這些發(fā)電廠被盟軍轟炸之后，導(dǎo)致德國(guó)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(fēng)險(xiǎn)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(yīng)用場(chǎng)景下的運(yùn)行維護(hù)
2.4.3.1 運(yùn)行維護(hù)與攻擊防御
（1）建設(shè)規(guī)劃階段，強(qiáng)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(shè)并聯(lián)線路提高冗余度等。此外，對(duì)于無法減弱物理傷害的情形，可以在規(guī)劃階段增設(shè)分布式發(fā)電和儲(chǔ)能單元，提高系統(tǒng)供能水平。
（2）戰(zhàn)前預(yù)防階段，主要進(jìn)行分布式發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、維修人員的提前調(diào)配等。
（3）戰(zhàn)后恢復(fù)階段，主要進(jìn)行開關(guān)切換和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速動(dòng)態(tài)重構(gòu)，并利用新能源分布式發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)重構(gòu)后系統(tǒng)中的關(guān)鍵負(fù)荷恢復(fù)供電，最大限度降低由于負(fù)載切換帶來的惡劣影響。除此之外，針對(duì)不同的攻擊手段，具體可采用以下三點(diǎn)措施：
①加強(qiáng)防空系統(tǒng)，加強(qiáng)地空導(dǎo)彈部隊(duì)的建設(shè)，建立完整的遠(yuǎn)中近、高中低空中預(yù)警系統(tǒng)，盡最大可能去攔截布撒載具，在轟炸機(jī)或者導(dǎo)彈襲擊電力設(shè)施之前將其擊毀，尤其是建設(shè)新型微波和激光無人機(jī)打擊系統(tǒng)，針對(duì)低成本和無熱源的“低小慢”無人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)打擊。②增強(qiáng)電力設(shè)施的防范手段，設(shè)置各級(jí)輸電線路的保護(hù)措施設(shè)計(jì)：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(duì)其的傷害、設(shè)置完整的電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(jìn)行偽裝，重要的配電設(shè)備盡量做到封閉，建設(shè)抗毀傷、韌性強(qiáng)的鏈路和網(wǎng)信控制系統(tǒng)。③落實(shí)好網(wǎng)絡(luò)與信息安全防護(hù)管理。健全和完善計(jì)算機(jī)保密管理制度、移動(dòng)儲(chǔ)存介質(zhì)保密等管理制度，提供工作人員的網(wǎng)絡(luò)安全防范意識(shí)，在計(jì)算機(jī)上安裝防火墻，同時(shí)安裝專業(yè)殺毒軟件，加強(qiáng)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(cè)與系統(tǒng)優(yōu)化
只有通過加強(qiáng)新能源微電網(wǎng)的安全管理、運(yùn)行監(jiān)測(cè)和技術(shù)支持，才能提供可靠的軍事能源保障。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊防護(hù)手段相比，文獻(xiàn)[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(fù)受網(wǎng)絡(luò)攻擊影響的狀態(tài)信息。測(cè)試結(jié)果表明，所提出的方法可以準(zhǔn)確緩解網(wǎng)絡(luò)攻擊并正確估計(jì)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(wù)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(duì)于大型復(fù)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(wù)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(hù)技術(shù)，該技術(shù)使用多代理系統(tǒng)進(jìn)行微電網(wǎng)中的故障檢測(cè)，故障隔離和服務(wù)恢復(fù)，并使用YBus矩陣算法的新拓?fù)渥R(shí)別方法，以成功識(shí)別網(wǎng)絡(luò)配置用來響應(yīng)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(shè)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(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免受故障的侵害。
3 總結(jié)與展望
軍事應(yīng)用場(chǎng)景下，戰(zhàn)場(chǎng)前伸型微電網(wǎng)主要為電驅(qū)動(dòng)裝備和能量型武器提供能源支持，集成各種發(fā)供電設(shè)備、控制單元和儲(chǔ)能系統(tǒng)，具備模塊化快速組裝、高速機(jī)動(dòng)耐極端環(huán)境，供電感知自適應(yīng)、抗毀傷自愈合等功能，有助于整合到多域作戰(zhàn)行動(dòng)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(chǎng)供電的安全性和持續(xù)性，兩者構(gòu)成未來戰(zhàn)場(chǎng)全域電能源保障的基礎(chǔ)。戰(zhàn)時(shí)優(yōu)先打擊電力設(shè)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(jì)基礎(chǔ)、阻斷通信，取得對(duì)敵的壓倒性優(yōu)勢(shì)，為軍事行動(dòng)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行直接摧毀，當(dāng)然也包括通過石墨纖維炸彈、電磁干擾彈和網(wǎng)絡(luò)病毒等這一類軟殺傷方式誘發(fā)敵目標(biāo)毀傷并觸發(fā)一系列的次生災(zāi)害如火災(zāi)、爆炸等，實(shí)現(xiàn)癱瘓敵電網(wǎng)系統(tǒng)的目標(biāo)。為不斷提高微電網(wǎng)的戰(zhàn)場(chǎng)極端環(huán)境和復(fù)雜工況的適應(yīng)能力，致力于實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電能源的安全、高效和可持續(xù)保障，應(yīng)及時(shí)布局建設(shè)相應(yīng)的防護(hù)措施，加強(qiáng)配電站和發(fā)電站的反導(dǎo)防御能力、增強(qiáng)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(shè)施露空設(shè)施，采用地下走線或者阻燃線，降低目標(biāo)特征信號(hào)，并采用一定偽裝涂層，培訓(xùn)專業(yè)搶修隊(duì)伍、完善應(yīng)對(duì)策略和預(yù)案，加強(qiáng)事故處置的針對(duì)性培訓(xùn)和應(yīng)急保障演練，確保微電網(wǎng)在遭到襲擊后能在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電能力。最后，結(jié)合新能源微電網(wǎng)和軍事應(yīng)用運(yùn)維特點(diǎn)，未來應(yīng)用重點(diǎn)建設(shè)智能化的戰(zhàn)場(chǎng)能量管理系統(tǒng)，搭建軍事能源消耗的監(jiān)測(cè)、跟蹤、分析和管理平臺(tái)，采用先進(jìn)的能源測(cè)量、能源監(jiān)視和能源控制等手段，推進(jìn)能源管理信息化，借助大數(shù)據(jù)分析等手段，掌握軍隊(duì)裝備的能耗水平等信息，為戰(zhàn)時(shí)能源預(yù)計(jì)、分配和使用提供數(shù)據(jù)支撐，以實(shí)現(xiàn)更高效、智能和自動(dòng)化的能源管理和控制。
