中国电气工程学报2021「电工学报」

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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。

电力系统黑启动恢复问题的研究评述

作者：顾雪平；白岩松；李少岩；刘艳

摘要：大停电后的恢复控制是电力系统安全防御体系的重要组成部分。在能源低碳转型背景下,我国电力系统逐渐进入新能源高占比、交直流混联和高度电力电子化的新型态,其运行控制的复杂性显著提高,因内外部因素导致系统大停电的风险依然存在,因此对黑启动恢复技术的研究仍然需要给予足够的重视。

该文对黑启动恢复问题的研究工作进行综述,首先对黑启动恢复的基本概念和过程进行介绍;然后对系统恢复策略和建模思路从时间和空间角度进行分析,在此基础上,对电力系统恢复方案制定的研究工作进行回顾并对新型态电力系统恢复决策的新特征进行讨论,之后对电力系统恢复过程中保护与控制技术的研究进行分析总结;最后对新型态电力系统恢复问题的进一步研究工作提出建议。

基于多源暂态信息融合的单端故障定位方法

作者：邓丰；徐帆；曾哲；张振冯；思旭

摘要：该文深入剖析故障暂态信息产生、传输、传变的机理,提出一种基于多源暂态信息融合的输电线路单端故障定位方法。根据故障暂态信号的传输过程和折反射机理,定性分析不同故障位置暂态信号的时-频差异性,揭示故障位置和时频特征量之间的内在联系,挖掘暂态信息中能够充分体现时频域差异性的五种典型故障特征量：各次暂态浪涌到达时间差、幅值、极性,各次暂态浪涌高低频电压幅值比和主频分量波速度。利用五种故障特征量,构建暂态信息融合矩阵,量化分析不同故障条件下,暂态信息矩阵的相似性和差异性,进而实现电力线路的准确故障定位。

该文所提方法融合多源暂态特征量,有效地克服了现有故障定位方法对单一特征量准确提取的严重依赖,具备较强的容错性能。理论研究和大量算例分析结果表明：所提定位方法受故障条件影响小,在线路发生末端高阻故障或者电压过零点故障时,仍能准确定位故障位置,可靠性高。

基于线性回归的柔性直流电网纵联保护方法

作者：束洪春；代月；安娜；唐玉涛；薄志谦

摘要：柔性直流电网线路发生故障时,线路保护装置需要快速可靠地切除故障线路以保证非故障线路能正常运行,进而提高输电系统的安全性和可靠性。为此提出柔性直流电网快速纵联保护的线性回归方法。

首先分析模块化多电平换流器（MMC）等效阻抗和平波电抗器形成的物理边界对高频分量的衰减作用,其次分析输电线路单极故障和双极故障时的电流回路以及非故障线路的电流流通情况,然后根据输电线路的电压突变的能量作为保护的启动判据,利用短时窗电流的回归系数来进行区内外故障识别和故障选极;最后,在PSCAD上搭建柔性直流电网仿真模型对保护方案进行验证,仿真结果表明,该保护方法能准确可靠地甄别故障,速动性好,具有较好的耐过渡电阻能力和适用性。

综合能源系统运行可靠性评估评述Ⅱ：数据驱动法与模型-数据混合驱动法

作者：朱继忠；骆腾燕；吴皖莉；李盛林；董瀚江

摘要：对综合能源系统进行运行可靠性评估,不仅能实现系统运行状态的实时感知,而且能对系统的短期运行风险进行合理预测。利用数据驱动的人工智能技术解决能源领域问题是当下的研究热点。

该文首先基于数据驱动法对考虑时变性与供需不确定性的综合能源系统设备运行可靠性建模方法进行阐述和总结,并归纳出在设备运行可靠性建模方面现有研究存在的不足;其次,详细总结数据驱动及模型-数据混合驱动两种运行可靠性评估方法的原理、研究现状和目前研究存在的局限性;最后,针对现有研究存在的问题,对综合能源系统运行可靠性评估研究进行总结与展望并提出人工智能背景下模型-数据混合驱动的运行可靠性建模及评估总体思路。

