Abstract:

伴随传统电力系统向新型电力系统转型升级，电源结构和负荷形态发生重大变化，“源荷”双侧随机性、波动性显著提高。叠加近年来极端天气因素影响，需求侧季节性负荷峰谷差加大，电力供应保障面临极大挑战，须进一步释放负荷资源参与电网调控。而当前负荷资源特性分析不够精细、负荷资源能力预测不够精准、多应用场景需求的大规模负荷资源调控不够高效、负荷管理体系不健全等因素制约了负荷资源灵活调控作用的发挥。

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在双碳目标的背景下，虚拟电厂、微电网等形式的产消者大规模涌现。多产消者之间的能量共享能够提升整体的经济效益与新能源消纳水平。在计及各产消者数据隐私的基础上，文中提出弱中心化模式下的多产消者能量共享协同运行机制。首先，构建含多种分布式资源的产消者内部调度模型，并考虑负荷需求以及新能源出力的波动性与随机性，基于条件风险价值(conditional value at risk,CVaR)量化不确定性带来的风险。然后，提出多产消者弱中心化电价迭代机制，利用供需关系引导电价更新。同时考虑到产消者隐私保护，基于Paillier同态加密算法和秘密共享原理设计电量数据聚合方法。该方法能够在各方主体隐私得到保护的前提下获取系统的供需信息。最后，通过算例验证了文中所提机制的有效性与合理性，且经过能量共享后多产消者整体成本降低12.6%。

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位于配电网薄弱区域的农村常常存在供能可靠性不足的问题，导致接入大规模光伏的多能互补系统难以在此类地区广泛开展。储能系统作为新型能源系统融合的纽带，能够有效提升此类地区的供能可靠性。为此，文中提出一种面向薄弱配电网的农村多能互补系统(rural multi-energy complementary system,RMES)储能协同优化配置策略。首先，明确包含生物质废弃物能源转化系统的RMES架构。然后，以系统缺供损失成本作为评判依据，提出一种储能配置评价准则。最后，建立计及储能全生命周期成本的RMES多元储能协同优化配置模型。针对该模型的特性，将其解耦转化为包含规划-运行两阶段的双层优化模型，并采用粒子群算法和Gurobi求解器相结合的混合策略进行求解。算例分析表明，所提储能配置评价准则有效激发了RMES配置储能的积极性。此外，构建的多元储能协同配置模型使得RMES表现出更好的经济效益和环境效益，并且在提升系统运行可靠性方面具有优越性。

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抽水蓄能电站是当前发展最为成熟、配置容量最大的储能设施，但其功率变化速率较慢，调节灵活性较为匮乏。电化学储能是当前发展最快的储能形式，具备灵活的功率调节能力。文中的目的在于构建光-蓄-储混合储能系统，通过不同储能设施的特性互补，大幅提升抽水蓄能电站的运行灵活性。文中基于抽水蓄能的功率振荡区间描述机组的功率调节能力，并根据单台机组的功率调节能力以及多台机组的组合方式定义抽水蓄能的灵活性。考虑灵活性约束以及提升机组运行寿命的需求，建立光-蓄-储混合储能系统的容量规划模型。以山东某抽水蓄能站为例，进行实例分析。结果表明，配置额定功率等于抽水蓄能容量10%的电化学储能系统可以提升40%的蓄-储系统灵活性，减少14%的机组发电启动次数。但在当前的两部制电价下，峰谷电价差需要超过0.5元/(kW·h)时电化学储能系统才具备盈利空间。

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为提升分布式电源规模化接入配电网的有序管控和灵活调节能力，合理地对分布式电源进行集群划分并以集群为基本单元进行调控是当下有效的管理手段。为此，文中提出考虑灵活性资源可调容量和响应速度的分布式电源集群划分方法。首先，提出能够表征集群结构性和功率平衡能力的模块度指标和有功平衡度指标。其次，在对集群灵活性响应能力进行分析的基础上，针对灵活性资源可响应容量和响应速度对调节能力的影响难以量化的问题，提出以集群出力响应曲线与净负荷曲线之间的偏差累积面积作为集群灵活性响应能力指标，并考虑了储能容量分配对集群划分的影响。然后，提出综合考虑模块度指标、有功平衡度指标、集群灵活性响应能力指标以及储能单元分配指标的集群划分目标函数，并利用改进自适应遗传算法进行求解。最后，在改进的IEEE 33和IEEE 69节点系统中对文中所提方法进行验证。结果表明，基于所提综合性能指标的集群划分方法能在保证集群结构性强度的基础上，将集群灵活性响应能力提升20%以上，验证了文中所提集群划分方法的有效性和优越性。

