《高电压技术》网络首发2024年8月（下）

多端柔直配电网短路阻尼小、惯性低，系统中存在大量电力电子器件使得故障发展呈强非线性、阶段性特征，传统短路计算方法关注“点”和“线”的故障特征，难以顾及“网”级特性。为此，本文着眼短路故障从电容放电到交流侧馈流发展的全过程，系统引入直流故障口理论，首先利用阻抗的高频 特性将故障网络合理化简，再经拉普拉斯反变换后得到电容放电阶段的故障电流时域近似解，并通过故障口阻抗求得全网特征量；在交流稳态馈流阶段，建立了换流器端口转移矩阵，经换相重叠修正后消去网络中的混联节点，进而得到适用于多端柔直配电网的稳态短路 计算方法。最后，基于PSCAD/EMTDC平台搭建仿真模型，验证了不同故障位置及过渡电阻下所提短路计算方法的准确性。

针对氢气掺入天然气管道后系统的管道压力、气体渗透、性能衰减等特性发生变化，导致掺氢天然气管道输运系统的经济运行特性用传统方法难以刻画的问题，通过分析掺氢比、输送压力、环境温度、运输距离以及管道参数等因素对系统运行特性的影响，建立了掺氢天然气管道输运系统运行特性模型 。首先，结合天然气在不同掺氢比下物理性质的变化规律，从压力损耗、管道渗透和性能衰减3个方面建立了系统运行特性模型；然后，研究不同边界条件下压气站功率、渗透流量和管道寿命随掺氢比的变化关系建立系统的运行成本模型；最后，得到不同掺氢比下天然气管道向单位距离输送单位氢气所需要的成本，并结合西气东输一线工程部分天然气管道数据，计算得到不同管道流量以及不同掺氢比下掺氢天然气管道输运系统运行成本变化规律，验证模型的有效性，对未来掺氢天然气管道输运系统规划具有一定的指导意义。

随着大量常规机组被直流馈入和新能源发电替代，系统惯量水平下降，调频资源减少，频率稳定性问题日益突出。基于电网换相型换流器的直流输电（LCC-HVDC）应用广泛，利用其功率快速调节能力为系统提供支撑是改善频率稳定性问题的有效手段。本文基于功率阶跃型频率控制的基本框架，考虑LCC的出力限制，以出现功率缺额后频率最低点最高为目标建立了LCC-HVDC系统的出力时序优化模型。基于序列二次规划法对优化问题进行求解，确定最佳的LCC附加功率与支撑时间。基于MATLAB/Simulink的仿真验证了所提频率支撑控制策略的有效性。

储能是支撑构建新型电力系统的关键装备，针对单一主体在特定应用场景下投资储能存在成本疏导难、投资回报低的问题。通过“众筹共建、集群共享”的商业模式可以提升储能利用率和收益，在多主体间实现储能资源的成本分摊、利益共享。因此，本文基于共建共享商业模式，提出考虑多投资主体 下兼顾多场景需求的储能规划框架，并建立为数据驱动的分布鲁棒优化模型，通过综合范数约束刻画新能源出力的不确定性；同时在优化模型中构建了动态频率安全约束以保障系统频率安全，并通过线性化方法将复杂非凸的频率最低点约束转换为线性约束。其次，采用CCG算法对规划模型进行求解。最后，基于Shapley值法的成本分摊机制对共建共享模式下储能投资成本进行合理分摊。通过IEEE39节点系统验证了模型有效性，结果表明所提方法可以兼顾多主体多场景对储能的需求，同时降低各主体的投资成本。

