中国电气工程学报2020年第17期「2021年第255天是几月几号」

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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。

环保型绝缘气体安全应用技术专题

环保绝缘气体C4F7N研究及应用进展Ⅰ: 绝缘及电、热分解特性

作者：李祎；张晓星；傅明利；肖淞；唐炬；田双双

摘要：目前在中、高压气体绝缘输配电设备中大量使用的SF6是一种极强的温室气体。为实现“2030年碳达峰,2060年碳中和”的减排目标,推进输配电装备制造业清洁低碳转型和绿色发展,开发环保型气体绝缘介质及设备以逐步减少SF6的使用已成为研究热点。近年来,全氟异丁腈（C4F7N）及其混合气体凭借优良的绝缘及环保性能被广泛关注,被认为是极具潜力的SF6替代气体。

该系列文章综述了近五年来国内外有关环保绝缘气体C4F7N的主要研究成果。本文综述Ⅰ首先介绍了常见环保绝缘气体基础参数;其次对C4F7N混合气体的绝缘和灭弧特性研究进展进行了总结;最后介绍了C4F7N的电、热分解机理及分解特性,并展望了未来针对绝缘性能及电、热分解特性的研究趋势。

环保型介质HFO-1234ze(E)的分解路径及其化学反应速率分析

作者：柯锟；田双双；张晓星；许正望；王宇非

摘要：近年来,HFO-1234ze(E)被电力行业研究者们视为一种具有较大潜力应用于中低压电气设备中的新型环保气体,但是对该分子的分解过程及化学反应速率还缺乏研究。该文首先基于密度泛函理论（DFT）计算了HFO-1234ze(E)的基本性质、气体分子断键和成键的规律、反应的焓值变化和化学反应速率,推断出可能的分解及其复合路径,并对分解产物的频率特性进行分析;最后通过工频击穿放电试验,采用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）对分解产物进行定性分析。

研究发现HFO-1234ze(E)分子的初步解离途径主要为C=C双键、C-H以及C-F单键;自由基F产生的路径较多,且相应的焓值变化较低,在分解过程中占主导地位;通过化学反应速率的计算,发现C-H键反应较为容易发生,验证了C-H键具有较高的化学反应活性且反应中存在大量自由基H;对分解产物的频率特性分析发现,除顺式C3H2F4以外均具有稳定的结构,同时试验分解产生的CF4、C2F6和C3F6等产物,与仿真结果基本相一致,验证了仿真计算结果。

铂掺杂单壁碳纳米管对新型环保气体CF3I典型分解产物吸附特性研究

作者：曹政钦；李威；魏钢；姚强；胡刚

摘要：环保型绝缘气体CF3I会在局部放电下发生分解并生成C2F6、I2、C2F5I、C2F4和CH3I等产物。为此,该文基于密度泛函（OFT）理论,构建和优化了PT掺杂（8, 0）单壁碳纳米管（Pt-SWCNT）及两种典型CF3I局部放电分解产物C2F6和CH3I的分子模型。在此基础上,计算和分析了C2F6和CH3I气体在Pt-SWCNT上的吸附距离、吸附能量、电荷转移量、态密度和前沿分子轨道等吸附特性。

研究发现：Pt-SWCNT和C2F6分子间的吸附能及电荷转移量均很小,并且吸附前后的态密度和能隙变化并不明显,表明Pt-SWCNT并不适用于检测C2F6气体。而Pt-SWCNT和CH3I分子之间有着较强的相互作用,并且该吸附以化学吸附为主,吸附CH3I后的能隙显著减小,表明Pt-SWCNT对CH3I气体具有较好的气敏特性。这为环保型气体CF3I在气体绝缘设备中的监测提供理论依据。

典型断口结构下C4F7N/CO2混合气体绝缘特性实验研究与仿真分析

作者：辛昭昭；姜旭；霍鹏

摘要：环保C4F7N/CO2混合气体是目前最具潜力的SF6替代介质。为研究C4F7N/CO2混合气体绝缘特性及其与典型断口结构下电场的匹配关系,该文结合72.5kV开关产品隔离断口、同轴电极两种结构进行了样机设计,通过实验研究了雷电冲击电压下,不同充气压力、不同断口开距等对气体绝缘性能的影响,通过仿真计算获得了不同断口结构、不同断口开距下的电场强度分布变化。

