Abstract:

氢气是一种清洁的能源媒介，燃烧时不产生温室气体和有害污染物。通过可再生能源电解水制取的氢气称为绿氢，绿氢制取过程中几乎没有碳排放，是未来节能减碳、能源转型的重要途径。电力系统与氢能产业相耦合是行业发展的关键环节，利用新能源风光互补发电制氢，不仅实现了能源的长期储存和利用，还提高了可再生能源消纳效率。为了深化绿氢综合利用成效，研究新能源制氢相关技术、电氢耦合技术、含氢能源的综合能源系统规划及运行调度技术等具有重要意义。

Abstract:

新能源制氢系统是提升风能、太阳能等新能源消纳的有效途径。目前国内外关于电解槽能量管理的研究以单电解槽为主。单电解槽能量管理未考虑电解槽非线性的工作特性，难以兼顾多个电解槽制氢效率，影响系统经济性。文中针对含有多电解槽的新能源制氢系统的能量管理问题进行了研究，以新能源消纳率、经济收益、制氢率为目标，考虑单个电解槽运行特性以及生产约束条件，建立包含风电、光伏、蓄电池、多电解槽的能量管理优化模型，并采用强度Pareto进化算法2（strength Pareto evolutionary algorithm 2，SPEA2）求解多目标优化问题。仿真研究表明，文中所提能量管理策略能够实现新能源发电的100%消纳，单位制氢收益可提升5.15%。因此，对多电解槽制氢系统进行有效的能量管理有助于提高制氢效率，可有效克服单电解槽运行及能量管理的不足。

Abstract:

氢储能具有储能容量大、储存时间长、清洁无污染、可实现多种能源网络互联互补和协同优化等诸多优点，有望成为推动分布式能源发展和提升终端能源利用效率的重要支撑技术。为了提高独立型微网供电可靠性及可再生能源利用率，文中分析了典型电、氢、热装置的运行特性，提出考虑电-氢-热多能互补的独立微网多目标优化配置模型，并基于模拟退火的粒子群（simulated annealing particle swarm optimization，SAPSO）算法对目标问题进行求解，获得不同配置方案下的技术经济指标。最后，通过东北某地独立微网优化配置算例，基于MATLAB平台验证了所提多能互补配置方案较传统电储能配置方案负荷失电率降低了3.18%，可再生能源利用率提高了8.37%。所提配置方案可有效促进可再生能源消纳，保证独立微网的供电可靠性。

Abstract:

为挖掘需求侧资源响应潜力，文中提出一种计及多重需求响应的综合能源系统（integrated energy system，IES）多时间尺度低碳调度策略。首先，考虑到需求侧资源在不同时间尺度下的响应差异性，建立计及价格型和激励型的多重综合需求响应（integrated demand response，IDR）模型。然后，为减少源、荷预测误差对IES运行的影响，分别构建日前低碳经济调度模型和日内双时间尺度滚动优化平抑模型。最后，算例仿真设置不同场景进行对比分析。结果表明，相比传统IDR，多重IDR能有效挖掘用户响应潜力，提升系统经济性。此外，计及多重IDR的多时间尺度调度策略能有效缓解源、荷误差带来的功率波动并降低系统碳排放量，实现IES低碳、经济和稳定运行。

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随着高比例新能源新型电力系统的灵活性需求增加，制定灵活性资源市场运营机制实时平衡大规模新能源出力波动性和不确定性十分重要。为此，文中提出一种基于按需比例分配机制的风光火氢协同规划方法。首先，制定风/光场站和氢储能系统的三阶段协调运行策略，根据按需比例分配机制进行风/光场站间功率交易，协调风电场和光伏电站的收益和支出，由火电和氢储能系统提供运行灵活性，采用固定利润比例模型保证氢储能系统的收益稳定性；然后，综合考虑投资决策和运行模拟，将功率交易成本和灵活性资源调节成本纳入优化目标，建立以风光为主体电源，以火电和氢储能为辅助电源的多时间尺度协调规划模型；最后，以中国东北某省级电网为算例进行分析。结果表明，采用文中所提方法进行电源规划可以兼顾经济性和环保性，降低灵活性资源需求和投资成本，提高风/光场站的功率利用率。

