第十六届全国信号处理学术年会及产业发展大会(CCSP-2013)征文通知
基于小波消噪的植物电信号频谱特征分析
ＺＨＡＮＧ ａ ｈｕ ，ＹＵ ｎ ｍｅ ，ＸＩＧａ ｇ ＭＥＮＧ ａ ｌ Ｘｉｏ ｉ Ｎｉ ｇ ｉ ｎ２ Ｘｉｏｉ
，
（ ． ａｕｔ ｏ ｕｏ ａ ｏ ｎ ｆｒ ａｉ ｎｉｅｒ ｇ Ｘ ’ｎＵ ｉ ｒｉ ｆ ｅｈｏｏ ， ｉａ １０ ８ ｈｎ ； １ Ｆｃ ｌ ｆ ｔ ｔ ｎａ ｄＩ ｏｍ ｔ ｎＥ ｇ ｅ ｎ ， ｉａ ｎｖ ｓ ｙ ｃｎｌｇ Ｘ ’ｎ７０ ４ ，Ｃ ｉａ ｙ Ａ ｍ ｉ ｎ ｏ ｎ ｉ ｅ ｔｏ Ｔ ｙ ２ Ｆ ｃｌ ｆ ｃ ｎｅ Ｘ ’】 ｎｖｒ ｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ｉａ １０ ４ Ｃ ｉａ ． ａｕｔ ｏ ｉ ｃ ， ｉａ ｙ Ｓｅ Ｕ ｉ ｓ ｙ ｆ ｃｎｌ ｅ ｉ Ｔ ｏ Ｘ ’ ７０５ ， ｈ ） ｙ ｎ ｎ
研究 表 明植 物 内部存 在着 一种 涉及 电信 号及 其
信息 ， 被接收细胞会 以特有的方式进行转换 ， 进
而调 节植 物 的生理 变化 以适应 环 境的改 变 。该 方 面
转换的通讯途径 。环境刺激会使植物产生不同 的电位波动 。 推测 电位波动 的频率 、 ４， 振幅 、 电信
号 的通讯
的研究有可能在植物生命科 学 中催生一 门新 的领
域— —植 物神 经生 物 学 。但 是 ， 目前 只 知道 植 物
收稿 日期 ： ０ １０ －３ ２ １ －６０
基金项 目： 国家 自然科学基金资 助项 目（０７０９ ； ５９７７ ）陕西省教育厅专项科研计划基金资助项 目（９Ｋ６ ） ０Ｊ６７ 。 作者简 介 ： 张晓辉 （９ １）男 ， 南郑 州人 ， １８－， 河 博士生 ， 研究 方 向为 大规模集 成 电路设 计及 相关信号 处理 。Ｅｍ ｉ ｘ ｏｕ ．ａ ： ａｈｉ ｌｉ ． ｚ＠１３ｃｍ ｈ ６．ｏ 。余宁梅 （９３）女 ， 苏南 京人 ， １６一 ， 江 教授 ， 导 ， 究方 向为 大规模 集成 电路设 计及相 关信 号处 博 研
水声信号处理领域若干专题研究进展
水声信号处理领域若干专题研究进展李启虎（中田科学院声学研究所１摘要本文介绍了当前水声信号处理顿域中的一些最新研究成果。
其中主要涉及水声通信、台成孔径声纳（曼ＡＳ）、数据融台问矗，大洋声层折、水下ＧＰＳ系统和安静型潜艇辐射臻声的翻量等．可供我田高技术跟踪技术决蘸怍参考．、ｊ关键词：水声信号处理？专题研究进展中豳分类号：ＴＢ５６１前言水声信号处理是海洋领域乃至信息领域最为活跃的学科之一。
随着２１世纪的到来，海洋开发和信息科学的快速发展对水声信号处理技术提出了越来越高的要求。
同时，巨大的需求牵引又强有力地拉动水声信号处理技术的发展．国民经济和国家安全迫切需要水声信号处理技术提供新的更先进的手段，以便解决日益增长的需求．美国ＩＥＥＥ协会为纪念信号处理领域发展５０年来的成就，组织了一批批专家编写了一系列的综述文章．其中就有水声信号处理（见中科院声学所编译的文集“水声信号处理的过去、现在和未来”，１９９５年５月，北京）。
本报告不准备涉及水声信号处理的各个课题．而是有选择地介绍当前的几个热点问题，其目的是为我国海洋８６３和国防预研项目提供原始资料．为２１世纪初水声信号领域课题的选择提供一些背景资料．这些专题包括水声通信、水下ＧＰＳ系统、合成孔径声呐（ＳＡＳ）、水声信号处理中的数据融台问愿、大洋声层折和安静型潜艇辐射噪声的测量等等．水声信号处理所涉及的问题非常多，要在～份报告中作全面．系统的阐述是十分困难的．我们试图介绍一些最新研究成果，为我国的高技术跟踪计划提供决策参考。
２水声通信由于电磁波在海水中传播时衰减严重，所以在海洋中的检测、通信、定位和导航主要利用声被．声波是目前人类己知的水中信息传输的主要载体．随着海洋开发的迅速发展，对水下声通信的要求越来越迫切，从技术原理来说，水声通信可以看作是主被动声呐技术的结合．比如要选择合适的发射信号向水中发射（主动声．，·呐），又要有适合的接收机接收信号（被动声呐）．但是水声通信又有自己许多独特的特点，如长脉宽的编码序列、解码技术等．水声信道远远不如电磁波的升质大气或真空那样，允许非常多的信号通道。
第十六届全国信号处理学术年会及产业发展大会(CCSP-2013)征文通知
第 ３期
信 号 处 理
Ｊ ＯＵ ＲＮ ＡＬ Ｏ Ｆ Ｓ Ｉ ＧＮ ＡＬ Ｐ Ｒ ０Ｃ Ｅ Ｓ Ｓ Ｉ Ｎ Ｇ
Ｖｏ １ ． ２ ９ Ｎｏ ． ３
Ｍａ ｒ ．２ ０ｌ ３பைடு நூலகம்
２ ０ １ ３年 ３月
第 十 六 届 全 国信 号 处 理 学 术 年 会 及 产 业发 展 大 会
Ｇ ． 形 态学信号处理
Ｈ＿ 信号处理 中的 Ｖ Ｌ Ｓ Ｉ
Ｉ ．语 音 与 声频 编 码
二、 征 文 要 求
征文截止时间为 ２ ０ １ ３年 ４月 ３ ０日。来稿必须是未 曾在国内外公开发表过 的文章 ， 不得涉及 国家机密 。在作 者信息 附件 中明显位置请标 注“ 年会 ” 字样 ， 并注明所投专题 。正文篇 幅控制在 ７ ０ ０ ０字 以内（ 含 图表 ） 。内容 力求
号处理学科 的发展 ， 成 果的推广应用和科技人才培养都做 出 了重要贡献 。
为进一步研讨信 号处理在 国民经济和众 多科技 领域 中的工程 应用 、 交流学 术成果 及跟踪世 界高科 技最新 动
态， 中国电子学会信 号处理分会 、 中国仪器仪 表学会信 号处 理分会 拟定 于 ２ ０ １ ３年第三 季度在 哈尔滨 市举办第 十 六届全 国信 号处 理学术年会 （ Ｃ Ｃ Ｓ Ｐ 一 ２ ０ １ ３ ） 。在本届 大会上将邀请多名信号处理著 名学 者和高端 科技产 品开发人
秀论 文荣誉证书 ， 以资鼓励 。
一
、
征文 内容 （ 分２ ６个专题 ） Ｊ ．语音合成 、 识 别及对话 Ｋ ．图像处理及理解 Ｌ ．Ｐ Ｄ Ｅ在图像处理 的应用 Ｍ．计算 机视觉与 Ｖ Ｒ Ｎ ．视频压缩 与流媒 体 Ｏ ．多媒体 与人机交互 Ｐ ．模 式识别 与统计学 习 Ｑ ．人工智能及神经 网络 Ｒ ． 通 信 中的 Ｄ Ｓ Ｐ
现代测试技术及信号处理发展现状及趋势
现代测试技术及信号处理发展现状及趋势曹修全摘要：随着IT产业和通讯技术、电子技术、计算机技术的高速发展，生产设备和产品的电子化、数字化、自动化、智能化的程度越来越高，对与之配套的测试技术与信号处理技术提出了更好的要求。
因此，笔者查阅了有关现代测试技术和信号处理技术的国内外文献，就现代测试技术和信号处理技术的发展现状进行概略介绍，并分析其存在的问题，进而提出了该类技术的发展趋势。
关键词：测试技术，信号处理，现状，趋势引言进入21世纪以来，测控技术和自动测试系统已经广泛的渗入到了生产、科研、试验活动等领域。
自动测控技术已经在通信、汽车、机电、冶金、石化、建筑、纺织、电力、高等教育等众多领域[1-10]得到了广泛的应用，并与相关技术紧密集合，促进了生产力的发展。
随着IT产业和通讯技术、电子技术、计算机技术的高速发展，生产设备和产品的电子化、数字化、自动化、智能化的程度越来越高，对与之配套的测试技术与信号处理技术提出了更好的要求。
综合了通信技术、测量技术、电子技术、自动化技术和计算机技术于一体的广域的自动测试系统的研发，已经成了国内外知名厂家的重大课题。
现代测试技术和信号处理技术作为自动测试系统的发展基础，为了更好的发展自动测试系统，解决诸多企业当前面临的自动测试问题，有必要对现代测试技术和信号处理技术进行一个全面的了解，通过分析其发展现状，找出制约其发展的关键因素，从而为该技术的发展提出解决方案。
因此，笔者基于抛砖引玉的想法，在查阅了现代测试技术和信号处理技术相关文献[11-18]的基础上，对该技术的国内外现状进行了总结，并基于此指出了该技术在过去的发展过程中存在的问题与不足，进而提出了该技术的发展趋势。
国内外发展现状测试技术是综合了测量与试验的一门综合性技术，具体来讲它是通过技术手段获取研究对象的状态信息，以一定的精度描述和分析其运动状态，是科学研究的基本方法。
现代测试技术是结合了计算机技术、通信技术、测量技术、自动化技术、电子技术等多领域多学科现代科学理论的综合性测试技术，是对被测对象的参量进行测量，将测量信息进行采集、变换、村粗、传输、显示和控制的技术，是传统测试技术与现代科技手段想结合后的一个提升，是一门随着科学技术的进步不断发展的综合性技术。
面向6G的高速太赫兹无线通信系统与关键技术验证
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１１４．２０２４．０１．００４引用格式：董博宇，冯叶青，李国强，等．面向６Ｇ的高速太赫兹无线通信系统与关键技术验证［Ｊ］．无线电通信技术，２０２４，５０（１）：３４－４０．［ＤＯＮＧＢｏｙｕ，ＦＥＮＧＹｅｑｉｎｇ，ＬＩＧｕｏｑｉａｎｇ，ｅｔａｌ．ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＴｅｒａｈｅｒｔｚＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍａｎｄＫｅｙＴｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒ６Ｇ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２４，５０（１）：３４－４０．］面向６Ｇ的高速太赫兹无线通信系统与关键技术验证董博宇１，冯叶青２，李国强１，贾俊连１，张俊文１ ，付杰尉２，迟 楠１，朱伏生２（１．复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室，上海２００４３３；２．广东省新一代通信与网络创新研究院，广东广州５１０６６３）摘 要：太赫兹通信以其可提供更高速、更大容量和更安全的数据传输的独特优势，在未来６Ｇ中成为重要的关键技术之一。
基于固态电子的太赫兹通信系统存在带宽受限、频谱响应不平坦等问题，需要先进的信号形式结合灵活高效的处理方法来提升系统性能。
搭建了基于固态电子的Ｇ波段太赫兹无线通信系统，通过采用比特－功率加载的离散多音（ＢｉｔａｎｄＰｏｗｅｒＬｏａｄｉｎｇ ＤｉｓｃｒｅｔｅＭｕｌｔｉｔｏｎｅ，ＢＰＬ ＤＭ）调制技术，实现了对系统频谱资源的有效利用；通过对通信速率的灵活调整、自适应削波和基于三阶多项式的后均衡技术，解决了峰值功率约束带来的挑战，提升了整体传输性能，实现了在１９５ＧＨｚ中心频率下，单通道１３０Ｇｂｉｔ／ｓ的通信线路速率。
基于以上技术，为进一步提升系统容量，搭建了４×４的多输入多输出（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）太赫兹通信系统，总线路速率超过３９９Ｇｂｉｔ／ｓ。
基于专家系统的Φ-OTDR模式识别方法研究
分布式光纤传感技术对比 ............................................................................................. 2
data.
(5) An expert system classification structure based on the model is proposed. Three sub
classifiers and the model are trained and adjusted through 5 fold cross validation. The average
2020 年 6 月
致谢
本论文的工作是在我的导师盛新志教授的悉心指导下完成的。盛新志教授严谨的
治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和深远的影响。盛新志教授在学习和课
题研究工作中也给予了我很大的帮助，在此由衷地感谢盛新志教授在两年中对我的关
心与指导，表示我由衷的谢意。
梁生老师对我的科研工作提出了宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。
目
录
中文摘要 ........................................................................................................................................................ iii
ABSTRACT ................................................................................................................................................... iv
2013年信号处理、图像处理国际会议 International Conferences on Signal Processing, Image Processing
International Journal of Advancements in Computing Technology, Jan. 30, 2013
2013 The 4th International Conference on Intelligent Control and Information Processing (ICICIP2013)
Website: /cvpr13/home.html
Venue/Country: Portland, Oregon / USA
Submission Deadline：Nov. 15, 2012
Conference Dates: Jun. 23-28, 2013
Website:
Venue/Country: Kingston / Canada
Submission Deadline: Jan. 6, 2013
Conference Dates: May 6-8 2013
2013 International Conference on Image Processing (ICIP2013)
2013 China-Ireland International Conference on Information and Communications Technologies (CIICT2013)
Website:
Venue/Country: Beijing / China
Website: /icicip2013/
Venue/Country: Beijing / China
Submission Deadline: Feb. 1, 2013
小波变换在压力容器声发射信号中的特征提取
２ 小 波基 的 选 择 由于声发射信号具有信号的数据量庞 大、 率高、 频 时间短、 突发 性强、 衰减 快等特点 ， 应选择具有以下五点的小波基 ： ２１能够快速处理大量信号 ， ． 实现声发射源特征信号 的重构： ２２ 能在不同的频域 范围内进行分析并最终提取 与声发射源相 ． 关 的信 息 ： ２３ 与信号具有一定的相 关性 ， ． 对信号 的特征提取量高： ２４ 应具有线性相位 ，对信号进行分解和重构时尽量避免或减 ．
１小 波变 换原 理
能提取出声发射故障信号的特征。 关键词 ： 声发射检验 小波变换 中图分类号 ：Ｇ１ ５２ Ｔ １ ．８
首先在压力容器 没完全封 闭下打压 ，采集噪声信号并分析其特
信号 处理 压力容器
小波变换是一种新 的时频分析 方法。与其他 时频 方法不同之处 是小波变换用尺度 算子代替频率移动算子 ，将时间频率相平面换 为 时间尺度相平面 ， 而且时窗函数为变特性窗 ， 高频段 时窗长度短 ， 在 低频段时窗长度长。 由于小波变换时窗特性可调这一特点 ， 使其 既能 对信号 中的短 时高频成分进行有效分析 ，又能对信号中的低频缓变 成分进行精确估计。 后 在 压 力 容 器 完 全 密 封 下 打 压 ，压 力 逐 步 增 大 ， 速 率 小波分解可以看作是分别对信号（ 进行高通滤波和低通滤波 Ｓ） ０Ｏ ＭＰｍｉ， ．２ ／ ｎ 每增 加 ０１ ．ＭＰ保 压 ３ ４ 后 ， 继 续 加 压 ， 到 压 Ｏ～ ０ ｓ 再 直 的过程 。分解过程如图 １所示 ： 将原始信号 Ｓ经过 ３层 多分辨小波 力为 １２ 。采集信号如图（ ） ．ＭＰ ｃ 中的 Ｓ 并将噪声信号 Ｓ经小波分析 ， 分解。其 分解 关系为 ： ＝ ３ Ｄ Ｓ Ａ ＋ ３十 Ｄ ＋ ， ２ Ｄ１Ｄ１频率最高 ， Ａ３频率 后每个分解尺度 的时域重构波 形， ３是低频信号 ， ， ２ Ｄ Ａ ＤＩＤ ， ３为分 最低 。如果原始信号 Ｓ的频带宽度为【，１ Ｏｆ ．则分解后各频率分量分 别为 １ ２ ３层的高频信号。图（ ） ，， ｄ 是图（ ） Ｃ 中相应信号 的 Ｆ Ｔ 图。 Ｆ 从 别为： ３［，８ ， ３［８ ｆ 】Ｄ ：／ ，２ ， ：／ ， 。 Ａ ： ｆ 】Ｄ ：／ ，４ ， ２【４ ｆ 】Ｄ１【２ ｆ ０／ ｆ ／ ｆ ／ ｆ 】 故 障信号 Ｓ的时域波形与相应 Ｆ Ｔ 波形看， Ｆ 噪声完全把故障信号淹 没。但经分解重构后的 Ｄ ３波形 图完全能看 出故障信号主要集 中在 ６ ５ １５ Ｈ ２ ～ ２ ０ ｚ之 间 ，同时从 Ｄ ３的 ＦＴ图中得 到故 障频 率集 中在 Ｆ
黄河口及莱州湾海域磷的时空分布及浮游生物对低磷胁迫的响应
第53卷 第11期 2023年11月中国海洋大学学报P E R I O D I C A L O F O C E A N U N I V E R S I T Y O F C H I N A53(11):087~098N o v .,2023黄河口及莱州湾海域磷的时空分布及浮游生物对低磷胁迫的响应❋段晓萌1,2,秦华伟3,马浩阳1,许泽昊1,2,吕浩然1,2,梁生康1,2❋❋(1.中国海洋大学化学化工学院,山东青岛266100;2.中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛266100;3.山东省海洋资源与环境研究院,山东烟台250299)摘 要: 本文利用2019 2021年在黄河口及莱州湾海域进行的4次陆海同步调查结果,分析了环莱州湾主要入海河口和排污口陆源输入磷的季节变化㊁黄河口及莱州湾海域内不同形态磷及不同碱性磷酸酶活性(A P A )的时空分布特征,探讨了海域内磷受限状况及浮游植物和浮游细菌对低磷胁迫的响应㊂结果表明,磷的陆源输入中黄河贡献最大,小清河次之;总磷(T P )入海通量呈现出夏季>春季>秋季>冬季的季节变化,春㊁夏㊁秋季磷输入以颗粒态磷(P P )为主,冬季以溶解态磷(D P )为主;受农业施肥及河道内浮游生物活动的影响,春季陆源D P 以溶解有机磷(D O P )为主,其他季节以活性磷酸盐(P O 4-P )为主㊂研究海域内T P 浓度及构成不仅受陆源输入的影响,还受浮游生物消亡㊁海上养殖活动和沉积物释放等作用共同调控,T P 浓度呈现出春季>夏季ʈ秋季>冬季的季节变化㊁近岸高远岸低的分布特征,高值区主要位于黄河和小清河河口区域;T P 构成上,春季以D P 为主,夏㊁秋季D P 与P P 相当,冬季以P P 为主;春㊁秋季D P 以D O P 为主,而夏㊁冬季D P 以P O 4-P 为主㊂海域内浮游植物普遍受到P O 4-P 的绝对限制和相对限制,夏季强降雨导致大量磷排放入海,研究海域磷限制情况得到缓解㊂海域内A P A 处于较高水平,秋㊁冬季A P A t o t a l 分别主要由A P A p h y ㊁A P A f r e e 贡献;当水体中D I N ʒP O 4-P 极高㊁P O 4-P 严重缺乏时,A P A p h y ㊁A P A b a c 较高,浮游植物及细菌主要依赖细胞周质及细胞膜上的A P 来水解D O P 以维持新陈代谢㊂P O 4-P 通过诱导-抑制机制对A P 进行调控,A P A 随P O 4-P 的增加而降低,当P O 4-P 低于0.05μm o l ㊃L -1时,浮游植物迅速分泌出大量的碱性磷酸酶来应对低磷胁迫;当高于阈值时,A P A 维持在较低水平㊂关键词: 黄河口;莱州湾;磷;时空分布;碱性磷酸酶活性;低磷胁迫中图法分类号: P 734 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)11-087-12D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220268引用格式: 段晓萌,秦华伟,马浩阳,等.黄河口及莱州湾海域磷的时空分布及浮游生物对低磷胁迫的响应[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(11):87-98.D u a n X i a o m e n g ,Q i n H u a w e i ,M a H a o y a n g ,e t a l .T e m p o r o s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f p h o s p h o r u s a n d r e s p o n s e o f p h y t o pl a n k -t o n t o l o w p h o s p h o r u s s t r e s s i n t h e Y e l l o w R i v e r e s t u a r y a n d L a i z h o u B a y [J ].P e r i o d i c a l o f O c e a n U n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(11):87-98.