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针对区域综合能源系统(regional integrated energy system,RIES)源荷主体互动少、碳排放强度高、风光消纳能力低以及整体运行效益差等问题，文中提出计及电-气-热价格需求响应的RIES经济低碳运行优化方法。利用电能、天然气、热能共有的商品属性以及多元柔性负荷的可调度价值，建立电-气-热价格需求响应模型，有效增强了价格信号对负荷参与需求响应的激励效应；为充分挖掘系统的低碳潜力，引入阶梯型碳交易，完善实际碳排放模型；以系统运行成本最小为优化目标，研究不同运行方式对系统经济性和低碳性的影响。案例分析结果表明，所构建的运行优化模型采用价格需求响应和阶梯型碳交易协同优化方式，在实现负荷削峰填谷的同时可以兼顾系统运行的经济低碳性与风光消纳能力。

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虚拟电厂(virtual power plant，VPP)可以将各类资源聚合成一个整体参与电力市场和碳交易市场。随着VPP的规模不断扩大，其也将由原来的价格接受者转变为价格制定者。为此,文中将VPP作为价格的制定者，提出了一种考虑碳交易影响的VPP日前电力市场双层竞价策略。首先，对考虑碳交易的日前电力市场机制进行介绍和分析。其次，基于Stackelberg博弈原理建立以VPP为竞价主体的日前电力市场双层竞价模型，上层模型以VPP预期收益最大化为目标，下层模型以系统出清成本最小化为目标。针对VPP中风电场出力预测的不确定性，基于信息间隙决策理论(information gap decision theory,IGDT)给VPP运营商提供风险规避和机会寻求2种投标策略。然后，利用强对偶理论、Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最优性条件以及大M法，将双层模型简化为一个混合整数线性规划问题进行求解。最后，通过算例给出VPP的最优竞价策略以及运行计划，并分析VPP中风电场出力预测的不确定性对VPP预期收益的影响。算例表明，VPP可以通过策略性的投标决策影响市场价格，考虑碳交易后，VPP的预期收益较无碳交易时增加了5.1%。

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在未来新型电力系统中，虚拟电厂(virtual power plant，VPP)内部多主体的可信交易和信息安全将更加复杂和具有挑战性。而区块链技术的信息安全、分布决策、智能合约及防篡改等特征，为VPP多元主体可信交易提供新思路。文中聚焦VPP内部多聚合商形成的利益最大化及可信交易匹配效率问题，首先，依据交易主体需求差异，建立区块链技术与多智能体系统融合的一主多从分层互动控制架构；其次，设计一种面向多聚合商对等交易需求下的可信交易匹配机制，引入非合作博弈模型，保证了多聚合商主体的利益；然后，基于区块链的分布式粒子群优化算法提出了改进的委托权威证明机制(delegated proof-of-authority，DPoA)共识算法，提高交易的安全性；最后，通过算例分析验证文中所提策略的合理性和可行性，该策略能有效增强多主体交易的匹配效率和安全性。

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风电接入从发电侧降低了电力系统碳排放，而引入需求响应消纳弃风为负荷侧降碳提供了新思路。文中综合考虑风电和需求响应，基于电力系统碳排放流理论提出日前、日内两阶段电网低碳优化调度方法。首先，分析电力系统碳排放流理论，建立负荷侧的节点碳势模型；其次，将柔性负荷分为可转移负荷和可削减负荷，基于负荷节点碳势模型设计调用这两类负荷降碳的响应机制；然后，建立考虑低碳性和经济性的源荷协调日前优化调度模型，基于模型预测控制求解日前优化调度模型，并通过反馈校正调整日内调度结果。最后，分别通过改进PJM-5节点和IEEE 300系统进行仿真验证，证明了文中所提优化调度方法能有效促进柔性负荷消纳风电，减少弃风，同时实现负荷侧降碳。

