电气工程

高速铁路牵引供电系统雷电防护体系

周利军，高峰，李瑞芳，等

摘要：目的：随着高速铁路运营里程的增加和运行速度的提高，保障列车可靠、安全运行，提高铁路服役性能已成为世界各国不断追求的目标。雷击将引起设备损坏、列车失电，导致运输中断，严重时还会造成行车事故和人员伤亡，自高速铁路开通以来，雷击问题对行车安全造成了严重威胁。中国国土面积大，地形、气候复杂多变，局部地区雷电危害非常严重，高速铁路大面积的采用高架桥结构，其直击雷、感应雷的特征及影响与普速铁路、电力输电线路均有很大的差异，因此需要对高速铁路雷电的防护问题进行进一步深入研究。方法：作者首先对比分析研究了我国与国外高速铁路供电系统的雷电防护体系不同之处，提出了我国高速铁路供电系统既有防雷体系的缺陷，然后利用电气几何模型和实测数据分析（以京沪高铁为例）研究了无避雷线时高速铁路AT供电系统的雷击特性，最后通过对比计算与实际结果，分析了我国高速铁路供电系统防雷体系的改进方式。结果：（1）当高架桥平均高度为16 m时，直击雷次数接近无高架桥时的2倍；（2）由于雷击线路周边引起的感应过电压可基本忽略，因此传统的感应雷防护方法基本无效；（3）无避雷线时，感应雷引起的闪络次数比直击雷少得多，随着高架桥高度的提高，直击雷与感应雷引起的绝缘子闪络次数所占比例不断提高；（4）相对于电力系统中的反击雷防护，当高速铁路的高架桥高度为16 m且综合接地系统冲击接地电阻＜3.9 Ω时，感应雷的危害已经超过了反击雷。结论：由于工况差异大、雷击密度差异大，国外高铁防雷体系难以借鉴，我国高速铁路供电系统既有防雷体系存在如下缺陷：以高架桥为主的铁路沿线直击雷危害及防护考虑不足；对综合接地系统的冲击接地电阻考虑不足；对不同地区雷电防护要求的差异性考虑不足。由于避雷器残压过高、沿线接地电阻过大，导致目前的雷电防护体系实际防护效果并不佳，尤其是对直击雷的防护，采用专用或兼用避雷线后对直击雷的防护效果非常理想。

来源出版物：高电压技术, 2013, 39(2): 399-406

入选年份：2016

基于3层贝叶斯网络的变压器综合故障诊断

白翠粉，高文胜，金雷，等

摘要：目的：对变压器进行故障诊断是及时发现并排除故障、保证变压器良好运行的重要手段。已有变压器故障诊断方法多是在分析异常征兆与故障模式因果关系的基础上采用智能诊断算法进行故障模式诊断。变压器的故障统计结果表明，大量故障都是由短路、雷击、过负荷等不良工况引发的，在诊断过程中对运行经历加以考虑，诊断结果会更接近实际。通过分析变压器不良工况、故障模式和异常征兆3者之间的因果关系，建立了基于3层贝叶斯（Bayes）网络的综合故障诊断方法，采用贝叶斯推理算法求取网络中所有节点的状态，推理结果包含变压器当前状态下可能性最大的故障模式组合和其他未检测的异常征兆的可能状态，为下一步诊断试验提供了重要依据。所得的故障模式组合包含了并发故障，能够更加准确反映变压器当前状态。方法：不良工况、故障模式、异常征兆存在很强的因果对应关系，在已有的故障模式与异常征兆关系的基础上，结合对不良工况与故障模式关系的分析，将有因果关系的信息之间用弧连接，建立3层贝叶斯网络。然后将贝叶斯网络中的子节点视为Leaky Noisy-Or节点，确定各个父节点和Leaky节点对子节点的贡献概率，获得3层贝叶斯网络的条件概率表的获得。最后，将变压器故障诊断视为考虑并发故障模式的最大可能解释问题，采用MATLAB贝叶斯工具箱中的联合树算法进行推理。结果：采用基于3层贝叶斯网络的故障诊断方法对单一、并发、综合故障等实例进行分析。（1）单一故障诊断。已知变压器三比值呈过热特征，油中含水量、局部放电量、铁心接地电流均在正常范围内，φ(CO)/φ(CO2)值也合格。经贝叶斯网络推理后，得到的最大可能解释是变压器发生了分接开关及引线故障，与已有文献研究结果一致。此外，所得到的最大可能解释还指示绕组直流电阻的三相不平衡系数出现异常，为下一步准确确定故障模式所要进行的诊断试验提供了依据。（2）并发故障诊断。已知三比值编码呈过热性故障特征、φ(CO)/φ(CO2)、绕组直流电阻的三相不平衡系数出现异常，局部放电量合格。经贝叶斯网络推理后，得到的最大可能解释是变压器同时发生了绝缘老化和分接开关及引线故障，与已有文献研究结果基本一致。（3）含不良工况的综合故障诊断。某厂变压器事故前没有发生出口短路，出口避雷器动作一次，油色谱三比值编码为102，该变压器的吸收比和极化指数、绕组直流电阻的三相不平衡系数、绕组变比偏差均在正常范围内。贝叶斯推理结果显示，该变压器出现了匝绝缘损伤与匝间短路，变压器的局部放电量出现异常，与实际检查结果相一致。若不考虑不良工况这一因素，则推理结果为悬浮放电，结果不准确。结论：（1）通过分析不良工况故障模式与异常征兆之间的因果关系，针对现有的故障诊断方法缺少对不良工况这一因素的考虑，建立了3层Bayes网络以反映三者之间的因果关系。运用Bayes网络推理获得变压器可能的故障模式以及网络中其他未知节点的状态。（2）实例分析表明3层Bayes网络推理结果包含了变压器并发故障模式与对未检测的异常征兆的评估，可使诊断结果更加准确，并为下一步诊断试验提供依据。（3）建立的Bayes网络诊断方式全面考虑异常征兆和不良工况与变压器故障的关系，能得到符合实际情况的推理结果。

