《电工技术学报》优秀论文：电场耦合式无线电能传输系统优化方法

《电工技术学报》2019年度优秀论文获奖论文简报

《光伏发电出力预测技术研究综述》等15篇优秀论文入选《电工技术学报》2019年度优秀论文，荣获中国电工技术学会表彰。现将部分获奖论文的文章简报分享给各位读者，以期促进本领域的技术交流。

电场耦合式无线电能传输（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer，EC-WPT）技术，是一种以高频电场作为能量传输载体，并综合利用电力电子技术、电工理论和现代控制理论，实现无直接电气连接的电能传输技术。

该技术具有如下优点：耦合机构简易轻薄，成本低，形状易变；在工作状态中，耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当耦合机构中或周围存在金属导体时，所产生的涡流损耗甚小；可以跨越金属物体进行传能。

目前，全世界已有很多专家和学者围绕EC-WPT系统的耦合机构、电能变换拓扑构建、系统建模与动力学行为特性分析、系统控制和参数优化等理论方面展开了研究，并围绕电动汽车充电、机器人和消费电子产品的供电或充电等许多领域的应用进行了探索，取得了丰富的研究成果。

团队介绍

重庆大学无线电能传输技术研究所是国内最早组建并专业从事无线电能传输技术研发及推广应用的专业团队。团队目前拥有教授5人，副教授3人，讲师和工程师4名，博士、硕士研究生100余人。团队围绕无线电能传输技术坚持不懈地开展了近20年的研发工作，已形成前沿探索、应用开发以及产业化应用的技术体系。

目前研究所拥有国家无线电能传输技术国际联合研究中心、中国-新西兰无线电能传输技术国际研究中心、重庆市无线电能传输技术工程中心等平台，发起成立了中国电源学会无线电能传输技术及装置专委会。研究成果已成功应用于电动汽车、数码家电、石油勘探、电力系统装备以及国防军工等多个领域。在高水平论文、发明专利、专著以及获奖等方面取得了一系列成果。在国内外有一定的影响力并享有很高的声誉。

苏玉刚

1962出生，工学博士，重庆大学自动化学院教授/博导，重庆大学无线电能传输技术研究所副所长，国家无线电能传输技术国际联合研究中心副主任。中国电工技术学会无线电能传输技术专业委员会委员，四川省电工技术学会常务理事。

研究方向为无线电能传输技术、电力电子与电气传动、控制理论应用与综合自动化系统集成技术。曾在澳大利亚昆士兰大学从事合作研究。近年来主持和主研了30多项国家级和部省级科研项目及企业合作项目，荣获部省级科技进步二等奖4项，已受理和获权的发明专利100余项，在国内外重要学术期刊发表的SCI和EI检索论文100余篇。出版专著2部。主持国家级教改项目1项，主编规划教材2部。

研究背景

对于传统的EC-WPT系统而言，极板的耦合电容较小，为增大系统传输功率和效率，通常需要串联较大电感来补偿其容抗，从而导致系统体积增大，且电感等效串联电阻较大，损耗也增大。一般通过增大系统工作频率，以减小串联补偿电感，从而达到增大输出功率的目的。

然而频率高达兆赫兹级的系统，开关管损耗必然会增大，而且系统的电磁干扰增大，控制难度也大大增加，这使得EC-WPT系统在实际应用中受到限制。在这种多约束的情况下，寻找一种既能减小补偿电感、增大传输距离、降低参数敏感性，又能提高输出功率和传输效率的拓扑结构和系统性的优化设计方法尤为重要。

论文方法及创新点

图1EC-WPT系统拓扑

本文对图1所示的EC-WPT系统进行研究，在基于双向LCC谐振网络的参数配置方法基础之上，提出了一种结合非线性规划和自适应遗传算法（Adaptive Genetic Algorithm，AGA）的优化方法，对系统做多约束条件下的优化，使系统在满足所需输出功率和系统ZPA、低激励电压、小补偿电感等约束条件下，系统传输效率最大。以此算法对系统频率f和并联谐振电容与耦合电容比值k进行寻优，将优化后的f和k结合LCC谐振网络的参数配置方法得到满足上述约束指标的系统参数。

根据图2所示的系统等效电路，首先给出系统约束条件，包括激励电压和工作频率的约束、ZPA等式约束、补偿电感最大值约束和输出功率需求约束。

图2 EC-WPT系统等效电路

为了克服以往算法易陷入局部收敛的问题，本文从种群进化的宏观阶段方面进行考虑，利用非线性规划局部搜索能力强的特点，提出将自适应遗传算法与非线性规划相结合的优化方法对系统进行优化，使算法能快速收敛于全局最优解。