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永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有高效率、高功率密度与高可靠性等优势，已在工业界得到广泛应用。文中针对PMSM驱动系统，提出基于拓展控制集的有限控制集无模型预测电流控制(finite-control-set model-free predictive current control，FCS-MFPCC)。首先，分析PMSM系统的数学模型并详述有限控制集模型预测电流控制(finite-control-set model predictive current control，FCS-MPCC)的原理。其次，介绍基于线性扩张状态观测器(linear extended state observer，LESO)的传统FCS-MFPCC。针对传统FCS-MFPCC稳态性能不足的问题，采用基于离散空间矢量调制(discrete space vector modulation，DSVM)的控制集拓展方案，将控制集的电压矢量数目拓展至25。然后，为解决拓展控制集带来的高计算量问题，提出一种快速寻优策略，阐述该策略的实施原理与流程。最后，基于一台500 W PMSM实验平台，对比传统FCS-MFPCC与所提FCS-MFPCC的控制性能，验证所提算法的有效性与优越性。实验结果表明，所提算法能够有效提升系统稳态性能，且定子绕组电流总谐波畸变率由10.07%降低至6.48%。

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随着新型电力系统的发展，利用智能终端处理愈发复杂的配电网保护控制任务时，对资源供给与需求的平衡要求越来越高。因此，文中提出一种考虑资源弹性配置的配电网保护控制终端(protect and control intelligent terminal，PCIT)协同任务优化分配方法。首先，阐述多终端协同的技术架构，并建立基于容器的PCIT的弹性资源模型、任务处理模型。其次，提出双层模型用于优化保护控制任务在终端间的协同分配、资源的弹性调度，并利用隐枚举法对该模型进行求解，从而充分发挥任务处理时资源的灵活性，提升任务处理性能。最后，算例验证了文中所提方法的可行性与先进性，各智能终端计算资源的占用率降低约28.85%，任务平均处理延时减少约4.12%。

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“双碳”目标下，工业园区作为工业系统最重要、最广泛的载体，其低碳转型势在必行。在此背景下，文中建立一种考虑高耗能企业车间柔性排程的低碳工业园区双层优化调度模型。模型充分挖掘高耗能企业的灵活调节能力，通过灵活调整高耗能企业的生产方案获取园区的最优低碳调度计划，实现工业园区和高耗能企业的协调运行。首先，工业园区作为上层计及碳交易和绿证交易成本，以总运行成本最小为目标建立优化调度模型。然后，下层针对园区中的高耗能企业流水车间柔性排程问题，以最小化最大加工时间和生产成本为目标进行优化。园区运行层将由企业排程节约的部分成本作为补贴，上下层不断协调调度方案从而达到最优目标。最后，通过算例验证了文中所提出模型的可行性和有效性。结果表明所提方法在降低企业的生产成本、提升生产效率的同时，可有效促进园区负荷削峰填谷，实现工业园区的低碳经济运行。

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随着电力系统中可再生能源比重逐渐增加，电力系统频率波动的风险增大。飞轮和锂电池可以优势互补，作为混合储能应用于电网一次调频中，有效解决系统频率波动问题。为了充分发挥飞轮和锂电池各自的调频优势，提出基于自适应荷电状态(state of charge,SOC)的电池-飞轮混合储能一次调频控制策略。首先，建立含正、负虚拟惯性控制和虚拟下垂控制的权重分配一次调频模型；然后，利用飞轮和锂电池SOC对一次调频模型参数进行修正，提高混合储能在SOC阈值附近的一次调频能力；最后，仿真对比各调频场景下文中控制策略与其他控制策略的调频能力及SOC恢复效果。研究结果表明，文中控制策略下储能系统SOC波动范围最小，电池不会发生过充过放，且系统频率波动不超过±0.2 Hz，可以提高电网频率稳定性。