实验与仿真结果表明,隔离断口结构及同轴电极结构下,表压0.4MPa的20�F7N 80%CO2混合气体、表压0.5MPa的16.7�F7N 83.3%CO2混合气体,绝缘强度均可达到同等气压下纯SF6气体的80%以上。在隔离断口结构下,开距8mm、246kV施加电压（0.4MPa下50%击穿电压）,计算断口间的最高电场强度为38.3kV/mm;在同轴电极结构下,间隙10mm、228.5kV施加电压（0.4MPa下50%击穿电压）,计算同轴间隙间的最高电场强度为26.8kV/mm。为达到表压0.4MPa、开距6mm下纯SF6气体的绝缘水平,C4F7N/CO2混合气体的压力可增大至0.5MPa或断口距离增大至约8mm。

该文最后还对C4F7N/CO2混合气体的电场强度设计基准进行了探讨。实验研究与仿真分析结果验证了C4F7N/CO2混合气体工程应用的可行性,尤其对开关设备中应用C4F7N/CO2混合气体时的绝缘结构设计具有指导意义。

电力装备智能感知与智能终端

电力物联网数据传输方案：现状与基于5G技术的展望

作者：黄彦钦；余浩；尹钧毅；孟国栋；成永红

摘要：当前,电力物联网作为电力行业向能源互联网发展革新的过渡形态,在监控、管理等方向面临着新时代数字化变革。现有数据传输方案应对变革乏力,急需引入先进的数据传输方案作为数字化先导,引领并完善电力物联网的建设。第五代移动通信技术（5G）因具有带宽、时延、传输速率等性能指标上的优势,受到了各行各业青睐,在未来也被期望能够与电力物联网深度融合,应对发展挑战。

为此,该文以电力物联网数据传输方案为研究对象,首先阐述了电力物联网建设完善过程中数据传输的重要性,通过梳理电力物联网构架,分析了其中的数据传输网络,将数据传输方案应用场景划分为采集、控制和电力业务信息传递三大类;然后,以此为据,梳理、讨论了现有数据传输方案在电网中的应用现状,并结合当下数字化变革分析了电力物联网对数据传输方案的新需求;随后,从5G技术特征出发,分析了5G技术在电力物联网中的适用性,并对其在电力物联网中的研究现状进行了概述;最后,指出5G技术在电力物联网中应用将会面临的挑战,并展望了电力物联网数据传输方案将承载多元化的海量信息和以一体化通信架构发展的趋势,以期为电力物联网的深入研究和实践提供参考。

基于协同深度学习的二阶段绝缘子故障检测方法

作者：王卓；王玉静；王庆岩；康守强；V. I. Mikulovich

摘要：针对现有绝缘子故障检测模型受航拍图像中复杂背景干扰导致准确率低的问题,提出一种基于协同深度学习的二阶段绝缘子故障检测方法。该方法将全卷积网络（FCN）与YOLOv3目标检测算法相协同,第一阶段,利用FCN算法对航拍图像预处理,设计跳跃结构融合浅层图像特征与深层语义特征,构建8倍上采样的绝缘子分割模型,结合图像像素逻辑运算,实现绝缘子目标的初步分割,避免背景区域对绝缘子故障检测的干扰。

在此基础上,第二阶段构建YOLOv3模型进行绝缘子故障检测,以深度神经网络Darknet-53作为特征提取器,借鉴特征金字塔思想,在三个尺度的输出张量上对绝缘子故障进行标记和类别预测,保证模型对不同尺寸的绝缘子故障准确检测。利用K-means聚类算法优化YOLOv3的锚点框参数（Anchor Boxes）,进一步提升检测精度。

实验结果表明,基于协同深度学习的二阶段方法能够有效克服复杂背景的干扰,在绝缘子故障检测中平均准确率（MAP）高达96.88%,较原始YOLOv3算法MAP值提升了4.65%。

电磁式电压互感器“低频过电压激励-响应”逆问题求解

作者：杨鸣；熊钊司；马文霞；李永福；何东升等

摘要：电磁式电压互感器（PT）作为电力系统中已大规模应用的电压感知设备,在低频电磁暂态电压激励下可能出现铁心饱和,引起二次响应电压波形畸变、测量误差激增。通过求解PT的“低频过电压激励-响应”逆问题,由PT二次响应电压计算得到其一次激励电压。该文基于电磁对偶原理建立计及铁心深度饱和特性的PT正向电路模型及其参数提取方法,进而构建其逆向数学模型,提出PT“低频过电压激励-响应”逆问题的求解方法。