来源出版物：高电压技术, 2013, 39(2): 330-335

入选年份：2016

考虑电动汽车充电站布局优化的配电网规划

杜爱虎，胡泽春，宋永华，等

摘要：目的：随着电动汽车的快速发展和广泛应用，电动汽车充电将会引起配网负荷的增长并增加配网的投资与运行成本。为以较低成本满足电动汽车的充电需求，亟需研究统一考虑充电站布局优化和满足传统负荷增长的配电网扩展规划问题。分析电动汽车充电需求分布是研究充电站布局与配网规划的基础工作，但却面临巨大挑战。与传统的居民用电负荷相比，电动汽车充电负荷具有一定的特殊性：传统的居民用电负荷接入电网的位置是固定的，而电动汽车可能在其运行区域内的不同充电站位置接入电网。另外，不同于输电网规划，配电网实际运行中是辐射状的。配电网规划中需要考虑的安全运行约束也是基于辐射状网络结构的，因此在配电网规划中应考虑辐射状约束。为此，在研究电动汽车的充电需求特性和配电网的辐射状约束的基础上，提出考虑电动汽车充电站布局优化的配电网规划模型。方法：首先，考虑电动汽车充电需求在时空分布上具有不确定性，提出以区域充电需求的形式合理地建模电动汽车充电负荷的方法。然后，提出严格的基于数学规划方法的配网辐射状结构约束，并证明了所提出的辐射状约束是充分必要的。最后，基于上述工作，建立考虑充电站布局优化的配电网规划模型，在满足规划区域传统负荷增长和该区域内的充电需求以及电网运行要求的前提下，寻找将馈线扩容与新建、变电站的扩容、充电站的投建的容量分配均考虑在内的最优规划方案，使包含变电站扩容投资、充电站投资与运行费用、馈线扩容投资与新建投资及所有馈线的运行费用在内的总成本最小。结果：由考虑电动汽车充电站布局的配网规划与不考虑电动汽车充电站布局的配网规划对比可以看出，前者比后者给出的规划方案节省了14%的总成本。将区域充电需求在充电站备选站址间的分配考虑在优化模型中可有效减少包含充电站在内的配电网的总投资与运行成本。由基于所提出的配网辐射状约束的配网规划与已发表文献提出的配网辐射状约束的配网规划对比可以看出，所提出的配网辐射状约束更加严格，所有算例均给出满足辐射状约束的解，由于即使使用载流能力最大的导线也不能满足全部充电负荷集中于一个节点，因而需规划多个充电站分布于不同节点以分摊充电负荷；而已发表文献给出的解并不满足辐射状约束，充电站选址过于集中，需形成环网以分摊充电负荷。结论：将充电站布局优化考虑在配网规划中可以有效降低总的投资与运行成本；新的辐射状约束是规划方案为辐射状网络的充要条件。进一步的工作主要有2个方面：（1）将现有的单阶段规划模型推广至多阶段规划模型，使之可以解决传统负荷以及区域充电需求增长情况下的含充电站布局优化的配网规划问题；（2）将电动汽车用户充电的便利性以充电成本的形式考虑在模型中，使规划方案达到包含电网效益与充电效益的综合效益最优。