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随着大规模风电接入电网，电力系统的惯性和抗扰能力逐渐下降，系统的频率稳定问题愈发严峻。为此，文中提出一种基于转子动能的风电场自适应频率主动支撑控制策略。首先，提出一种参与因子，根据风电场的平均转子转速确定风电场参与频率支撑的程度，自适应调整风电场惯性响应参数和频率下垂控制参数。在此基础上，基于风电机组的实时可用转子动能，对风电场的调频功率进行动态分配，风电机组则通过释放转子动能参与频率支撑，其可以充分发挥转子动能较多的机组的频率支撑能力，并避免转速低的风电机组过度参与调频。在频率支撑结束后，采用分阶段的转子转速恢复方法恢复机组转速。仿真结果表明，所提控制策略可以根据风电场的运行状态和风电机组可用转子动能自适应调整有功输出功率，不仅可以实现系统频率的有效支撑，还可以避免频率的二次跌落。

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发展海上风电是实现 “双碳”目标的重要举措。直流海缆是海上风电输电工程的重要装置，而海缆稳态载流量等研究对推动远海风电大规模开发具有重要意义。近年来高压直流海缆稳态载流量的相关研究考虑海洋环境因素较为单一且未充分考虑绝缘层温差的限制。文中建立了500 kV直流海缆与海水系统的电-热-流耦合模型，研究了单根和双极海缆在不同敷设方式下垂直洋流(垂直于海缆长度方向流动的洋流)流速，考虑绝缘层温差限制、双极不同间距等对载流量的影响。结果表明，相较于仅考虑线芯温度70 ℃限制，综合考虑绝缘层温差20 ℃限制的载流量更小，且相较于其他敷设方式，直埋敷设时绝缘层温差20 ℃限制对载流量的影响更小；双极海缆的载流量随双极间距增大而增加，流速为0.1 m/s时涡旋对海缆载流量有较小的提升作用；在绝缘层温差为6 ℃附近，电场发生翻转。研究结果可为敷设方式的选择以及载流量的预测和评估提供重要指导和参考。

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直流充电桩充电速度快、效率高的优点使得电动汽车负载可以频繁投切，但其作为直流系统具有惯性小、阻尼弱的特点。为降低电动汽车负载投切对直流侧电压扰动的影响，文中提出一种基于改进虚拟惯性(virtual inertia，VI)控制的直流充电桩控制方法。首先，类比虚拟同步机(virtual synchronous machine，VSM)技术推出VI控制，赋予直流系统一定的惯性与阻尼支撑。其次，采用指令滤波反推积分滑模(command filter backstepping integral sliding mode，CFBISM)控制对VI控制进行改进，即采用积分滑模(integral sliding mode，ISM)控制优化VI控制，增强系统的鲁棒性，并采用指令滤波反推控制对其中关键参数进行重构，避免控制器出现计算膨胀现象，同时对电流内环采用改进ISM控制从而进一步提升控制效果。然后，通过Lyapunov稳定性判据证明所提控制方法的稳定性。最后，通过仿真对比验证了文中所提控制方法可将直流侧电压波动限制在2 V以内，动态响应速度提高约0.1 s，关键参数在稳态时的扰动限制在1 V左右，从而验证了其响应速度快、鲁棒性好的特性。

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锂离子电池被广泛应用于化学储能系统，然而由于该电池固有的产热特性，热失控成为了化学储能电站的一大安全隐患。因此优化设计电池热管理系统，有效避免热失控现象，对化学储能系统安全运行至关重要。文中设计了一种兼具串联折返与并联分支结构的新型并联蛇形流道液冷板，通过仿真实验，研究液冷板流道结构、液冷系统布置、冷却液入口流速对最高温度、温度分布均匀性、进出口压降的影响,以达到优化液冷系统的目的。结果表明，相同冷却液入口流速下，与传统并联流道相比，新型流道的最高温度降低0.284 9 K、模组组内温差降低0.466 3 K，与传统蛇形流道相比，其进出口压降减小40.18%；基于并联蛇形流道液冷板，液冷系统的最佳布置方案为冷却液二分口注入+液冷板交错布置；不同液冷板流速差异化设置，即两侧液冷板入口流速设定为0.1 m/s,居中液冷板入口流速设定为0.2 m/s，较四板保持相同流速为0.2 m/s的方案，电池模组组内温差降低13.62%，列间温差降低82.59%，能耗降低44.87%，达到“降本增效”的优化效果。合理的流道结构、交错的液冷板布置以及差异化的入口流速设计可以优化电池模组的液冷系统，增加电池模组运行的安全性。