针对10kV真型PT的低频暂态仿真与试验数据进行“低频过电压激励-响应”逆问题求解方法的验证,结果表明：提出的逆向求解方法可将PT的低频电磁暂态测量误差从65.6%降低至10%,解决了其在低频暂态电压激励下的测量失真难题。

基于点对称变换与图像匹配的变压器机械故障诊断方法

作者：赵莉华；徐立；刘艳；刘健犇；黄小龙

摘要：变压器本体的振动信号与其机械状态密切相关,利用该特点可实现对变压器机械故障的判别。该文提出了一种基于点对称变换（SDP）与图像匹配的变压器机械故障诊断方法。

首先通过集合经验模态分解（EEMD）对初始信号进行分解,并选择合适的分量对信号进行重构,去除变压器自身及外界环境的干扰;接着通过SDP获得重构后的振动信号的SDP图像,并在每类故障中选择部分图像,利用聚类模板提取共同特征获得该类故障下的典型故障模板;最后通过比较未知故障信号的SDP图像与各类典型故障模板SDP图像的相似度实现最佳匹配,完成变压器机械故障的诊断。

变压器的实验结果表明：不同类型的机械故障SDP图像间存在明显特征差异,该方法可以实现机械故障的有效判别。与传统的机械故障诊断方法相比,该文所提方法考虑了外界高频干扰,避免了提取多个特征量的繁琐步骤,操作简单且准确率高。

基于图像复原技术与约束最小二乘方滤波器的绝缘子表面电荷反演算法

作者：潘子君；潘成；唐炬；郝留成；王亚祥

摘要：该文借鉴图像复原技术的处理手段,提出一种针对平移不变系统的绝缘子表面电荷反演算法。通过二维傅里叶变换将电位-电荷间的矩阵运算转换至频域,并利用约束最小二乘方（CLS）滤波器抑制噪声干扰,进而实现了表面电位分布到表面电荷密度分布的推导。

进一步,结合仿真算例讨论该算法的实现流程与计算精度,并与常见的维纳滤波法和模拟电荷法的计算结果进行对比;通过引入偏差系数定量分析不同算法对目标信号的复原能力与对噪声信号的抗干扰能力。最后,综合表面电位测量实验与粉尘图法验证算法的有效性。

结果表明,该文所述CLS-filter算法能有效滤除测量过程中引入的噪声信号,提升电荷反演稳定性,且在高等级噪声干扰下的计算精度显著优于现有算法。该算法所得电荷分布与粉尘图谱较为吻合,计算结果具备一定的准确性与可靠性。

电工理论与新技术

含微裂纹铝材的电磁超声Lamb波混频非线性检测及量化分析

作者：刘素贞；杨圣哲；袁路航；张闯；金亮

摘要：早期微裂纹的检测是结构失效分析的关键,该文利用电磁超声Lamb波混频检测的方法,综合考虑微裂纹界面呼吸作用的特点,以弹簧模型为基础并考虑微裂纹界面的迟滞效应和阻尼力,建立含有微裂纹的三维Lamb波混频非线性检测模型,模拟混频超声波作用下微裂纹的波动状况,分析混频超声波与微裂纹界面发生的非线性作用,研究微裂纹长度与深度的变化对混频调制效果的影响。最后搭建电磁超声混频非线性检测系统,根据差频非线性系数与和频非线性系数对微裂纹长度变化敏感性的不同定义了综合系数因子,量化分析微裂纹的长度。

通过实验数据得到了综合系数因子与微裂纹长度之间的关系,并对微裂纹长度进行了预测。实验结果表明,利用综合系数因子可以对微裂纹长度进行有效的预测。

电场耦合无线电能传输技术综述

作者：卿晓东；苏玉刚

摘要：近年来,电场耦合无线电能传输（EC-WPT）技术迅速发展,在传输功率和传输距离上有了数量级的提升。该文总结了国内外相关文献中关于EC-WPT技术的概念,简要介绍了EC-WPT系统的基本工作原理,论述了EC-WPT技术在系统建模、电场耦合机构、高频功率变换器、谐振网络、控制方法、电能与信号并行传输方面有指导价值的理论研究成果,分析了EC-WPT技术在消费电子、植入式医疗设备、工业制造、电动汽车、水下设备领域的应用,重点围绕单电容无线电能传输、跨越金属传能、电场耦合机构损耗模型、磁场耦合与电场耦合混合型WPT系统、安全问题五个方面阐述和讨论了EC-WPT技术未来值得关注的研究方向。