来源出版物：电网技术, 2011, 35(11): 35-42

入选年份：2016

纳秒脉冲处理A375细胞裸鼠皮下移植瘤的疗效评估

姚陈果，郭飞，董守龙，等

摘要：纳秒脉冲电场可以诱发肿瘤细胞的结构和功能发生一系列变化，使其在临床肿瘤治疗中展现出巨大的应用前景。目前，受限于检测评估手段，相关动物实验研究尚不充分，需进一步从实验角度验证其有效性。将电场强度20 kV/cm、脉宽200 ns、重复频率5 Hz、2000个ns脉冲作用于A375裸鼠皮下移植瘤，采用荧光活体成像方法定量研究ns脉冲的抑瘤效果，相机随访观察局部疤痕的转归情况。本研究中，A375细胞常规培养于RPMI-1640培养基（含体积分数为10%的胎牛血清）中，在二氧化碳体积分数为5%、温度37℃、饱和湿度条件下培养2～3 d传代一次。用绿色荧光蛋白标记A375细胞株，取对数期生长状态良好的A375细胞按3×103细胞/孔接种于96孔板中，待细胞贴壁生长至50%融合时按着复感染指数为0、1、10、30、50、100进行细胞感染，72 h后转移至50 mL无菌培养瓶中扩大培养常规传代培养，取5×106个对数生长期的A375细胞置于100 µL磷酸缓冲液中，接种于裸鼠右侧背部皮下，每天观察接种局部瘤体变化、裸鼠精神、质量变化。生长8 d后待瘤体直径约为4～7 mm时用活体荧光仪检测观察皮下瘤荧光表达情况，并将荧光表达稳定的裸鼠随机分为对照组和处理组。将电场强度20 kV/cm、脉冲宽度200 ns、重复频率5 Hz、脉冲次数2000个纳秒脉冲作用于麻醉后的肿瘤组织，用活体成像技术观察裸鼠体内荧光表达情况；用数码相机随访局部疤痕转归变化。最后采用统计学方法进行数据统计分析。从荧光显微镜观察转染后72 h和5 d的细胞发现，感染后72 h可见绿色荧光蛋白表达，5 d时荧光强而稳定，转染后25 d绿色荧光蛋白表达稳定且不随细胞传代而衰减，完全满足后续肿瘤细胞示踪观察实验的要求。当A375-GFP细胞接种8 d后，裸鼠皮下瘤直径约4～7 mm，成瘤率100%，且在小动物活体成像仪下观察见绿色荧光较强。将建模成功的10只裸鼠随机分配到处理组和对照组，经过nsPEF处理。结果表明：与对照组荧光逐渐增强相比，处理组荧光强度不断降低（P＜0.05），且在第2次处理后48 h荧光几乎全部消失，至14 d时荧光完全消失。裸鼠荧光强度值的统计结果表示，对照组裸鼠荧光强度不断增加，至第2次处理后48 h时死亡；而处理组荧光强度持续降低，并于第2次处理后48 h接近0，随后的时间内，处理组荧光全部消失，裸鼠健康存活。经ns脉冲处理2次后，局部治疗区域出现结痂，并于第2次处理后2周内脱落，新生的皮肤与周围皮肤稍有不同。随时间推移，局部疤痕逐渐变浅并逐渐消失。将ns脉冲（电场强度20 kV/cm、脉宽200 ns、重复频率5 Hz、2000个脉冲）作用于A375裸鼠皮下移植瘤，采用荧光活体成像方法定量研究ns脉冲的抑瘤效果；相机随访观察局部疤痕的转归情况：（1）经过ns脉冲电场处理后，局部肿瘤组织完全被切除，且无复发。（2）ns脉冲电场处理后22 d，治疗出皮肤上的伤疤完全转归并长出新生组织。（3）ns脉冲同时可以应用于浅表异物无损伤切除等领域。