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在电动汽车持有量快速增长的背景下，电动汽车充电站的建设需求日益强烈。为了提高充电站运行经济性，文中提出接入共享储能的电动汽车充电站优化调度方法。首先，分析分布式储能和共享储能的运行模式，以充电站年投资成本和年运行成本最低为上层目标函数，以典型日运行成本最小为下层目标函数，构建考虑储能不同运行模式的电动汽车充电站双层优化调度模型。其次，对3个具有差异性的电动汽车充电站进行仿真，并将多个场景下的不同储能运行模式进行对比。然后，在此基础上，针对共享储能服务费以及电动汽车放电损耗进行灵敏度分析。最后，算例表明，共享储能的接入对降低电动汽车充电站规划和运行成本具有积极作用，合理的储能服务费定价和电动汽车放电损耗成本能减少充电站运行成本。

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避雷线(overhead ground wire,OGW)是防止输电导线遭受雷击的重要设备。当OGW遭受雷击时，弧根的滑行运动会导致不一样的损伤机理，因此有必要对弧根的滑行运动进行分析，从而为损伤机理的研究和避雷线的选型设计提供滑行位移的数据支持。首先，文中基于链式建模方法建立了弧根沿着OGW的滑行运动模型，并通过分析电磁力的主要影响范围，缩小了建模的空间边界，从而大幅度减少了计算量；然后，通过实验室内的针-线放电实验对模型进行了验证；最后，基于所建立的模型，对弧根滑行位移的影响因素，包括热浮力、回击电流和持续电流，进行了分析。结果表明，在回击电流的作用下，热浮力的影响可以忽略。弧根的滑行位移与波尾时间成正相关，而与波头时间无关。在持续电流的作用下，热浮力会影响弧根滑行位移的评估结果，最大误差超过了25%。

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强对流天气下输电线路易发生雷击、风偏、雨闪等故障，威胁电网安全运行。为了克服现有短临预报尚不能完全满足输电线路风险预警对精细化气象预报的需求问题，文中利用气象雷达拼图、风速和降雨量同化数据以及电网雷电定位数据，构建了基于深度学习的强对流风雨雷短临预报模型，用于开展输电线路风险预警。首先，将气象雷达拼图及其时序外推数据作为输入，将同化后的风速、降雨和落雷密度、雷电流强度作为输出，构建基于长短期记忆(long short-term memory,LSTM)网络的强对流气象要素预报模型。然后，结合模型输出的风雨雷预报结果，评估输电走廊网格内风偏、雷击和断线倒塔故障风险大小，综合计算输电线路的故障概率，进行风险预警。最后，展示了所提模型对2023年9月某省的强对流天气过程进行成功预警的案例，表明了所提方法能够提高强对流天气下输电线路风险预警能力。

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铁基软磁复合材料具有高磁导率、高磁感应强度、低铁损的特性，研究该材料为铁心的电抗器的振动噪声特性对电抗器减振降噪设计具有重要意义。文中基于有限元仿真模型，通过磁场-结构-声学多物理场耦合，对正常运行条件下电抗器的振动与噪声分布进行计算分析，并搭建电抗器噪声测量系统，分别测量硅钢铁心、混合铁心和铁基软磁铁心电抗器的噪声信号，进行试验验证。结果表明：混合铁心和铁基软磁铁心电抗器噪声明显低于硅钢铁心电抗器，混合铁心电抗器受电流变化影响最小。仿真数据显示，硅钢铁心电抗器磁致伸缩与麦克斯韦力噪声比值为1.15，磁致伸缩占比最大。铁基软磁铁心电抗器噪声小的主要原因是磁致伸缩效应小至可以忽略。

