中国电气工程学报2020年第31期「2021是第几世纪」

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《电工技术学报》是中国电工技术学会主办的电气工程领域综合性学术期刊，报道基础理论研究、工程应用等方面具有国际和国内领先水平的学术及科研成果。中国工程院院士马伟明任《学报》编委会主任，兼《学报》主编。

超导直流能源管道的研究进展

作者：张国民；陈建辉；邱清泉；靖立伟；滕玉平等

摘要：将超导输电技术与液化天然气（LNG）管道输送技术相结合,形成能同时输送LNG与电力的能源管道,不仅可以节约能源通道,还可以利用LNG冷却超导电缆,提高能源输送效率和经济性,是一种极具前景的能源输送方式。在国家“智能电网与装备”重点研发计划的支持下,开展了超导直流能源管道的基础研究。

该文主要介绍超导直流能源管道的基础研究项目近一年多的进展情况,主要包括：LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性,电力/LNG一体化输送动态稳定性判据,为安全性与故障演化分析而搭建的实验平台及初步实验结果,以及10m/10kV超导直流能源管道原理样机的研制与实验情况。

基于NSGA-Ⅱ的过载磁场发生器优化设计

作者：李湘平；鲁军勇；张晓；郭赟；武文轩

摘要：高过载和强磁场已成为电磁发射超高速弹丸的典型特点,为了突破弹载器件的抗高过载和抗强磁场性能,迫切需要对其发射环境模拟技术进行研究。该文采用电磁方式模拟高过载和强磁场环境,开展一体化高过载强磁场测试平台的仿真研究,建立该平台的过载和磁场解析模型,并进行模型验证和平台输出能力的仿真。

结果表明：采用多级电磁线圈方式模拟高过载和强磁场环境方案是可行的,平台能够输出峰值过载大于3.3×104g、大于2×104g持续时间超过1.6ms的过载环境,以及峰值磁感应强度大于7.0T、峰值磁场变化率大于4262T/s、大于5T持续时间且超过10ms的磁场环境。研究成果有效弥补了现有模拟平台不能满足电磁发射环境过载和磁场要求的缺陷。

基于Halbach阵列电磁超声纵波换能器优化设计

作者：蔡智超；李毅博

摘要：传统电磁超声纵波换能器换能效率低,水平偏置磁场弱且无法被充分利用,导致回波信号幅值小,影响检测结果的准确性。该文应用一种新型纵波换能器,其永磁体磁极方向按照Halbach阵列排布,能够显著增强水平磁场。为提高其回波幅值,利用有限元软件进行建模,分别采用正交试验和均匀试验方法,在考虑线圈匝数的前提下,对换能器参数进行优化。

仿真结果表明,降低导线间距、导线宽度和导线高度,将永磁体提离距离固定在合适范围内,均可以增强回波信号;设置合适的激励电流频率,能够使得声衰减和回波幅值处于适中水平,有利于检测。实验结果表明,优化后的换能器相较于优化前回波幅值提高了83%。

一种电能质量扰动信号的联合去噪算法

作者：肖贤贵；李开成；蔡得龙；王梦昊；王伟

摘要：传统的小波阈值去噪算法存在易丢弃真实信号、去噪效果差等缺点。该文提出了一种新的用于电能质量扰动事件的联合去噪算法。该算法首先通过强跟踪卡尔曼滤波的渐消因子大于1的次数,初步判定信号的扰动类型,然后对不同的扰动类型采取不同的去噪方法。

对于仅含噪声的正弦信号和谐波信号用稀疏分解及快速傅里叶变换（FFT）做两次去噪;对暂升和暂降信号采用渐消因子准确地指示扰动起止时刻,将信号分段,并对每段信号用稀疏分解和FFT去噪;对含瞬态脉冲和暂态振荡的信号,采用不同的处理方法,首先通过稀疏分解得到稳态成分和暂态成分,对稳态成分的去噪方法与含噪声正弦信号的处理方法相同,对暂态成分的脉冲信号保留实际值,对振荡信号采用变分模态分解（VMD）去噪。