❋ 基金项目:国家重点研究发展计划项目(2018Y F C 1407601);中央高校基本科研业务费专项资金(201962011,202042008)资助S u p p o r t e d b y t h e N a t i o n a l K e y R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t P r o je c t of C h i n a (2018Y F C 1407602);t h e F u n d a m e n t a l R e s e a r c h F u n d s f o r t h e C e n t r a l U n i v e r s i t i e s (201962011,202042008)收稿日期:2022-05-10;修订日期:2022-06-06作者简介:段晓萌(1996 ),女,硕士生㊂E -m a i l :d x m 8338@s t u .o u c .e d u .c n❋❋ 通信作者:E -m a i l :l i a n gs k @o u c .e d u .c n 磷作为重要的生源要素,在海洋浮游植物和浮游细菌新陈代谢的过程中具有关键作用[1-3]㊂根据其存在形态,海水中的磷通常被分为溶解态磷(D i s s o l v e d i n o r ga n i c p h o s p h o r u s ,D P )和颗粒态磷(P a r t i c u l a t e p h o s ph o r u s ,P P )㊂D P 又以溶解无机磷(D i s s o l v e d i n o r g a n i c p h o s p h o r -u s ,D I P )和溶解有机磷(D i s s o l v e d o r g a n i c p h o s ph o r u s ,D O P )两种形式存在㊂D I P 的主要存在形式为正磷酸盐(P O 4-P ),P O 4-P 可以被大多数微生物直接吸收[4]㊂通常认为,当海水中P O 4-P <0.10μm o l ㊃L -1时,浮游生物无法从环境中获取足够的P O 4-P 来维持生长,即受到P O 4-P 的绝对限制;当溶解无机氮(D i s s o l v e d i n o r g a n i c n i t r o g e n ,D I N )与P O 4-P 比值超过16ʒ1时,认为浮游生物生长会受到P O 4-P 的相对限制㊂目前,许多河口区及近海海域的浮游生物生长受到磷的限制[5-11]㊂研究发现大部分D O P 需要通过相关酶类的转化为D I P 后才能被浮游生物利用[6,12],其中,含量占D O P 总量80%~85%的磷酸酯[13-14]可以在碱性磷酸酶(A l k a l i n e p h o s ph a t a s e ,A P )的水解作用下,释放出P O 4-P 被浮游植物及细菌利用㊂A P 作为一种典型的胞外酶,通常存在于水体㊁细胞周质内或细胞膜上[5],碱性磷酸酶活性(A l k a l i n e p h o s p h a t a s e a c t i v i t y,A P A )常被用来衡量海区内浮游生物受磷胁迫的状态Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中国海洋大学学报2023年以及D O P的生物可利用性㊂根据过滤孔径和浮游生物粒径将A P A分为游离态(A P A f r e e,<0.2μm)及结合态,结合态被区分为浮游植物结合态(A P A p h y,> 3μm)和细菌结合态(A P A b a c,0.2~3μm)[15-18]㊂A P A f r e e来源复杂,游离于海水环境中,可在较长时间内保持活性[19-20],而位于细胞膜或细胞周质内的A P A p h y 和A P A b a c与细胞结合紧密[21],三者可以在磷限制条件下促进浮游植物和细菌对D O P的利用,对P的生物地球化学循环均有较大贡献㊂莱州湾作为渤海三大海湾之一,处于黄河三角洲高效生态经济区的核心区域和山东半岛城市群经济圈的腹地,其生态环境对山东省沿海社会经济的高质量发展具有重要支撑作用㊂而黄河口作为连接黄河与莱州湾㊁渤海湾的通道,其营养盐水平和透明度等要素显著影响莱州湾海域的生产力及浮游植物群落[22-23]㊂自1970年代末以来,随着工业化和城市化等人类活动高速增长,氮磷排放量大幅增加,导致莱州湾生态环境质量趋于恶化㊂1980年代初以来,已有众多学者对莱州湾氮㊁磷营养物质浓度及时空分布开展较为系统的研究,并基于P O4-P 浓度及D I NʒP O4-P比值对湾内营养盐限制状况进行了判定[24-26]㊂由于入湾总氮增幅远远高于总磷增幅[27],导致1990年代中期湾内的D I P大部分时段均处于较低水平,磷限制严重[11,28-31]㊂随着营养盐浓度和结构变化,湾内浮游植物群落结构也发生了显著的变化,突出表现在甲藻等磷需求低的物种及嗜氮性藻种明显增加,并在局部海域占据优势地位[22-23,31-32],浮游植物小型化趋势明显,如聚球藻等微微型浮游植物在海湾内被广泛检出[33-35],结果进一步导致了渔业资源衰退㊁生态系统服务功能下降等后果,已对环莱州湾地区高质量发展形成制约㊂目前,对莱州湾磷的赋存形态及时空分布特征缺乏系统了解,而且对海域磷限制背景下D O P的生物可利用性缺乏客观认知,导致对该海域磷的循环尤其对浮游生态系统磷的供给补充机制仍缺乏深入认知㊂因此,本研究通过2019 2021年在莱州湾开展的4次陆海同步调查,分析了黄河口及莱州湾海域不同形态磷的时空分布,以及陆源输入磷的季节变化特征;研究黄河口及莱州湾海域内不同碱性磷酸酶活性的季节变化,解析莱州湾浮游生物对低磷胁迫的响应㊂研究结果可为深化莱州湾磷的生物地球化学循环认知提供帮助㊂1材料与方法1.1调查区域及时间课题组分别于2019年5月10 12日(春季)㊁2019年8月18 21日(夏季)㊁2021年11月2 14日(秋季)和2021年3月22 27日(冬季)进行了4次陆海同步调查㊂其中,2019年8月航次时间处于强台风 利奇马 登陆山东[36]之后;2021年8月下旬至10月黄河中下游经历了历史上罕见的秋汛洪水[37],2021年11月航次处于秋汛之后㊂陆海同步调查站位如图1所示,海域大面站位覆盖了整个莱州湾及黄河口邻近海域;海域整体位于渤海南部,具有显著的大陆性气候持征,潮汐类型属不正规混合半潮,海域内水体交换能力较弱[38-41]㊂陆上监测站位分别布设于黄河㊁广利河㊁小清河等10条河流入海口及莱州湾污水处理厂(莱污处)和龙口市第二污水处理厂(龙二污)2个直排海口,径流量和污染物入海通量之和占到环莱州湾陆源排放总量的95%以上[42]㊂调查时间上,陆上流量监测及样品采集与海域大面站调查准同步进行,海域水文㊁化学和生物生态要素同步测定㊂图1黄河口及莱州湾海域调查站位图F i g.1S a m p l i n g s t a t i o n s o n l a n d-s e a s y n c h r o n o u s i n v e s t i g a t i o nf o r Y e l l o w R i v e r E s t u a r y(Y R E)a n d L a i z h o u B a y(L Z B)1.2样品采集及测定海水样品采集及测定参照‘海洋监测规范“(G B 17378 2007)和‘海洋调查规范“(G B/T12763 2007),水样经过孔径为0.45μm醋酸纤维滤膜过滤后,装入经酸洗的聚乙烯瓶中,与膜样一起冷冻保存(-20ħ),水样用于测定溶解态营养盐(主要包括N H4-N㊁N O3-N㊁N O2-N㊁P O4-P㊁S i O3-S i㊁D N㊁D P),膜样用于测定叶绿素a(C h l a)㊁悬浮颗粒物(S P M)及颗粒态营养盐㊂玻璃滤器预先经过2%~10%的盐酸浸泡24h,然后用超纯水清洗3~6次㊂环莱州湾河流和直排海口的样品按照‘地表水和污水监测技术规范标准(H J-T92002)“采集,并同步监测流量,水样盛于2L高密度聚乙烯塑料桶中冷藏保存(4ħ),6h内运回实验室中进行过滤和分析㊂主要入海口流量采用直读转子流速仪(Z S X-5,中国)测量㊂海水温度和盐度用多参数仪(M a n t a3.0, E u r e k a,美国)测定㊂营养盐通过营养盐自动分析仪(Q u A A t r o A p p l i c a t i o n s,德国)测定;N H4-N㊁N O3-N㊁N O2-N㊁P O4-P㊁S i O3-S i的检出限分别为0.03㊁0.02㊁0.01㊁0.01和0.14μm o l㊃L-1㊂溶解无机氮(D I N)为88Copyright©博看网. All Rights Reserved.11期段晓萌,等:黄河口及莱州湾海域磷的时空分布及浮游生物对低磷胁迫的响应N O3-N㊁N O2-N和N H4-N之和㊂C h l a用90%丙酮萃取后通过荧光法(F-4500,日本岛津)测定,检测限为0.01μg㊃L-1㊂S P M采用差减法测定㊂D N和D P采用碱性过硫酸钾氧化法测定[43]㊂D O N和D O P分别为D N和D I N㊁D P和P O4-P的差值㊂P N㊁P P通过将膜样经碱性过硫酸钾氧化法后测定[44]㊂T N㊁T P分别为D N和P N㊁D P和P P之和㊂A P A样品的采集及测定参照文献[15,45-46]㊂海水样品采集后分别用0.22和3μm孔径的针头式微孔滤膜过滤[47],分级过滤的海水和原位未过滤海水中分别加入荧光底物(4-甲基伞形酮磷酸酯,M U F-P),在原位海水温度下避光反应2h后,带回实验室用荧光光度计(F4700,日本岛津)测定样品的荧光强度(E x=365n m, E m=445n m),每个样品采集3个平行样[48]㊂A P A t o t a l 为总的A P A,以未过滤水样中A P A含量表示;A P A p h y 为浮游植物结合态的A P A,通过未过滤原位水样与3μm孔径膜上的A P A差值计算;A P A b a c表示浮游细菌结合态的A P A,以3μm孔径膜与0.22μm孔径膜上A P A的差值计算;A P A f r e e表示游离态的A P A,以经0.22μm孔径膜过滤的滤液中A P A含量表示㊂1.3数据处理及分析数据分析使用S P S S25.0软件进行;平面分布图使用S u r f e r15.0绘制;柱状图㊁散点图等使用O r i g i n2021绘制㊂2结果与讨论2.1黄河口及莱州湾海域陆源输入磷的季节变化所调查的入海河流和排污中,黄河流量最大[42],对陆源T P入海通量贡献也最大,各季节黄河口T P通量平均占比高达88.7%;小清河沿途受纳大量工业废水和固体废弃物,水质污染严重[49-50],其入海通量仅次于黄河,各季节平均占比为9.7%;广利河㊁虞河㊁白浪河㊁潍河入海通量占比分别为0.6%㊁0.3%㊁0.3%㊁0.2%,对湾内磷贡献相对较少;其余河流及直排污口磷的输入量极低,占比之和不足0.1%㊂陆源输入磷的赋存形态和入海通量均具有显著的季节变化特征㊂受径流量影响,夏季T P入海通量最高,合计达到6.52ˑ106m o l㊃d-1(见图2(b))㊂受高悬浮颗粒物含量影响,河流中P P为T P的主要存在形态[51-52],在T P中占比达到89%,其次为P O4-P,占比为7%,D O P仅占4%(见图2(d))㊂春季T P的入海通量为0.93ˑ106m o l㊃d-1(见图2(b)),磷的形态仍以P P为主,占比为66%,其次为D O P,占比为29%,远高于P O4-P,这可能是由于春季农业施用的有机肥较多,导致各入海口D P均以D O P为主;也可能是由于春季温度适宜,河道内浮游植物生长后聚集,大量的P O4-P在生物作用下被转化为D O P(见图2(c))㊂秋季径流量高于春季,而T P入海通量低于春季,为0.39ˑ106m o l㊃d-1 (见图2(b)),这主要是因为调查前环莱州湾经历了历时长且雨量大的降水过程[37],大量的磷已被冲刷入海;秋季仅针对黄河口进行了T P构成的调查,P赋存形态与夏季相似,以P P为主,占T P的83%,P O4-P㊁D O P 分别占15㊁2%(见图2(e))㊂冬季径流量较小,T P入海通量最低,仅为0.17ˑ106m o l㊃d-1(见图2(f));水体中磷赋存形态明显受到悬沙量的影响[53],明显区别于其他三个季节,P P占比降至17.9%,T P以D P为主,占比达81.7%,D P中以P O4-P为主(见图2(f))㊂图2黄河口及环莱州湾主要入海口(包括黄河㊁广利河㊁小清河㊁弥河㊁白浪河㊁虞河㊁潍河㊁胶莱河㊁莱州市污水处理厂㊁界河和龙口市污水处理厂的入海口)的流量(a)㊁T P入海通量(b)及不同形态P在T P中占比的季节变化((c)春季;(d)夏季;(e)秋季;(f)冬季㊂)F i g.2S e a s o n a l v a r i a t i o n o f r u n o f f(a),T P f l u x(b)a n d t h e p r o p o r t i o n s o f d i f f e r e n t f o r m s i n T P a t m a i n e n t r a n c e s o ft h e Y e l l o w R i v e r a n d L a i z h o u B a y((c)S p r i n g;(d)S u m m e r;(e)A u t u m n;(f)W i n t e r.)T h o s e e n t r c m r e s a r e l o c t e d i n Y e l l o w R i v e r,G u a n g l i R i v e r,X i a o q i n g R i v e r,M i R i v e r,B a i l i a n g R i v e r,Y U R i v e r,W e i R i v e r,J I a o l a i R i v e r,t h e s e w a g e p l a n t L a i z h o u R i v e r,J i e R i v e r,a n d t h e s e w a g e p l a n t i n L o n g k o u98Copyright©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年2.2黄河口及莱州湾海域中不同形态磷的时空分布及影响因素春季,莱州湾水体中T P 呈现近岸高㊁远岸低 的分布趋势,平均值为(1.35ʃ0.26)μm o ㊃L -1(见表1),最高值和最低值分别出现在潍河口和湾口东部海域(见图3q)㊂T P 中,P P 呈斑块状分布(见图3m ),整体浓度较低,平均值为(0.25ʃ0.09)μm o l ㊃L -1,在T P 中的平均占比为24%(见图4(b))湾内,这是由于春季径流量较小,河流运输的P P 主要积累于河口处[53]㊂D P 与T P 的分布趋势基本一致(见图3i ),平均值为(1.01ʃ1.05)μm o l ㊃L -1,在T P 中的平均占比为77%(见图4(b ))㊂D P 中,P O 4-P 呈现湾西南部高于其他区域的分布特征(见图3a ),小清河口附近有一明显高值区,与刘义豪等[26]的研究结果一致㊂D O P 也基本呈现近岸高远岸低分布特征(见图3e ),平均值为(0.91ʃ0.75)μm o l ㊃L -1,在T P 中的平均占比高达70%,是D P 的主要成分㊂P O 4-P ㊁D O P 均与盐度呈显著负相关(r =-0.846,P <0.01;r =-0.765,P <0.01),这表明D P 组成和分布明显受到陆源输入的显著影响[23,28,54-55]㊂浮游生物的生命活动也是D O P 的重要来源,春季温度适宜浮游植物生长,C h l a 却处于较低水平(见表1),这表明调查可能处于浮游植物消亡期,在此期间水体中大量P O 4-P 被大量消耗㊁D O P 被释放[56],图3 黄河口及莱州湾海水中不同形态磷的时空分布(a d ㊁e h ㊁i l ㊁m p ㊁q t :春㊁夏㊁秋㊁冬季P O 4-P ㊁D O P ㊁D P ㊁P P ㊁T P 的平面分布㊂)F i g .3 T e m p o r o s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f d i f f e r e n t p h o s p h o r u s i n s u r f a c e w a t e r s o f t h e Y e l l o w R i v e r a n d L a i z h o u B a yi n d i f f e r e n t s e a s o n s (a d ,e h ,i l ,m p :H o r i z o n t a l d i s t r i b u t i o n s o f P O 4-P ,D O P ,D P ,P P a n d T P i n i n s p r i n g ,s u m m e r ,a u t u m n a n d w i n t e r .)09Copyright ©博看网. All Rights Reserved.11期段晓萌,等:黄河口及莱州湾海域磷的时空分布及浮游生物对低磷胁迫的响应导致D O P 为D P 主要成分,P O 4-P 绝对受限面积高达81.5%,除湾西南部沿岸外大部分区域处于磷绝对限制㊂夏季T P 平均值为(0.97ʃ1.42)μm o l ㊃L -1(见表1),P P ㊁D P 平均值分别为(0.46ʃ0.60)μm o l ㊃L -1㊁(0.51ʃ0.93)μm o l ㊃L -1(见表1),两者水平相当,且分布趋势均与T P 的一致㊂湾东部养殖区附近D P 和P P 浓度也较高(见图3r),这表明海水养殖也是影响湾内磷浓度及分布的重要因素,海水养殖不仅会直接增加海域内的磷负荷[57-58],也会通过下行调控作用影响浮游植物对磷的积累和消耗㊂D P 以P O 4-P 为主,P O 4-P 的平均值为(0.39ʃ0.96)μm o ㊃L -1(见表1),P O 4-P 在小清河口有一梯度较大的高浓度水舌,这主要是由于 利奇马 台风导致沿岸形成以风浪为主的海浪[36],海浪的作用下沿岸沉积物再悬浮作用增强,暴雨行洪导致小清河内大量的污染物和底泥被冲刷入海,使得大量P O 4-P 被释放于水体中[59],P O 4-P 绝对受限面积显著减少㊁D I NʒP O 4-P 明显降低,湾内的磷限制得到缓解;D O P 仅为(0.12ʃ0.06)μm o l ㊃L -1(见表1),远低于P O 4-P ,无明显的空间分布特征(见图3f )㊂秋季T P 平均值为(0.64ʃ0.42)μm o l ㊃L -1(见表1),在小清河口附近存在高值区(见图3s )㊂T P 构成与夏季相似,D P 与P P 水平相当,平均值分别为(0.31ʃ0.31)㊁(0.33ʃ0.17)μm o l ㊃L -1(见表1),均在小清河口存在高浓度水舌(见图3k ㊁o )㊂D O P 平均值为(0.26ʃ0.20)μm o l ㊃L -1(见表1),平面分布特征与D P 一致(见图3g );P O 4-P 平均值仅为(0.09ʃ0.16)μm o l ㊃L -1(见表1),远低于D O P ,湾内P O 4-P 仅在小清河口附近浓度较高(见图3c ),浮游植物在高浓度营养盐的刺激下迅速生长后将P O 4-P 转化为P P 后又以D O P 的形式释放于水体中,进而导致海域内D P 以D O P 为主㊂此外,秋汛期间,黄河水体流速快㊁泥沙含量高[59-60],大量的无机氮被汇入湾内,导致P O 4-P 迅速被吸收利用,湾内D I N ʒP O 4-P 高达R e d f i e l d 比值的69倍,P O 4-P 绝对限制面积高达87.45%,这表明调水期间输入大量高氮㊁低磷的淡水,加重了莱州湾海域的磷限制和营养盐失衡的程度[61]㊂冬季T P 的平均值为(0.49ʃ0.34)μm o l ㊃L -1(见表1),在黄河口附近的浓度较高(见图3t );T P 以P P为主(见图4(b )),P P 平均值为(0.33ʃ0.26)μm o l ㊃L -1(见表1),在黄河口处存在高值(见图3p );P O 4-P ㊁D O P ㊁D P 均处于较低水平,平均浓度分别为(0.09ʃ0.10)㊁(0.07ʃ0.05)㊁(0.16ʃ0.11)μm o l ㊃L -1(见表2;图3d ㊁h ㊁l)㊂磷的形态㊁浓度及分布受浮游植物生长调控,P P 与C h l a 间呈显著正相关(r =-0.915,P <0.01),表明浮游植物吸收P O 4-P 转化为P P ㊂由于受陆源输入㊁浮游生物生消过程㊁沉积物悬浮释放等多重因素的影响,调查海域内磷形态和分布具有显著差异性㊂降雨等自然因素㊁农业施肥及调流调沙等人类活动的共同作用,环莱州湾各条河流的磷负荷及赋存形态有明显的季节差异[53,62]㊂丰水期河流的入莱州湾通量在全年中占绝对优势[63],磷在河口区的吸附解吸及生物的吸收转化等过程导致陆源输入T P的季节变化与海域内的并不一致㊂海域内T P 基本呈现出春季>夏ʈ秋季>冬季的特征(见图4(a))㊂2.3黄河口及莱州湾海域内浮游生物的低磷胁迫响应A P A 是衡量海水生态系统对D O P 利用的重要指标,磷限制条件下,浮游植物及浮游细菌通过合成㊁分泌出大量的A P 利用D O P 来应对低磷胁迫[64-66]㊂调查海域水体中均检测到了A P A ,这表明调查期间莱州湾海域浮游植物及细菌的生长㊁繁殖在很大程度上受到了磷的胁迫作用㊂图4 黄河口及莱州湾海水中T P 浓度(a )及构成(b)的季节变化F i g .4 S e a s o n a l v a r i a t i o n o f c o n c e n t r a t i o n (a )a n d c o m po s i t i o n (b )o f t o t a l p h o s p h o r u s i n s u r f a c e w a t e r s o f t h e Y e l l o w R i v e r a n d L a i z h o u B a y19Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年表1 不同季节黄河口及莱州湾水文参数及各项营养盐要素T a b l e 1 H y d r o l o g i b a l pa r a m e t e r s a n d n u t r i e n t e l e m e n t s i n d i f f e r e n t s e a s o n s i n Y R E a n d L Z B 参数P a r a m e t e r统计值S t a t i s t i c 春季S p r i n g夏季S u m m e r秋季A u t u m n冬季W i n t e rT /ħ平均值①16.80ʃ2.3126.18ʃ1.1612.88ʃ3.636.74ʃ1.79范围②12.23~22.9323.56~27.885.45~17.013.84~12.10S平均值①27.43ʃ4.9126.12ʃ7.1722.72ʃ3.6727.64ʃ4.55范围②0.01~31.340.94~32.6911.15~29.484.24~31.25C h l a /(μg ㊃L -1)平均值①1.20ʃ0.986.82ʃ6.075.56ʃ6.196.30ʃ5.92范围②N .D .