基于支持向量数据描述和XGBoost的风电机组异常工况预警研究

作者：马良玉；程善珍

摘要：该文提出一种基于支持向量数据描述（SVDD）和XGBoost模型的风电机组异常工况预警方法。从机组监控与数据采集系统（SCADA）数据中选择与转速和发电功率密切相关的特征变量,利用SVDD算法对建模数据进行预处理,采用XGBoost建立风机正常性能预测模型。以所建预测模型为基础,构建时间滑动窗计算性能评价指标,并根据统计学的区间估计理论合理确定风机性能异常预警指标阈值。采用某风电场1.5MW风电机组SCADA系统记录的若干真实故障案例,开展异常工况预警仿真试验。

结果表明：基于SVDD和XGBoost的风机异常工况预警方法,可以有效地清洗数据,及时识别风电机组异常状态,对于提高风电机组运行的安全性具有较好的工程实用意义。

Stackelberg博弈在电力市场中的应用研究综述

作者：张衡；张沈习；程浩忠；张希鹏；谷青发

摘要：可再生能源并网常态化、储能投资商业化、需求侧管理多样化、多能互补成熟化等在电力系统源、网、荷侧引入的利益主体不断增多,而受自身规模、所处市场地位不同造成了决策次序的差异性。针对电力市场环境下电力系统投资、交易等环节中普遍存在的次序决策问题,该文以具有主从递阶结构的Stackelberg博弈理论为切入点,综述了其在电力市场中的应用情况。

首先,阐述了Stackelberg博弈理论的数学结构,并根据主/从问题中博弈者的数量进行了分类;然后,梳理了Stackelberg博弈在电力市场中的典型应用,总结了模型对等转换技巧,归纳了各类求解方法及其优缺点;最后,提炼了Stackelberg博弈理论在电力市场应用中仍然存在的关键问题。该文为处于不同决策位置的利益主体参与电力市场竞争提供了参考。

基于智能软开关的主动配电网电压模型预测控制优化方法

作者：高聪哲；黄文焘；余墨多；陈旸；邰能灵

摘要：配电网分布式电源出力与负荷功率具有强波动性与随机性,使得电压越限与异常问题频发且越发严重。

该文提出一种基于智能软开关的主动配电网电压模型预测控制优化方法,仅利用智能软开关两端节点电气信息,以长时间尺度优化结果为基础,建立基于灵敏度的配电网电压与线损预测模型,以节点电压偏差与配电网损耗最小为目标,通过滚动优化超前调控节点间的交换功率,并根据控制误差对预测模型进行反馈校正,完成对配电网电压的快速、实时优化控制,有效解决了已有电压调控方式依赖全局信息且难以应对节点功率快速波动的难题。

分别以IEEE 33节点与实际配电网为算例,验证了该文所提方法的有效性、可靠性和经济性,可为构建新能源为主体的新型配电网提供技术参考。

计及爬坡场景覆盖的高比例新能源电网平衡策略研究

作者：亢丽君；王蓓蓓；薛必克；冯树海

摘要：随着高比例新能源接入电网,系统在安全、可靠性等方面面临着新的挑战,通过改进日内平衡资源配置方案增加系统调度的运行灵活性的相关研究受到广泛关注。该文在日前既有调度方案的基础上,在日内2h尺度确定快机开停机及各类灵活性资源的出力、灵活性预留结果,并关注灵活性预留的可调度性,建立场景覆盖指数以评价该备用配置方案在实时时间尺度系统可响应量。基于此构建计及日内爬坡场景覆盖的高比例新能源电网日内平衡策略。

算例结果说明该文提出的日内平衡策略由于更精确地计及了机组爬坡特性,而使得系统灵活性资源的预留具备可量测性,提高了系统的灵活性水平,减少了弃风/切负荷事件的发生概率。