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储能技术与风电相结合实现电能的时空平移是解决系统运行稳定性问题的有效手段。氢储能具有储存容量大、可实现电热联产联供的优点，具有很大的发展潜能。然而由于风电存在不确定性，氢储能系统在频繁切换工作模式时面临着不确定的热能需求。因此，文中综合考虑氢储能在间歇模式下的热能需求，首先，介绍了氢储能系统接入的电-热综合能源系统基本结构，将风电场与氢储能相结合构成风-氢混合系统；然后，提出考虑风-氢混合系统热平衡需求不确定性的电-热综合能源系统鲁棒区间优化调度模型；最后，基于对偶理论，对所提出的模型转化求解，通过算例对比分析各类情况优化结果，验证了氢储能在促进风电消纳、提高系统能源综合利用率方面的有效性，并证明了考虑电解槽和燃料电池工作温度能提高系统的工作效率并提高风电场并网功率。

Abstract:

电制氢（power to hydrogen，P2H）和天然气混氢技术在促进可再生能源消纳、降低系统碳排放量方面具有良好的理论研究和工程应用前景。面向含高比例可再生能源的园区综合能源系统，提出一种计及天然气混氢及跨季节存储的P2H优化配置方法。首先梳理了含氢园区综合能源系统的运行框架和能量流动关系，建立园区内部能源生产、转换与存储设备的数学模型；然后以设备的年化投资成本、园区综合能源系统的年度运行成本和碳交易成本最优为目标，提出P2H优化配置模型；最后通过算例分析验证文中所提模型的有效性，并比较了电解槽投资成本、混氢体积分数上限以及经济性和低碳性成本权重系数变化对规划运行结果的影响。算例结果表明文中所提模型可有效提升可再生能源消纳能力，降低系统整体经济成本和碳排放量。

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高频电磁场会与架空输电线路产生耦合，一旦高频电磁场的波长小于传输线的高度，经典传输线理论就不再适用。传统的全波数值算法虽然可以解决这一问题，但求解效率不高，需要消耗大量的时间与计算资源。此外，电力系统输电线路往往有多个垂直端，线路布局复杂，而以往针对电力系统传输线的高效求解研究都是只有左右两个垂直端的较为简单的模型，与实际电力系统传输线的结构不符，没有考虑中间带有垂直端的情况。为了解决这些问题，文中提出一种理论有效的方法来解决有损耗地面上方带有散射体的电力系统多级传输线的高频电磁场耦合问题。采用计算效率高的渐近法，并在渐近法中引入散射体的概念，以考虑更复杂的电路结构。最后通过数值算例验证了该方法的准确性和有效性。

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架空输电线路巡检是电网运维工作的一项重要内容，利用无人机进行线路巡视检测已成为运维人员完成电力巡检工作的重要手段。首先，文中概述无人机巡检任务中人机协同作业系统以及无人机智能自主作业系统的架构；其次，分析当前架空输电线路缺陷巡检领域数据集状况以及数据扩增技术；再次，综述基于深度学习的无人机图像缺陷检测典型方法以及评价指标，并对比总结各种方法的优缺点；然后，讨论无人机图像视觉检测方法中图像采集规范、数据集形式、缺陷检测算法专业化应用等对架空线路缺陷的检测效果，指出图像检测指标和类别定义在电力巡检专业化领域中的不足；最后，探讨基于深度学习的无人机图像缺陷巡检的未来发展方向。

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电网换相换流器型高压直流输电（line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC）是新能源大规模并网、远距离外送的关键。而直流闭锁、换相失败等故障可能导致送端短时无功过剩并引发暂态过电压，危及运行安全。文中突破传统基于电压-电流级联控制的电流源外特性快速无功补偿装置的技术原理，提出一种应用构网型无功补偿装置（grid-forming based reactive power compensation device，GFM-RPC）抑制新能源送端暂态过电压的方法，构建基于微分-代数关系的电压动态分析模型，阐明GFM-RPC抑制暂态过电压机理，并分析GFM-RPC相比现有基于静止同步补偿器（static synchronous compensator，STATCOM）抑制暂态过电压方法的优势。利用仿真验证GFM-RPC抑制新能源送端暂态过电压的效果，并分析主要参数对过电压抑制效果的影响。研究表明，STATCOM这类电流源外特性的无功补偿装置在直流输电系统故障瞬间呈现出恶化电压动态的“反调”特性，而GFM-RPC能够克服这种“反调”特性，并且通过合理的参数配置可以进一步抑制电压幅值的超调量。