大量的仿真计算表明,在不同的信噪比条件下,该文提出的算法均能够有效抑制各类扰动信号的噪声,显著提高了信噪比,且效果优于小波阈值去噪算法。

电力系统交直流潮流的全纯嵌入计算

作者：姜涛；张勇；李雪；李国庆；陈厚合

摘要：针对采用牛拉（NR）法计算电力系统交直流系统潮流存在初值选取和计算量大的不足,提出一种用于交直流潮流计算的全纯嵌入方法。

该方法首先依据全纯函数构造原理,通过嵌入参数,分别构建全纯交流潮流模型、直流潮流模型及换流站控制模型;然后,基于全纯函数的泰勒级数展开特性,将非线性全纯潮流方程的求解问题,转换为隐式全纯函数的显式化问题;依据同次幂系数相等原则,求取泰勒级数展开项的幂级数系数,完成全纯函数的显式化,进而对嵌入参数赋值,实现交直流潮流的快速求解;最后,通过修改的IEEE 5节点交直流系统、RTS-96交直流系统和波兰电网3012wp交直流测试系统进行分析和验证,结果表明,所提方法不依赖初值便可快速、准确地计算出交直流系统潮流,且鲁棒性强,为大规模交直流电网潮流计算提供了新思路。

含智能软开关的配电网多阶段弹性力学映射与评估

作者：秦清；韩蓓；李国杰；罗林根；汪可友

摘要：弹性是衡量电网抵御扰动及故障后快速恢复能力的指标,其评估涉及对扰动的抵御、响应及恢复等多阶段过程。目前大多数研究利用仿真结果或历史数据的统计分析评估系统弹性。该文建立基于多阶段弹性力学映射的配电网模型,充分考虑系统的运行状态及物理特性,从应对扰动的抵御能力及故障后的恢复能力两个角度进行弹性的多阶段评估。对含智能软开关（SOP）的支路进行弹性力学映射,分析其在正常运行和供电恢复中的作用。

通过IEEE 33节点系统与IEEE 123节点系统验证多阶段弹性力学映射评估的合理性和有效性,分析SOP对配电网弹性的影响,验证其对弹性提升的作用,比较和探讨SOP的安装位置和控制量对弹性的影响。

基于改进禁区判据的电气化铁路车网耦合系统稳定性研究

作者：金程；王小君；姚超；毕成杰

摘要：近年来我国铁路枢纽段内车网耦合低频振荡的现象时有发生,由于机车存在结构复杂、模型参数保密的问题,车网耦合的系统稳定性详细建模分析在实际中存在困难。阻抗法可以通过实际测量车网端口阻抗避免这些问题,具有较好的应用效果,针对车网耦合系统,如何减小稳定性判据的保守性是阻抗法稳定性判别的关键。

该文根据Nyquist准则将判据禁区从单位圆区域改进为射线区域,提出了一种保守性更小的改进禁区判据。首先,针对CRH5车型进行研究,建立了系统小信号模型,分析了稳定性影响因素;然后,结合盖尔圆定理提出基于端口阻抗和导纳矩阵的判据;最后,通过建立的小信号模型分析了改进禁区判据与现有判据的稳定性辨识结果,仿真结果证明了判据的准确性。

垃圾能源利用与城市多能源系统协同优化模型

作者：王泽镝；滕云；闫佳佳；陈哲

摘要：随着城市级多能源系统的快速发展和城市垃圾处理设施供能规模的不断扩大,考虑垃圾处理过程的多种能源供能协调优化,并将其与城市多能源系统协同优化进行综合考虑,是提高城市垃圾处理能力和资源化利用水平及综合能源利用效率的重要途径之一。该文将垃圾处理系统等效为一个以垃圾为输入的供能系统,建立城市垃圾能源化利用供能系统（WRESS）、城市多能源系统和城市多源储能系统三者协同优化模型。

首先,研究一定时间尺度内可用于供能的城市垃圾产量、最大允许堆存量与其对应的供能种类和供能特性之间的关系,建立垃圾能源化利用供能优化模型;其次,针对垃圾能源化利用可调节特性与多能源系统、多能源储能系统自身协调能力间关系,建立以运行和调节成本最小为目标的城市垃圾能源化利用与多能源系统协同优化模型;最后,以中国某城市实际垃圾处理与多能源运行数据为基础,通过三个场景仿真验证所提模型的有效性。仿真结果表明,该模型在提高城市垃圾处理能力的同时,能够有效降低多能源系统运行成本,并提升系统调节能力。