基于联合时序场景和源网荷协同的分布式光伏与储能优化配置

作者：李勇；姚天宇；乔学博；肖娟霞；曹一家

摘要：主动配电网可通过协同调度灵活性资源促进分布式光伏（DPV）电量消纳,为此提出基于联合时序场景和源-网-荷协同的DPV与储能系统（ESS）联合优化配置方法。基于动态弯曲时间特性提出光-荷联合时序场景生成方法,处理源-荷不确定性和时序相关性;建立源、网、荷、储灵活性资源数学模型;以DPV全年总发电量最大为目标,兼顾配电网经济性,建立DPV与ESS联合优化配置的混合整数线性规划模型。以某51节点标准测试系统为例验证所提方法的有效性,量化分析不同灵活性资源对DPV消纳的提升效果。

多芯片并联IGBT模块老化特征参量甄选研究

作者：丁雪妮；陈民铀；赖伟；罗丹；魏云海

摘要：多芯片并联的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是大容量电力电子装备的核心器件,其运行可靠性受到业界的广泛关注。甄选能表征多芯片并联IGBT模块老化状态的特征参量对系统主动运维和可靠性提升十分重要。

该文以英飞凌1.7kV多芯片并联封装IGBT模块为研究对象,对比分析芯片焊料层老化和键合线脱落对电-热-磁特性影响规律,提出磁感应强度作为多芯片并联IGBT模块疲劳失效状态监测的特征量。首先,建立多芯片并联IGBT模块稳态导通等效电路,定性分析模块退化与磁感应强度的耦合关系;其次,基于模块的三维电-热-磁有限元模型研究多芯片并联IGBT模块电、热、磁参量在老化失效中的变化规律和灵敏性。

结果表明,磁感应强度在两种失效模式中灵敏性均最高,并不受环境温度变化的影响,而且在测量中可以避免与模块电路的直接接触,对模块的正常运行影响较小,因此适合作为多芯片并联功率模块运行状态监测的特征参量。

低压断路器机械特性状态监测方法研究

作者：胡博凯；李奎；牛峰；赵成晨

摘要：低压断路器作为低压配电系统中重要的保护装置,主要用于切断和接通负荷电路以及断开故障电路,以保证系统安全稳定运行。断路器内部机械部件的可靠运行对其操作性能至关重要,随着操作次数的增加,断路器的机械特性将逐渐退化,最终破坏操作机构的正常运动,进而引起合分闸失败,甚至对配电系统造成影响。为了准确监测低压断路器的机械特性,提出基于操作机构运动特性的低压断路器机械特性状态监测方法。

首先,根据操作机构的运动特性分析机构合分闸过程中的旋转特征,并选取能够反映操作机构性能的特征量;其次,定量分析触头磨损、机构磨损和分闸弹簧断裂对机构性能的影响,通过实时监测特征量的变化实现机械部件性能的诊断;最后,通过定量计算触头超程性能退化对分闸能量和机构性能的影响,实现触头超程状态的监测。实验结果表明,所提方法能够有效监测低压断路器机械部件的状态信息,实现触头超程状态的准确评估,为低压断路器机械特性状态监测与诊断提供一种新方法。

基于非下采样剪切波变换的元素分布与形貌信息融合方法在触头表面微观分析上的应用

作者：李文华；赵培董；赵正元；潘如政；胡康生

摘要：针对观察单模态图像难以对触头表面进行完整评价的问题,为将所有相关信息从多种模式有效部署到单个图像中,该文提出一种基于非下采样剪切波变换（NSST）的元素分布与形貌信息融合方法。

对于扫描电子显微镜&X-射线能谱仪（SEM&EDS）记录的触头表面的元素分布与三维非接触式分析系统记录的表面微观形貌信息,首先在鲸鱼优化算法（WOA）的帮助下,采用基于B样条配准方法;其次应用一种新的加权能量融合规则,实现了具有不同分辨率的多模图像的融合;最后从融合触头图像中圈定出不同元素分布。