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现有电压暂降严重程度评估方法未充分考虑多元线路特征因素对输电线路故障概率的影响，评估结果存在较大误差。由此，文中提出了基于多元线路特征因素融合的电压暂降严重程度评估方法。首先，基于线路历史故障数据，采用关联规则量化多元线路特征因素对线路故障的影响程度进行研究。然后，通过改进D-S证据理论融合多元线路特征因素建立准确的线路年故障概率模型，并采用基于最大熵模型的故障点法评估节点的电压暂降量。最后，提出了一种同时考虑系统侧电压暂降严重程度和用户敏感设备耐受特性的综合电压暂降严重程度指标，用于评估节点电压暂降严重程度。基于实际电能质量监测数据进行验证，并与未充分考虑线路特征因素的评估案例进行比较，结果表明所提方法能有效提升电压暂降严重程度评估的准确性。

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针对新能源发电系统因间接性和不确定性导致的电压波动问题，文中首次将反步控制策略应用于电力弹簧（electric spring，ES）系统，并提出一种带有指令滤波的ES反步控制策略。根据ES的数学模型利用反步法设计控制器，并加入指令滤波器，以解决ES反步控制中的计算膨胀问题，同时设计误差补偿信号，并利用Lyapunov稳定性理论验证系统稳定性。通过仿真模拟新能源发电系统网侧电压波动时，ES对关键负载（critical load，CL）电压稳定的效果，以及不同系统参数对文中控制策略的敏感性分析。与传统的比例积分（proportional-integral，PI）控制对比，CL电压动态响应速度提高0.07 s，CL电压畸变率降低31%，参数敏感性分析中CL电压最大偏差率为0.318%，能承受的最大电压幅值波动范围提高52.9 V。仿真结果验证了文中所提出的控制策略具有响应速度快、谐波含量低、抗干扰能力强的优势。

Abstract:

随着能源与环境问题日益严重，以可再生能源为核心的分布式发电技术发展迅速。基于逆变器电源的微电网是分布式发电的重要组成形式，但是其内部网络发生短路故障后难以有选择性地准确隔离故障，会造成整体停运。针对逆变器电源特点及微电网结构，提出一种基于等效距离的源网储微电网线路保护方法。将线路在发生故障之后的故障信息通过调制技术来调制到线路的频率中，进而通过解调技术获得虚拟短路电流，并通过等效内电势测出故障距离。通过理论分析与仿真实验，验证了在4种不同电路结构情况下，包括单电源回路等，使用该方法都能算到虚拟短路电流，其相当于传统旋转电机作为电源时所输出的虚拟电流，并根据此虚拟短路电流测出逆变器电源和故障点间的距离。

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为应对大规模可再生能源并网造成的电力系统灵活经济调峰难题，文中提出一种计及核电风险量化的多源互补调峰调度方法。首先，分析核电低负荷的调峰机理，并考虑其调峰风险量化指标，从而实现核电的经济安全运行；然后，以总运行成本最低为优化目标，在目标中权衡弃风光损失和不同电源参与调峰增加的发电成本，建立含风、光、火、核、储的多源互补调峰调度模型，并对模型进行求解；最后，实际算例证明了所提优化调度模型的有效性。算例结果表明，与火电调峰、无储能参与的核电调峰相比，所提模型可使弃风弃光量减少94.17%，碳排放下降1.26%，进而验证了多源互补模式不仅可以提升高比例风光电网调峰能力，而且可以实现多源互补系统的低碳经济运行。