当电网电压不平衡时，传统电压电流控制策略下含柔性多状态开关（Flexible Multi-State Switch， FMSS）的交直流混合配电网交流侧易发生有功和无功功率波动、并网电流畸变以及直流侧直流母线电压波动等电能质量问题。基于此，本文首先分析了含FMSS的交直流混合配电网拓扑及电压不平衡特 性，并提出一种基于超级电容储能的FMSS多目标控制策略。该方法通过调整调节系数D，实现FMSS在输出电流平衡、有功功率和无功功率恒定不同控制目标间的灵活切换。同时利用直流侧超级电容储能系统吸收不平衡功率以稳定直流母线电压，实现电网电压不平衡条件下FMSS的多目标控制。最后利用MATLAB/Simulink仿真软件和硬件在环实验平台搭建含FMSS的交直流混合配电网模型，验证了所提策略的有效性和可行性，确保了交直流互联系统的安全可靠运行。

接入弱电网带锁相环变流器的暂态同步稳定问题是新能源高占比电力系统主要的稳定问题之一。本文在大扰动下锁相控制变流器动态过程分析基础上，基于锁相环加减速过程中虚拟动能和势能的相互转化，提出了一种锁相控制变流器暂态同步稳定裕度的评估方法。通过延拓虚拟功角轨迹局部逼近锁相 环动态系统的稳定域边界，以边界出口点处的临界势能近似局部临界暂态能量，通过计算故障恢复后锁相环能量和临界势能界面的距离定义其稳定裕度。所提方法可以有效评估锁相控制变流器暂态同步稳定裕度，相比已有方法评估结果更逼近真实的稳定域边界，满足电 力系统变流器驱动稳定性的量化分析需求，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型计算验证结论的正确性。

电制氢(Power to hydrogen， P2H)技术是“双碳”目标背景下实现电力脱碳的关键技术。受碱性电解池(Alkaline electrolysis cell， AEC)单机容量的限制，P2H厂（站）利用AEC的可拓展性形成大容量多机集群系统。然而，现有调度运行框架研究难以保证P2H多机集群系统的性能最优。为此，提出 了一种考虑效率优化的P2H多机集群系统调度运行框架，旨在提升系统效率并优化AEC间的功率分配。首先，分析了温度与负载率对产氢效率的影响，建立了包含辅机系统的P2H效率模型。然后，在此基础上构建了P2H多机集群系统效率优化模型，将其线性化为混合整数规 划问题求解最优效率下各机组运行功率，并进一步提出P2H多机集群系统的优化调度模型。最后，基于IEEE 33节点配电网系统进行算例分析。结果表明，所提调度运行框架能降低系统运行成本，提升系统产氢效率和产氢量。研究成果可为P2H多机集群系统高效经济运行提供参考。

氢能等零碳能源耦合储能的综合能源系统是当下能源系统的主流，其能量管理策略的制定与容量优化配置对于综合系统的经济性与灵活性具有较大的影响。为此，提出了一种多能需求场景下的综合能源系统容量优化配置方法。首先，通过拉丁超立方抽样与欧式距离缩减法得到源荷典型场景，实现对源 荷预测误差的合理刻画。其次，制定了各设备协调配合的能量管理策略。基于典型场景和能量管理策略，以系统日综合成本最小为目标函数建立容量配置模型，并通过基于自适应惯性权重的樽海鞘群算法与经济性分析得到系统最优容量配置方案。仿真结果表明：所提方 案相比于缺乏蓄电池参与电能调节以及缺乏氢能余热利用的方案，日综合成本可分别降低5.82%和10.9%，同时保证了各储能设备在一个运行周期内始末容量相等，系统长期稳定运行效果更优。

随着双碳目标的提出，我国整县光伏大力发展。之前的低压配电网设计并未预料到大量的分布式光伏的接入，导致大量配电台区出现反向功率，甚至反向过载的问题。配置储能可以实现台区动态增容从而对过载有效治理，然而储能投资成本高，配置容量往往有限，无法彻底解决台区反向过载问题。因 此，本文从过载对变压器寿命影响出发，提出动态增容受限下反向过载优化治理策略，并与现有的储能最大功率出力以及恒定功率均匀出力策略进行对比。其次，提出考虑反向功率严重时段整体特性的滚动时间窗选取方法，并制定合适的定变窗结合滚动调度策略。最后 ，利用加入混沌映射与精英反向学习的改进粒子群算法对本文所建立的反向过载优化治理模型进行求解，并对实际台区进行分析，验证了本文过载治理和滚动优化策略有效性。

