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抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第7期目次及摘要
《电工技术学报》
《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。
电力装备智能感知与智能终端专题
主编寄语
作者：成永红 教授
面向多源电力感知终端的异构多参量特征级融合：融合模式、融合框架与场景验证
作者：王红霞；王波；董旭柱；姚良忠；张锐锋；马富齐
摘要：对多源电力感知终端产生的异构多参量数据进行融合分析，是实现电力物联网下电力目标有效感知的关键。目前，电力多参量融合仍以同构多参量融合和决策级异构多参量融合为主，异构、多源的融合及分析技术薄弱，无法满足电力物联网下的异构多参量深度融合需求。该文提出一种适用于电力结构化时序参量和非结构化图像参量的普适性融合框架，可用于电力对象的描述性、预测性或决策性分析。首先考虑电力时序参量的时间和空间特性，将其转换为适用于非线性混沌系统的递归图，从而使其和非结构化电力图像具有相同的描述空间；然后用卷积神经网络对二类参量进行特征提取，并对特征矩阵按权重进行拼接融合、全连接和目标感知；最后，以输电线路覆冰等级感知和绝缘子污秽等级感知为应用场景，从精确性和容错性角度对所提模型进行分析，验证了所提模型的普适性。
压电材料与器件在电气工程领域的应用
作者：姚睿丰；王妍；高景晖；陈川；郭经红
摘要：随着能源革命的不断深入和能源互联网的持续建设，对电网自动化、智能化、信息化的需求日益迫切，亟需先进的电力设备传感量测方法为电网多场景应用提供信息支撑，以保证智能电网在复杂工况下的安全可靠运行。压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料，在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用。该文总结了典型压电传感材料的发展概况，归纳了压电振动传感器、声传感器、电压传感器在电气工程中的实际应用。在此基础上，指出当前压电传感器仍存在精确度较低、稳定性差、环境适应性弱和误判率高等显著问题，需要从高性能材料快速开发、传感器拓扑设计、智能化补偿等方面发展新一代智能化压电传感器件。
基于构建温度场分析的非侵入式高压电缆缆芯温度测量方法
作者：杜林；余辉宗；严涵
摘要：针对传统的电缆缆芯温度直接或间接测量方式，存在受环境温度影响大、测量准确度差、应用成本高等问题，该文提出了一种基于温度场构建的非侵入式高压单芯电缆缆芯温度测量方法。通过在电缆护套外局部包裹隔热介质构建区域温度场及温度梯度，将隔热介质层内各温度点与环境温度的相对温度作为温度梯度关系的敏感参数，用以提取该温度梯度规律并推导其解析计算式，从而实现了利用电缆外部的多点温度，对电缆缆芯稳态热点温度的间接测量。试验结果表明：考虑误差修正的理论计算公式与数据拟合公式，对缆芯温度的求解误差在3℃以下，该测量方法成本低、使用方便，无需破坏电缆本体，即可实现对电缆缆芯稳态热点温度的实时准确测量。
基于分布式光纤传感的绕组变形程度检测
作者：刘云鹏；李欢；田源；贺鹏；范晓舟
摘要：为了实现变压器绕组辐向变形的定位与程度判断，将分布式光纤传感技术应用于绕组变形在线检测领域。在导线表面开一浅槽，将两根传感光纤布置于其中，制造了光纤复合电磁线。使用COMSOL Multiphysics对其进行了静电场仿真，结果显示光纤复合电磁线相较正常导线未发生明显电场畸变和绝缘强度降低。对该导线进行了固体力学仿真，结果显示在内凹和外凸两种变形条件下，光纤应变与导线变形程度（以挠度作为指标）之间关系可以用二次函数来描述，R2＞0.999。之后使用粘贴光纤的铜排模拟实际绕组，搭建试验平台，在仿真结论的基础上，获得了绕组挠度与光纤布里渊频移之间的关系。最后使用光纤复合电磁线绕制了一台35kV连续式绕组模型，使用该模型借助布里渊光时域反射技术，完成对变形的准确定位，定位精度在1饼之内，并完成了变形程度的检测，检测误差小于10%。
基于操作力矩的高压隔离开关机械缺陷智能诊断