通过融合结果,该文分析了触头材料转移和微观形貌,研究了触头表面元素分布,为分析触头表面结构变化、分析并定位表面聚集膜以及准确地计算接触电阻奠定了基础。

基于本体追踪的永磁同步电机驱动系统开路故障诊断方法

作者：张潇丹；段斌；刘昌杰；陈月平

摘要：针对永磁同步电机（PMSM）系统故障间关联性强、异构信息复杂繁多以及传统故障诊断方法无法追溯耦合故障发生的真正原因等问题,提出了基于本体追踪的故障诊断方法。

以PMSM驱动系统开路故障为主要研究对象,首先,对PMSM故障诊断领域本体模型进行形式化定义及标准化构建,统一集成PMSM系统中密集的异构信息;其次,在改进归一化误差电流数据分析法能够精准快速地定位故障开关管的基础上,将定量分析所得故障特征及识别结果映射到故障领域本体模型中,扩展了故障诊断范围;最后,经语义Web（SWRL）规则库的预设以及基于规则的推理,融合本体技术进行故障诱因、故障类型等信息的追溯及诊断。

经实验验证,该方法提高了各子系统间信息的利用率,能够合理地追溯故障原因,为大型复杂系统的故障诊断提供了一个可共享、易更新的标准化方法。

双层腔体屏蔽效能随孔缝位置与数量变化规律研究

作者：张岩；田铮；王川川；杨清熙；王思飞

摘要：孔缝位置及数量会影响电磁波衍射,进而对双层腔体屏蔽效能产生重要影响。以中心位置携带单孔缝的双层腔体为研究对象,基于Robinson等效电路法与电磁拓扑理论,推导得到计算平面波辐照下双层腔体屏蔽效能的Baum-Liu-Tesche（BLT）方程。通过将偏心系数Cm与Robinson孔阵阻抗引入BLT方程,使修正后的BLT方程能计算含有任意孔缝位置与数量的双层腔体屏蔽效能。

结果表明,双层腔体屏蔽效能随着内外层孔缝重合面积的减小而升高;当面积一定时,屏蔽效能随孔缝数量的增多而提高,然而,孔缝长度与波长相等时,屏蔽效能降低至极小值。BLT方程计算结果与CST仿真结果基本一致,并且计算时间极大幅度降低,证明修正后的BLT方程具有可靠性与快速性,为计算双层腔体屏蔽效能提供了一种有效且快速的方法。

无线电能传输中的QDS线圈偏移特性研究

作者：孔令超；李厚基；潘搏；王勇

摘要：在无线电能传输系统中,不可避免地会出现发射线圈和接收线圈未对准的情况,这会降低线圈的耦合系数和传输效率。目前常用的线圈,例如DD线圈、DDQ线圈等,仅在一个方向上具有良好的偏移特性。为了解决这个问题,该文提出了一种在多个方向上都有良好抗偏移能力的QDS线圈。

首先研究了线圈的磁耦合结构,推导了QDS线圈互感的理论表达式;然后利用JMAG软件,对方形线圈、DD线圈、QD线圈和QDS线圈进行仿真,通过分析线圈的磁感应强度分布特性和偏移特性,证明QDS线圈具有较强的抗偏移能力;最后,搭建了平台,测量线圈偏移时的互感,通过与方形线圈、DD线圈和QD线圈进行比较分析,验证了QDS线圈的优势。

一种高频率分辨率的谐波、间谐波分析模型

作者：李文番；张国钢；钟浩杰；陈沐傈；耿英三

摘要：非线性负载、电力电子设备等给电力系统引入了大量的谐波、间谐波,对电力系统的安全稳定运行造成威胁。离散傅里叶变换（DFT）技术频率分辨率较低,当间谐波与基波或者谐波之间的频率间隔较小时,无法对邻近频率分量进行准确分辨;矩阵束法等频率分辨率较高的算法通常运算量较大,只能进行谐波、间谐波的离线分析。该文结合全相位傅里叶变换（ApFFT）和泰勒傅里叶多频模型,提出一种频率分辨率高、计算量小的谐波、间谐波分析模型,其频率分辨率远大于传统DFT技术,运算速度约是矩阵束法的39倍。