多分支短距离配网输电线路覆冰时，直流融冰技术应用受限，目前多采用工频交流短路融冰。该方法存在功率因数低，融冰电压难以连续调节的问题。本文提出一种高效的配网低频变频融冰方法，通过电路模型数值计算分析了变频融冰原理。考虑配电变压器铁芯磁饱和，提出基于配电变压器一次侧不 切除最优融冰频率的计算方法。基于3-3矩阵变换器拓扑结构，研制了0.5 MVA新型轻量化变频融冰装置，可实现最大840 A，0-694 V、1-80 Hz交流融冰电压输出，满足0-5 km配网融冰需求。在重庆大学人工气候室针对300 mm²、150 mm²、95 mm²三种截面导线开展了变频融冰试验，结果表明：同等融冰电压下，由工频降低至40 Hz时，三种导线融冰时间分别变为原来的0.58、0.65、0.73倍。本文的研究可为配网融冰提供理论依据和参考。

油浸式变压器绕组热点温度是影响材料绝缘老化的重要因素。本文基于油浸式变压器的电气和结构参数，建立了变压器三维等效仿真模型，通过磁场计算准确得到油箱各壁面的损耗值。采取传统等效模型和多孔介质等效模型，对两种等效模型的流场-温度场分布进行计算，得到变压器温度场仿真结果，获得了油浸式变压器铁芯和绕组温度及周围流体流速分布。为减小漏磁通在油箱壁面产生的损耗，降低变压器整体温升，在油箱壁面分别施加电、磁屏蔽板，计算两种屏蔽对油箱壁面损耗值的影响，根据计算结果，得到磁屏蔽的屏蔽效果更佳，并对施加屏蔽位置继续进 行研究。根据温度场计算结果，确定与绕组温度具有强关联的油箱壁面中部特征点与底层油温特征点，通过中心复合设计法，分别建立两种情况下的温度反演模型。结果表明，选取底层油温特征点不仅数量小，且在大型变压器中较容易实现，在预测绕组热点温度方面相 关系数达到0.95以上，预测准确性更高，上述研究为油浸式变压器绕组热点温度的实时监测提供了理论依据和技术支撑。

传统变压器健康状态评估工作主要根据导则和专家经验开展固定周期或检修后评价，难以反应设备实时状态。基于数据驱动的评估模型虽适用于持续跟踪设备运行状态及其发展趋势，但存在对原始样本要求高、可解释性不足等问题。对此，本文提出了一种基于不平衡数据的可解释变压器健康状态预警 方法。首先，通过自适应综合过采样方法有效扩充少数类样本，生成均衡化的样本集；其次，构建基于贝叶斯优化轻量梯度提升机的变压器健康状态预警模型，实现对变压器健康状态的精准、高效预测；最后，引入沙普利值加性解释归因理论，从全局与个体两个角度开 展变压器健康状态预警影响因素分析，有效量化了各状态参量对模型预测结果的影响度。研究表明，本文方法对变压器健康状态的识别平均准确率为98.46%，可有效地反映变压器特征参量与模型预测结果之间的动态联动过程，为现场变压器的智能运维及差异化检修策略 制定提供有效支撑。