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虚假数据注入攻击（false data injection attack，FDIA）是智能电网安全与稳定运行面临的严重威胁。文中针对FDIA检测中存在的有标签数据稀少、正常和攻击样本极不平衡的问题，提出了融合无监督和有监督学习的FDIA检测算法。首先引入对比学习捕获少量攻击数据特征，生成新的攻击样本实现数据扩充；然后利用多种无监督检测算法对海量的无标签样本进行特征自学习，解决有标签样本稀缺的问题；最后将无监督算法提取的特征与历史特征集进行融合，在新的特征空间上构建有监督XGBoost分类器进行识别，输出正常或异常的检测结果。在IEEE 30节点系统上的算例分析表明，与其他FDIA检测算法相比，文中方法增强了FDIA检测模型在有标签样本稀少和数据不平衡情况下的稳定性，提升了FDIA的识别精度并降低了误报率。

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随着电动汽车（electric vehicle，EV）普及度的不断提高，工业园区内的EV用户日益增多，其充放电行为给园区综合能源系统（park integrated energy system，PIES）的规划运行带来极大挑战。文中提出考虑EV充放电意愿的PIES双层优化调度。首先，基于动态实时电价、电池荷电量、电池损耗补偿、额外参与激励等因素建立充放电意愿模型，在此基础上得到改进的EV充放电模型；然后，以PIES总成本最小和EV充电费用最小为目标建立双层优化调度模型，通过Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件将内层模型转化为外层模型的约束条件，从而快速稳定地实现单层模型的求解；最后，进行仿真求解，设置3种不同场景，对比所提模型与一般充放电意愿模型，验证了文中所提引入EV充放电意愿模型的PIES双层优化调度的有效性和可行性。

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针对未来电网一次调频资源不足的问题，文中提出一种基于充放电裕度的电动汽车集群虚拟储能参与电网一次调频的自适应控制策略。首先，分析电动汽车的调控运行范围。其次，研究电动汽车集群参与电网一次调频方法。考虑电动汽车充放电时间和电池荷电状态（state of charge，SOC）裕度，设计电动汽车充放电裕度指标。接着，提出基于充放电裕度的自适应一次调频控制策略，优化电动汽车参与一次调频的下垂功率，从而兼顾电网一次调频和电动汽车充放电需求。然后，通过定时更新方式评估电动汽车集群虚拟储能的一次调频能力，并提出一次调频效果评价指标。最后，通过区域电网仿真案例分析，验证所提策略减少系统频率偏差和优化电动汽车一次调频出力的有效性。

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气体间隙开关动作迅速、结构简单，在电力系统中应用前景良好，但对其绝缘恢复特性研究尚少。为此，文中采用双脉冲法研究开关间隙距离、触发介质气压及其种类对气体开关绝缘恢复特性的影响规律。结果表明：诱导触发型气体间隙开关绝缘恢复经历过渡期、快速恢复期和饱和期3个阶段，饱和期的持续时间远大于前两阶段之和，且在快速恢复期无“平台现象”出现。减小开关间隙距离，气体开关绝缘恢复速率渐进增大，其绝缘基本恢复时间（绝缘恢复系数R_U>90%）可降低50%。触发介质气压对气体开关绝缘恢复特性影响显著，对绝缘恢复过程的影响特性存在差异。增大触发介质气压会减缓气体开关的绝缘恢复过程，0.1~0.3 MPa压缩干燥空气中，气体间隙开关绝缘基本恢复时间对应为11~40 ms。强电负性SF₆对气体开关绝缘恢复具有明显增强作用，其绝缘恢复速率接近于空气中的4倍。研究结果可为气体间隙开关快速绝缘恢复技术提供理论指导。

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变压器套管作为设备重要的绝缘部件，其绝缘性能直接影响着设备的安全运行。为诊断变压器套管绝缘状态，改善变压器套管油中溶解气体的小样本不平衡数据对变压器套管故障诊断结果的影响，使用粒子群优化结合反向传播神经网络（particle swarm optimization combined with back propagation neural network，PSO-BPNN）和自适应综合过采样（adaptive synthetic sampling，ADASYN）算法对变压器套管进行故障诊断。首先收集变压器套管的历史故障数据，建立具有明确故障类别的变压器套管油中溶解气体样本集，并通过ADASYN算法对原始数据中的少数类样本进行合成，得到平衡后的故障数据，然后将平衡后的油中溶解气体作为模型输入，故障状态作为标签输出，通过PSO-BPNN模型对变压器套管进行诊断，最后在原始样本集下使用反向传播神经网络（back propagation neural network，BPNN）、遗传结合反向传播神经网络（genetic combined with back propagation neural network，G-BPNN）算法、布谷鸟搜索结合反向传播神经网络（cuckoo search combined with back propagation neural network，CS-BPNN）算法以及PSO-BPNN模型对套管进行诊断。结果表明，针对变压器油纸套管绝缘状态进行故障诊断的多个模型中，基于ADASYN平衡数据后的PSO-BPNN模型和其他模型相比准确度最高，能有效减小小样本不平衡数据对诊断结果的影响，为判断变压器油纸套管绝缘性能提供了有效方法。