利用智能优化算法对EC-WPT系统进行优化，必须先确定系统目标函数、约束条件以及待优化参数。在负载电阻一定的情况下，系统中待优化的参数包括L1、C1、L2、C2和f。由于文中拓扑的对称特性和LCC网络的谐振关系，待优化变量可以减少为k和f。

通过分析可知，EC-WPT系统的非线性规划模型可表示为

本文将自适应遗传算法与非线性规划相结合对系统进行优化，使算法能够快速找到全局最优解。系统参数设计与优化流程图如图3所示，图中E根据实际应用中所需功率等级而定，Cs根据实际应用中所需的传输距离和空间尺度而定，RL由实际应用中的供电对象决定。

图3 参数设计与优化流程图

图4 最优解追踪图

表1 遗传算法优化得到的参数

为了对本文所提出的方法的可行性和有效性进行验证，基于图1所示的EC-WPT系统拓扑和优化算法得到的系统参数搭建了如图5所示系统实验装置。电感用利兹线绕制成空心电感，全桥逆变采用美国CREE公司的碳化硅MOSFET C2M0080120D，整流桥采用Infineon公司的碳化硅二极管IDW30G65C。

为了使系统在给定参数下能工作于ZVS软开关状态，以减小了开关管损耗，实验中通过增大开关频率让其稍高于系统谐振频率，使系统呈弱感性。图6为系统逆变输出电压、电流和负载拾取电压，电流稍滞后于电压，与理论分析一致。实验结果验证了在减小补偿电感、增大传输距离、降低参数敏感性的前提下，以及满足系统多约束的条件下，系统性能得到进一步的提升。

图5 EC-WPT实验装置

图6 EC-WPT实验波形

结论

本文针对EC-WPT系统的多约束条件下系统参数优化问题，在双侧LC型EC-WPT系统和LCC谐振网络参数配置方法的研究基础上，提出了一种结合非线性规划和自适应遗传算法的优化方法，以系统效率为目标函数，在多约束条件下对系统频率f和并联谐振电容与耦合电容比值k进行寻优，最终使系统在满足所需功率的条件下效率最高，也解决了系统ZPA、低激励电压、小补偿电感和传输距离之间相互制约的问题。

本文的成果对于高阶复杂的电场耦合无线电能传输系统在多约束条件下如何优化系统参数，提升系统的传输性能具有参考价值和理论指导作用，有利于进一步促进无线电能传输技术的发展。

引用本文

苏玉刚, 吴学颖, 赵鱼名, 卿晓东, 唐春森. 互补对称式LCC谐振网络的电场耦合式无线电能传输系统参数优化[J]. 电工技术学报, 2019, 34(14): 2874-2883. Su Yugang, Wu Xueying, Zhao Yuming, Qing Xiaodong, Tang Chunsen. Parameter Optimization of Electric-Field Coupled Wireless Power Transfer System with Complementary Symmetric LCC Resonant Network. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 2874-2883.

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「论文集锦」网络与信息安全——《电子技术应用》优秀论文集锦

网络信息安全是一门涉及计算机科学、网络技术、通信技术、密码技术、信息安全技术、应用数学、数论、信息论等多种学科的综合性学科。它主要是指网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不受偶然的或者恶意的原因而遭到破坏、更改、泄露，系统连续可靠正常地运行，网络服务不中断。

随着云计算、大数据、物联网、人工智能等新技术的发展普及，各类安全风险也随之而来，网络攻击、网络恐怖等安全事件时有发生,侵犯个人隐私、窃取个人信息等违法犯罪行为屡见不鲜。维护网络信息安全刻不容缓，今年11月6日开幕的第五届世界互联网大会也将网络安全作为重要议程之一。

党的十八大以来，习近平总书记以马克思主义政治家的深刻洞察力，就网络安全和信息化工作作出一系列重大决策、提出一系列重大举措，形成了关于网络强国的重要思想，推动我国网信事业取得历史性成就。今年4月20日，在全国网络安全和信息化工作会议上，习近平总书记指出，要提高网络综合治理能力，形成党委领导、政府管理、企业履责、社会监督、网民自律等多主体参与，经济、法律、技术等多种手段相结合的综合治网格局。