~4.130.95~22.100.18~27.490.37~24.94S P M /(m g ㊃L -1)平均值①41.60ʃ47.43 61.83ʃ177.8113.78ʃ14.6324.05ʃ10.30范围②15.94~254.068.50~10620.28~67.8011.55~52.13D I N /(μm o l ㊃L -1)平均值①38.88ʃ23.9145.06ʃ51.0943.50ʃ41.0328.16ʃ68.97范围②12.31~129.431.02~208.8111.48~140.212.45~440.94D O N /(μm o l ㊃L -1)平均值①123.08ʃ131.4445.23ʃ118.9025.22ʃ26.649.68ʃ4.26范围②1.03~747.931.03~747.934.58~142.622.93~27.04D N /(μm o l ㊃L -1)平均值①152.67ʃ148.6078.38ʃ128.4267.29ʃ46.8838.51ʃ72.42范围②40.07~877.3613.69~877.3619.85~282.839.00~467.99P N /(μm o l ㊃L -1)平均值①3.59ʃ1.5057.93ʃ52.196.44ʃ3.033.86ʃ1.75范围②0.73~8.140.73~237.391.79~14.402.07~12.40T N /(μm o l ㊃L -1)平均值①159.05ʃ152.70137.91ʃ136.7073.74ʃ47.4342.37ʃ73.89范围②42.01~877.3620.70~877.3623.32~290.6912.10~480.39P O 4-P /(μm o l ㊃L -1)平均值①0.19ʃ0.400.39ʃ0.960.09ʃ0.160.09ʃ0.10范围②0.02~1.810.02~4.950.01~0.860.02~0.51D O P /(μm o l ㊃L -1)平均值①0.91ʃ0.750.12ʃ0.060.26ʃ0.200.07ʃ0.05范围②0.45~3.950.02~0.22 0.07~1.20 N .D .~0.26D P /(μm o l ㊃L -1)平均值①1.01ʃ1.050.51ʃ0.93 0.31ʃ0.310.16ʃ0.11范围②0.15~5.760.05~4.950.11~2.060.06~0.62P P /(μm o l ㊃L -1)平均值①0.25ʃ0.090.46ʃ0.600.33ʃ0.170.33ʃ0.26范围②0.06~0.460.07~3.420.08~0.840.15~1.73T P /(μm o l ㊃L -1)平均值①1.35ʃ0.260.97ʃ1.420.64ʃ0.420.49ʃ0.34范围②0.62~1.450.18~6.300.30~2.820.23~2.35D I N ʒP O 4-P 平均值①711.47ʃ423.11452.88ʃ500.211083.64ʃ1043.69363.69ʃ308.48范围②71.51~1547.0517.61~2632.45116.35~5348.0216.56~1248.97P N ʒP P平均值①14.34ʃ6.66284.24ʃ277.1320.12ʃ4.1512.37ʃ1.80范围②N .D .~45.77 3.05~1056.5810.33~29.037.16~15.09A P A p h y/(n m o l ㊃L -1㊃h -1)平均值① 715.10ʃ1592.604.63ʃ9.43范围② 3.75~7568.500.05~58.67A P A b a c/(n m o l ㊃L -1㊃h -1)平均值① 55.04ʃ286.231.50ʃ1.73范围② N .D .~1786.25N .D .~7.00 A P A f r e e/(n m o l ㊃L -1㊃h -1)平均值① 25.72ʃ61.199.16ʃ4.10 范围② 0.25~327.000.02~16.33A P A t o t a l /(n m o l㊃L -1㊃h -1)平均值① 795.86ʃ1749.8715.28ʃ11.74范围②5.25~8091.500.07~75.50注:表中 N .D . 表示未检出, 表示未采集㊂ N .D . i n t h e t a b l e m e a n s n o t c h e c k e d o u t ,a n d m e a n s n o t c o l l e c t e d .①M e a n V a l u e ;②R a n ge .29Copyright ©博看网. All Rights Reserved.11期段晓萌,等:黄河口及莱州湾海域磷的时空分布及浮游生物对低磷胁迫的响应秋季,A P A t o t a l 基本呈现出湾南部近岸高㊁远岸低的特征(见图5d ),A P A p h y 与AP A f r e e 的平面分布特征与A P A t o t a l 相似(见图5a ㊁c ),A P A b a c 则在湾东部养殖区附近存在一高值(见图5b )㊂A P A t o t a l 平均含量(795.86ʃ1749.87)n m o l㊃L -1㊃h -1(见表1),其中,A P A p h y 贡献最大,在AP A t o t a l 中的平均占比为85%,其次为A P A b a c ,平均占比为12%,A P A f r e e 占比最小,仅为3%㊂这表明,秋季莱州湾在较长时间内处于严重受限状态[67],浮游植物及细菌合成㊁分泌出的A P 会大量聚集在细胞周围,快速利用D O P [16]㊂冬季A P A t o t a l 分布与秋季类似,在白浪河㊁弥河口有一高值,但黄河口附近较低(见图5h );A P A p h y 在弥河口㊁白浪河口存在一小范围高值区(见图5e );A P A f r e e则在黄河口出现低值区(见图5g );A P A b a c 整体处于较低水平(见图5f )㊂A P A t o t a l 均值为(15.28ʃ11.74)n m o l ㊃L -1㊃h -1(见表1),仅为秋季的1/50(见图6(a )),与长江口[68]㊁黄海[47]等海域A P A 处于同等水平,这可能是由于冬季D I N ʒP O 4-P 比值低㊁磷受限程度轻,A P 被大量表达;另外秋季温度远高于冬季,有利于A P 的表达,进一步导致秋季A P A 远高于冬季㊂A P A t o t a l 中,A P A f r e e 在A P A t o t a l 中占比最高,均值为62%,A P A p h y次之,占比均值为27%(见图6(b )),这表明,磷受限程度相对较轻时,浮游植物及细菌对细胞周质内和细胞膜上A P 的依赖程度会明显降低㊂此外,浮游生物种类是影响A P 表达的直接因素[69-71],秋㊁冬季节A P A t o t a l及构成的差异也可能是由浮游生物种类不同所致㊂(a d :秋季,e h :冬季㊂a d :A u t u m n ,e h :W i n t e r .)图5 黄河口及莱州湾海域中不同类型A P A 的季节变化F i g .5 S e a s o n a l v a r i a t i o n o f d i f f e r e n t s i z e f r a c t i o n s o f a l k a l i n e p h o s p h a t a s e a c t i v i t y (A P A )i n s u r f a c e w a t e r o f t h e Y e l l o w R i v e r a n d L a i z h o uB a y图6 黄河口及莱州湾海域中A P A t o t a l (a )及其构成(b )的变化F i g .6 S e a s o n a l v a r i a t i o n o f A P A t o t a l (a )a n d i t s c o m p o s i t i o n (b )o f t h e Y e l l o w R i v e r a n d L a i z h o u B a y 研究表明,海洋浮游生态系统中A P 的分泌显著受水体中P O 4-P 含量的影响,P O 4-P 主要通过 诱导 抑制 机制调节A P 的活性,即P O 4-P 缺乏状态下浮游生物会诱导产生大量碱性磷酸酶,在很大程度上接触并水解D O P ;当P O 4-P 浓度较高时酶的活性受到抑制[72-75]㊂对于黄河口及莱州湾海域(见图7),当P O 4-P 39Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年低于阈值0.05μm o l ㊃L -1时,不同类型的A P A 均显著增加,表明低磷环境下浮游植物和细菌会产生大量A P 来利用D O P 以维持自身的新陈代谢;当P O 4-P 高于阈值时,浮游生物对磷的需求基本得到满足,A P A 维持在较低水平,A P 的分泌受到抑制㊂本文的P O 4-P 阈值与大西洋和太平洋等海域的(0.030μm o l㊃L -1)较为接近[73];然而,马来西亚半岛沿海水域和河口区P O 4-P 的阈值则高达0.9μm o l ㊃L -1[74],表明不同海域调控A P A 的P O 4-P 有较大差异㊂这可能是由于不同海域浮游生态系统以及温度㊁营养盐等环境因子的差异所致,具体原因还需要进一步深入研究㊂黄河口及莱州湾海域中P O 4-P 阈值明显低于P O 4-P 绝对受限阈值(0.1μm o l ㊃L -1),表明A P A 作为衡量磷限制的指标更为灵敏[11]㊂图7 黄河口及莱州湾海域中碱性磷酸酶活性与P O 4-P 之间的关系F i g .7 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d i f f e r e n t A P A P O 4-P i n s u r f a c e w a t e r o f t h e Y e l l o w R i v e r a n d L a i z h o u B a y3 结论(1)黄河口对T P 总通量的贡献最大,小清河次之;受径流量影响,入海口T P 通量呈现出夏季>春季>秋季>冬季的季节变化;春㊁夏㊁秋季入海T P 均以P P 为主,春季D P 以D O P 为主,夏㊁秋季以P O 4-P 为主;冬季T P 以D P 为主,D P 以P O 4-P 为主㊂(2)海域内T P 浓度及构成受陆源输入和浮游生物活动共同调控,呈现出春季>夏季ʈ秋季>冬季的季节变化㊁近岸高远岸低的分布特征,高值区基本位于黄河口及小清河口㊂T P 中,春季以D P 为主,夏㊁秋季P P 与D P 相当,冬季以P P 为主;D P 中,春㊁秋季以D O P 为主,夏㊁冬季以P O 4-P 为主㊂海域内浮游植物普遍受到P O 4-P 的绝对限制和相对限制,夏季 利奇马 台风带来的强降雨及风浪使海域内磷限制得到缓解;黄河秋汛可能向湾内汇入大量的氮,加快了P O 4-P 的消耗,磷限制程度被加重㊂(3)海域内A P A 处于较高水平,秋季A P A t o t a l 主要由A P A p h y 贡献,冬季A P A t o t a l 主要由A P A f r e e 贡献;当水体中D I N ʒP O 4-P 极高㊁P O 4-P 严重缺乏时,A P A p h y ㊁A P A b a c 较高,浮游植物及细菌主要依赖细胞周质及细胞膜上的A P 来水解D O P 以维持新陈代谢㊂(4)P O 4-P 通过诱导-抑制机制对A P 进行调控,A P A 随P O 4-P 的增加而降低,当P O 4-P 低于0.05μm o l ㊃L -1时,浮游植物迅速分泌出大量的碱性磷酸酶来应对低磷胁迫;当高于阈值时,A P A 维持在较低水平;湾内浮游植物为适应磷限制环境可能已降低了对磷的需求㊂参考文献:[1] B j ör k m a n K M ,K a r l D M.B i o a v a i l a b i l i t y o f d i s s o l v e d o r ga n i c p h o s p h o r u s i n t h e e u ph o t i c z o n e a t s t a t i o n A L O H A ,N o r t h P a c i f i c S u b t r o p i c a l G y r e [J ].L i m n o l o g y a n d O c e a n o g r a p h y,2003,48(3):1049-1057.[2] D y h r m a n S T ,R u t t e n b e r g K C .P r e s e n c e a n d r e gu l a t i o n o f a l k a -l i n e p h o s p h a t a s e a c t i v i t y i n e u k a r y o t i c p h y t o pl a n k t o n f r o m t h e c o a s t a l o c e a n :I m p l i c a t i o n s f o r d i s s o l v e d o r g a n i c p h o s p h o r u s r e m i -n e r a l i z a t i o n [J ].L i m n o l o g y a n d O c e a n o g r a p h y,2006,51(3):1381-1390.[3] D y h r m a n S ,A m m e r m a n J ,V a n M o o y B.M i c r o b e s a n d t h e m a r i n e p h o s p h o r u s c y c l e [J ].O c e a n o g r a p h y (W a s h i n gt o n ,D .C .),2007,20(2):110-116.[4] C u r r i e D J ,K a l f f J .T h e r e l a t i v e i m p o r t a n c e o f b a c t e r i o pl a n k t o n a n d p h y t o p l a n k t o n i n p h o s p h o r u s u p t a k e i n f r e s h w a t e r [J ].L i m -n o l o g y a n d O c e a n o g r a p h y,1984,29(2):311-321.[5] C h r ós t R J .E n v i r o n m e n t a l C o n t r o l o f S y n t h e s i s a n d A c t i v i t y of A q u a t i c M i c r o b i a l E c t o e n z y m e s [M ].N e w Y o r k :S p r i ng e r -V e r l a g,1991:29-54.[6] C o n t e r J B ,W e t z e l R G .U p t a k e o f d i s s o l v e d i n o r g a n i c a n d o r ga n i c p h o s p h o r u s c o m p o u n d sb y p h y t o p l a n k t o n a n d b ac t e r i o pl a n k t o n [J ].L i m n o l o g y a n d O c e a n o g r a p h y,1992,37(2):232-243.[7] C o t n e r J B ,A m m e r m a n J W ,P e e l e E R ,e t a l .P h o s ph o r u s l i m i t e d b a c t e r i o p l a n k t o n g r o w t h i n t h e S a r g a s s o S e a [J ].A q u a t i c M i c r o b i a l E c o l o g y,1997,13:141-149.[8] L o m a s M W ,B u r k e A L ,L o m a s D A ,e t a l .S a r ga s s o S e a p h o s -p h o r u sb i o g e oc h e m i s t r y :A n i m p o r t a n t r o l e f o rd i s s o l ve d o r ga n i c p h o s p h o r u s (D O P )[J ].B i o ge o s c i e n c e s ,2010,7:695-670.[9] L o m a s M W ,B o n a c h e l a J A ,L e v i n S A ,e t a l .I m pa c t o f o c e a n p h y t o p l a n k t o n d i v e r s i t y o n p h o s p h a t e u p t a k e [J ].P r o c e e d i n gs o f t h e N a t i o n a l A c a d e m y o f S c i e n c e s ,2014,111(49):17540-17545.[10] M a l f a t t i F ,T u r k V ,T i n t a T ,e t a l .M i c r o b i a l m e c h a n i s m s c o u -p l i n g c a r b o n a n d p h o s p h o r u s c y c l e s i n p h o s ph o r u s -l i m i t e d n o r t h -e r n A d r i a t i c S e a [J ].S c i e n c e o f T h e T o t a l E n v i r o n m e n t ,2014,470-471:1173-1183.[11] X i n M ,W a n g B ,X i e L ,e t a l .L o n g -t e r m c h a n ge s i n n u t r i e n t r e -g i m e s a n d t h e i r e c o l o gi c a l e f f e c t s i n t h e B o h a i S e a ,C h i n a [J ].M a -r i n e P o l l u t i o n B u l l e t i n ,2019,146:562-573.[12] B j o r k m a n .B i o a v a i l a b i l i t y o f i n o r g a n i c a n d o r g a n i c p h o s ph o r u s c o m p o u n d s t o n a t u r a l a s s e m b l a g e s o f m i c r o o r ga n i s m s i n H a w a i i a n 49Copyright ©博看网. All Rights Reserved.11期段晓萌,等:黄河口及莱州湾海域磷的时空分布及浮游生物对低磷胁迫的响应c o a s t a l w a t e r s[J].M a r i n e E c o l o g y P r o g r e s s S e r i e s,1994,111:265-273.[13] Y o u n g C L,I n g a l l E D.M a r i n e d i s s o l v e d o r g a n i c p h o s p h o r u sc o m p o s i t i o n:I n s i g h t s f r o m s a m p l e s r e c o v e r ed u s i n g c o m b i ne de l e c t r o d i a l y s i s/r e v e r s e o s m o s i s[J].A q u a t i c G e o c h e m i s t r y,2010,16(4):563-574.[14] P a y t a n A,M c l a u g h l i n K.T h e o c e a n i c p h o s p h o r u s c y c l e[J].C h e m i c a l R e v i e w s,2007,107(2):563-576.[15] H o p p e.P h o s p h a t a s e a c t i v i t y i n t h e s e a[J].H y d r o b i o l o g i a,2003,493:187-200.[16] H u a n g B,O u L,W a n g X,e t a l.A l k a l i n e p h o s p h a t a s e a c t i v i t y o fp h y t o p l a n k t o n i n E a s t C h i n a S e a c o a s t a l w a t e r s w i t h f r e q u e n th a r m f u l a l g a l b l o o m o c c u r r e n c e s[J].A q u a t i c M i c r o b i a l E c o l o g y,2007,49:195-206.[17] N a u s c h M.A l k a l i n e p h o s p h a t a s e a c t i v i t i e s a n d t h e r e l a t i o n s h i p t oi n o r g a n i c p h o s p h a t e i n t h e P o m e r a n i a n B i g h t(s o u t h e r n B a l t i c S e a)[J].A q u a t i c M i c r o b i a l E c o l o g y,1998,16:87-94. 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2012.59Copyright©博看网. 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一种融合电气量和开关量的电网Petri网故障诊断方法