作者：彭诗怡；刘衍；周涛涛；阮江军；刘源
摘要：隔离开关故障频发却缺乏有效诊断方法，该文提出一种基于操作力矩波形的隔离开关机械状态智能诊断方法。为对操作力矩进行准确检测，研制了电机式操作力矩检测装置，并通过刚柔耦合动力学仿真模型验证了试验结果的准确性，通过模拟合闸不到位、卡涩和三相不同期三种典型机械缺陷，分析总结操作力矩在不同机械状态下变化规律。从波形中提取啮合前力矩均值、啮合角度、停止角度三个特征量，作为神经网络诊断模型的输入，实现缺陷智能判断。再从特征量中反演出表征故障严重程度的故障量，使该诊断技术不仅能判断正常、卡涩、三相不同期和合闸不到位四种机械状态，还可输出卡涩等级与标准位相差角度，触头触指间距离等与检修标准密切相关的故障量，为隔离开关检修提供实用性参考。
基于改进郊狼优化算法的光伏智能边缘终端优化配置方法
作者：刘嘉恒；张明；葛磊蛟；嵇文路；王波；方磊；张玮亚
摘要：光伏智能边缘终端（PVIET）是实现分布式光伏规模化接入配电网高效率智慧运维的重要设备之一。该文构建光伏智能边缘终端优化配置的数学模型，为实现模型的准确求解，进一步提出一种改进的郊狼优化算法（ICOA）。为解决郊狼优化算法精度不足、收敛速度缓慢等问题，提出全新的社会互助郊狼成长策略和单维组内最优郊狼扰动策略，引入模拟退火、自适应精英保留策略，以让该算法更加适合所提出的工程问题，实现对PVIET的数量、位置及与光伏电站连接方式三个方面的求解。最后，改进的IEEE69案例验证了模型的有效性，通过算法对比，验证了改进郊狼优化算法在精度、稳定性和收敛性等方面的优越性。
基于改进区域全卷积网络的高压引线接头红外图像特征分析的在线故障诊断方法
作者：徐奇伟；黄宏；张雪锋；周传；吴绍朋
摘要：随着智能电网建设的不断发展，海量红外图像急剧增加，而传统红外故障检测依靠人工排查或手工提取特征，检测效率低且对人员经验依赖大。为实现对红外图像的高效智能化检测，保障电网安全运行，构建基于红外特征分析的在线故障诊断系统，提出通过改进高压引线接头红外图像的特征提取网络，以提升对小目标的识别性能，然后利用区域全卷积网络（R-FCN）实现对故障区域的定位和运行状态的识别，并且使用OpenCV对该故障区域的运行状态进行二次诊断，以进一步降低误报率。最后通过测试分析，改进后的R-FCN网络对高压引线接头红外图像故障诊断的平均精度达到了80.76%，比原R-FCN网络提升了8.43%。
基于改进YOLOv3的电力设备红外目标检测模型
作者：郑含博；李金恒；刘洋；崔耀辉；平原
摘要：红外图像检测技术因具有非接触、快速等优点，被广泛应用于电力设备的监测与诊断中，而对设备快速精确地检测定位是实现自动检测与诊断的前提。与普通目标的可见光图像相比，电力设备的红外图像可能存在背景复杂、对比度低、目标特征相近、长宽比偏大等特征，采用原始的YOLOv3模型难以精确定位到目标。针对此问题，该文对YOLOv3模型进行改进：在其骨干网络中引入跨阶段局部模块；将路径聚合网络融合到原模型的特征金字塔结构中；加入马赛克（Mosaic）数据增强技术和Complete-IoU（CIoU）损失函数。将改进后的模型在四类具有相似波纹外观结构的电力设备红外图像数据集上进行训练测试，每类的检测精度均能达到92%以上。最后，将该文方法的测试结果与其他三个主流目标检测模型进行对比评估。结果表明：不同阈值下，该文提出的改进模型获得的平均精度均值优于Faster R-CNN、SSD和YOLOv3模型。改进后的YOLOv3模型尽管在检测速度上相比原YOLOv3模型有所牺牲，但仍明显高于其他两种模型。对比结果进一步验证了所提模型的有效性。
基于混沌理论和GOA-K-means算法的有载分接开关状态特征分析计算方法
作者：马宏忠；严岩