该文对该模型的噪声鲁棒性、频率分辨率、运算速度进行了仿真分析和实验验证。仿真和实验结果表明,所提出的模型具有良好的噪声鲁棒性,频率分辨率可以达到12Hz,进行谐波、间谐波分析时的频率误差小于0.01Hz,幅值误差小于5%,可以实现谐波、间谐波的快速检测。

微纳粉尘运动行为与微弱放电探测技术研究进展

作者：薛乃凡；李庆民；刘智鹏；常亚楠；梁瑞雪

摘要：气体绝缘开关/气体绝缘输电线路（GIS/GIL）装备在生产、安装和运行过程中不可避免地会产生微米-纳米尺度的粉尘,这种微尺度粉尘不易被检测到,其荷电运动的物理机制尚不清晰,带来的安全隐患隐蔽性强。该文对国内外相关研究进展进行了梳理,主要包括粉尘的荷电运动行为与表征、粉尘浓度检测、粉尘可视化探测技术、粉尘诱发微弱放电机制等。

在此基础上,进一步梳理微纳粉尘研究有待解决的两个关键问题以及需要突破的技术难点。针对微纳粉尘的随机荷电机制与时空动力学行为特性研究,在测量基础上须突破微纳粉尘的快速识别方法和空间浓度的有效检测技术,其中,微纳粉尘运动行为的可视化探测技术是发展方向。针对荷电微纳粉尘诱导微弱放电的物理机制,需利用放电光谱学特征,发展基于飞秒激光和太赫兹波技术的高灵敏度检测方法。上述问题的有效解决,可为处理GIS/GIL内微纳粉尘引发的绝缘缺陷与放电现象提供基础支撑。

C4F7N/CO2/O2与三元乙丙橡胶的相容性及相互作用机理研究

作者：吴鹏；叶凡超；李祎；唐炬；肖淞 等

摘要：C4F7N混合气体凭借良好的电气性能以及较低的温室效应潜在值近年来备受关注。然而,在C4F7N及其混合气体投入实际使用以前,其与气体绝缘设备内部密封材料的相容性仍需检验。目前虽然已有关于该气体与三元乙丙橡胶的相容性研究,但对于不同第三单体的三元乙丙橡胶与C4F7N混合气体的相容性对比以及气固相互作用机理的相关报道较少。

该文选取ENB、DCPD两种第三单体的三元乙丙橡胶开展了其与C4F7N/CO2/O2混合气体的相容性实验,发现三元乙丙橡胶中的某些活性结构与C4F7N的CN基团之间存在反应,而通过涂覆硅脂能够有效阻隔气体与橡胶表面的接触,减少C4F7N的分解。此外,在对比两种橡胶的实验结果后发现,ENB-三元乙丙橡胶相较于DCPD-三元乙丙橡胶更适合用作C4F7N混合气体的密封材料,其差异来自两种第三单体所能提供的交联效率不同。

基于二元布气的大气压等离子体沉积TiO2功能层提高陶瓷表面绝缘性能

作者：赵鸣鸣；于维鑫；孔飞；章程；程显 等

摘要：真空/固体介质界面的绝缘性能相对较低,真空沿面闪络现象时有发生,严重威胁高压电气设备、脉冲功率系统的安全可靠运行。为提高陶瓷材料在真空中的表面绝缘性能,该文采用大气压等离子体沉积技术,以钛酸四乙酯与乙醇的混合溶液为前驱物,利用二元布气的反应器在陶瓷表面沉积二氧化钛（TiO2）薄膜。通过调控沉积条件,得到均匀致密的TiO2功能层,并对沉积改性前后材料表面的理化特性、表面电荷特性、电荷陷阱分布以及在真空中的沿面闪络特性进行测量和表征。