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在电力物联网蓬勃发展的当下，如何持续且长时间地供能成为了数以万计的传感器所要面临的技术难题。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为新崛起的高效供能技术，在传感器的自供电领域有着非常广阔的应用前景。文中基于摩擦电工作原理，利用多层弹性体结构的垂直接触分离TENG，设计出一种面向输电线路微风振动的多层弹性体TENG能量采集装置。通过振动能量采集器输出性能测试平台模拟输电线路微风振动状态，对不同频率和振幅下能量采集器的基本电气特性进行测试，结合电能管理策略，构建面向输电线路微风振动的振动能量采集自供电系统，实现宽频带振动能量的高效采集与转换，完成对商用传感器的供能。最后，通过输电线路振动缩比模型验证文中所设计振动能量采集装置的有效性与可行性。文中设计的振动能量采集自供电系统能够有效地将输电线路宽频振动能量转换为电能，具有结构简易、经济性好的特点，解决了电力物联网传感器不能持久绿色供电的问题。

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特高压变压器在投运前需要进行严格的交接试验以保证其能安全可靠运行，而变压器上均压环的均压能力会影响交接试验的准确性。高海拔环境下均压环结构出现问题时其均压能力会发生变化，因此研究设计面对不同状况都能有良好均压能力的均压环尤为重要。文中首先采用COMSOL软件搭建了500 kV变压器耐压试验回路三维模型；其次研究均压环的管径、环径和环间距变化对均压环均压能力的影响；最后研究均压环在毛糙状态下的均压能力变化。研究发现在均压环管径和环径增大或环间距减小时，均压环均压能力会增强，其中管径改变带来的影响最大；均压环为毛糙表面时其均压能力会显著下降，其中粘附圆锥颗粒时均压能力下降最显著，凹陷时下降最少，说明均压环表面越平整，均压能力越好。该研究能为高海拔特高压变压器均压环设计相关工作提供一定帮助。

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针对目标气象预报数据缺失导致风电预测精度不足的问题，提出一种基于空间相关性和Stacking集成学习的风电功率预测方法。首先，分析目标风电场与相邻气象站点之间的空间相关性，根据相关系数极值点确定延迟时间，构建风速时移数据集；其次，利用Stacking集成方法融合多元算法，从多个数据观测角度预测目标风电场的风电功率，实现不同算法的优势互补，提升整体泛化能力，并采用粒子群优化算法搜索模型超参数，较好地平衡搜索时间与模型效果；最后，采用华东地区某风电场的实测数据验证了文中所提方法的有效性和准确性。结果表明，通过考虑不同位置的信息偏差，从数据输入和预测模型两方面可有效提高数据缺失情况下的风电预测精度。

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虚拟电厂(virtual power plant,VPP)作为多能流互联的综合能源网络，已成为中国加速实现双碳目标的重要角色。但VPP内部资源协同低碳调度面临多能流的耦合程度紧密、传统碳交易模型参数主观性强、含高维动态参数的优化目标在线求解困难等问题。针对这些问题，文中提出一种融合注意力机制(attention mechanism,AM)与柔性动作评价(soft actor-critic,SAC)算法的VPP多能流低碳调度方法。首先，根据VPP的随机碳流特性，面向动态参数建立基于贝叶斯优化的改进阶梯型碳交易机制。接着，以经济效益和碳排放量为目标函数构建含氢VPP多能流解耦模型。然后，考虑到该模型具有高维非线性与权重参数实时更新的特征，利用融合AM的改进SAC深度强化学习算法在连续动作空间对模型进行求解。最后，对多能流调度结果进行仿真分析和对比实验，验证了文中方法的可行性及其相较于原SAC算法较高的决策准确性。

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精确的短路故障电流计算对柔性直流电网的器件选型、参数设计以及继电保护研究十分重要。针对现有短路故障电流计算方法未充分考虑直流线路极间耦合的问题，文中提出一种基于相模变换的柔性直流电网短路故障电流计算方法。首先，建立换流站与直流线路的故障等值模型；然后，利用相模变换实现柔性直流电网正极与负极的电气解耦，并获取柔性直流电网在模域内的节点阻抗矩阵；接着，结合柔性直流电网的故障边界条件，计算出柔性直流电网短路故障电流的复频域值，并利用矢量拟合得到故障电流的时域值；最后，利用PSCAD/EMTDC仿真验证所提故障电流计算方法的有效性。仿真分析结果表明，在直流电网发生故障且换流站尚未过流闭锁期间，所提故障电流计算方法能够精准描述直流故障电流的变化规律。