摘要：为更加准确有效地监测变压器有载分接开关（OLTC）机械状态，针对传统基于K-means的监测方法聚类效果易受其初始聚类中心选择的影响，该文提出一种基于蝗虫算法（GOA）和K-means相结合的OLTC机械状态监测方法。首先针对OLTC振动信号的非线性和混沌特性，利用P-G法和互信息值法计算嵌入维数和延迟时间，对实测的OLTC振动信号进行相空间重构；其次应用Kolmogorov熵对重构后的振动信号混沌特性进行判断；最后为提高聚类精度，针对K-means对初始聚类中心的敏感性，将蝗虫算法引入该算法对其聚类中心进行优化，对重构后的高维振动信号采用优化的K-means聚类方法进行分析。研究结果表明：在OLTC的振动信号识别应用中，优化的K-means聚类算法得到的特征量计算结果具备一定的规律性。研究结果为OLTC的机械运行状态监测提供了一种新的途径。
基于层次多任务深度学习的绝缘子自爆缺陷检测
作者：徐建军；黄立达；闫丽梅；伊娜
摘要：绝缘子是电力线路中重要且使用广泛的器件，随着近年来无人机巡线的迅速普及，从航拍图像中检测绝缘子自爆缺陷成为热点问题。在航拍图像中，自爆绝缘子与正常绝缘子的区分难度相对更大，该文提出一种基于层次多任务深度学习的绝缘子自爆缺陷检测模型，使用专用的卷积神经网络区分自爆绝缘子和正常绝缘子，并结合多任务学习和特征融合方法提高分类准确率。同时，针对缺乏自爆类数据的问题，提出制作合成图像的数据增强方法。实验结果表明，添加合成图像能有效提高自爆类召回率；层次多任务学习模型与平面分类模型及普通层次模型相比具有更强的分类能力。
应用于机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列与物体识别
作者：黄珊；王博文；赵智忠；王亮；翁玲
摘要：利用磁致伸缩材料铁镓合金（Galfenol）设计制作了触觉传感单元，并将其集成为阵列，安装在二指机械手上。基于电磁原理、逆磁致伸缩效应和欧拉伯努利动力学原理，建立触觉传感单元力测量模型。设计的传感单元测力范围为0~3N，当压力小于1.5N时，灵敏度为151mV/N，在1.5~3N区间，灵敏度约为109mV/N，测量较低的静态力时具有更高的灵敏度，在2~4Hz范围内对动态力具有动态响应快、灵敏度高的特点。根据机械手的测量范围，选取形状较为规则的六种饮料瓶样品进行了抓取，搭建实验系统进行数据采集与存储，测试了传感器阵列的输出特性，集成的传感器阵列能很好地辨识所选样品，对于装满水样品有更高的精度。选择合适的特征值，应用支持向量机算法，通过选择不同的特征值数量和训练集与分类集的比例，对采集的数据进行分类识别。经计算可知，选择三个特征值且训练集与分类集比例为9:1时识别率最高，为87.5%。
磁轴承复合位移传感设计与实验研究
作者：李志；苏振中；胡靖华；李文印
摘要：针对传统磁轴承位移传感器结构复杂、适装性差、存在检测位置与执行器错位，而位移自传感方法鲁棒性、实用性差等问题，该文提出一种基于探测线圈的磁轴承位移检测方法，通过在磁轴承磁极上布置探测线圈可实现定转子相对位移测量。首先，建立等效电路模型，并通过Simulink仿真，证明模型正确性；其次，提出差动检测方案，并通过半桥检测电路将相对位移变化转换为电桥输出电压变化，提高了位移检测灵敏度与线性度；最后，在搭建的试验平台上对该传感器进行静态性能测试，当定转子相对位移在±0.3mm范围内变化时，位移检测灵敏度为1.2mV/μm，位移检测分辨率约为7μm，验证了基于探测线圈磁轴承定转子相对位移检测的可行性。该方法结构简单、鲁棒性好，为实现紧凑可靠的磁轴承位移测量奠定了基础。
新能源电力系统及装备
综合考虑经济-环境-社会因素的多能耦合系统高维多目标规划
作者：曾博；徐富强；刘一贤；刘裕；巩敦卫
摘要：提高能源系统运行经济性、减少污染排放、改善能源利用效率是我国未来能源系统发展的重要目标。但是，在实际能源系统规划中，由于上述不同目标之间具有复杂的关联性，因此当问题的目标函数数量多于3个且存在不确定性参数时，现有方法往往难以实现对该类问题的有效求解。为应对上述挑战，该文提出一种面向多能耦合系统规划的高维多目标优化分析框架。首先，在深入剖析多能源系统中源荷耦合特性及其对系统运行影响的基础上，提出了综合考虑经济-环境-社会因素的综合能源系统多目标规划范式；然后，鉴于不同规划目标之间存在的天然矛盾性并充分考虑系统中供需侧行为的不确定性，分别以投资运行成本最小、用能效率最高、碳排放最小以及供能不满意度最小作为目标，构建了针对多能系统规划的高维多目标优化模型，该模型综合考虑系统元件容量配置以及终端负荷管理，并利用区间方法计及各不确定性因素的影响，从而使最终规划方案可有效兼顾最优性与鲁棒性；接着，根据所建模型的特点，利用模糊偏好函数法分别对目标函数和约束条件进行处理，将其转换为确定性优化问题，采用基于降维分解的带精英策略非支配排序遗传算法（DNSGAⅡ）对此进行求解；最后，通过相关算例分析，验证所提方法的有效性。