来源出版物：高电压技术, 2013, 39(1): 117-121

入选年份：2016

柔性直流输电技术的现状及应用前景分析

马为民，吴方劼，杨一鸣，等

摘要：目的：在柔性直流输电技术的长期探索和发展中，技术不断革新，理论日臻完善，工程经验不断积累。在世界范围内，欧美地区建成了数十条不同技术路线的柔性直流输电工程。在我国，该技术经过多年扎实的理论研究及工程实践经验，近几年示范工程的兴建如雨后春笋般涌现出来。总结了国内外柔性直流输电的典型工程及技术应用现状，为我国柔性直流技术的普及和工程应用提供参考。方法：通过梳理柔性直流输电的原理、结构、技术特点以及工程应用经验，系统总结了柔性直流输电技术的技术优势及局限性，并详细分析了其适用范围。在此基础上，结合我国能源发展战略和电网发展中遇到的问题，对柔性直流输电技术的应用领域以及未来电网的发展方向提出了一些具有积极意义的设想和建议。结果：从柔性直流输电技术的发展梳理及特点分析中可以看出（1）模块化多电平换流器具有较好的扩展性。这种拓扑结构不需要子模块的同步触发，开关频率低，损耗小，较好的解决了柔性直流输电的规模限制，成为了目前柔性直流输电技术的主流。（2）柔性直流输电换流站单极接线方案结构简单，设备制造容易，该方案在发生直流侧短路故障后只能整体退出运行，所以适用于采用可用率高、可靠性高的直流输电线路如电缆线路的直流输电工程，以及容量较小的直流工程，如舟山多端柔直和南澳柔直项目；双极对称接线方案的可靠性有所提高，在未来电网长距离，大容量，高电压等级的发展趋势下，该技术将成为未来发展的主流，如卡普里维工程及刚进入建设阶段的厦门柔直工程；另外LCC＋MMC混合双极主接线方案既可解决单纯LCC直流受端换相失败的问题，又可改善纯柔性直流输电系统的直流侧故障自清除问题，在未来工程可能得到应用。（3）柔性直流输电具有诸多优点，例如不消耗无功，无须交流侧提供无功功率，没有换相失败问题；谐波含量小，需要的滤波装置少；有功和无功可独立控制，可在四象限运行，还能向无源网络供电以及占地面积小。因此在一些特定的场合，如长距离的跨海电缆送电、拥挤的城市供电、远距离向弱交流系统供电等得到比较多的应用。同时由于它在功率反向时改变电流方向而电压极性不变，对于未来可能建设的直流电网是一种很好的解决方案。（4）目前受到电压源型换流器件的工艺及参数水平、电缆电压等级限制、工作机制，以及线路故障后恢复慢等限制，柔性直流输电仍然有许多局限性，例如控制系统要求高、输送容量有限、单位输送容量成本高、故障承受能力和可靠性较低、损耗较大以及电缆输电距离较短。因此目前还不能很好的应用于高电压、大容量、长距离送电，但这必将是柔性直流输电的一个重要发展方向。结论：结合柔性直流输电技术的优点，目前，该技术在交直流混合电网、可再生能源等分布式电源并网以及向弱系统或孤岛供电等方面都可以得到广泛的应用。未来随着电力电子器件、计算机控制等技术的不断发展，柔性直流输电的输送容量、电压等级将不断提高，系统损耗和成本将逐渐下降，再加上我国能源战略和能源结构的有序调整和完善，以及国内外工程运行经验的不断积累，柔性直流输电必将会在更广阔的领域得到更全面的应用。