考虑经济调度及电压恢复的直流微电网分布式二次控制

作者：李忠文；程志平；张书源；王要强；司纪凯

摘要：基于下垂控制的直流微电网初级控制存在稳态母线电压偏差和电流难以准确分配的缺点,传统采用集中式或分布式的二次控制策略虽然可以实现直流微电网母线电压恢复和电流均分,但并没有考虑各分布式发电单元的发电成本。为提高直流微电网的稳定性和运行效率,基于分布式一致理论,设计了分布式平均母线电压恢复控制算法和分布式最优负荷分配算法,并基于上述算法设计了直流微电网新型分布式二次控制策略。该控制策略可以在二次控制层同时实现母线电压恢复和经济调度,从而提高微电网的运行效率。另外,该控制策略完全分布式实施具有更好的灵活性、鲁棒性和可扩展性。

计及直流微电网扰动抑制的残差动态分散补偿控制策略

作者：胡长斌；王慧圣；罗珊娜；周京华；马瑞

摘要：针对直流微电网电能质量问题与环流问题,提出一种计及直流微电网扰动抑制的残差动态分散补偿控制策略。此策略在直流下垂控制的基础上,首先分析直流微电网扰动问题及并联状态下的环流问题;其次建立Buck型与Boost型多DC-DC变换器并联的状态空间模型,推导基于残差的变换器动态分散补偿结构,该结构直接在电压环输出端进行补偿,通过扰动抵消计算补偿控制器Q*(s)。采用小信号稳定性分析方法证明本文补偿结构的稳定性;最后基于RTDS搭建数字物理实验平台,以相同与不同类型变换器并联为例进行实验验证。

该结构能够加快分布式电源及公共负荷投切时直流母线电压动态响应速度,有效地抑制了环流影响和交流侧不平衡情况引起的直流母线电压二倍工频扰动,维持了电压的一致性,保证了母线电压的稳定,有助于实现分布式电源的“即插即用”技术。

考虑储液式碳捕集电厂的含风电系统低碳经济调度

作者：彭元；娄素华；吴耀武；王莹；周鲲鹏

摘要：碳捕集电厂可以实现火电电能生产的低碳化,是构建清洁能源体系的重要技术路径之一。配置了溶液存储器的碳捕集电厂能够解耦CO2的吸收与再生两个环节,其捕碳和发电的协调运行能力更强。

根据储液式碳捕集电厂的运行机理与能流特性,建立其捕碳与发电出力模型,并构建二维坐标图定量研究无储液与储液式碳捕集机组的总发电出力与净出力运行区间。基于此,建立计及储液式碳捕集电厂的含风电系统低碳经济调度模型,该模型以系统总运行费用最低为目标函数,考虑系统发电成本、碳交易成本以及风电出力不确定性带来的运行风险。以20机系统为例,对含储液式碳捕集电厂的系统优化调度进行研究,结果验证了所提模型的合理性与有效性。

考虑源荷不确定性的直流配电网模糊随机日前优化调度

作者：金国彬；潘狄；陈庆；石超；李国庆

摘要：针对直流配电网中分布式可再生能源出力及典型直流类负荷的不确定性,提出了综合考虑负荷自弹性系数以及电价型需求响应的不确定性负荷模型;在考虑可再生能源随机性的基础上,通过签订日前充电合同将电动汽车这类高可调度单元转换为确定性负荷;以直流配电网与上级电网联络线功率最平滑及日前调度成本最小为优化目标,建立了模糊随机日前优化调度模型,并采用熵权法确定两者权重进行求解。以某直流配电网为例,针对不同场景、不同光伏出力、不同置信水平以及不同的电动汽车合同签订率,验证了优化调度模型的有效性、优越性。

计及经济性和可靠性因素的区域综合能源系统双层协同优化配置

作者：边晓燕；史越奇；裴传逊；崔勇；林顺富

摘要：现有的区域综合能源系统优化配置方法在可靠性约束条件下求得经济性最优,容易产生过度投资或可靠性不足等问题,限制了配置方案的可选择性和实用性。为了解决上述问题,该文基于区域综合能源系统状态转移时序性模型,以经济性和可靠性作为优化目标,建立了区域综合能源系统规划与运行相结合的双层多目标优化配置模型。