基于模糊-概率策略实时反馈的虚拟电厂多时间尺度优化调度
作者：李翔宇；赵冬梅
摘要：虚拟电厂（VPP）日前计划和日内运行方案是其在内、外部随机性上，实现经济或技术效益的有力保证。提出VPP日前计划-滚动计划-实时调度在内的全时域优化调度框架，建立不同尺度优化模型并通过“多级调度、逐级细化”的思想达到优化鲁棒性。在日前计划中，以虚拟电厂最大化市场效益为目标建立模型；在日内优化中，基于马尔科夫决策过程（MDP）融合30min尺度滚动和5min尺度超短期两层优化以减少建模层级。在MDP模型中，建立熵值回馈函数表征滚动优化过程，用以减少因日前预测误差带来的日内运行偏差值；建立模糊-概率策略表征超短期优化过程，用以调节储能荷电状态、均衡其充电与放电能力，最终实现跟踪日前计划的目标，最大化经济效益。最后通过算例计算对所提方案进行了验证。
计及超分辨率风电出力不确定性的连续时间鲁棒机组组合
作者：周博；艾小猛；方家琨；姚伟；文劲宇
摘要：随着风电在电力系统中渗透率的提高，调度时段内的风电出力波动越发剧烈，可能导致时段内爬坡不足，威胁电力系统在时段内的运行安全。针对这一问题，提出计及超分辨率风电出力不确定性的连续时间鲁棒机组组合模型和求解算法，该方法充分考虑时段内风电出力变化，给出对超分辨率风电出力不确定性鲁棒的调度方案。首先，基于连续时间建模方法，建立连续时间鲁棒经济调度模型，并对其中的超分辨率不确定性模型进行分析；然后，通过解空间变换，将代数空间的优化问题转换为易求解的函数空间优化问题，并通过列和约束生成算法进行求解，计算结果还原到代数空间；最后，通过算例结果验证了所提方法能够充分计及超分辨率风电出力的不确定性，提高调度方案的鲁棒性。
用于风电场小干扰稳定性检验的降阶模式计算方法
作者：董文凯；杜文娟；王海风
摘要：考虑到在大型风电场规划阶段，如对所有方案采用全阶模型进行小干扰稳定性检验，会导致工作量大、效率低，不利于寻求最优方案，该文提出一种降阶模式计算方法。首先，建立风电场全阶线性化状态空间模型。然后，考虑风电场规划阶段，可对所选型号的风电机组（WTG）采用典型模型和参数，认为各WTG动态特性近似相同。通过对风电场线性化模型中的变量做等效变换，将N台WTG构成的风电场等效为N个相互独立的等效子系统。各等效子系统由一台并网WTG构成。根据等效子系统线性化状态空间模型的构建方式，提出一种用于风电场小干扰稳定性检验的降阶模式计算方法，可有效降低规划阶段风电场模式分析的计算量，且所得结果准确。最后，通过仿真算例，验证了所提方法的有效性。
串并联架构区域电能路由器柔性运行与功率流控制策略
作者：赵晓君；张纯江；柴秀慧；郭小强；汪龙
摘要：电能路由器是能源互联网的核心设备，是下一代智能电网的重要标志。受拓扑架构限制，传统区域电能路由器存在带载能力有限和无功功率无法柔性运行的缺点。为此，该文拟构建一种串并联架构新型区域电能路由器，通过增加一条并联能量流动通道，突破传统路由器100%能量传输和无功功率刚性运行的双重界限。对串并联架构路由器的功率流柔性运行机理进行分析，给出其在不同运行模式下功率流的计算方法，以揭示路由器系统的运行规律。为实现对能量的主动控制，提出一种双自由度功率流柔性控制策略，分别控制交流电网输入电流幅值和输出交流母线电压相位角的自由度，从而灵活配比交流电网与直流母线之间的有功功率以及串、并联变换器之间的无功功率。在不增加系统容量和交流输入配电网的情况下，可实现有功功率最大允许量为200%及无功功率最大允许量为120%的传输目标，为路由器实现大功率能量柔性传输提供了设计思路和解决方案。
LCC-MMC串联型混合直流输电系统小信号建模
作者：卜旭辉