基于非解耦节点导纳矩阵的随桥电缆接地方式研究

作者：徐星；陈向荣；杜振东；裘立峰

摘要：由于桥梁结构的特殊性,随桥电缆的接地方式成为决定跨海输电系统安全可靠的重要因素。该文考虑架空敷设环境的影响,推导了随桥电缆系统的单位长度串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵;引入矩阵的非解耦形式,对节点导纳矩阵的计算进行简化;推导同阶和不同阶节点导纳矩阵的级联公式,构建随桥电缆系统稳态计算的矩阵解法。利用该矩阵解法对舟岱大桥220kV随桥电缆工程开展了接地方式研究。

研究结果表明：金属护套和回流电缆的感应电压幅值最高可以达到87.15V;金属护套和回流电缆的环流幅值最高可以达到79.57A。环流造成的总损耗功率达到360.34kW。在电缆交叉互联接头处串联阻抗可以有效减小损耗,阻抗相角为60°时降损效果最优。所做工作为随桥电缆系统的接地方式研究提供了新的计算方法和工程应用参考。

基于正交式磁结构及原边功率控制的无人机无线充电系统

作者：蔡春伟；姜龙云；陈轶；武帅；张志鹏

摘要：该文提出一种基于正交磁耦合机构的无线充电系统,采用原边功率控制策略实现中大型多旋翼无人机静态无线充电。原边采用双极性发射线圈,接收端采用空心线圈且垂直放置于发射线圈中线位置,从而形成磁场正交耦合。进行有限元仿真,测试分析耦合机构的耦合能力及容错位性能,优化发射线圈结构进而压缩磁场的空间分布,减小对云台设备的电磁影响。

采用串-串（SS）补偿网络,接收端整流后直接充电,获得逆变桥移相角与充电电流、电压的关系,采用原边功率闭环控制实现对无人机精确的恒流/恒压闭环充电。搭建实验样机,结果表明系统可有效传输500W充电功率,效率为90.86%,可实现10A恒流/50V恒压闭环充电控制;接收端重130g,可便捷安装于无人机。

基于形态滤波的接地网拓扑检测

作者：王文东；胡绪权；徐正玉；王浩文；付志红

摘要：探测变电站接地网网格结构一般采用向接地网注入电流,寻找地表磁感应强度峰值的方法。针对该方法难以识别弱峰值和易受异常数据干扰,提出了一种基于形态滤波的方法。通过构建复合滤波器对磁场数据进行边界提取,直接获得接地网拓扑结构。基于感应磁场的分布规律分析,建立了用于描述地表磁场的空间分析函数;进而使用形态学中腐蚀和膨胀方法对磁场数据滤波,以消除随机噪声和异常数据;最后依据网格连通性特征,基于形态学分水岭算法准确提取接地网拓扑。

仿真和实验结果表明,形态滤波方法能有效识别磁场数据微弱处的接地网结构,而且能有效地应对工程现场的噪声和干扰,具有很好的鲁棒性。

电能存储与应用

基于改进支持向量回归的锂电池剩余寿命预测

作者：徐佳宁；倪裕隆；朱春波

摘要：锂离子电池凭借其优越的性能广泛用于电动汽车及储能领域。然而,随着使用时间增加,锂离子电池性能大幅度衰退,会间接导致设备性能衰退或发生故障。因此,准确预测锂离子电池剩余有效寿命（RUL）,能够对电池进行及时维护和更换,保障电池安全可靠运行。

该文从充电过程中提取能够表征电池性能退化的间接健康因子,并利用Pearson和Spearman相关性分析法分析与容量之间的相关性;构建一种基于间接健康因子的改进蚁狮优化算法（IALO）支持向量回归（SVR）预测方法,实现在线准确预测锂离子电池RUL。利用NASA电池数据集对IALO-SVR方法进行验证,对比分析反向传播（BP）和SVR方法,实验结果表明,所构建的IALO-SVR方法能够更加准确地预测锂离子电池RUL。

变温度下IHF-IGPR框架的锂离子电池健康状态预测方法

作者：韩乔妮；姜帆；程泽

摘要：通过研究锂离子电池的容量退化与充放电过程中电流、电压、温度等参数的变化趋势的关系,提出一种不同温度条件下基于锂离子电池间接健康特征（IHF）和改进高斯过程回归（IGPR）模型的电池健康状态（SOH）预测方法。