上层规划模型以系统年净成本和综合缺能率最小为目标,采用NSGA-II算法求取配置方案的Pareto最优解集;下层优化运行模型将上层模型确定的配置方案转换为线性约束条件,以系统切负荷量最低和运行经济性最优为目标实现系统的优化运行,采用序贯蒙特卡洛法对运行可靠性进行量化,并将运行成本和可靠性量化值反馈至上层模型。通过某区域综合能源微网系统进行算例验证,分析了不同配置方案经济性和可靠性之间的关系,并通过给出最优解集的方式实现了多目标优化方案的可选择性。

四管Buck-Boost变换器的改进型三模式变频软开关控制策略

作者：方天治；王愿；张惠丽；张雨；沈姝衡；蓝建宇

摘要：四管Buck-Boost变换器（FSBB）具有无源元件少、开关管电压应力低、输入输出电压同极性、控制自由度多等优势,非常适用于宽输入电压的预调节器。该文对传统三模式控制的中间模式进行优化,提出一种改进型三模式控制策略,降低了导通损耗,提升了变换器工作效率。为进一步提高功率密度、降低高频硬开关带来的开关损耗和电磁干扰,该文提出变频控制策略,能够在全电压范围内实现软开关。

分析表明,改进型三模式控制可优化变频范围,与变频软开关控制具有很好的契合度。在实验室研制了一台输入80~160V,输出125V/300W的原理样机,验证了所提控制策略的正确性,并通过效率对比和损耗分析证明所提控制策略有利于FSBB实现高效率和高功率密度。

基于自互感调节的无线电能传输用E类逆变器软开关技术研究

作者：张少腾；赵晋斌；吴月宝；毛玲；梁超

摘要：针对基于E类逆变器的无线电能传输（WPT）系统中等效负载变化导致的硬开关问题,通过考虑源荷线圈耦合关系,分析多发射线圈等效耦合系数变化特征,得到发射端多线圈串联的线圈结构,实现了耦合系数及负载网络参数的动态调整,使等效负载在0~2Ropt（2倍理想负载）范围内均可实现软开关效果。最后通过仿真和实验验证该方法的可行性和有效性。

环保绝缘气体C4F7N研究及应用进展Ⅱ：相容性、安全性及设备研发

作者：李祎；张晓星；傅明利；肖淞；唐炬等

摘要：研发新一代环保型气体绝缘设备以推进输配电装备制造业绿色升级,符合构建清洁低碳能源体系的战略需求。该文在环保绝缘气体全氟异丁腈（C4F7N）研究及应用进展Ⅰ的基础上,重点关注与C4F7N应用层面相关特性的研究进展。

首先,总结了目前针对C4F7N与金属、非金属材料相容性的研究进展,评估C4F7N气体-固体材料界面稳定性;其次,分析C4F7N及其混合气体生物安全性参数,提出应用安全防护建议;最后,综述目前国内外C4F7N混合气体绝缘输配电设备的研发及应用情况,展望了环保绝缘气体目前存在的主要问题以及未来的发展趋势。

正弦振动激励下GIS内自由金属微粒运动特性

作者：李杰；李晓昂；吕玉芳；吴治诚；赵科等

摘要：自由金属微粒是影响气体绝缘组合电器（GIS）绝缘可靠性的主要威胁之一,常具有潜伏性和随机性,而GIS振动可激励微粒起跳并诱发绝缘击穿,但相关研究鲜有报道。该文建立了特高压GIS中工频电压叠加正弦振动条件下自由金属微粒的荷电、受力和运动仿真计算模型,研究了不同外施电压和振动参数对微粒运动特性的影响规律,并获得不同条件下微粒的超声飞行时间谱图。

研究结果表明：初始时刻,在壳体加速度作用下,微粒起跳场强随振幅的增加逐渐降低,微粒半径对起跳场强影响随振幅的增加逐渐减小。微粒运动过程中,相邻两次碰撞间最大飞行高度与碰撞瞬间恢复速度及电压相位有关,且与微粒飞行时间呈正相关。与仅施加工频电压相比,外施振动激励条件下,微粒飞行时间图谱在电压幅值较低时即呈现明显的三角脉冲,且微粒飞行时间图谱呈山峰状,与带状飞行图谱相比具有明显差异,具有较高的识别性。