㊀㊀㊀㊀收稿日期:2020-09-03;修回日期:2021-01-06基金项目:国家自然科学基金(61703345);四川省信号与信息处理重点实验室项目(S Z J J 2017-049)通信作者:张彼德(1975-),男,硕士,教授,主要从事电力设备状态评价与检测研究;E -m a i l :f yh z x x 2015@s i n a .c o m 第37卷第1期电力科学与技术学报V o l .37N o .12022年1月J O U R N A LO FE I E C T R I CP O W E RS C I E N C EA N DT E C H N O L O G YJ a n .2022㊀一种融合电气量和开关量的电网P e t r i 网故障诊断方法肖㊀丰1,张彼德1,孙文成2,王㊀涛1(1.西华大学电气与电子信息学院,四川成都611730;2.国家电网公司西南分部,四川成都610041)摘㊀要:对故障元件进行快速㊁准确地诊断,是实现电网在线调控运行的重要前提之一㊂基于P e t r i 网的电网故障诊断方法因其建模清晰㊁逻辑缜密,得到了研究人员的广泛关注㊂但目前的方法大多针对开关量分析,对电气量的关注度相对较少,而电气量在准确性㊁容错性等方面比开关量都更具优势㊂基于此,提出了一种计及电气量和开关量的电网P e t r i 网故障诊断方法㊂首先利用希尔伯特 黄变换对元件的故障电流进行特征提取,通过模糊逻辑分析和模糊逻辑P e t r i 网推理得到元件的故障概率表征;其次针对开关量进行分析,建立元件的P e t r i 网模型,对故障时序信息进行约束检查和挖掘分析,经模糊推理计算得到故障概率表征㊂最后利用D -S 证据理论对故障概率表征进行决策层融合,得到元件最终的故障概率㊂通过对新英格兰10机39节点系统的多组故障案例进行诊断测试,结果表明该方法能快速诊断故障元件,改善了基于单一故障源和单一诊断方法的局限性,能有效提高故障诊断的准确性和容错性㊂关㊀键㊀词:电网;故障诊断;P e t r i 网;电气量;开关量D O I :10.19781/j .i s s n .1673-9140.2022.01.014㊀㊀中图分类号:TM 41㊀㊀文章编号:1673-9140(2022)01-0113-09A p o w e r g i r d f a u l t d i a g n o s i sm e t h o d b a s e d o nP e t r i n e t c o m b i n i n gt h e a n a l o g u e a n dd i gi t a l i n f o r m a t i o n X I A OF e n g 1,Z H A N GB i d e 1,S U N W e n c h e n g 2,WA N G T a o 1(1.S c h o o l o fE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n dE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n ,X i h u aU n i v e r s i t y ,C h e n gd u611730,C h i n a ;2.S o u t h we s tB r a n c hof S t a t eG r i dC o r p o r a t i o no fC h i n a ,C h e n gd u610041,C h i n a )A b s t r a c t :T hef a s t a n da c c u r a t e d i ag n o s i s o f f a u l t c o m p o n e n t s i s o n e i m p o r t a n t p r e c o n d i t i o n t o r e a l i z e th e o n -li n e r e gu -l a t i o na n do p e r a t i o no f p o w e r g r i d s .F o r t h e s a k e o f i t s u n d e r s t a n d a b l y m o d e l i n g a n d p r e c i s e l o g i c ,t h eP e t r i n e t f a u l t d i a g n o s i sm e t h o da r ew i d e l y s t u d i e d .H o w e v e r ,m o s t c u r r e n tm e t h o d so n l y c o n s i d e r t h ed i g i t a l i n f o r m a t i o nr a t h e r t h a n t h ea n a l o g u ei n f o r m a t i o n ,d e s p i t et h a tt h ea n a l o g u ei n f o r m a t i o ni s m o r ea c c u r a t e ,f a u l tt o l e r a n ta n ds oo n .T h u s ,a f a u l t d i a g n o s i sm e t h o d o f p o w e r g r i d b a s e d o nP e t r i n e t i s p r o p o s e d b y c o n s i d e r i n g b o t h t h e a n a l o g u e a n d d i g-i t a l i n f o r m a t i o n .F i r s t l y ,t h e f a u l t c u r r e n t o f t h e c o m p o n e n t s i s e x t r a c t e db y H i l b e r t -H u a n g tr a n s f o r m ,a n d t h e f a u l t p r o b a b i l i t y o f t h e c o m p o n e n t s i s o b t a i n e d t h r o u g h f u z z y l o g i c a n a l y s i s a n d f u z z y l o g i cP e t r i n e t r e a s o n i n g .S e c o n d l y,电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年1月b a s e do n t h e d i g i t a l i n f o r m a t i o n,t h eP e t r i n e tm o d e l o f t h e c o m p o n e n t s i s e s t a b l i s h e d,a n d t h e c o n s t r a i n t o f f a u l t s e-q u e n c e i n f o r m a t i o n i s p r o b e d,a n dt h e f a u l t p r o b a b i l i t y i so b t a i n e db y f u z z y r e a s o n i n g c a l c u l a t i o n.F i n a l l y,D-Se v i-d e n c e t h e o r y i s u t i l i z e d t o e x p l o r e t h e f a u l t p r o b a b i l i t y l e v e l t o o b t a i n t h e f i n a l f a i l u r e p r o b a b i l i t y o f c o m p o n e n t s.S e v-e r a lf a u l t c a s e so f t h eN e w E ng l a n d10m a chi n e39b u ss y s t e m a r et e s t e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h e m e t h o dc a n q u i c k l y d i a g n o s e f a u l t c o m p o n e n t s,i m p r o v et h e l i m i t a t i o n so f t h e p r e v i o u ss i n g l e f a u l t s o u r c ea n ds i n g l ed i a g n o s i s m e t h o d,a n dh e n c e e f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e a c c u r a c y a n d f a u l t t o l e r a n c e o f f a u l t d i a g n o s i s.K e y w o r d s:p o w e r g r i d;f a u l t d i a g n o s i s;p e t r i n e t;t h e a n a l o g u e i n f o r m a t i o n;t h e d i g i t a l i n f o r m a t i o n㊀㊀随着电力系统建设的不断完善,电网结构变的日趋复杂,电网故障对电力系统带来的影响也越来越大,因此研究电网故障诊断方法对电力系统的安全可靠运行具有重要意义㊂目前,学者们已提出了各种电网故障诊断方法[1-6],并在电网故障诊断应用中取得了一定成效,但也存在些许不足㊂P e t r i网是对离散事件和动态系统建模分析的理想工具㊂故障元件㊁继电保护和相应断路器动作的逻辑关系可通过图形进行简单的描述,且矩阵形式的推理也具有直观且逻辑清晰缜密的优点,将P e t r i网应用于电网故障诊断具有较好的应用前景㊂但现有的方法中,大部分仅对开关量分析,故障信息源单一,诊断结果严重依赖开关量的正确性㊂而电气量在准确性㊁容错性和完备性等方面都有着无法比拟的优势,对电气量进行分析能有效地提高故障诊断的准确性㊂因此,本文提出了一种计及电气量和开关量的电网P e t r i网故障诊断方法,从电气量和开关量出发,同时考虑了开关量的时序关联特性㊂首先,根据开关量确定停电区域,针对电气量利用希尔伯特黄变换和模糊逻辑分析,使连续的电流波形离散化,通过模糊逻辑P e t r i网计算得到2个故障概率表征;其次,对开关量时序信息进行约束检查,剔除错误故障信息,并采用高斯函数以确定时序模糊P e t r i网的初始置信度,建立元件的通用P e t r i网模型,通过模糊推理机制计算得到一个故障概率表征;最后,采用D-S证据理论对3个故障概率表征进行信息融合,得到元件最终的故障概率㊂通过新英格兰10机39节点系统的多组故障案例测试表明,在保护和断路器拒动/误动㊁信息丢失和时标出错等复杂故障情形下,均能准确诊断出故障元件,对其有效性进行了验证㊂1㊀基于电气量的P e t r i网故障诊断电气量故障诊断的分析对象是线路元件的电流波形㊂由于P e t r i网是对离散事件㊁动态系统的分析工具,无法直接对电流波形进行处理,因此需在P e t r i网推理分析的前端,添加故障特征提取模块和模糊逻辑分析模块,使得连续的电流波形离散化,以便后续的分析计算㊂1.1㊀故障特征提取模块对采集到的电流波形利用希尔伯特黄变换(h i l b e r t-h u a n g t r a n s f r o m,HH T)[7]进行时频域分析,得到的H i l b e r t边际谱h(ω)和H i l b e r t边际能量谱S(ω)能清晰地反映出原信号的时频特性㊂在实际运行电网中,电网发生故障的时刻,线路电流立刻发生突变,故障元件出现比非故障元件更多的高频分量,非故障元件的低频分量更多,利用这一故障特征,定义第i个元件的频率畸变度为F i=P2/P1(1)式中㊀P1为h(ω)中的低频(f<100H z)分量;P2为h(ω)中的高频(f>100H z)分量㊂故障发生后,故障元件的电流信号总能量相比非故障元件会更高,因此定义第i个元件在故障时刻后2个周波内的故障能量度为E i=ʏf s/20S(ω)dω(2)式中㊀f s为采样频率,本文取10k H z㊂1.2㊀模糊逻辑分析模块模糊逻辑分析是一种模拟人脑对不确定性概念的判断和推理的方法㊂通常借助隶属度函数来处理模糊关系,可将其表示为一个映射μ:xң[0,1],μ为隶属度函数,x为元素的隶属度㊂411第37卷第1期肖㊀丰,等:一种融合电气量和开关量的电网P e t r i网故障诊断方法隶属度函数的选取可以是任意的,分段函数能清晰地表达故障诊断的逻辑关系,故在此采用图1所示的分段函数作为隶属度函数㊂在故障诊断中,常采用模糊语言 高 和 低 来描述电流变化程度㊂关于模糊语言 高 的隶属度函数,eɪ[0,e1],隶属度为0;eɪ[e1,e2],输入与输出成正比;eɪ[e2,ɕ],隶属度为1㊂关于模糊语言 低 的隶属度函数,eɪ[0,e1],隶属度为1;eɪ[e1,e2],输入与输出成反比;eɪ[e2,],隶属度为㊂图1㊀隶属度函数F i g u r e1㊀M e m b e r s h i p f u n c t i o n首先分别对每个元件的电流波形进行HH T分析,进而得到该元件的频率畸变度F i和故障能量度E i;然后分别将每个元件的频率畸变度F i作为模糊逻辑分析的输入值,通过分段函数计算得到2个关于模糊语言 高 和 低 的隶属度,其为一个概率值,并作为模糊逻辑P e t r i网的初始置信度㊂故障能量度E i同理计算㊂1.3㊀模糊逻辑P e t r i网故障识别框架由特征提取模块㊁模糊逻辑分析模块和模糊逻辑P e t r i网构成基于模糊逻辑P e t r i网的故障识别框架㊂在故障发生前后,故障元件比非故障元件出现了更多的高频分量,且电流信号总能量也更高㊂模糊逻辑P e t r i网实际上是对上述模糊逻辑的量化,将基于电气量的模糊逻辑P e t r i网(f u z z y l o g i c p e t r i n e t,F L P N)定义为一个七元组集合F L P N=(P,T, F,I,O,T h,M)㊂1)P=(P1,P2, ,P n)为库所集合,n为库所个数㊂2)T=(T1,T2, ,T m)为变迁集合,m为变迁个数㊂3)F⊆P㊃TɣTˑP,表示连接库所与变迁之间的有向弧㊂4)I:PңT表示输入矩阵,I=[ωi j],[ωi j]ɪ[0,1],若p i为t j的输入,则ωi j表示该有向弧的权值;若p i不是t j的输入,则ωi j为0㊂其中,i=1, 2, ,n;j=1,2, ,m,表征前提条件对结论的贡献程度㊂5)O:TңP表示输出矩阵㊂6)T h:T hң[0,1]表示变迁t j(t jɪT)对应的阈值λj,T h=(λ1,λ2, ,λm)㊂7)M=(m1,m2, ,m n)表示库所对应的置信度,mɪ[0,1]㊂以3个元件为例,基于模糊逻辑P e t r i网的故障识别框架如图2所示㊂图2中, H 表示模糊语言 高 , L 表示模糊语言 低 ㊂P1~P6表示初始库所,P7~P9表示终止库所,L1~L3为诊断出的故障元件,T1~T3表示变迁㊂第i个变迁对应第j条输入弧的权值均为1/3㊂L1L2L3L1L2L3P8T2P1246取模块模糊逻辑分析模块模糊逻辑Petri图2㊀模糊逻辑P e t r i网的故障识别框架F i g u r e2㊀F a u l t r e c o g n i t i o n f r a m e w o r ko ff u z z y l og i cP e t r i n e t在文1.2节中,得到的模糊逻辑分析输出值,将其作为模糊逻辑P e t r i网的库所初始置信度,经过矩阵形式的模糊推理机制[8]的迭代计算,得到第i 个元件的2个故障概率表征,即频率故障度(f r e-q u e n c y d i s t o r t i o nd e g r e e,F D D)和能量故障度(e n-e r g y d i s t o r t i o nd e g r e e,E D D),再对其按式(3)㊁(4)进行归一化处理,作为证据体,等待下一步的信息融合㊂511电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年1月F D Dᶄi =F D D2iðn j=1F D D2i(3)E D Dᶄi =E D D2iðn j=1E D D2i(4)2㊀基于开关量的P e t r i网故障诊断开关量故障诊断的分析对象是继电保护㊁断路器动作信息,将基于开关量的时序模糊P e t r i网(t e m p o r a l f u z z yp e t r i n e t,T F P N)定义为一个十元组集合T F P N=(P,T,F,I,O,T h,t,t R,Δt,M)㊂1)t=(t1,t2, ,t n)为库所的延时约束矩阵,表示保护的整定延时㊁断路器的动作延时㊂2)t R=(t r1,t r2, ,t r n)为库所实际录得时间㊂3)Δt=(Δt1,Δt2, ,Δt n)为库所的延时约束不确定矩阵,表示时间距离的不确定度㊂4)其余元素同文1.3节㊂2.1㊀图形化建模电网结构可通过对元件配置各级保护和断路器的不同来体现,而传统的P e t r i网模型对电网结构的改变不具备适应性,因此基于开关量的时序模糊P e t r i网对每个元件建立通用模型,避免了电网拓扑结构改变时对模型及相关矩阵的修改㊂通用模型考虑了输电线路配置的主保护㊁近后备保护和远后备保护㊂当电网结构发生变化时,按修正部分保护及断路器的动作概率,分别为α1=m1M1i1(5)α2=n1N1i2(6)式(5)㊁(6)中㊀m1㊁n1分别为保护㊁断路器动作数; M1㊁N1分别为该元件配置的保护数和该保护相关的断路器数;i1㊁i2分别为修正前的保护㊁断路器动作概率㊂基于开关量的时序模糊P e t r i网的通用模型如图3所示,第1层中,各个库所为各级保护和相应断路器;第2层(P1~P6)是中间库所,无实际物理意义;第3层(P7~P15)是过渡库所,表示在输电线路的继电保护中,各级保护和断路器的相互配合关系;最后一层表示元件㊂PPPPPTTT图3㊀基于开关量的时序模糊P e t r i网通用模型F i g u r e3㊀G e n e r a lm o d e l o f t e m p o r a l f u z z y P e t r i n e tb a s e do n t h e r e m o t ec o mm u n i c a t i o n2.2㊀时序特性与时序约束根据继电保护原理,故障发生㊁各级保护装置和相应断路器动作存在固有动作时间,三者产生的警报信息时刻分布在一定范围之内,并在时间上相互配合㊁相互约束㊂时序约束关系包括一元时间点约束和二元时间距离约束㊂1)一元时间点约束㊂定义事件确切发生的时间点为t,鉴于系统实际运行的诸多不确定因素,需用t和不确定度Δt来共同定义,即事件发生时刻的时间区间T(t)为[t-Δt,t+Δt]㊂2)二元时间距离约束㊂定义事件i时间点t i和事件j时间点t j之间的确切长度为时间距离d i j,即d i j=t i-t j㊂时间长度的不确定度用Δd表示,则时间点t i和t j之间的时间距离为D(t i,t i)= [d i j-Δd,d i j+Δd]㊂若事件a能触发事件b,称事件a是事件b的原因事件,事件b是事件a的结果事件㊂将一元时间点和二元时间距离的正反向时序推理运算作如下定义㊂正向时序推理是已知原因事件a的时间点约束和事件a㊁结果事件b之间的时间距离约束,正向推理得到事件b及其相应的时间点约束,事件b的611第37卷第1期肖㊀丰,等:一种融合电气量和开关量的电网P e t r i网故障诊断方法时间点约束为T(t b)=T(t a)+D(t a,t b)=[t a+d a b-Δt2a+Δd2a b,t a+d a b+Δt2a+Δd2a b](7)㊀㊀同理,反向时序推理是已知结果事件b的时间点约束和事件b㊁原因事件a之间时间距离约束,反向推理得到事件a及其相应的时间点约束,事件a 的时间点约束为T(t a)=T(t b)-D(t a,t b)=[t b-d a b-Δt2b+Δd2a b,t b-d a b+Δt2b+Δd2a b](8)㊀㊀因此,针对每个可疑故障元件相应的开关量进行时序推理分析㊂通过判断时序信息是否满足时序约束条件,来甄别错误警报信息,可有效地提高诊断的容错性㊂时序信息约束检查步骤如下:第1步:确定停电区域,停电区域内的元件均视为可疑故障元件;第2步:针对每一个元件,划分与该元件相关的开关量,形成不同集合;第3步:对每个集合分别进行时序推理分析,利用获得的开关量动作时刻进行反向时序推理,得到故障发生的一元时间点约束;第4步:合并每个集合故障发生的一元时间点约束,得到故障发生的一元时间点总约束;第5步:对故障发生的一元时间点总约束进行正向时序推理,得到各个库所的一元时间点约束,再与获得的时序信息相比较,便可甄别不满足时序信息的错误开关量信息㊂由继电保护的配置原理,定义故障发生时刻到主保护㊁近后备保护和远后备保护动作时刻的时间距离约束为[9]d[t r,t m]ɪ[d r m-Δd r m,d r m+Δd r m]= [10,40],d[t r,t p]ɪ[d r p-Δd r p,d r p+Δd r p]= [260,340],d[t r,t s]ɪ[d r s-Δd r s,d r s+Δd r s]= [950,1070],m s㊂下标r为故障发生,下标m为主保护,下标p为近后备保护,下标s为远后备保护㊂另外,定义各级保护与相对应断路器动作的延时区间为d[t R,t b]ɪ[d R b-Δd R b,d R b+Δd R b]=[20, 40],下标R表示触发断路器的各级保护,下标b表示各级保护相应的断路器㊂2.3㊀模型参数的设定1)库所初始置信度㊂首先利用时序约束关系,对开关量进行时序约束检查,剔除不满足时序约束关系的错误信息后,再通过高斯函数运算㊁时序信息关联特性的挖掘分析,为库所的初始置信度重新赋值,代替人为经验取值,能提高诊断模型的容错性,并有效增大保护㊁断路器动作的真实性,从而提高故障诊断的准确性㊂对初始置信度的赋值,即α(t