新型环保绝缘气体因其优异的绝缘性能和低温室效应，在电力行业受到广泛的关注。然而电力设备中存在的局部放电会导致新型环保绝缘气体发生分解，降低其本身的绝缘性能。为探究新型环保绝缘气体在放电环境下的稳定性，提出一种基于丁达尔效应的激光散射检测方法，研究了丁达尔效应与固体 分解产物之间的关系。结果显示分解产物的含量与散射光强呈正相关，在相同的放电条件下，C₄F₇N的稳定性要优于CF₃SO₂F。具体表现为20%CF₃SO₂F/80%N₂放电分解固体产物散射光强是相同混合比下C₄F₇N的28.1倍，是SF₆的224.3倍；10%CF₃SO₂F/90N₂放电分解固体产物散射光强是相同混合比下C₄F₇N的5.3倍，是SF₆的36.0倍。此外，当放 电时间小于10 s时，C₄F₇N可以表现出与SF₆相当的稳定性。该研究结果可以为新型环保绝缘气体在放电环境下的稳定性评估提供新的指导方法。 

为了进一步提升变压器油中腐蚀性硫化物的检测灵敏度，本文首次将互相关检测应用于拉曼光谱的定量分析中，并提出了多输入信号修正的相关检测方法，通过理论推导证明了该方法可增强拉曼光谱信号。以变压器油中的典型硫腐蚀特征分子二苄基二硫醚为例，采用传统定量分析方法时检测下限为338.51 mg/kg，应用相关检测后检测下限达到178.29 mg/kg，检测下限提升了1.90倍。而进一步应用多信号输入修正的相关检测方法后，针对弱信号的检测能力随着通道数的增加而增强。当输入信号通道数达到25时，19.5 mg/kg二苄基二硫醚样品的检出率即可达到100%。最后通过实验室配制固定浓度样品进行验证试验，证实了相关检测方法与多信号输入修正方法的可靠性和有效性。此方法同时可应用于其他特征物分子的检测中，以及其他基于图谱的检测方法中，如红外光谱检测，质谱检测等。

针对基于案例推理的变压器缺陷诊断算法存在的过度依赖与单个案例的相似性分析、未考虑设备故障机理和可解释性差等问题，本文提出了一种融合传统油中溶解气体分析技术和可解释机器学习算法的变压器缺陷诊断方法。首先，将所收集变压器缺陷数据映射至Duval五角形法、三比值法所构建的二维和三维坐标中，采用OPTICS聚类算法分别形成对应案例簇，并计算了每类案例簇的质心。其次，采用待诊断样本数据与各案例簇质心的欧氏距离及其衍生特征量表示其与缺陷类型的相似性，构建了基于LightGBM的变压器缺陷诊断模型。经算法对比分析，该模型诊断变压 器案例所属案例簇的平均准确率为91.15%，具有更高的准确性和泛化性。最后，采用TreeSHAP评估不同特征指标对其案例簇划分的贡献度，并结合案例分析验证了本文所述方法的有效性和准确性。研究结果表明，本文所述方法可有效挖掘缺陷变压器与其相似案例及特征 量间的相似性，可为变压器运维检修提供指导建议。

为实现不同光学模态信息优势互补，以助力电力设备故障检测与定位任务，本文采用可见光图像增强红外图像的纹理信息，针对现有红外-可见光图像配准技术难以精确对齐电力设备局部精细化结构的问题，本文首次提出自适应监督重训配准算法（adaptive registration with supervision and retraining，ARSR），主要包括双阶各向异性高斯方向导数机制（dual order anisotropic gaussian directional derivative，Dual-AGDD）以及双视图匹配参数重训框架（double-view matching parameter retraining，DVMPR）。首先，提出Dual-AGDD完成特征点筛选与定向。1st-AGDD进行自适应电力设备局部细化角点检测，2nd-AGDD构建高斯特征三角形确定特征点主方向，采用局部强度不变性方法完成特征描述子构建。接着，提出DVMPR框架对图像透视尺度与视野旋转进行制约校正。最后，基于3σ原则改进支持向量回归，对误匹配点 进行剔除，完成异源数据配准。试验结果显示，对不同旋转和尺度差异、不同环境的电力设备异源图像进行配准时，本文算法的平均定位误差为2.65、平均配准精确率98.57%，具有较强的图像旋转、尺度不变性和环境鲁棒性，显著优于现有CAO-C2F、SuperPoint-SuperGlue等配准算法，可提高电力设备精细化结构异源图像配准精度。 