TiO2掺杂石墨烯对SO2气体的气敏特性研究

作者：桂银刚；许文龙；张晓星；徐苓娜

摘要：气体绝缘开关设备（GIS）放电过程中产生的SO2组分,与放电故障类型和严重程度具有密切关系。探究具有优异气敏检测能力的SO2气敏传感器,可为在线监测GIS放电故障提供检测基础。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算,首先,优化了不同数量TiO2在石墨烯表面的掺杂结构,获得最优化掺杂结构;其次,让SO2气体分子以不同方式靠近本征石墨烯,计算分析SO2气体分子在TiO2-graphene表面的吸附结构、吸附能和电荷转移;最后,对比分析气体吸附前后体系的总态密度（DOS）和分波态密度（PDOS）,探究SO2与TiO2掺杂石墨烯结构之间相互作用机理。

研究发现,两个TiO2掺杂具有最优掺杂结构,对单个和双SO2气体分子均具有良好的吸附性能且都为化学吸附。因此,基于TiO2掺杂石墨烯材料的气敏传感器在GIS放电分解组分检测与故障诊断领域具有良好的应用前景。

电工环氧绝缘件缺陷无损检测方法研究进展

作者：李进；赵仁勇；杜伯学；郝留成；边凯

摘要：超/特高压输变电技术迅速发展对电力设备绝缘性能提出了更高的要求。环氧绝缘件是电力设备绝缘系统的重要组成部分,但在生产、运行过程中都会产生不同程度的缺陷,在多场耦合作用下极易引发沿面闪络或击穿故障,威胁电力设备乃至电力系统的安全稳定运行,研究环氧绝缘件中缺陷的无损检测及评价方法具有重要意义。

该文研究了环氧绝缘件在生产、运行过程中容易出现的缺陷类型,分析了不同缺陷对绝缘性能造成的影响。介绍了基于电学特性的缺陷检测方法、高频检测方法和超声波检测方法的基本原理,并评估了不同方法对环氧绝缘件缺陷的检测效果。从检测精度以及优缺点等角度对相关检测方法进行了综合评价,并对未来环氧绝缘件缺陷检测的研究和发展方向进行了展望。

基于多尺度协作模型的电气设备红外图像超分辨率故障辨识方法

作者：谢庆；杨天驰；裴少通；谢军；律方成

摘要：针对现有红外图像分辨率低、清晰度差,易影响基于红外图像的电气设备故障检测效果的缺点,提出一种基于多尺度协作模型的电气设备红外图像超分辨率故障辨识方法。该文构建了基于多尺度协作模型的电气设备红外图像超分辨率重建网络,该网络以生成对抗网络为基础,通过引入多尺度协作模型和双通道结构,改善了超分辨率重建网络对红外图像的适应性,并优化了图像特征提取效果。在实现红外图像超分辨率重建基础上,结合深度学习目标检测方法,建立电气设备红外图像超分辨率故障辨识模型。

针对所提方法进行了实验验证,实验结果表明：经该文所提超分辨率重建网络后,红外图像质量可明显提升,峰值信噪比（PSNR）、结构相似性（SSIM）值可分别提高至27.26dB、0.828 3;采用该文所提红外图像超分辨率故障辨识模型可显著提高故障辨识效果,mAP、mAR、mAC和mAIOU值平均相对提高了19.34%、19.14%、11.83%和25.03%。

真空开关高动作稳定性的永磁操动机构控制系统

作者：程显；袁晓东；葛国伟；朱剑鹏

摘要：基于永磁操动机构的真空开关被广泛应用在电力系统中,以确保真空开关在不同环境下操动的精度和动作时间稳定,可以有效提高电力系统的稳定性。该文首先对10kV真空开关操动机构的分合闸动态特性进行分析计算,并建立仿真实验模型;利用径向基函数（RBF）神经网络与模糊PID自适应控制相结合的技术设计算法控制器,对机构的线圈电流与位移特性进行实时检测控制;通过仿真实验证明了该控制器在提高机构动作稳定性上的可行性。

搭建实验测试平台,进行合闸对比实验,未加入算法控制器时,操动机构总体合闸时间在22.7~31.8ms;加入算法控制器后,合闸时间稳定在25.5~26.1ms。同时该算法控制器将机构合闸时间分散性由原来的±1.5ms降低为±0.3ms左右,不同环境温度下分散性依然可以保持在±0.3ms左右,证明加入该控制系统后,提高了动作时间的稳定性和有效性。