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C₄F₇N/CO₂混合气体是目前最有潜力替代SF₆的气体之一。为了探讨C₄F₇N/CO₂混合气体的灭弧能力，文中根据电弧能量平衡理论，建立电弧能量平衡方程组，获取管道内部超压随时间的变化规律。同时，基于磁流体动力学模型，使用COMSOL Multiphysics软件建立压爆气流防雷间隙灭弧结构的二维磁流体模型，在雷电流幅值为4 kA的条件下，对管道内不同比例C₄F₇N/CO₂混合气体在冲击电弧作用下的熄弧特性进行仿真分析。基于上述方法，结合电弧能量平衡理论，分析模型中电导率、速度以及压强的变化规律。与理论结果对比分析得出：同一工况条件下，20% C₄F₇N/80% CO₂的灭弧性能较优，其次为10% C₄F₇N/90% CO₂与5% C₄F₇N/95% CO₂，并且熄弧时间符合气吹灭弧的要求。

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模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）存在器件损耗分布不均的问题，尤其是在逆变工况下，半桥子模块下部绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）损耗远高于其他器件，导致其热应力与故障率均较高，是制约高压大容量换流器可靠运行的关键因素之一。为此，文中提出一种混合型MMC器件损耗分布优化方法。首先，计算混合型MMC中各器件的损耗，分析器件损耗的分布特性。其次，分析电容电压对器件损耗的影响规律，明确降低半桥子模块电容电压可减少其下部IGBT的损耗。然后，在不影响换流器外输出特性的前提下，提出计及三次谐波电压注入及桥臂输出电压指令值差异化分配的控制策略，通过最大程度降低半桥子模块电容电压，减少其下部IGBT损耗。最后，开展MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验，仿真及实验结果验证了所提方法可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题，有利于提高换流器的整体可靠性。

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为保证并网系统中三电平中点箝位（neutral point clamped，NPC）型并网逆变器单相桥臂短路或断路故障后持续运行，提出一种基于空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation，SVPWM）的优化补偿型低共模电压容错控制策略。首先，通过分析故障后八开关三相逆变器（eight switch three phase inverters，ESTPI）拓扑开关状态对应的共模电压大小，确定参考电压矢量合成规则；然后，通过一个基波周期内中点电流情况分析中点电位波动机理，进而对空间矢量合成进行调节补偿；最后，设计低通滤波器和滞环控制器进一步对补偿进行优化调整，保证并网电流质量的同时有效抑制了直流母线中点电位偏移。仿真结果表明，该容错控制策略能够实现三电平NPC并网逆变器单相桥臂故障后并网系统的稳定可靠运行，每个基波周期有三分之一时间的共模电压得到改善，优化补偿后的并网电流质量显著提高，且在并网电流突变时具备良好的控制特性。

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传统同步调相机定子绕组匝间短路故障机理分析方法通常认为电机定子电流接近三相对称，并以此为基础建立同步调相机故障电流的数学表征。但是，一旦发生定子绕组匝间短路故障，同步调相机三相定子电流的对称性将遭到破坏，使得传统故障机理分析方法所建立的数学表征无法准确反映电机内部电气量的变化。文中通过引入对称分量法，建立故障后同步调相机瞬时有功/无功功率的数学模型，提出利用瞬时有功/无功功率中的2次谐波进行定子绕组匝间短路故障诊断。仿真和实验的结果表明：相较于利用定子电流3次谐波与基波幅值之比诊断故障的传统方法，文中方法在轻微故障状态下能提高至少7倍的诊断灵敏度，更易完成早期故障诊断。同时，所提方法中的故障特征量不受同步调相机工况和故障位置的影响，具有强鲁棒性。