r)=k㊃e x p(-(t r-t)2/(2Δt)2)(9)㊀㊀事件期望发生的时间区间为[t-Δt,t+Δt],t 为期望的事件发生时间点,Δt为其不确定度,t r为电力系统实际采集的事件发生时间点,k为可靠性系数,则取值为0.9㊂改进的赋值方法满足电力系统发生故障后时序推理的逻辑关系,若t r在[t-Δt,t+Δt]区间内,说明采集的时间点在期望的时间范围中,可有较高的概率值输出,则获得的初始置信度值更大;若t r不在[t-Δt,t+Δt]区间内,说明事件没有发生在期望的时间区间内,获得的初始置信度值较小㊂t r离时间距离越远,α(t r)就越小㊂若电力系统未录得该事件的实际发生时间,则认为事件发生时间为t r=ɕ,α(t r)趋于0㊂而对于未收到警报信息的事件,由于警报信息存在不确定性,均赋予事件较低的概率值0.2作为初始置信度㊂2)变迁的输入弧和输出弧参数㊂故障发生后,由保护㊁断路器动作切除故障,恢复供电㊂认为保护动作和断路器跳闸对规则的重要性一致,设置保护库所和断路器库所到变迁的输入弧权值均为0.5㊂由于线路配置的各级保护相互配合对规则的影响不同,因此采用不同的权值组合,以提高故障诊断的容错性,如图3所示,其余输入弧权值为1㊂3)变迁可靠性㊂认为主保护动作㊁近后备保护动作和远后备保护动作的影响程度不同,依次按照重要度的不同,赋予变迁输出弧的置信度依次为1㊁0.95㊁0.85[10],其他情况设置变迁输出弧的置信度均为1㊂此外,设置变迁的阈值均为0.2㊂由矩阵形式的模糊推理机制计算得到第i个元件故障概率表征,即模糊故障度(f u z z y f a u l td e g r e e,F F D),再对其进行归一化处理形成证据体㊂711电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年1月3㊀诊断流程故障诊断流程如图4所示,具体步骤如下㊂1)故障发生,获取开关量,确定停电区域,形成可疑故障元件集㊂2)针对可疑元件提取元件的电流波形数据㊂3)电流波形HH T 分析后提取故障特征量,由模糊逻辑分析确定模糊逻辑P e t r i 网的初始置信度,矩阵形式的迭代计算后,得到频率故障度和能量故障度㊂4)对开关量时序信息进行约束检查,剔除不满足时序约束的错误信息㊂5)分析挖掘开关量时序信息,确定库所初始置信度,经矩阵形式的迭代计算后,得到模糊故障度㊂6)各故障度归一化处理后,形成待融合证据体,采用D -S 证据理论[11]进行信息融合,得到元件最终的故障概率㊂TFPN 分析FFD确定库所初始置信度时序约束检查TLPN 分析FDD 、EDD模糊逻辑分析HHT 分析确定停电区域故障录波系统SCADA 系统故障发生归一化处理D-S 证据理论得到最终结果图4㊀故障诊断流程F i gu r e 4㊀P r o c e s s o f f a u l t d i a g n o s i s 4㊀算例分析与对比通过采用P S C A D /E MT D C 软件搭建新英格兰10机39节点系统,如图5所示,并模拟故障场景来进行仿真,并采用M A T L A B 软件实现故障诊断程序,以验证该方法的有效性㊂设置仿真步长为100μs ,仿真时长为0.2s ,故障发生时刻为0.08s ,故障持续时间为0.07s㊂故障发生后,由于事先未知故障类型,应先计算三相故障特征值,选取三相中故障特征值最大相作为该元件的故障特征值㊂认为故障概率大于0.7的元件为实际故障元件,但在实际应用中故障概率超过0.5的元件,调度人员仍应将该元件纳入需关注的范围[10]㊂下面用一个简单的故障案例场景来描述故障诊断具体过程㊂该故障案例场景为线路L 4-14发生单相短路故障时,主保护L 4-14S m 动作并跳开断路器C B (4)-14,主保护L 4-14R m 动作但断路器C B (14)-4拒动,导致事故扩大,远后备保护L 13-14R s 和L 14-15S s 动作,由断路器C B (13)-14和C B (15)-14动作来切除故障㊂该故障场景模拟的是主保护对应的断路器拒动㊂为方便分析计算,时标取相对时间:(L 4-14S m ,25),(L 4-14R m ,27),(CB (4)-14,58),(L 13-14R s ,1030),(L 14-15S s ,1033),(C B (13)-14,1055),(C B (15)-14,1060),m s ㊂下标S 表示线路左(或上)端,下标R 表示线路右(或下)端㊂图5㊀新英格兰10机39节点系统结构F i gu r e 5㊀N e wE n g l a n d10m a c h i n e 39b u s s y s t e m 1)搜索停电区域,确定可疑故障元件集Φ,Φ={L 4-14,L 13-14,L 14-15},并将开关量划分为每个元件对应的集合㊂2)针对以上3个可疑故障元件,有针对性地提取和处理电流波形,无需历遍所有元件,可大大地提高故障诊断效率㊂以元件L 4-14为例,元件L 4-14的A 相电流如图6所示㊂3)对元件L 4-14的A 相电流进行HHT 分析,得到H i l b r e t 边际谱和H i l b r e t 边际能量谱,计算出频率畸变度为0.0422,故障能量度为0.7152㊂通过811第37卷第1期肖㊀丰,等:一种融合电气量和开关量的电网P e t r i 网故障诊断方法仿真采集了正常状态和不同故障类型的电流数据共35组以确定隶属度函数(见图1)中e 1和e 2的取值㊂在计算频率畸变度的隶属度时,e 1取值为0.005,e 2取值为0.05;在计算故障能量度的隶属度时,e 1取值为0.001,e 2取值为1.5㊂通过模糊逻辑分析确定模糊逻辑P e t r i 网模型的初始置信度,经过矩阵化推理得到频率故障度和能量故障度,频率故障度为0.4789,能量故障度为0.6754㊂4)对开关量时序信息进行约束检查,均满足时序约束关系㊂5)对开关量时序信息进行挖掘分析,通过高斯函数计算,确定了基于开关量的时序模糊P e t r i 网模型的初始置信度m 0=(0.9,0.8968,0.8960,0.2,0.2,0.2,0.2,0.2,0.2,0.2,0.8675,0.8818),由矩阵形式的模糊推理,经4次迭代计算,得到模糊故障度0.8364㊂t /msI /k A543210-1-2-3-4-50.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.00图6㊀A 相电流波形F i gu r e 6㊀P h a s eAc u r r e n tw a v e f o r m ㊀㊀6)对各故障度进行归一化处理,形成待融合证据体㊂7)对待融合证据体利用D -S 证据理论进行决策层融合,得到各元件最终的故障概率,如表1所示㊂表1㊀诊断结果T a b l e 1㊀D i a gn o s i s r e s u l t s 元件故障概率L 4-140.9194L 13-140.0431L 14-150.0367从表1可判断元件L 4-14发生故障,诊断结果与预设故障一致,所提方法能正确诊断出故障元件㊂在未考虑电气量的情况下,只针对开关量分析得到L 4-14的故障概率仅为0.8364,计及电气量和开关量综合分析得到的故障概率为0.9194,故障概率显著地提高㊂为进一步验证所提方法的有效性和容错性,还应充分考虑各种故障场景㊂表2为考虑各种复杂故障场景下的诊断结果,算例1模拟的是远后备保护及其相应断路器误动的故障场景,该方法能对断路器拒动和远后备保护误动有较好的容错性;在算例2中,模拟了近后备保护及其相应断路器误动的故障场景,仍能正确诊断故障元件;算例3中,虽然在主保护相应断路器时标信息错误且远后备保护信息表2㊀新英格兰10机39节点系统的故障结果T a b l e 2㊀F a u l t r e s u l t s o fN e wE n g l a n d10m a c h i n e 39b u s s ys t e m 算例故障案例场景(相对时间/m s)基于开关量的故障概率计及电气量和开关量的故障概率诊断结果实际故障元件1L 13-14S m (22)㊁L 13-14R m (25)㊁C B (13)-14(56)㊁L 4-14S s (1026)㊁L 4-14R m (1027)㊁L 14-15S s (1028)㊁C B (4)-14(1056)㊁C B (14)-4(1058)㊁C B (15)-14(1063)L 13-14/0.838L 14-15/0.262L 4-14/0.273L 13-14/0.961L 14-15/0.016L 4-14/0.023L 13-14L 13-142L 16-17S m (18)㊁L 16-17R m (17)㊁C B (17)-16(66)㊁L 16-21R s (1036)㊁L 16-24R s (1044)㊁L 16-19Rs (1038)㊁L 15-26R s (1037)㊁C B (21)-16(1097)㊁C B (24)-16(1088)㊁C B (19)-16(1090)㊁C B (15)-16(1096)㊁L 16-21S p (311)㊁C B (16)-21(350)L 16-17/0.787L 16-21/0.257L 16-24/0.256L 15-16/0.357L 16-19/0.253L 16-17/0.931L 16-21/0.013L 16-24/0.033L 15-16/0.028L 16-19/0.016L 16-17L 16-173L 17-27R m (28)㊁C B (17)-27(312)㊁C B (26)-27(1097)L 17-27/0.595L 27-26/0.20L 17-27/0.969L 27-26/0.029L 17-27L 17-27911电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年1月丢失的复杂故障场景中,但仍不影响故障元件的正确诊断㊂在各个复杂故障场景中,仅对开关量分析得到的故障概率均低于综合分析电气量和开关量得到的故障概率,说明综合考虑电气量和开关量的电网故障诊断方法能有效地提高实际故障元件的故障概率,使故障诊断结果更加符合实际情况㊂表3为本文所提方法诊断结果与文献[12]方法诊断结果的对比,经过多组仿真算例验证,本文所提方法能有效地提高实际故障元件的故障概率,并使非故障元件的故障概率大大地降低,具有更优的故障辨识能力㊂表3㊀与文献[12]的对比结果T a b l e 3㊀F a u l t r e s u l t s o fN e wE n gl a n d10m a c h i n e 39b u s s ys t e m 算例故障概率本文文献[12]诊断结果动作信息评价1L 13-14/0.9608L 14-15/0.0164L 4-14/0.0232L 13-14/0.7600L 14-15/0.1800L 4-14/0.1700L 13-14L 4-14R m 和相应断路器误动2L 16-17/0.9308L 16-21/0.0135L 16-24/0.0334L 15-16/0.0281L 16-19/0.0160L 16-17/0.6525L 16-21/0.4600L 16-24/0.3679L 15-16/0.3679L 16-19/0.3679L 16-17近后备保护和相应断路器误动3L 17-27/0.9695L 27-26/0.0296L 17-27/0.5580L 27-26/0.1800L 17-27主保护断路器时标错误且远后备保护信息丢失5㊀结语针对现有基于P e t r i 网的电网故障诊断方法大多未考虑电气量且未有效地利用开关量时序信息的关联特性和冗余性的问题,本文提出了一种计及电气量和开关量的电网P e t r i 网故障诊断方法㊂首先对元件的电流波形进行HH T 分析,提取故障特征,通过模糊逻辑分析得到频率故障度和能量故障度㊂然后对开关量时序信息进行时序约束检查,剔除不满足时序约束的错误信息,利用时序关联特性确定事件的初始置信度,经模糊推理计算得到模糊故障度㊂最后利用D -S 证据理论进行信息融合,得到元件最终的故障概率㊂多组仿真结果表明所提方法均能正确诊断实际故障元件,可见具有较好的准确性和容错性㊂参考文献:[1]杨亮,滕宇,张凌浩,等.基于泛在物联网建设的客户侧变配电设施远程故障诊断方法研究[J ].供用电,2020,37(1):62-66.Y A N G L i a n g,T E N G Y u ,Z HA N G L i n h a o ,e ta l .R e -s e a r c ho nr e m o t ef a u l td i a gn o s i s m e t h o df o rc u s t o m e r s i d e t r a n s f o r m e ra n dd i s t r i b u t i o nf a c i l i t i e sb a s e do nu -b i q u i t o u s p o w e ri n t e r n e to ft h i n g s [J ].D i s t r i b u t i o n &U t i l i z a t i o n ,2020,37(1):62-66.[2]赵佳彬,帕孜来㊃马合木提.基于键合图的不确定性混杂系统故障诊断[J ].电测与仪表,2021,58(8):166-171.Z HA OJ i a b i n ,P A Z I L A I M a h e m u t i .F a u l td i a gn o s i so f u n c e r t a i nh y b r i d s y s t e m s b a s e do nb o n d g r a ph [J ].E l e c -t r i c a l M e a s u r e m e n t &I n s t r u m e n t a t i o n ,2021,58(8):166-171.[3]Z HA N G Y a n ,C h u n g C h iY u n g,W E N F u s h u a n ,e ta l .A na n a l y t i cm o d e l f o r f a u l t d i a g n o s i s i n p o w e r s y s t e m s u t i l i z i n g r e d u n d a n c y a n dt e m p o r a l i n f o r m a t i o no f a l a r m m e s s a g e s [J ].I E E E T r a n s a c t i o n o n P o w e r S ys t e m ,2016,31(6):4877-4886.[4]陈模盛,李敬兆.基于L P WA N 多源信息融合的高压开关柜智能监测与故障诊断系统[J ].智慧电力,2020,48(8):98-103+122.C H E N M o s h e n g ,L IJ i n g z h a o .H i g h -v o l t a g es w i t c h ge a r i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g a n df a u l td i ag n o s i ss y s t e m b a s e d o nL P WA N m u l t i -s o u r c e i n f o r m a t i o nf u s i o n [J ].S m a r tP o w e r ,2020,48(8):98-103+122.[5]肖飞,杨建平,邓祥力,等.基于遥信数据故障编码技术及D HN N 校正的电网故障诊断方法[J ].电力系统保护与控制,2019,47(21):62-72.X I A OF e i ,Y A N GJ i a n p i n g ,D E N GX i a n gl i ,e t a l .Af a u l t d i a g n o s i sm e t h o do f p o w e r g r i db a e s do nr e m o t es i gn a l d a t a f a u l t c o d i n g t e c h n o l o g y an dD HN Nc o r r e c t i o n [J ].021第37卷第1期肖㊀丰,等:一种融合电气量和开关量的电网P e t r i网故障诊断方法P o w e r S y s t e mP r o t e c t i o n a n dC o n t r o l,2019,47(21):62-72.[6]陈泗贞,梁竞雷,卢迪勇,等.基于C OM T R A D E模型的电力系统多源故障数据融合分析方法[J].电力科学与技术学报,2019,34(3):92-100.C H E NS i z h e n,L I A N GJ i n l e i,L UD i y o n g,e ta l.M u l t i-s o u r c ef a u l td a t a c o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s m e t h o d f o r p o w e r s y s t e mb a s e do nC OM T R A DE m o d e l[J].J o u r n a l o fE l e c t r i cP o w e r S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,2019,34(3): 92-100.[7]胡列翔,王蕾,董明枫,等.基于改进时间约束P e t r i网的综合能源系统运行优化及可靠性评估[J].中国电力, 2020,53(10):123-132+139.HU L i e x i a n g,WA N G L e i,D O N G M i n g f e n g,e ta l.O p-e r a t i o no p t i m i z a t i o na n dr e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n o fi n t e-g r a t e de n e r g y s y s t e mb a s e d o n i m p r o v e d t i m e c o n s t r a i n-e dP e t r i n e t[J].E l e c t r i c P o w e r,2020,53(10):123-132+ 139.[8]贾立新,薛钧义,茹峰.采用模糊P e t r i网的形式化推理算法及其应用[J].西安交通大学学报,2003,37(12): 1263-1266.J I AL i x i n,X U EJ u n y i,R U F e n g.F u z z y P e t r i n e tb a s e df o r m a l i z e dr e a s o n i ng a l g o r i th m wi t h a p p l i c a t i o n s[J]. J o u r n a l o fX i'a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,2003,37(12):1263-1266.[9]杨斐然,于永进.基于时间约束的分层模糊P e t r i网的配电网故障诊断[J].电力系统保护与控制,2020,48(20): 99-106.Y A N GF e i r a n,Y U Y o n g j i n.F a u l t d i a g n o s i so f d i s t r i b u-t i o n n e t w o r k b a s e d o n t i m e c o n s t r a i n e d h i e r a r c h i c a l f u z z y P e t r i n e t s[J].P o w e rS y s t e m P r o t e c t i o na n dC o n-t r o l,2020,48(20):99-106.[10]陈靖秋.基于信息融合的电力系统不确定性故障诊断的研究[D].成都:西南交通大学,2014. [11]康健.基于多传感器信息融合关键技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.[12]张岩,张勇,文福拴,等.容纳时序约束的改进模糊P e-t r i网故障诊断模型[J].电力系统自动化,2014,38(5): 66-72.Z HA N G Y a n,Z HA N G Y o n g,W E N F u s h u a n,e ta l.P o w e r s y s t e mf a u l td i a g n o s i sw i t ha ne n h a n c e df u z z y P e t r i n e t a c c o mm o d a t i n g t e m p o r a l c o n s t r a i n t s[J].A u-t o m a t i o no fE l e c t r i cP o w e rS y s t e m s,2014,38(5):66-72.121。
不平衡电网下双dq坐标变换的M3C微分平坦控制策略