针对变温度预测时IHF提取问题,在充放电阶段自适应地提取电压、时间曲线中的健康特征（HF）,采用随机数法获取最优的区间。针对容量再生问题,以有理二次协为核函数建立SOH预测的高斯过程回归（GPR）模型,并引用共轭梯度算法优化GPR模型。最后,以方均根误差（RMSE）和平均绝对百分比误差（MAPE）两项评价指标对所提出的框架在电池数据集上设计了单电池、多电池实验进行验证。

结果表明：基于常温下等充电时间电压差（CVD-ETS）与高（低）温下等压降放电时间（DTD-EVS）的IGPR方法可以预测锂离子电池容量退化的非线性趋势,所提方法具有小样本性以及较高的预测精度与广泛的适用性。

电机及其系统

考虑饱和效应的无刷双馈发电机功率模型预测控制

作者：魏新迟；许利通；骆仁松；程明；朱建国

摘要：该文建立了无刷双馈发电机（BDFIG）考虑饱和效应的动态模型,详细分析了有功功率与无功功率分配,提出考虑饱和效应的功率模型预测控制策略。基于无刷双馈发电机的饱和特性进行励磁电感估算,实时修正每周期输入至控制器的电感参数,实现了功率的精确控制,保证控制侧电流的正弦度和较低的开关频率。通过对功率模型预测控制系统的仿真及实验研究,明确了影响饱和效应的运行因素,最后通过实验验证了所提控制策略的有效性。

聚磁式横向磁通永磁直线电机的多目标优化

作者：赵玫；于帅；邹海林；张华强

摘要：横向磁通永磁直线电机在磁路结构上较传统直线电机不同,该电机磁力线所在的平面垂直于其运动方向,解决了齿和槽在空间上竞争同一个平面的问题,实现了电负荷与磁负荷的解耦,可以在一定范围内通过提高磁能变化率来提高出力,在低速大推力领域具有广阔的应用前景。

首先,该文提出一种新型动子三面墙聚磁式结构的横向磁通永磁直线电机,并介绍其工作原理;其次,以推力密度、推力波动、功率因数为优化目标,对该电机的优化变量进行灵敏度分析,选取灵敏度值显著的优化变量构建基于Box-Behnken法的响应面模型;再次,采用粒子群优化算法求解该响应面模型并生成一组帕累托解集,从而得到该电机的最优结构参数;最后,基于三维有限元法对所优化电机的定位力、电磁力等电磁性能进行计算与分析,并验证基于响应面模型和粒子群算法的多目标优化设计方法的有效性。

电力系统与综合能源

基于改进模态分析法的柔性多端交直流混联系统静态电压稳定性评估

作者：郭小颖；唐俊杰；舒铜；彭穗；谢开贵

摘要：该文基于电压源型换流站的多端交直流（AC/VSC-MTDC）混联系统稳态模型特点,对传统的模态分析法进行了改进,并首次将其应用到AC/VSC-MTDC混联系统的静态电压稳定性分析中。通过将交直流系统进行解耦,可以深入量化分析交流、直流系统之间的相互影响。

同时对传统模态分析法的参与因子指标进行改进,首次将一种新的状态-模态指标推广应用到交直流系统中,将临界模态表示为交、直流系统状态的加权和,以评估系统各个状态对临界模态形成的贡献,进而制定相应措施以改善交直流系统的电压稳定性。相比于传统参与因子指标,状态-模态指标还能够考虑有功功率对电压稳定性的影响,从而进一步量化换流站的控制功率改变以及换流站在交流系统连接位置改变时所产生的影响。最后,通过对一个改进IEEE 57节点的交直流系统进行测试与分析,证明该文所提方法及指标的有效性和可行性。

基于广义储能的多能源系统不确定优化调度策略

作者：叶畅；曹侃；丁凯；陈乔；钱一民

摘要：针对考虑源荷双侧不确定性的多能源系统,提出一种基于广义储能的不确定优化调度策略。首先,提出考虑热电联供的能源集线器架构,对各电力及热力能源进行建模。针对常规电池储能和储热罐,采用能量状态模型进行统一描述;同时针对虚拟储能,分别采用正态云模型和自回归滑动平均时间序列模型对电、热柔性负荷进行建模,并分析广义储能资源的调节特性。在此基础上,引入可调节鲁棒方法,建立以运行成本最低为目标的多能源系统不确定优化调度模型。

针对该模型中电源出力及负荷响应的不确定性,采用对偶理论及拉格朗日变换,将含风电及光伏发现出力不确定量的约束转换为确定性的约束;同时利用正态云发生器及场景削减技术得到典型场景,采用Matlab/YALMIP工具箱对模型进行求解。算例结果验证了所提策略的可行性及有效性。