Abstract:

大型调相机失磁故障严重影响设备本体安全以及电网稳定，现有基于静态阈值的低电压与无功反向判据可靠性与选择性不足。文中提出一种可反映调相机运行状态的机端测量阻抗全局动态轨迹智能识别的失磁保护原理，从运动学角度建立能够准确反映失磁与其他工况下测量阻抗轨迹的特征量时间序列，基于统计学提取解释性强的特征量。利用自适应权重的全局与局部核函数组合训练多核支持向量机（multiple kernel learning support vector machine，MKL-SVM），在保证模型学习能力的同时增强其泛化能力；提出基于分类核空间距离的两阶段识别策略，可在保证可靠性的前提下提高保护速动性。基于PSCAD仿真平台搭建调相机接入电网模型进行验证，结果表明所提失磁保护方案无须采集转子侧电气量，识别准确，面对新能源接入和未知扰动时仍具有优良的适用性。

Abstract:

现有的节点边际电价机制中，由于传统发电商具有市场操控力，当储能独立参与市场出清时，各发电商采取策略性报价，打压并挤占储能电站的市场份额，阻碍了储能电站参与市场出清，间接导致市场出清总成本增大。为此，文中提出一种包含传统机组以及储能电站参与的市场竞争机制。首先，分析现有市场结算机制的弊端以及阻碍储能参与市场出清的原因；其次，建立含储能参与的市场出清模型，采用样本均值近似法求解二阶段随机规划模型；然后，基于Vickrey-Clarke-Groves（VCG）结算机制，提出适应储能参与的日前市场价值分配机制；最后，提出解决激励相容而造成的系统收支不平衡问题的策略。文中采用IEEE 30节点系统为例，证明该机制满足激励相容、收支平衡以及削弱传统发电商的市场操控力等要求，同时储能的参与将会减小系统出清总成本，降低市场价格剧烈波动的风险。

Abstract:

弹性能反映电力系统应对极端灾害的抵御能力和恢复能力。输电系统作为电力系统中的重要组成部分，在小概率-高损失的山火灾害事件中，往往会发生大面积停电事故。文中提出一种考虑山火灾害全过程的输电系统弹性评估框架。首先定量分析极端山火灾害对输电线路故障率的影响，建立火点位置与线路故障率之间的数学关系，并利用系统信息熵获取典型故障场景以描述山火灾害可能导致的故障规模；其次，结合故障元件的地理位置、检修人员调度资源和修复时间等因素，构建以最小化山火灾害下负荷削减量为目标的输电系统恢复模型，提出考虑灾害全过程的输电系统弹性评估方法；最后，以IEEE RTS-79节点输电系统为例，验证了所提模型和弹性评估方法的有效性。算例结果表明，该评估方法可有效、全面地衡量各因素对输电系统弹性提升性能的影响。此外，定量分析了3种典型弹性提升技术措施的效果，为电力部门应对极端山火灾害制定防御及恢复策略提供了可量化的参考依据。

Abstract:

随着可再生能源产能的不断增长，电力系统的灵活性已成为频繁高峰调控影响下必须考虑的一个指标。然而，灵活性与经济效益之间往往相互矛盾，多目标优化可作为协调矛盾的一种手段。因此，文中以带熔融盐储热的抽凝式热电联产机组为研究对象，以灵活性和经济性为优化目标建立日前调度的优化模型。考虑储热系统的爬坡能力、机组出力和热电耦合等约束条件，文中采用改进的二代非支配排序遗传算法（non-dominated sorted genetic algorithm-Ⅱ，NSGA-Ⅱ）对熔融盐储热系统进行优化求解。文中分别以灵活性和经济性2种指标对求解获得的非支配解集合即帕累托（Pareto）前沿进行比较分析，同时对熔融盐储热系统的储、放热特性进行分析。分析结果表明，侧重灵活性时，熔融盐储热须维持较高的储热量，以应对低负荷阶段的供热不足；侧重经济性时，熔融盐储热调节较为频繁，使得机组在较高效率区间运行。