第28卷㊀第1期2024年1月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.28No.1Jan.2024㊀㊀㊀㊀㊀㊀不平衡电网下双dq 坐标变换的M3C 微分平坦控制策略程启明,㊀杜婷伟,㊀赖宇生(上海电力大学自动化工程学院,上海200090)摘㊀要:针对目前模块化多电平矩阵变换器(M3C )研究中常用的双αβ坐标变换解耦不彻底㊁传统PID 控制方法效果差㊁不平衡工况研究少等问题,在分析拓扑结构和数学模型的基础上,采用双dq 坐标变换对电气量进行解耦,建立了M3C 的输入输出侧数学模型,分别对电压㊁电流进行正负序分离,并结合微分平坦理论,推导了输入侧㊁输出侧的微分平坦控制(DFC ),最后模拟了两种不平衡工况下的运行情况㊂仿真结果表明,与线性PID 控制相比,非线性的微分平坦控制提高了内环电流的跟踪速度和精度,更适用于非线性的M3C 系统㊂在电网平衡或电网出现不对称故障时,微分平坦控制下M3C 系统的动态稳定性与快速性更好,电能质量更高,电流谐波含量最多可以降低1.42%,能够更有效地抑制负序电流㊂关键词:海上风力发电;模块化多电平矩阵变换器;不平衡电网;双dq 坐标变换;微分平坦控制;PID 控制DOI :10.15938/j.emc.2024.01.005中图分类号:TM762文献标志码:A文章编号:1007-449X(2024)01-0049-12㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-12-09基金项目:国家自然科学基金(62303301);上海市电站自动化技术重点实验室资助项目(13DZ2273800)作者简介:程启明(1965 ),男,博士,教授,研究方向为电力系统自动化㊁发电过程控制㊁先进控制及应用;杜婷伟(2000 ),女,硕士研究生,研究方向为新能源发电控制㊁海上风力发电控制;赖宇生(1996 ),男,硕士研究生,研究方向为新能源发电控制㊁电力电子控制㊂通信作者:杜婷伟Differential flatness control strategy of modular multilevel matrix converter based on double dq coordinate transformation underunbalanced grid conditionsCHENG Qiming,㊀DU Tingwei,㊀LAI Yusheng(College of Automation Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)Abstract :Aiming at the problems of incomplete decoupling of double αβcoordinate transformation com-monly used in modular multilevel matrix converter (M3C)research,on the basis of the analysis of topol-ogical structure and mathematical model,poor effect of traditional PID control method,and little research on unbalanced working conditions,etc.,double dq coordinate transformation was adopted to decouple the electrical quantity.The mathematical model of M3C s input and output side was established,the voltage and current were separated in positive and negative order,and the differential flatness control (DFC)of the input side and the output side was derived by combining the differential flatness theory.Finally,the operation under two unbalanced conditions was pared with linear PID control,the simula-tion results show that nonlinear differential flat control improves the tracking speed and accuracy of innerloop current,and is more suitable for nonlinear M3C system.When the power grid balance or asymmetricfault occurs,M3C system under differential flat control has better dynamic stability and rapidity,higher power quality,and can suppress negative sequence current more effectively.The current THD can be re-duced by up to1.42%.Keywords:offshore wind power;modular multilevel matrix converter;unbalanced grid;double dq coor-dinate transformation;differential flatness control;PID control0㊀引㊀言随着气候变暖㊁环境恶化等导致能源危机,新型清洁能源已成为了国家经济发展的方向之一[1-2]㊂其中海上风电由于具备稳定性强㊁可再生㊁受环境影响小等优势,极具开发前景㊂但如何将海上发电厂并入主电网正成为国内外海上风电领域的研究重点[3-4]㊂与常规的50Hz的高压交流输电[5]和高压直流输电[6]相比,50/3Hz的低频交流输电,又称分频传输系统,具有显著优势:可以提高交流海缆输电能力,只需一个AC/AC换流站,且设备投资成本少[7-9]㊂在现有的AC/AC变换设备中,模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter, M3C)[10]由Erickson R.和AI-Naseem O.于2001年提出,作为直接AC/AC变换器具有高电压㊁大容量的优点㊂M3C拓扑由9条桥臂构成,以3ˑ3矩阵形式排布,每条桥臂的电压㊁电流分量均包含两种不同频率的交流分量,存在强耦合现象,控制难度大㊂目前国内外学者已经对M3C的控制策略开展了一些研究,最为普遍应用的是基于双αβ0坐标变换的解耦控制方法㊂文献[11]的αβ0变换方法仅能将M3C的输入电流和输出电流解耦㊂文献[12-14]提出双αβ0变换,能将桥臂电流中的输入电流㊁输出电流和环流完全解耦,同时增加了两个对角维度的平衡控制,控制桥臂能量均衡分布㊂文献[15]将预测控制用于M3C中,然而M3C包含大量的状态变量,导致参数复杂㊁计算量庞大不具有实用性㊂文献[16-17]研究了双αβ0变换的非线性无源控制和微分平坦控制,系统跟踪速度有很大提升㊂尽管双αβ0变换被广泛采纳,但是这种控制方案也存在缺点,其被控量都是交流量,物理概念易混淆,且功率分量计算复杂㊂文献[18]提出了双dq坐标变换的方法,采用直流量作为内环被控量,但其采用的PID控制不仅调参复杂,而且是线性控制方法,作用在非线性的M3C上并不能使系统迅速稳定㊂到目前为止,采用双dq解耦方法的研究较少,并且其中未有文献考虑在发生不平衡故障时的非线性控制方案㊂非线性的微分平坦控制(differential flatness control,DFC)对系统稳定性的提升,超调量的降低等方面颇具优势,在电力电子领域和清洁能源领域已成为了研究热点[19-20]㊂与线性PID控制相比, DFC控制能使M3C系统稳定运行,避免因内外部扰动而发生动态特性变差的现象,提高内环电流的跟踪速度和精度㊂本文首次提出在不平衡电网下将微分平坦控制策略应用到基于双dq坐标变换的M3C控制中㊂首先给出M3C的拓扑结构与工作原理,建立M3C在双dq坐标变换下的数学模型,然后在输入侧与输出侧出现不对称故障时,将电压电流正负序分离,进一步运用微分平坦理论,设计输入侧㊁输出侧的DFC控制器㊂最后,在MATLAB/Simulink平台上建立两种不平衡工况,分别模拟DFC控制和传统PID控制,通过仿真验证在电网电压不平衡条件下,采用DFC控制能使系统稳定运行,且效果优于传统PID 控制㊂1㊀M3C的电路结构及数学模型M3C变换器的主电结构如图1所示㊂M3C以H全桥子模块(用SM表示,由T1~T44个IGBT和1个电容组成)为基本单元,等效电阻R㊁电感L以及n个子模块级联构成1个换流桥臂,共有9个桥臂,可分为3个子换流器㊂M3C的输入侧是低频三相交流电源,输出侧是工频三相交流电源㊂图1中:输入侧交流电压为u su㊁u sv㊁u sw,电流为i u㊁i v㊁i w;输出侧交流电压为u1a㊁u1b㊁u1c,电流为i a㊁i b㊁i c;桥臂电流为i xy,桥臂总电容电压为u c xy(x=u㊁v㊁w,y=a㊁b㊁c),u NO为共模电压㊂可以将每个桥臂的子模块视为受控电压源,得到图2所示的简化结构图㊂05电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图1㊀M3C 拓扑结构Fig.1㊀Topology ofM3C图2㊀M3C 的简化结构图Fig.2㊀Simplified structure diagram of M3C分析图2所示的输入侧㊁输出侧的电压㊁电流关系,由Kirchhoff 定律建立回路电压方程可得:u su =Ri uy +L d iuy d t +u uy +u 1y +u NO ;u sv =Ri vy +L d i vyd t +u vy +u 1y +u NO ;u sw =Ri wy +L d i wyd t+u wy +u 1y +u NO ㊂üþýïïïïïï(1)i a +i b +i c =0;i u +i v +i w =0㊂}(2)对式(1)进行αβ0坐标变换,可将两种频率分量解耦,得到3个子换流器的电压电流关系为:u s αu s βéëêêùûúú=R +L d d t ()i αa i βa éëêêùûúú+u αa u βa éëêêùûúú;u s αu s βéëêêùûúú=R +L d d t ()i αb i βb éëêêùûúú+u αb u βb éëêêùûúú;u s αu s βéëêêùûúú=R +L d d t ()i αc i βc éëêêùûúú+u αc u βc éëêêùûúú㊂üþýïïïïïïïï(3)u so u so u so éëêêêùûúúú=R +L d d t ()i oa i ob i oc éëêêêùûúúú+u oa u ob u oc éëêêêùûúúú+3u 1a u 1b u 1c éëêêêùûúúú+3u NO u NO u NO éëêêêùûúúú㊂(4)当输入输出系统三相对称时,可忽略零序分量,对式(4)进行第2次αβ0坐标变换可得0[]=R +Ld d t()i o αi b βéëêêùûúú+u o αu o βéëêêùûúú+3u 1αu 1βéëêêùûúú㊂(5)式(3)与式(5)为M3C 在αβ坐标系下的数学模型㊂其中:式(3)为输入侧电压㊁电流αβ分量,其频率仅与输入侧频率相同;式(5)为输出侧电压㊁电流αβ分量,其频率仅与输出侧频率相同㊂由此实现了桥臂电压电流的解耦㊂对式(3)㊁式(5)分别采用各自频率的dq 坐标变换,可得M3C 在双dq 坐标系下的数学模型为:u da u qa éëêêùûúú=u sd u sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i da i qa éëêêùûúú-ωs L -i qa i da éëêêùûúú;u db u qb éëêêùûúú=u sd u sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i db i qb éëêêùûúú-ωs L -i qb i db éëêêùûúú;u dc u qc éëêêùûúú=u sd u sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i dc i qc éëêêùûúú-ωs L -i qc i dc éëêêùûúú;u od u oq éëêêùûúú=-3u 1d u 1q éëêêùûúú-R +L d d t ()i od i oq éëêêùûúú-ω1L -i oq i od éëêêùûúú㊂üþýïïïïïïïïïïïï(6)式中:ωs 表示输入侧频率;ω1表示输出侧频率㊂由M3C 换流器稳态工作时的对称性可知i da i qa éëêêùûúú=i db i qb éëêêùûúú=i dc i qc éëêêùûúú=13i sd i sq éëêêùûúú㊂(7)式中i sd ㊁i sq 分别为输入侧电流的d㊁q 分量㊂由坐标变换原理可得,桥臂电流在dq 坐标下的输出侧频率分量满足下式:i 1d i 1q éëêêùûúú=3i od i oq éëêêùûúú㊂(8)式中i 1d ㊁i 1q 分别为输出侧电流的d㊁q 分量㊂对输出侧电压d㊁q 分量进行逆坐标变换,可得桥臂电压的输出侧频率分量如下:u oau ob u oc éëêêêùûúúú=T αβ/abc T dq /αβ-1u od u oqéëêêùûúú㊂(9)式中T dq /αβ㊁T dq /αβ-1为输出侧的逆坐标变换矩阵㊂15第1期程启明等:不平衡电网下双dq 坐标变换的M3C 微分平坦控制策略将桥臂电压中的输入㊁输出频率分量叠加,可将桥臂电压表示如下:u ua u va u wa éëêêêùûúúú=T αβ/abc T dq /αβ-s u da u qa éëêêùûúú+u oa u oa u oa éëêêêùûúúú;u ub u vb u wb éëêêêùûúúú=T αβ/abc T dq /αβ-s u db u qb éëêêùûúú+u ob u ob u ob éëêêêùûúúú;u uc u vc u wc éëêêêùûúúú=T αβ/abc T dq /αβ-s u dc u qc éëêêùûúú+u oc u oc u oc éëêêêùûúúú㊂üþýïïïïïïïïïïïïïï(10)式中T dq /αβ-s 为输入侧的逆坐标变换矩阵㊂2㊀不平衡电网下微分平坦控制策略在不平衡工况下,M3C 系统中会出现负序分量,导致过电流和非特征谐波的产生,影响控制效果,甚至烧毁元器件,对系统的安全稳定运行造成威胁,所以本文旨在研究基于M3C 系统在不对称故障条件下的控制策略㊂图3为不平衡电网下M3C 的总体控制结构图,其控制策略包括输入侧控制㊁输出侧控制㊁正负序分离㊁功率控制㊁桥臂分层直流稳压控制以及载波移相调制㊂图3㊀M3C 的整体控制结构图Fig.3㊀General control structure diagram of M3C1)正负序分离:运用双dq 坐标变换对输入侧和输出侧的电压㊁电流进行解耦,然后分别计算出正㊁负序电压电流分量;2)功率控制:根据不平衡工况下M3C 的运行要求,引入功率控制来求解期望电流值;3)输入/输出侧控制:基于微分平坦理论,推导出输入侧㊁输出侧的DFC 控制器;4)子模块独立均压控制:用于平衡桥臂的子模块电容电压,此控制有利于保证系统的安全稳定运行㊂2.1㊀正负序分离当三相系统不对称时,系统中将会出现负序分量,导致系统出现过电流,会严重威胁整个系统的安全稳定运行[21]㊂因此,需要分离电气量中的正㊁负序分量,分别提取电压㊁电流的正序分量和负序分量,再设计相应的正㊁负序的控制策略㊂由于篇幅限制,本文仅以输入侧为例,系统的电压㊁电流可表示为f uvw=f u f v f w éëêêêùûúúú=f +cos βf +(cos β-2π/3)f +(cos β+2π/3)éëêêêùûúúú+f-cos γf -(cos γ+2π/3)f-(cos γ-2π/3)éëêêêùûúúú+f 0f 0f 0éëêêêùûúúú㊂(11)式中:β=ω+t +α+,ω+=ωs ;γ=ω-t +α-,ω-=-ωs ;α+㊁α-分别为正㊁负序分量的初相角;f uvw 表示输入侧系统的电压或电流;f +㊁f -分别为正㊁负序分量的幅值;f 0为零序分量㊂本文系统为三相三线制,无零序回路,所以可以忽略零序分量㊂三相坐标系向两相旋转坐标系转换的正负序矩阵分别为:T +=23cos ωt cos(ωt -2π/3)cos(ωt +2π/3)-sin ωt -sin(ωt -2π/3)-sin(ωt +2π/3)[];T -=23cos ωt cos(ωt +2π/3)cos(ωt -2π/3)sin ωtsin(ωt +2π/3)sin(ωt -2π/3)[]㊂üþýïïïï(12)对式(11)进行正负序dq 变换可得:f ᶄ+d f ᶄ+q éëêêùûúú=f +cos α+f +sin α+éëêêùûúú+f -cos(2ω+t +α-)-f -sin(2ω+t +α-)éëêêùûúú;f ᶄ-d f ᶄ-qéëêêùûúú=f -cos α-f -sin α-éëêêùûúú+f +cos(2ω-t +α+)-f +sin(2ω-t +α+)éëêêùûúú㊂üþýïïïïïï(13)将式(13)延迟π/2,可得25电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀f ᶄ+d f ᶄ+q f ᶄ-d f ᶄ-qéëêêêêêùûúúúúúe -jπ2=-f +sin α+-f -sin(2ω+t +α-)f +cos α+-f -cos(2ω+t +α-)-f -sin α--f +sin(2ω-t +α+)f -cos α--f +cos(2ω-t +α+)éëêêêêêùûúúúúú㊂(14)联立式(13)和式(14)可将正负序分离如下:f +d f +q f -d f -q éëêêêêêùûúúúúú=12f ᶄ+d +f ᶄ+q exp(-jπ/2)f ᶄ+q-f ᶄ+d exp(-jπ/2)f ᶄ-d +f ᶄ-q exp(-jπ/2)f ᶄ-q-f ᶄ-dexp(-jπ/2)éëêêêêêùûúúúúú㊂(15)2.2㊀功率控制根据瞬时无功功率理论,可将瞬时有功功率和无功功率表示为:P =P 0+P s2sin(2ωt )+P c2cos(2ωt );Q =Q 0+Q s2sin(2ωt )+Q c2cos(2ωt )㊂}(16)式中:P 0是有功功率的直流分量;Q 0是无功功率的直流分量;P s2为有功功率的正弦2倍频分量;P c2为有功功率的余弦2倍频分量;Q s2为无功功率的正弦2倍频分量;Q c2为无功功率的余弦2倍频分量㊂将式(16)整理后,其矩阵形式如下:P 0P s2P c2Q 0Q s2Q c2éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú=u +sd u +squ -sdu -sq u -sq -u -sd -u +sq u +sd u -sd u -sq u +sd u +sq u +sq -u +sd u -sq -u -sd -u -sd-u -sq u +sd u +squ -sq-u -sdu +sq -u +sdéëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúi +sdi +sq i -sd i -sq éëêêêêêùûúúúúú㊂(17)根据常见不平衡工况的负面影响,可将系统控制目标设为:1)平衡电网电流;2)消除有功功率纹波;3)消除无功功率纹波㊂对应的电流期望值分别如下:i +sdref =u +sdP 0+u +sqQ 0u +2sd+u +2sq ,i -sdref =0;i +sqref=u +sq P 0-u +sd Q 0u +2sd +u +2sq,i -sqref =0㊂üþýïïïï(18)i +sdref i +sqref i -sdref i -sqref éëêêêêêùûúúúúú=u +sd u +squ -sd u -sq u +sq -u +sdu -sq-u -sd -u -sd -u-squ+sdu +sq u -sq-u -sdu +sq-u +sdéëêêêêêùûúúúúú-1P 0Q 0Q s2Q c2éëêêêêêùûúúúúú;(19)i +sdref i +sqref i -sdref i -sqref éëêêêêêùûúúúúú=u +sdu +sq u -sd u -sq u +sq -u +sd u -sq-u -sd u -sq -u -sd -u +sq u +sd u -sdu -squ +sdu +sqéëêêêêêùûúúúúú-1P 0Q 0P s2P c2éëêêêêêùûúúúúú㊂(20)2.3㊀输入/输出侧平坦控制微分平坦控制多用于连续时间的非线性控制系统中,能快速㊁准确地跟踪参考值,主要由前馈期望量和误差反馈补偿量组成,其理论框图如图4所示㊂首先分析微分平坦理论的基本原理㊂图4㊀微分平坦控制策略框图Fig.4㊀Block diagram of DFC control strategy设非线性系统为:x ㊃=f (x ,u ),x ɪR n ,u ɪR m ;y =g (x ),y ɪR n ㊂}(21)式中u ㊁y ㊁x 分别为系统的输入变量㊁输出变量和状态变量㊂微分平坦理论的判断条件为:x =x (y ,y ㊃, ,y (λ1));u =u (y ,y ㊃, ,y(λ2))㊂}(22)式中λ1㊁λ2均为正整数,它们分别为状态变量㊁输入变量的微分阶数㊂微分平坦控制策略框图如图4所示:u ref,c 为前馈控制量;u ref,b 为误差反馈补偿值;u ref 为参考输入量;y 为输出实际值;y ref 为其期望值;Δy 为两者误值;Δy ref 为Δy 的期望值㊂由于3个子换流器的结构相同,控制器也相同,本文仅以a 相的子换流器为例具体分析㊂另外,正㊁负序分量的控制类似,在此仅推导正序分量的控制过程㊂根据式(6),可以推出输入侧正序的平坦控制器的前馈控制量为u +da_ref,c u +qa_ref,c éëêêùûúú=u +sd u +sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i +da_ref i +qa_ref éëêêùûúú-ωs L -i +qa_ref i +da_ref éëêêùûúú㊂(23)35第1期程启明等:不平衡电网下双dq 坐标变换的M3C 微分平坦控制策略式中u +da_ref,c ㊁u +qa_ref,c 分别为输入电流参考值i +da_ref ㊁i +qa_ref 生成的前馈控制量㊂将系统状态变量误差表示为:Δi +da =i +da -i +da_ref ;Δi+qa=i+qa-i+qa_ref㊂}(24)将式(24)代入式(6),可得误差模型如下:Δu +da Δu +qa éëêêùûúú=-R +L d d t()Δi +da Δi +qa éëêêùûúú-ωs L -Δi +qa Δi +da éëêêùûúú㊂(25)由式(25)可得相应误差反馈补偿值为Δu +da_ref,b Δu +qa_ref,b éëêêùûúú=-k DFp +k DFi s ()Δi +da_ref -Δi +da Δi +qa_ref -Δi +qa éëêêùûúú-ωs L -Δi +qa Δi +da éëêêùûúú㊂(26)式中:k DFp ㊁k DFi 为PI 参数;u +da_ref,b ㊁u +qa_ref,b 分别为Δi +da㊁Δi +qa与参考值生成的误差反馈补偿值㊂令Δi +da_ref =0,Δi +qa_ref =0,可得Δu +da_ref Δu +qa_ref éëêêùûúú=Δu +da_ref,b Δu +qa_ref,b éëêêùûúú+Δu +da_ref,c Δu +qa_ref,c éëêêùûúú㊂(27)联立式(6)和式(27)可得(R +Ls )Δi +da_refΔi +qa_ref éëêêùûúú-k DFp +k DFis ()i +da-i +da_refi +qa -i +qa_ref éëêêùûúú=(R +Ls )i +dai +qa éëêêùûúú㊂(28)由式(28)可得d㊁q 轴电流的闭环传递函数如下:H d (s )H q (s )éëêêùûúú=i+dai+da_refi+qai +qa_ref[]T=11[]㊂(29)因此,上述设计的M3C 平坦控制器能实现电气量的解耦,响应速度快,跟踪效果好㊂类似地,可以推导出输入侧b 相子换流器㊁c 相子换流器以及输出侧的正序前馈控制量㊁误差反馈补偿量和平坦控制器分别为:u +db_ref,c u +qb_ref,c éëêêùûúú=u +sd u +sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i +db_ref i +qb_ref éëêêùûúú-ωs L -i +qb_ref i +db_ref éëêêùûúú;(30)Δu +db_ref,b Δu +qb_ref,b éëêêùûúú=-k DFp +k DFis ()Δi +db_ref -Δi +db Δi +qb_ref -Δi +qb éëêêùûúú-ωs L -Δi +qb Δi +db éëêêùûúú;(31)Δu +db_ref Δu +qb_ref éëêêùûúú=Δu +db_ref,b Δu +qb_ref,b éëêêùûúú+Δu +db_ref,c Δu +qb_ref,c éëêêùûúú;(32)u +dc_ref,c u +qc_ref,c éëêêùûúú=u +sd u +sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i +dc_ref i +qc_ref éëêêùûúú-ωs L -i +qc_ref i +dc_ref éëêêùûúú;(33)Δu +dc_ref,b Δu +qc_ref,b éëêêùûúú=-k DFp +k DFis ()Δi +dc_ref -Δi +dc Δi +qc_ref -Δi +qc éëêêùûúú-ωs L -Δi +qc Δi +dc éëêêùûúú;(34)Δu +dc_ref Δu +qc_ref éëêêùûúú=Δu +dc_ref,b Δu +qc_ref,b éëêêùûúú+Δu +dc_ref,c Δu +qc_ref,c éëêêùûúú;(35)u +od_ref,c u +oq_ref,c éëêêùûúú=-3u +1d u +1q éëêêùûúú-R +L d d t ()i +od_ref i +oq_ref éëêêùûúú-ω1L -i +oq_ref i +od_ref éëêêùûúú;(36)Δu +od_ref,b Δu +oq_ref,b éëêêùûúú=-k DFp +k DFi s ()Δi +od_ref -Δi +od Δi +oq_ref -Δi +oq éëêêùûúú-ωs L -Δi +oq Δi +od éëêêùûúú;(37)Δu +od_ref Δu +oq_ref éëêêùûúú=Δu +od_ref,b Δu +oq_ref,b éëêêùûúú+Δu +od_ref,c Δu +oq_ref,c éëêêùûúú㊂(38)M3C 输入侧㊁输出侧正序平坦控制的详细框图如图5所示㊂2.4㊀子模块独立均压控制本文采用子模块独立均压控制使各子模块的电容电压达到稳定㊁均衡,其具体原理为:通过每个桥臂上的电流㊁对应桥臂的直流电压㊁单个子模块的电容电压,结合输入侧㊁输出侧的平坦控制信号,得出最终的桥臂控制信号,再送入载波移相调制,以此保证子模块电容电压的稳定㊂控制框图见图6㊂以桥臂u a 为例,其总电容电压u Cua ,子模块平均电容电压为u -Cua ,调制信号为u ∗ua ,第j 个子模块的45电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀电容电压为u Cua j㊂图5㊀M3C 系统的微分平坦控制框图Fig.5㊀DFC control block diagram of M3Csystem图6㊀子模块独立均压控制Fig.6㊀Independent and average voltage control ofsub-module3㊀仿真实验分析本文在MATLAB /Simulink 仿真平台上对图1所示M3C 系统进行了模拟㊂由此设计了两种不平衡故障工况,分别仿真了微分平坦控制与传统的PID 控制,并对比仿真效果㊂系统仿真参数如表1所示㊂表1㊀系统仿真实验参数Table 1㊀Parameters of system simulation experiment㊀㊀参数数值输入侧电压幅值/kV 10输出侧电压幅值/kV 10输入侧频率/Hz 50/3输出侧频率/Hz 50桥臂子模块数/个7子模块电容/mF 10子模块电容电压/V 3000桥臂电感/mH203.1㊀工况1实验分析在工况1下,由控制目标1(平衡电网电流)变为控制目标2(消除有功功率纹波)再变回控制目标1㊂具体如下:1)0~0.1s 内,电网电压无故障,系统正常运行,此时输入侧㊁输出侧均选择控制目标1,且P 0=12MW,Q 0=0;2)0.1~0.2s 内,输出侧电压a 相跌落20%,构造输出侧三相电压不对称工况,此时输出侧选择控制目标2,且P 0=6MW,Q 0=0,输入侧无变化;3)0.2~0.3s 内,输入侧电压u 相跌落20%,构造输入侧㊁输出侧三相电压均不对称的工况,输入侧输出侧均选择控制目标2;4)0.3~0.4s 内,设定输入侧㊁输出侧电压恢复原值,交流系统对称,回到无故障正常运行工况㊂图7和图8为工况1下PID 控制策略与微分平坦控制策略的仿真波形,包括输入侧电压u su /u sv /u sw ㊁输入侧电流i su /i sv /i sw ㊁输出侧电压u 1a /u 1b /u 1c ㊁输出侧电流i 1a /i 1b /i 1c ㊁输入侧有功无功功率P s /Q s ㊁输出侧有功无功功率P 1/Q 1㊂表2分别列出了工况1下PID 控制策略与微分平坦控制策略的输入侧电流㊁输出侧电流的性能指标,并从稳定时间与总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)两个方面来进行对比分析㊂由于篇幅有限,本文截取了0.1~55第1期程启明等:不平衡电网下双dq 坐标变换的M3C 微分平坦控制策略0.2s 内输出侧电流的THD 值制成图9,其余THD 值将直接表示在表2中㊂图7㊀工况1下PID 控制的仿真结果Fig.7㊀Simulation results of PID control under workingcondition 1分析图7㊁图8㊁图9和表2可知,在电网出现不对称故障时,传统PID 控制策略与本文所提的微分平坦控制策略均能达到控制要求,保证系统稳定运行,且微分平坦控制策略下各电气量的性能指标均优于传统PID 控制㊂图8㊀工况1下微分平坦控制(DFC )的仿真结果Fig.8㊀Simulation results of DFC control under workingcondition 165电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图9㊀工况1下输出侧电流谐波分析(0.1~0.2s) Fig.9㊀Output current spectrums of M3C on working condition1(0.1~0.2s)表2㊀工况1下输入侧㊁输出侧电流性能指标分析Table2㊀Analysis of current performance index of input side and output side under working condition1两侧电流性能指标分析时间段/ms0~100100~200200~300300~400输入侧稳定时间/ms(PID)59100238339输入侧稳定时间/ms(DFC)34100225320输入侧THD/%(PID) 1.970.240.52 1.29输入侧THD/%(DFC)0.620.140.290.15输出侧稳定时间/ms(PID)21118200330输出侧稳定时间/ms(DFC)14107190313输出侧THD/%(PID) 1.710.870.480.99输出侧THD/%(DFC)0.290.220.240.11 1)0~0.1s内,系统处于无故障正常运行状态,在控制目标1下,两种控制方法下的输入侧㊁输出侧电流都具有较好的三相对称性,系统在微分平坦控制下的稳定速度较PID控制稍快,电能质量较高;2)0.1~0.2s内,输出侧出现不对称故障,a相电压跌落20%,输出侧控制目标为消除有功功率纹波,两种控制方法下的输出侧电流,在不对称故障与功率改变后都能达到新的稳定值㊂PID控制下系统的输出侧电流i abc与输出侧功率P1/Q1在0.118s后稳定,输出侧电流THD值为0.87%;微分平坦控制下系统的输出侧电流i abc与输出侧功率P1/Q1在0.107s后稳定,输出侧电流THD值为0.22%,对比可知微分平坦控制下输出侧电流能够更快达到稳定,系统的谐波污染更低;3)0.2~0.3s内,输入侧和输出侧均出现不对称故障,控制目标均为消除有功功率纹波,PID控制和微分平坦控制下系统的输入侧电流i uvw的THD值分别为0.52%和0.29%,说明微分平坦控制下系统的电能质量高;4)0.3~0.4s内,输入侧㊁输出侧均恢复无故障正常运行状态,由表2可知,微分平坦控制下系统的能更快达到稳态,谐波含量更低,电能质量更高,能够更有效地抑制负序电流㊂3.2㊀工况2实验分析在工况2下,由控制目标1变为控制目标3再变回控制目标1㊂工况2具体如下:1)0~0.1s内,电网电压无故障,系统正常运行,此时输入侧㊁输出侧均选择控制目标1,且P0= 12MW,Q0=0㊂2)0.1~0.2s内,输入侧电压u相跌落20%,构造输入侧三相电压不对称工况,此时输出侧选择控制目标3,且P0=6MW,Q0=0,输出侧无变化;3)0.2~0.3s内,输出侧电压a相跌落20%,构造输入侧㊁输出侧三相电压均不对称的工况,输入侧输出侧均选择控制目标3;4)0.3~0.4s内,设定输入侧㊁输出侧电压恢复原值,交流系统对称,回到无故障正常运行工况㊂图10和图11为工况2下PID控制策略与微分平坦控制策略的仿真波形,包括输入侧电压u su/u sv/ u sw㊁输入侧电流i su/i sv/i sw㊁输出侧电压u1a/u1b/u1c㊁输出侧电流i1a/i1b/i1c㊁输入侧有功无功功率P s/Q s㊁输出侧有功无功功率P1/Q1㊂由于篇幅有限,本文截取了0.1~0.2s内输出侧电流的THD值制成图12,其余THD值将直接表示在表中㊂表3分别列出了工况2下两种控制策略的输入侧电流㊁输出侧电流的性能指标,便于进一步对比分析㊂75第1期程启明等:不平衡电网下双dq坐标变换的M3C微分平坦控制策略图10㊀工况2下PID控制的仿真结果Fig.10㊀Simulation results of PID control under working condition2分析图10㊁图11㊁图12和表3可知,在工况2下,微分平坦控制策略的控制效果优于传统PID控制㊂具体分析如下:1)0~0.1s内,系统为无故障正常运行状态;2)0.1~0.2s内,输入侧出现不对称故障,u相电压跌落20%,输入侧控制目标为消除无功功率纹波,两种控制方法下的输入侧㊁输出侧电流,在不对称故障与功率改变后都能迅速稳定;图11㊀工况2下微分平坦控制(DFC)的仿真结果Fig.11㊀Simulation results of DFC control under working condition285电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图12㊀工况2下输出侧电流谐波分析(0.2~0.3s) Fig.12㊀Output current spectrums of M3C on working condition2(0.2~0.3s)表3㊀工况2下输入侧㊁输出侧电流性能指标分析Table3㊀Analysis of current performance index of input side and output side under working condition2两侧电流性能指标分析时间段/ms0~100100~200200~300300~400输入侧稳定时间/ms(PID)65134200327输入侧稳定时间/ms(DFC)29126200311输入侧THD/%(PID) 1.970.940.48 1.28输入侧THD/%(DFC)0.620.490.290.16输出侧稳定时间/ms(PID)24100214325输出侧稳定时间/ms(DFC)151********输出侧THD/%(PID)0.970.670.89 1.04输出侧THD/%(DFC)0.370.120.270.953)0.2~0.3s内,输入侧和输出侧均出现不对称故障,控制目标均为消除无功功率纹波,PID控制下系统的输出侧电流i abc与输出侧功率P1/Q1在0.214s后稳定,输出侧电流THD值为0.89%;微分平坦控制下系统的输出侧电流i abc与输出侧功率P1/Q1在0.207s后稳定,输出侧电流THD值为0.27%,对比可知微分平坦控制下动态稳定性与快速性更好,谐波污染更低;4)0.3~0.4s内,输入侧㊁输出侧均恢复无故障正常运行状态,由表3可知,微分平坦控制下系统的稳定速度㊁动态性能㊁控制效果均优于传统PID 控制㊂通过对比上述两种运行工况的仿真结果,不难得知无论是在正常运行工况下,或是系统出现单侧㊁双侧不对称故障的工况下,微分平坦控制的效果均优于PID控制㊂4㊀结㊀论本文对电网不平衡下的M3C微分平坦控制进行了深入研究㊂首先,根据双dq坐标变换建立了M3C的输入输出侧解耦模型,提取电压电流的正负序分量,基于微分平坦理论,设计出了输入侧㊁输出侧的微分平坦控制器,最后在MATLAB/Simulink平台上设计了两种不平衡工况,分别模拟了微分平坦控制和传统PID控制的运行效果,验证了本文所提控制策略的先进性㊂且通过理论分析和仿真对比可以得到以下结论:1)双dq坐标变换中所有的受控量均为直流量,控制结构较双αβ更简单,实现容易,同时也具备优良的稳态和动态性能㊂2)与传统的线性PID控制相比,非线性的平坦控制更适用于非线性的M3C系统㊂在平衡电网或电网出现不对称故障时,微分平坦控制下的控制效果均优于PID控制,其动态稳定性与快速性更好,谐波污染更低㊂参考文献:[1]㊀YOU Shutang,ZHAO Jiecheng,YAO Wenxuan,et al.FNET/grideye for future high renewable power grids-applications overview[C]//2018IEEE PES Transmission&Distribution Conferenceand Exhibition-Latin America(T&D-LA),September18-21, 2018,Lima,Peru.2018:1-5.[2]㊀WU Jiahui,WANG Haiyun,WANG Weiqing,et al.Performanceevaluation for sustainability of wind energy project using improved multi-criteria decision-making method[J].Journal of Modern Power Systems and Clean Energy,2019,7(5):1166. 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窄带干扰信号对北斗三号Ｂ２信号质量的影响
第４４卷 第７期系统工程与电子技术Ｖｏｌ．４４ Ｎｏ．７２０２２年７月ＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＪｕｌｙ ２０２２文章编号：１００１ ５０６Ｘ（２０２２）０７ ２２８６ ０７ 网址：ｗｗｗ．ｓｙｓ ｅｌｅ．ｃｏｍ收稿日期：２０２１０６２４；修回日期：２０２１０８１９；网络优先出版日期：２０２１０９２７。
网络优先出版地址：ｈｔｔｐｓ：∥ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２４２２．ＴＮ．２０２１０９２７．２２０４．００４．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金青年基金（６１５０１４３０）；地理信息工程国家重点实验室开放基金（ＳＫＬＧＩＥ２０１７ Ｍ ２ ２）资助课题 通讯作者．引用格式：王鹏博，贺成艳，杨倩倩，等．窄带干扰信号对北斗三号Ｂ２信号质量的影响［Ｊ］．系统工程与电子技术，２０２２，４４（７）：２２８６ ２２９２．犚犲犳犲狉犲狀犮犲犳狅狉犿犪狋：ＷＡＮＧＰＢ，ＨＥＣＹ，ＹＡＮＧＱＱ，ｅｔａｌ．ＩｍｐａｃｔｏｆｎａｒｒｏｗｂａｎｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｎｔｈｅＢＤＳ ３Ｂ２ｓｉｇｎａｌｑｕａｌｉｔｙ［Ｊ］．ＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０２２，４４（７）：２２８６ ２２９２．窄带干扰信号对北斗三号犅２信号质量的影响王鹏博１，２，贺成艳１， ，杨倩倩１，２，佟文华１，３（１．中国科学院国家授时中心，陕西西安７１０６００；２．中国科学院大学微电子学院，北京１０１４０８；３．中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京１０１４０８） 摘 要：北斗三号全球卫星导航系统正式开通，面对空间电磁环境日趋复杂，地面接收信号功率微弱等问题，强干扰下的Ｂ２新信号，对信号质量提出新的挑战及更高的要求。
对此，建立了Ｂ２信号及窄带干扰信号模型，仿真分析窄带干扰信号在不同中频、带宽、干信比条件下对信号功率谱偏差、相关损耗、Ｓ曲线过零点偏差的影响，并用实测信号进行验证。
《信号处理》征稿简则
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碳达峰、碳中和政策框架与技术创新政策研究
*通信作者资助项目：中国科学院学部重大咨询课题（E 1J 1691602）修改稿收到日期：2022年3月14日引用格式：谭显春, 郭雯, 樊杰, 等. 碳达峰、碳中和政策框架与技术创新政策研究. 中国科学院院刊, 2022, 37(4): 435-443.Tan X C, Guo W, Fan J, et al. Policy framework and technology innovation policy of carbon peak and carbon neutrality. Bulletin of Chinese Academyof Sciences, 2022, 37(4): 435-443. (in Chinese)碳达峰、碳中和政策框架与技术创新政策研究谭显春 郭 雯*樊 杰 郭建新 汪明月 曾 桉 苏利阳 孙 翊1 中国科学院科技战略咨询研究院 北京 1001902 中国科学院大学 公共政策与管理学院 北京 100049摘 要 构建有利于碳达峰、碳中和的政策体系对如期实现碳达峰、碳中和目标（以下简称“双碳”目标）至关重要。
文章对“十一五”以来的 168 项低碳领域政策文本进行了梳理分析，摸清了我国低碳政策的总体情况，以及政策的数量、效力、手段等特征，明确了当前低碳政策的缺口所在。
在此基础上，围绕“双碳”目标实现的阶段性特征，绘制了未来我国碳达峰、碳中和政策框架。
最后，重点分析了碳达峰、碳中和背景下社会发展路径从资源依赖向技术驱动转变面临的挑战，提出“十四五”时期推动实施“双碳”目标的总体政策和技术创新政策。
关键词 碳中和，技术创新，政策现状，政策设计，政策框架DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.20220110004气候变化是当前最为突出的全球性环境问题之一 [1]。
面对新冠肺炎疫情、气候变化等重大危机，通过绿色低碳发展来实现经济复苏成为国际社会的普遍共识[2]。
基于SIW圆极化汽车雷达天线的设计
基于SIW圆极化汽车雷达天线的设计马中华;邢海涛;陈彭【摘要】在设计汽车雷达系统天线时,为实现其K波段天线圆极化特性,提出了在基片集成波导顶层开交叉缝隙的结构,并采用金属柱加扰的方法展宽了天线的工作频带.使用三维电磁仿真软件HFSS在罗杰斯介质板Rogers 5880上进行设计优化,得到4个交叉缝隙阵元的圆极化SIW缝隙天线.仿真结果显示:其轴比小于3 dB的带宽为370 MHz,在24.15 GHz频点上天线增益为8.6 dBi,在24.00~24.25 GHz频率范围内,电压驻波比小于1.5.【期刊名称】《集美大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(022)004【总页数】6页(P75-80)【关键词】轴比;圆极化;HFSS;谐振器;基片集成波导【作者】马中华;邢海涛;陈彭【作者单位】集美大学信息工程学院, 福建厦门361021;集美大学信息工程学院, 福建厦门361021;集美大学信息工程学院, 福建厦门361021【正文语种】中文【中图分类】TN828.4为了减小通信系统中收发天线之间的极化损失，使得天线角度变化不会影响接收机的灵敏度，研究人员提出了圆极化天线的概念。