实验结果表明：当基底温度为25℃时,大气压等离子体沉积处理在陶瓷表面引入TiO2功能层后,样品表面陷阱能级最低,电荷消散速度最快,与未处理样品相比,闪络电压提高39%;当基底温度升高至80℃时,TiO2功能层致密均匀,样品表面陷阱能级最高,电荷陷阱逐渐变为深陷阱,闪络电压提高58%。通过大气压等离子体改性技术在绝缘材料表面沉积TiO2功能层,能够有效提高陶瓷的表面绝缘性能,为后续工程应用提供新的改性途径。

B2O3掺杂对直流ZnO压敏电阻老化特性的影响

作者：程宽；赵洪峰；周远翔

摘要：ZnO压敏电阻是避雷器的核心部件,其性能的好坏直接影响着避雷器的电气性能。因此,该文致力于通过B2O3的掺杂以改善直流ZnO压敏电阻的非线性和高荷电率下的老化稳定性,并利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电容-电压（C-V）等特性测试研究B2O3掺杂对直流ZnO压敏电阻的微观结构和电气特性的影响。然后,在115℃、0.95E1mA的条件下对直流ZnO压敏电阻进行1000h的直流加速老化试验,以验证其在高荷电率下的老化稳定性。

试验结果表明,B2O3的掺杂提高了晶界层的势垒高度,改善了直流ZnO压敏电阻的非线性特性,并降低了其在高荷电率下的老化系数。

湿度对悬浮液滴荷电特性及离子流场特性的影响

作者：申南轩；苏子寒；张远航；卢铁兵

摘要：为了明确湿度对高压直流导线离子流场的影响,在人工气候室中使用同轴圆柱电极电晕放电实验平台对不同湿度条件下正极性高压直流导线的离子流场进行测量,分析湿度对正极性导线离子流场的影响规律,通过引入用于表征悬浮液滴荷电能力大小的参数,计算不同湿度条件下悬浮液滴的荷电特性和电场分量。

计算结果表明：相对湿度小于60%和大于等于60%环境下离子流场中悬浮液滴荷电特性不同,相对湿度小于60%时,悬浮液滴荷电能力较弱且几乎不随湿度发生变化,空间电荷以离子为主,荷电液滴对离子流场影响较小,导线电晕放电特性和离子迁移率随湿度变化是影响离子流场的主要因素;相对湿度大于等于60%时,悬浮液滴荷电能力随湿度线性增大,悬浮液滴空间电荷密度迅速增加,荷电悬浮液滴成为影响离子流场的主要因素之一。

特高压换流站大尺寸典型电极起晕特性的仿真与试验

作者：刘鹏；郭伊宇；吴泽华；张炜；谢梁

摘要：为确保特高压换流站均压屏蔽装置设计合理可靠,提出用于一种分析复杂电场环境下大尺寸典型电极起晕特性的三维仿真计算方法,并开展大尺寸球、环电极电晕试验进行试验验证。试验结果表明,所提出的计算方法能够有效计算特高压换流站大尺寸典型电极表面起晕电场强度,预测值与试验值的相对误差范围在-2.6%~3.4%之间。该文分析并验证了均压环等效半径经验公式,获得该公式适用的均压环管径与环径范围。研究成果可为大尺寸电极起晕电场强度预测、换流站均压屏蔽金具设计提供参考和依据。

基于截断奇异值分解与K-Medians的局部放电源定位方法

作者：宁暑光；何怡刚；刘倩倩；隋永波

摘要：针对复杂环境中特高频信号达时差误差较大,引起非线性方程求解不准确的问题,提出一种基于截断奇异值分解（TSVD）与K-Medians的局部放电（PD）源定位方法。

首先,通过超高频天线获取PD信号,利用能量积累提取时差信息。其次,针对线性方程求解困难且不准确的难题,提出随机组合线性变换方法。将非线性定位方程组进行线性转化,同时利用预处理技术消除坐标系选取对定位方程的影响。然后,采用TSVD正则化算法求解线性方程,引入K-Medians聚类算法对TSVD正则化算法进行优化改进,进而实现了变电站场景下PD源的坐标定位。最后,通过理论验证与现场实验两种途径对所提出的方法进行分析。实验结果验证了所提定位方法的可行性与准确性。