摘要：该文建立了整流侧为电网换相换流器（LCC）、逆变侧为LCC和模块化多电平换流器（MMC）串联的LCC-MMC串联型混合直流输电系统的小信号模型。首先，推导LCC的交直流侧等效电路和考虑内部动态特性的MMC的交直流侧等效电路；然后，基于等效电路构建系统整流侧模型和逆变侧模型，并对直流输电线路和控制系统进行建模，通过组合各个部分模型得到全系统模型；最后，通过线性化全系统模型得到全系统小信号模型。通过对比基于PSCAD/EMTDC搭建的电磁暂态模型验证小信号模型的准确性；基于小信号模型，分析MMC定直流电压控制参数、逆变侧LCC定直流电压控制参数、锁相环（PLL）参数和交流联络线参数对系统小信号稳定性的影响。该文所提出的LCC-MMC串联型混合直流输电系统的小信号模型可用于系统的小信号稳定性分析，从而为系统设计和参数选择提供有价值的参考。
基于耦合电感的对称式交错并联低输入电流纹波高增益DC-DC变换器
作者：贺永杰；向往；周家培；赵静波；文劲宇
摘要：针对高电压增益、大功率应用场景，提出一种基于耦合电感的对称式交错并联DC-DC变换器。该电路拓扑结合了交错并联与耦合电感的优势，一方面扩大了变换器的容量，降低了输入电流纹波；另一方面可以利用耦合电感的匝比来调节电压增益，提高了变换器的灵活性。由于两相电路耦合在一起，且完全对称，可以实现自动均流，因此，不存在功率失衡问题。通过集成开关电容单元（SCU），并将其扩展至n个，进一步提高了电压增益，避免了耦合电感匝比过高的问题，同时还降低了功率器件的电压应力，因此，可以采用低电压等级、高性能的半导体器件来提高变换器的工作效率。分析该变换器的工作原理、稳态性能，并制作一台额定功率为1kW的样机，实测变换器的最高效率为97.34%，满载时（1kW）效率为94.64%。实验结果验证了理论分析的正确性，以及所提变换器的可行性。
基于附加带阻滤波器的模块化多电平换流器高频谐振抑制策略
作者：杜东冶；郭春义；贾秀芳；赵成勇；胡应宏
摘要：模块化多电平换流器控制系统的链路延时有可能引发高频谐振现象。该文建立了包含链路延时环节在内的模块化多电平换流器高频阻抗数学模型，根据阻抗分析法研究模块化多电平换流器高频谐振的产生机理。在此基础上，提出在电压前馈环节附加带阻滤波器的高频谐振抑制策略，设计带阻滤波器的控制参数，最后通过电磁暂态仿真验证了所提控制策略的有效性。
模块化多电平换流器直流故障过电流精确计算与分析
作者：蔡洋；郭文勇；赵闯；桑文举
摘要：模块化多电平换流器（MMC）发生直流故障后，换流站会出现明显的过电流，对MMC的可靠性产生严重影响。而故障暂态电流的精确计算是实现对暂态过电流有效评估的最直接的手段。为了精确计算MMC故障过电流，提出一种同时考虑交流系统与电容放电影响的故障电流精确计算方法，对桥臂等效模型进行了建模与分析，指出了桥臂电压对时间的微分应由电容项与子模块投入函数项组成。基于桥臂等效模型，建立了MMC直流故障下的状态方程，计算得出了MMC直流故障电流的数值解，对可能出现的最大过电流与最小过电流进行评估，并将此结果与电磁暂态仿真模型（EMT）中的仿真结果进行对比验证，证明了该方法的准确性。最后，将该计算方法与两种传统的故障电流计算分析方法进行了比较，指出了传统故障电流计算方法的不足之处，并进一步验证了该方法的有效性。该文提出的计算和分析方法可以为MMC关键部件的选型提供一定的参考，并为直流故障保护方案的设计提供依据。
混合式配电变压器的动态模型与内环控制系统
作者：柳轶彬；梁得亮；王宇珩；高亚晨；张立石
摘要：相比传统配电变压器，混合式配电变压器（HDT）集成了脉冲宽度调制变换器，能够对部分传输功率进行调控。因而不仅具有传统配电变压器电压等级变换和电能传输的基本功能，而且能够实时动态控制其负载电压及电网电流，这对于实现主动配电网具有重要应用价值。该文提出一种改进型混合式配电变压器配置方案及其三相电路拓扑，其优势在于变换器拓扑简单，各环节电压等级的确定灵活方便。基于等效电路构建HDT的传递函数框图模型，并采用PI控制器构建HDT的内环控制系统。仿真及实验显示，在电网电压波动及负载畸变工况下，HDT能够实现电网电流的正弦单位功率因数控制及负载电压的正弦稳定控制，从而验证了建模分析及控制系统设计的正确性。
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