Simmons[1]首先提出在传统矩形金属波导的宽边上开一对交叉缝隙构成圆极化辐射天线，Montisci等[2]提出了在金属矩形波导宽边用互成一定角度的直线缝隙对构成辐射体，形成行波式圆极化天线。
但是传统的金属波导由于结构笨重、成本高、不易集成等缺点，致其在应用中受到极大的限制。
而基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)具有质量轻、易集成、成本低、损耗小、低剖面、易于与电路板共形等优点，在现代通信技术中得到越来越广泛的应用[3-5]。
目前已广泛应用到滤波器、天线、功率分配器等的设计制作中。
基于这些优点，国内学者开发了各种基于SIW圆极化天线及天线阵列[6-8]，如文献[6]采用了互成一定角度的两对直线缝隙对实现了16×16的高增益低副瓣基于SIW的圆极化天线阵列；文献[7]设计了一种基于SIW-CPW 混合结构的馈电网络，实现了在较宽频带内极化特性可调的圆极化缝隙天线；文献[8]提出了基于半模基片集成波导的右旋圆极化缝隙天线，由于采用半圆弧型腔体结构，缩小了天线面积；文献[9-10]提出把直线缝隙结构的SIW天线应用于汽车雷达，但是由于这种直线缝隙结构辐射单元是线极化特性，在接收信号时会产生极化损失，甚至会接收不到回波信号，这将会出现对危险情况的误判。
O-OFDM系统中基于相关性分析的改进PTS算法
O-OFDM系统中基于相关性分析的改进PTS算法季策;马福永【摘要】为了解决光正交频分复用系统的高峰均功率比问题,提出了一种基于相关性分析的部分传输序列算法.该算法通过分析备选信号之间的相关性,将强相关信号和弱相关信号进行分类,对强相关信号进行选择性搜索,对弱相关信号进行全搜索,这样在整体上了减少搜索次数.此外,通过分析备选相位因子序列之间的关系,优化相位因子加权过程.仿真结果表明,在三种分割状态下,均能有效改善系统峰均功率比,尤其在交织分割状态下,该算法与传统部分传输序列算法相比,实现了无峰均功率比性能损失,且计算复杂度得到大幅度降低.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(040)006【总页数】6页(P801-806)【关键词】光正交频分复用系统;峰均功率比;部分传输序列;信号相关性;加权优化【作者】季策;马福永【作者单位】东北大学计算机科学与工程学院,辽宁沈阳 110169;东北大学计算机科学与工程学院,辽宁沈阳 110169【正文语种】中文【中图分类】TN919.3随着人们对高速率、远距离、大容量通信技术的需求不断提升,光纤通信迅速发展起来,成为近几年通信领域研究的热点.但光纤的色散问题限制了其性能的进一步提高.而将正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)技术引入光纤通信中,可有效削弱偏振色散及色度色散等[1-2].另外OFDM技术在频谱利用率、高速数据传输中优势明显.可以结合光纤通信与OFDM技术各自的优势,构建更加完善的光纤传输系统.但是,将OFDM技术引入光纤通信就不得不考虑OFDM技术本身峰均功率比(peak-to-average power ratio, PAPR)过高的问题,再加上光放大器、调制器的非线性特性,过高的PAPR导致信号通过功率放大器时产生非线性失真,从而影响接收端的误码率性能.为了有效解决高PAPR问题,目前已经提出了许多降低PAPR的方法.主要分为两大类:一是非畸变类,如选择映射法(selected mapping, SLM)[3-4]和部分传输序列法(partial transmit sequence, PTS)[5-10]等方法；二是预畸变类,如限幅法(clipping)[11]、加窗峰值抵消法等.非畸变类技术不会引入信号失真或者额外噪声,但这类方法的计算复杂度一般较高.本文研究的重点是非畸变类中PTS算法.本文提出了基于相关性分析的改进PTS(correlation analysis PTS, CA-PTS)算法.其基本思想是首先通过相关性理论分析,优化备选相位因子序列,以减少备选信号的搜索数目；另一方面优化相位因子加权过程,减少传统PTS算法在相位因子加权过程中的计算冗余.本文从这两方面入手大大降低了计算的复杂度.仿真结果表明,在交织分割方式下,与传统PTS算法相比,本文提出的CA-PTS算法在不损失PAPR性能和保证误码率的情况下,计算复杂度大幅度降低.1 O-OFDM系统的峰均功率比问题在O-OFDM系统中,输入数据X=[X0,X1,…,XN-1],其中Xn(0≤n≤N-1)表示第n个子载波上传输的数据，N为子载波数量,X经过IFFT变换可得其时域信号x=[x1,x2,…,xN-1],其第k个信号可表示为(1)峰均功率比PAPR定义为0≤k≤N-1.(2)其中E{*}表示信号的平均功率值.一般用互补累积分布函数(complementary cumulative distribution function, CCDF)来描述峰均功率比的分布情况.它表示信号的峰均功率比超过某一门限z的概率,即CCDF=P(PAPR>z)=1-(1-e-z)LN.(3)其中L表示过采样数.2 部分传输序列法传统PTS算法的基本原理如图1所示.将OFDM信号分为V个互不重叠的子向量可表示为(4)其中1≤v≤V.第u个备选信号可以表示为(5)在U路备选信号中选择PAPR最小的进行传输：(6)其中σ2为平均功率.图1 传统PTS算法原理框图Fig.1 Block diagram of the traditional PTSalgorithm3 改进PTS算法3.1 优化搜索过程传统的PTS算法进行的是遍历式全搜索,其PAPR性能较为理想,但计算复杂度高,效率低.由于许多备选信号之间存在高度的相关性,从而造成计算过程中冗余过多,这为本文的研究提供了方向.在PTS算法中,当子载波N足够大时,根据中心极限定理可得,OFDM信号中每个数据点均服从复高斯分布N(0,σ2),每个子块xv中的数据点均服从复高斯分布同时刻任意两路备选信号xu1,k和xu2,k的相关系数表示如下:(7)其中,Cov(xu1,k,xu2,k)=E[xu1,k(xu2,k)*]-E(xu1,k)E*(xu2,k).由于每个数据点均服从复高斯分布N(0,σ2),可进一步得到(8)由于子载波间的正交性,可将属于不同子块的子载波分为V组,记为φv,1≤v≤V.根据式(5)可以得到xu,k=IDFT⎣1≤u≤U,0≤k<N,n∈φv.(9)故利用式(9)可得(10)由于E[Xn(Xm)*]=σ2δnm,(11)令将式(11)代入式(10)可得(12)将式(12)代入式(8)可得(13)从式(13)可以看出,相位因子直接决定了备选信号之间的相关性,每组备选信号的相位因子数等于OFDM信号的分组数V.当时,当时,假定两路备选信号中使用不同相位因子的子块数为D,则可进一步得到(14)由于取值的不确定性,无法得到|ρ|的具体值,但D的取值却会改变|ρ|的下限,D越大,|ρ|的下限越小.为了保证|ρ|足够大,当D=1,V≥4时,|ρ|≥0.5,保证了两路备选信号的强相关性.由以上分析,本文定义D=1时信号之间具有强相关性,D≠1时信号之间具有弱相关性,并以此为基础对所有备选信号进行分组.首先将相位因子序列中汉明距离为1的分为一组,可以分为WV-2组,这样得到的每组备选信号均具有强相关性,且每组中均存在一个基本信号,因此得到WV-2个基本信号.以下搜索过程仅对这WV-2个基本信号进行搜索,从而减少了计算的冗余.传统的PTS算法中,令子块x1的相位因子为1,再遍历式搜索产生WV-1个备选信号.本文提出的算法只对定义中的基本信号进行搜索,这样还需要确定出子块xi的相位因子,固定子块x1和xi的相位因子,再进行遍历式搜索，产生WV-2个备选信号. 考虑到每组信号中信号之间的相关性很强,不能保证信号之间完全独立,从而影响到PAPR性能.为了解决这个问题,本文在确定子块xi相位因子时,进行了最优选择.该最优选择过程如下:首先令所有子块xi(1≤i≤V)的相位因子全部为1,获得起始信号.通过改变起始信号中子块xi(2≤i≤V)的相位因子,得到不同的备选信号,这样每对一个子块操作便可得到一组备选信号,一共可以得到V-1组备选信号,计算出每组备选信号PAPR的方差,选出其中方差最小的一组,然后再在该组中选出PAPR最小的备选信号,若该备选信号为起始信号,则该组中相位因子变化的子块即为所要寻找的子块xi;若该备选信号不为起始信号,则其与起始信号的相位因子不同的子块,便是所要寻找的子块xi,其子块xi处的相位因子,便是固定子块xi所用的相位因子,这里将这个过程称为定点.定点过程最大限度避免了由于减少搜索备选信号个数而造成的PAPR性能损失. 以V=4,W=4为例,分别改变起始信号子块x2,x3,x4处的相位因子b2,b3,b4可得到三组备选信号相位因子序列.如图2a～2c所示.图3给出了定点之后的搜索过程,该过程对WV-2个备选信号进行搜索并选出PAPR最小的进行传输.3.2 相位加权优化过程该过程是以3.1节的分组原则为基础,对组内相位因子加权进行的优化.则组内任意两备选相位因子序列bu与bu+1中有V-1个相位因子是相同的,从而得到两路备选信号xu和xu+1之间的关系.(15)(16)比较两式得到(17)由此可知利用式(17)便可快速地从第u路备选信号得到第(u+1)路备选信号.图2 确定定点所需的相位因子序列Fig.2 Determination of the sequence of phase factors required for a fixed point(a)—改变第二子块相位； (b)—改变第三子块相位； (c)—改变第四子块相位.图3 定点确定后进行的搜索过程Fig.3 Searching process after the fixed point determination为了保证加权优化过程的有序性,在定点过程之前,是以起始信号的相位因子序列为基础,获得不同备选信号的相位因子序列.在定点过程之后,以3.1节的分组原则为依据,重新得到WV-3组,以组为单位,只进行组内优化,通过每组的基本信号的相位因子序列获得各组递推信号的相位因子序列.上述权值优化过程只是改变了生成备选信号的方式,最终生成的备选信号并未发生改变,因此并未影响到CCDF中的任何变量,从而不会对最终的PAPR性能产生影响. 综上,搜索算法可以分以下几个步骤:步骤1 设置子块数V及相位因子数W;步骤2 根据信号之间的相关性进行分组,将所有相位因子序列中汉明距离为1的分为一组,共分为WV-2组;步骤3 每组包含W个相位因子序列,存在1个基本信号相位因子序列,因此可递推得到其余(W-1)个备选信号相位因子序列;步骤4 改变起始信号子块xi(2≤i≤V)的相位因子,每改变一个子块的相位因子时,其余子块的相位因子全部设为1,通过将该子块乘以W-1个相位因子,可以获得一组数目为W的备选信号,共V-1组；步骤5 分别计算每组序列PAPR的方差,并选出其中方差最小的一组;步骤6 固定子块xi的相位因子bi;步骤7 固定相位因子b11和bik,计算所有基本信号相位因子序列的PAPR,选择PAPR最小的备选信号进行传输.4 计算复杂度分析本文将计算复杂度分为两部分来分析,第一部分是固定子块xi相位因子过程中所产生的计算复杂度,第二部分是确定了子块x1和xi的相位因子后进行遍历搜索过程中产生的计算复杂度.表1是本文提出的算法与传统PTS算法的计算量对比.表1 两种PTS方案的计算量对比Table 1 Calculation burden comparison of two PTS schemes算法计算量(上、中、下分别为复数加法、复数乘法、比较计算量)PTS算法WV-1LN(V-1),WV-1LN(V-1),WV-1LN-1CA-PTS算法[-V2+W+3V-3+(W+V-2)WV-3]×LN+(V-1)(3W-2),[-V2+W+3V-3+(W+V-2)WV-3]×LN+(V-1)(3W-2),(WV-2+W-1)LN+V-2利用计算复杂度降低率(computational complexity reduction ratio,CCRR)比较各算法降低情况：(18)表2中给出了当W=2及W=4时,CA-PTS算法相对于传统PTS算法的CCRR,选择的参数分别为L=4,N=1 024,V=4.可以看到CA-PTS算法与传统PTS算法相比其计算复杂度得到了大幅度降低.表2 CA-PTS算法相对于传统PTS算法的CCRRTable 2 CCRR of CA-PTS algorithm compared with traditional PTS algorithm %相位因子复数加法复数乘法比较运算W=287.4987.4937.49W=489.0689.0670.315 算法仿真为了验证本文提出算法的可行性,在MATLAB环境下进行了仿真.参数设置如下:QPSK调制,子载波数N=1 024,过采样数L=4,子块数V=4,相位因子数W=4. 图4给出了在三种分割方式下,原始的OFDM信号、传统PTS和CA-PTS算法的CCDF仿真曲线.从图中可以看出,在交织分割情况下,CA-PTS算法相比于传统PTS 算法无PAPR性能损失,而在邻接分割和随机分割的情况下均有少量性能损失,损失范围均在0.7 dB 内.图4 三种算法在三种分割方式下的CCDF仿真曲线Fig.4 CCDF curves of three algorithms under different segmentation methods图5给出了在交织分割状态下,传统PTS算法及CA-PTS算法在V=4,相位因子W=2和W=4下的CCDF仿真曲线.可以看出CA-PTS算法相对于传统PTS算法没有性能损失.图6给出了原始OFDM信号、传统PTS算法和CA-PTS算法的误码率分布曲线,可以看出本文提出的算法对误码率基本没有影响,这也说明了本文算法的可行性. 图5 三种算法的CCDF仿真曲线Fig.5 CCDF curves of three algorithms图6 三种算法的误码率曲线Fig.6 BER curves of three algorithms6 结论本文主要针对O-OFDM系统中PAPR过高的问题,提出改进的PTS算法,该算法考虑到信号之间的相关性,所以对三种分割方式均作了仿真分析.结果表明,与传统PTS 算法相比,在交织分割情况下,本文的搜索算法实现了无PAPR性能损失,在随机分割与邻接分割情况下,有少量性能损失.相对于传统PTS算法其计算复杂度均有大幅度降低.本文提出的算法在交织分割情况下无PAPR性能损失,且计算复杂度得到了大幅度降低,因此本文算法具有一定的研究价值.参考文献：【相关文献】[1] Chicharro F I,Ortega B,De Diego M,et al.OOFDM transmission using a single optical broadband source[J].IEEE Photonics Technology Letters,2017,29(7):563-566.[2] 童峥嵘,刘颖慧,曹晔.100Gb/s高速PDM-CO-OFDM系统峰值平均功率比抑制性能研究[J].光学学报,2015,35(1):63-68.(Tong Zheng-rong,Liu Ying-hui,Cao Ye.Research on peak-to-average power ratio reduction performance for 100Gb/s high-speed PDM-CO-OFDM systems[J].Acta Optica Sinica,2015,35(1):63-68.)[3] Woo J Y,Joo H S,Kim K H,et al.PAPR analysis of class-III SLM scheme based on variance of correlation of alternative OFDM signal sequences[J].IEEE CommunicationLetters,2015,19(6):989-992.[4] Xiao Y Q,Wang Z Y,Cao J,et al.Time-frequency domain encryption with SLM scheme for physical-layer security in an OFDM-PON system[J].IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,2018,10(1):46-51.[5] Chen H S,Chung K C.A low 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onBroadcasting,2011,57(2):284-290.[11]Anoh K,Tanriover C,Adebisi B,et al.A new approach to iterative clipping and filtering PAPR reduction scheme for OFDM systems[J]. IEEE Access,2018,6(99):17533-17544.。
第十九届全国信号处理学术年会(CCSP-2019)征文通知
第十九届全国信号处理学术年会(CCSP-2019)征文通知
中国电子学会信号处理分会;中国仪器仪表学会信号处理分会
【期刊名称】《信号处理》
【年(卷),期】2018(34)11
【摘要】中国电子学会信号处理分会、中国仪器仪表学会信号处理分会自1981年成立以来,已成功召开了十八届全国信号处理学术会议、八届全国信号处理学组联合学术会议和十四届国际信号处理学术会议。
为进一步研讨信号处理在国民经济和众多科技领域中的应用、交流学术成果及跟踪世界高新科技最新动态,中国电子学会信号处理分会、中国仪器仪表学会信号处理分会拟定于2019年4月20~21日在安徽省合肥市召开第十九届全国信号处理学术年会(CCSP-2019)。
本次学术年会将与中国电子学会主办的第十四届中国电子信息技术年会同期召开。
【总页数】1页(P1393-1393)
【关键词】信号处理;学术年会;征文通知;中国电子学会;学术会议;电子信息技术;仪器仪表;科技领域
【作者】中国电子学会信号处理分会;中国仪器仪表学会信号处理分会
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.7
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Ｆ ．分形 及混 沌信 号处 理 Ｇ．形 态学 信号 处理
Ｈ．信号 处理 中的 Ｖ Ｌ Ｓ Ｉ
Ｏ．多 媒体 与人 机交 互
Ｐ ．模 式识 别 与统计 学 习 Ｑ ．人工智 能 及神 经 网络
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ｚ ．应用 及其 他实用 软 件
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加快审稿速度 ， 请推荐相关领域审稿专家 （ １ — ３ ） 人 。会议采用网上投稿， 网站地址 ｗ ｗ ｗ ． ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ． ｏ ｒ ｇ ． ｃ ｎ ， 稿 件要求详见《 信号处理》 投稿指南。请作者 自留底稿 ， 文责 自负 。
中 国仪 器仪表 学会 信 ’ 号 处理 分会 ～‘
会议。
本届学术年会录用的论文将全部在《 信号处理》 学报正刊上发表 （ 分期刊出） 。会议期间将评选优秀论 文， 一 等奖 ３名 ， 奖金各 人 民币 １ ０ ０ ０元 ； 二 等 奖 ５名 ， 奖金 各 人 民币 ８ ０ ０元 ； 三 等 奖 ８名 ， 奖金 各 人 民币 ５ ０ ０
元， 并 颁发 优秀 论文 荣誉证 书 ， 以 资鼓励 。
中国电子 学会信 号处 理分 会 、 中 国仪 器仪 表学 会信 号处 理分 会 自 １ ９ ７ ９年筹 备 组织 ， １ ９ ８ １年 正式 批 准 成 立至 今 ， 经 历 了三 十余 年的成 长 和发展历 程 ， 已成 功地 召 开 了 十一届 国际 信号 处 理学 术 会议 、 十 五届 全 国信 号处 理学 术会 议 和八 届 全 国信号 处理 学组 联合学 术 会议 。广 泛 受 到 国 内外科 技 界 和学 术 界 的关 注 和 赞誉 。 为 推动 我 国信 号处 理学 科 的发展 ， 成 果 的推广 应用 和科技 人 才培养 都做 出了重要 贡献 。 为 进一 步研讨 信号 处 理在 国 民经 济 和众多 科技 领域 中的 工程 应用 、 交 流 学术 成 果 及 跟踪 世 界 高科 技 最
二、 征 文 要 求
Ｒ．通 信 中的 Ｄ Ｓ Ｐ
征文截止时间为 ２ ０ １ ３年 ４ 月３ ０日。来稿必须是未曾在国内外公开发表过的文章 ， 不得涉及 国家机密。
在作 者信息 附件 中明显位 置请 标注 “ 年会 ” 字样 ， 并 注 明所投 专题 。正文篇 幅 控制在 ７ ０ ０ ０字 以 内 （ 含 图表 ） 。 内容力 求 有创新 ， 论 证严 谨 ， 语 句通 顺 ， 文 字 精 炼 。本 次 会 议 审 稿 流程 与正 刊一 致 。文 章 全 部 采 用 盲 评 ， 为
第２ ９卷
第 ４期
信 号 处 理
Ｊ Ｏ ＵＲＮＡ Ｌ ＯＦ Ｓ Ｉ Ｇ ＮＡＬ Ｐ ＲＯＣ Ｅ Ｓ Ｓ Ｉ ＮＧ
ＶＯ １ ． ２ ９ ＮＯ． ４ Ａｐ ｒ ．２ ０第 十 六届 全 国信 号 处 理 学 术 年 会 及产 业 发 展 大 会 （ Ｃ Ｃ Ｓ Ｐ － ２ ０ １ ３ ） 征 文 通 知
新动态 ， 中国电子学会信号处理分会 、 中国仪器仪表学会信号处理分会拟定于 ２ ０ １ ３年第三季度在哈尔滨市 举办第十六届全国信号处理学术年会 （ Ｃ Ｃ Ｓ Ｐ 一 ２ ０ １ ３ ） 。在本届大会上将邀请 多名信号处理著名学者和高端 科 技 产 品开发 人做 大 会 报 告 （ 报告人 确定后 ， 即 在 学 报 网站 及 本 刊 上 公 布 ） 。欢迎 大 家 踊 跃 投 稿 和 参 加
一
、
征 文 内容 （ 分２ ６个专题 ）
Ａ ．数字信 号处 理基 础理 论 Ｂ ．谱估 计 及建模 Ｃ ．时频谱 分析 及子 波 Ｄ ．阵列 信号 处理
Ｅ ．盲信号 处理 及 自适应
Ｊ ．语音 合成 、 识 别及 对话 Ｋ ．图像 处理 及理 解
Ｌ ．Ｐ Ｄ Ｅ在 图像 处理 的应 用
Ｓ ．Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ 与无线 通信 的 Ｓ Ｐ Ｔ ．水声 信 号处 理 ｕ ．生 物特 征及 论证 的 Ｓ Ｐ
Ｍ．计 算机 视觉 与 Ｖ Ｒ
Ｎ．视 频压 缩 与流媒 体
Ｖ．生物信 息学 与认 知科 学 的 ｓ Ｐ ｗ．雷达 信 号处理
ｘ ．传感 器 网络 中的 Ｓ Ｐ