来源出版物：高电压技术, 2014, 40(8): 2429-2439

入选年份：2016

孤立微网的多目标能量管理

江渝，黄敏，毛安，等

摘要：蓄电池和超级电容的特性互补，由它们构成的混合储能系统（hybrid energy storage system，HESS）性能优良，它为微网的优化运行提供了条件。建立基于HESS微网的多目标优化模型，它将同时优化微网中发电单元的成本，污染气体排放治理的成本和HESS的成本。HESS的成本包含了投资成本和运行维护成本。同时，该模型根据可再生能源发电系统的特征设置约束条件，除了传统的功率平衡和发电单元极限输出功率外，还考虑了发电单元功率输出功率速度（爬坡约束）。另外，将HESS设计为具有正、负旋转备用容量的系统，以减小可再生能源出力随机性对微网的影响。为多目标能量管理控制结构图。它利用模糊控制，确定超级电容和蓄电池的充电功率/放电功率，然后再利用多目标粒子群优化算法（multi-objective particle swarm optimization，MOPSO），优化微网中燃料电池、柴油发电机和微型燃汽轮机的输出功率PFC、PED和PMT，实现微网的优化运行。根据负荷预测值和可再生能源发电系统输出功率的预测值确定微网净负荷预测值DNL；根据当前时段和下一时段净负荷预测值DNL，t、DNL，t＋1，根据上一时段储电池的荷电状态SOCB，t－1和超级电容的荷电状态SOCC，t－1，采用模糊控制方法确定当前时段储电池和超级电容的充放电系数。根据充放电系数确定当前时段储电池和超级电容的充电功率和放电功率从而确定蓄电池和超级电容的工作状态。确定原则为：对系统的净负荷进行削峰填谷；蓄电池主要对净负荷功率的长期稳态波动进行电力调峰，超级电容主要用来平抑净负荷的短时功率波动，从而减少蓄电池的充放电次数和配置容量，延长蓄电池使用寿命，最终降低HESS成本。因此模糊控制规则的主要思想为：对于蓄电池，在净负荷高峰到来之前，以尽可能慢的速度充电达到最大荷电状态，超级电容始终遵循优先充放电原则。为对应的隶属函数。其中Tt为时间，MR、MD和N分别表示早上、中午和晚上；VL、L、M、S和VS分别表示非常大、大、中等、小和非常小；NL、NM和NS分别表示负的大、负的中和负的小；ZE为零；PS、PM和PL分别表示正的小、正的中和正的大。确定了蓄电池和超级电容的状态后，再利用基于g-best自适应选取策略的多目标粒子群优化算法（MOPSO based on global best position adaptiveselection strategies，MOPSO-GA）优化微网状态，确定PFC、PDE和PMT。在MOPSO中，全局最优位置（global best，g-best）的选择对算法的收敛性和多样性有很大的影响，Sigma法是目前普遍采用的g-best的选择方法。但在Sigma法中，档案中部分粒子可能被过多地选择为g-best从而导致算法早熟或局部收敛。在MOPSO-GA中，外部档案成员则根据其拥挤距离确定其作为g-best的上限次数，并从种群中选择与其Sigma值欧式距离最小的粒子，从而避免了档案中部分粒子过多地被选为g-best，有利于算法收敛于全局最优解。为粒子分布不均匀时分别采用Sigma方法和g-best自适应选取策略为粒子确定g-best的结果，g-best自适应选取策略可以使粒子均匀快速的朝Pareto前沿飞行。断开与主网连接的开关，并对该微网进行仿真分析。微网中的光伏电池容量（photovoltaic，PV）100 kW，风机容量（wind turbine，WT）150 kW；另外还包含燃料电池（fuel cell，FC）、微型燃气轮机（micro-turbine，MT）和柴油发电机（diesel engine，DE）等DG，以及混合储能系统HESS。储能系统和各DG信息中的LOAD为微网日负荷需求，Pload为净负荷，PV和WT分别为光伏装置和风力发电装置的发电功率。由于可再生能源的波动性，导致Pload大幅度波动，且Pload的最大值大于系统DG最大出力之和。为了分析HESS的经济性和MOPSO-GA算法的有效性，考虑以下3种实验方案：方案1采用本文提出的含混合储能系统的孤立微网多目标能量管理模型进行优化。方案2相对于方案1，储能系统采用BESS，其余设置不变，进行优化。方案3相对于方案1，多目标优化算法采用NSGAⅡ，其余不变。对方案1的仿真结果显示，其中PBat和PSC分别为蓄电池和超级电容的充放电功率；SOCB和SOCC为蓄电池和超级电容的荷电状态。净负荷出现短时大功率波动时，仅超级电容充放电，实现削峰填谷，满足负载需求。蓄电池在净负荷低谷期间充电，晚高峰期间放电，在调度周期内蓄电池只循环充放电1次。对方案2的仿真结果，蓄电池在调度周期内循环充放电4次。HESS能有效减小蓄电池的充放电次数，这将大大延长蓄电池的使用寿命。HESS的等年值投资成本将低于BESS。因此，采用HESS微网的经济性和环保性都优于采用BESS的微网。为MOPSO-GA和目前广泛采用的NSGAⅡ的比较结果。MOPSO-GA的Pareto前沿明显支配NSGAⅡ的Pareto前沿，并且NSGAⅡ搜索到的Pareto前沿范围只是MOPSO-GA搜索到的Pareto前沿的一部分，此外，在MOPSO-GA的Pareto前沿中，非支配解分布非常均匀。因此MOPSO-GA具有更好的收敛性和多样性。微网储能系统为HESS时的优化结果，其中PHB为HESS总的输出功率，为发电成本最优的极端解，为污染物排放成本最优的极端解，为最优折中解。提出了含混合储能系统的孤立微网多目标能量管理模型，以系统经济性和环保性作为优化目标，并考虑多种约束条件。混合储能系统由蓄电池和超级电容构成，采用模糊控制和MOPSO-GA对模型进行求解，最后通过仿真实验，验证了所建立模型的有效性。通过与蓄电池储能系统的对比，混合储能系统减小了蓄电池的充放电次数，延长了使用寿命，并且提高了系统的经济性和环保性。通过与NSGAⅡ的对比，表明所提出的MOPSO-GA具有更好的收敛性和多样性。

来源出版物：高电压技术, 2014, 40(11): 3519-3527

入选年份：2016