温度是反映干式变压器运行状态的重要指标，准确快速仿真温度场分布有利于提升干式变压器的运行可靠性。数值热模型可以准确仿真温度场分布，但存在仿真效率低的问题，难以满足实际运行需求。因此，根据绕组的周期性分布特征，提出基于等效热参数的干式变压器温度场分布快速仿真方法。选 取绕组周期性代表单元，结合有限元方法和傅里叶定律计算其各向异性等效导热系数(equivalent thermal conductivity， ETC)，并根据绕组周期性代表单元的内部结构和材料参数推导等效密度(equivalent density， ED)和等效比热容(equivalent specific heat capacity， ESHC)。基于上述等效热参数建立了干式变压器的简化热模型。采用同一台计算机对简化热模型和精确考虑绕组导线和绝缘结构的完整热模型进行仿真并对比分析。结果表明：简化热模型与完整热模型所仿真的温度场及速度场的分布特征均一致；热点温度的仿真误差保持在±4K的范围之内；在最大网格尺寸相同的条件下，简化热模型的仿真速度是完整热模型仿真速度的193倍。验证了所提出的基于绕组等效热参数的干式变压器热点温度快速仿真方法的有效性。 

高频陡脉冲方波电应力下的固体绝缘局部放电及寿命是高功率密度高频变压器设计与可靠性面临的挑战。本文以绝缘沿面放电模型为例，采用特高频局部放电测试方法，研究了高频方波下频率与陡脉冲参数（dv/dt）对环氧树脂局部放电特性及寿命的影响，并建立了频率与dv/dt耦合的高频方波电场下 环氧树脂绝缘的寿命模型。采用高通滤波器，结合完全自适应噪声集合经验模态分解（CEEMDAN）和小波降噪得到了去噪后的局部放电信号。研究结果表明，随着方波电压频率和dv/dt增加（1kHz-20kHz），局部放电幅值逐渐减小。另外，不同dv/dt下环氧树脂低频的局部放电幅值差距越大。研究认为这与电荷衰减速率有关，高dv/dt下局部放电更集中，放电幅值小。环氧树脂的绝缘寿命随方波电压频率的增加明显减小，随dv/dt的增加也有所减小。通过正交实验与耦合因子分析，建立了高频方波下频率和dv/dt耦合寿命模型，模型结果与实验对比误差小于3%，验证了寿命模型的准确性。论文研究对高功率高频变压器的绝缘设计与应用具有重要意义。

针对已有雷电电磁波传播研究主要通过理论分析或假设来获得定性影响规律，研究结果对雷电监测应用支撑不足的问题，该文构建了考虑真实复杂地形和土壤电导率分布的雷电电磁波传播模型，并以西藏电网广域雷电监测系统为研究对象，专门针对雷电探测站开展了雷电电磁波传播时延和幅值变化的 定量计算，在此基础上提出适用于工程应用的雷电定位优化方法。结果表明：1)雷电电磁波接收时间主要受地形影响，在西藏63个探测站300 km范围内，复杂地形可导致接收时间最大延迟6 μs；而雷电电磁波幅值受到地形和土壤电导率共同影响，地形主要通过波形的折反射增加幅值，而有限土壤电导率对波形幅值造成衰减。在地形相对平坦地区，电导率分布对幅值影响较为明显，电导率可造成幅值衰减1/3；而在地形复杂地区，地形的影响则占主导，可增强波形幅值达1倍以上；2)考虑地形和土壤电导率后，西藏电网雷电监测系统需 要修正的雷电定位位置误差主要分布在400 m内，定位误差在0～200 m和200～400 m的区域占比70%;定位误差400～600 m、600～800 m的区域占比约15%。雷电流经校正后在大部分地区减小，雷电流减小的区域占比90%。