近年来，《电子技术应用》刊载了一些网络与信息安全方面的优秀稿件，整理于此，欢迎相关领域研究者参考借鉴！

1. Java卡虚拟机的安全攻击技术及防御技术研究

摘要： Java卡是一个基于Java的智能卡操作系统，Java卡能够动态更新。着重介绍了在Java卡系统实现过程中需要关注的各种基于Java卡虚拟机的安全点，研究了Java卡虚拟机运行过程中的脆弱性，总结了其在安全方面面临的各种威胁，并进一步研究了这些安全威胁可能产生的影响。最后针对可能出现的不同的安全攻击，提出并完成了相应的安全防御措施。实验证明，这些防御措施能够有效地保障Java卡系统的安全性。

中文引用格式： 崔炳荣，刘亮，甘杰，等. Java卡虚拟机的安全攻击技术及防御技术研究[J].电子技术应用，2017，43(10)：12-15，19.

英文引用格式： Cui Bingrong，Liu Liang，Gan Jie，et al. The offensive and defensive technology of the Java card virtual machine[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：12-15，19.

2. 电力监控系统通信安全技术研究

摘要： 电力行业是关系到国计民生的重要行业，而电力监控系统的安全关系到电力生产的安全。随着工业4.0的到来，电力监控系统的安全正面临前所未有的考验。介绍了当前电力监控系统通信安全存在的问题，分析了当前解决方案的不足，最后提出一种基于可信网络连接结合工控协议白名单的技术方案。

中文引用格式： 胡朝辉，王方立. 电力监控系统通信安全技术研究[J].电子技术应用，2017，43(3)：21-24.

英文引用格式： Hu Zhaohui，Wang Fangli. Research on communication security technology of electric power monitoring system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(3)：21-24.

3.基于Fuzzing测试的工业控制协议漏洞挖掘技术研究

摘要： 为了及早发现工业控制系统本身的信息安全问题，基于Fuzzing测试技术在软件测试领域的成功经验，针对工业控制系统协议MMS协议进行分析和研究，利用电力系统自动化领域常用的继电器保护设备，采用桥接的方式进行MMS协议的Fuzzing测试，有效挖掘出被测设备的漏洞，导致了被测设备拒绝服务，并进行了漏洞问题的分析。研究表明，利用工控协议的Fuzzing测试技术可以有效地进行工控信息安全的漏洞挖掘工作。

中文引用格式： 李航，董伟，朱广宇. 基于Fuzzing测试的工业控制协议漏洞挖掘技术研究[J].电子技术应用，2016，42(7)：79-82.

英文引用格式： Li Hang，Dong Wei，Zhu Guangyu. Research on industrial control protocol vulnerability mining technology based on Fuzzing test[J].Application of Electronic Technique，2016，42(7)：79-82.

4.一种基于入侵检测的空间网络安全路由技术

摘要： 随着空间信息网络在各领域尤其是军方的广泛应用，空间网络安全技术成为研究人员越来越关注和重视的研究方向，其中空间网络的路由安全是重要的研究热点之一。针对基于入侵检测的空间网络安全路由技术进行了研究，以无线Mesh网络开发的OLSR路由协议为例，对空间信息网络中基于入侵检测的安全路由技术进行仿真分析，证明了此安全机制的可行性。

中文引用格式： 王雪霞，张泽琦，李 明，等. 一种基于入侵检测的空间网络安全路由技术[J].电子技术应用，2015，41(4)：101-104.

英文引用格式： Wang Xuexia，Zhang Zeqi，Li Ming，et al. A secure routing technology based on intrusion detection in space information network[J].Application of Electronic Technique，2015，41(4)：101-104.

5.基于云计算技术设计网络安全储存系统

摘要： 计算机网络安全受到越来越多的重视和关注，以计算机网络安全现状，介绍在云计算技术环境下设计的安全储存系统，以期为计算机网络良性发展打下坚实的基础。

中文引用格式： 滑翔. 基于云计算技术设计网络安全储存系统[J].电子技术应用，2016，42(11)：106-107，111.

英文引用格式： Hua Xiang. Design network security storage system based on cloud computing technology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：106-107，111.

6.基于插值预测误差的密文域可逆信息隐藏

摘要： 针对传统的图像预测误差算法预测精度弱、嵌入容量较低以及在密文域应用局限等问题。结合Paillier同态加密算法，提出了一种基于插值预测误差的密文域可逆信息隐藏算法。该方案首先对原始载体图像进行采样，然后引入权重，利用采样像素点对非采样像素点进行预测，而后采样像素点利用序列密码进行加密，非采样像素点利用Paillier同态算法加密，最后在加密后的图像上进行秘密信息的嵌入。实验仿真结果表明，该方案在保证预测精度的前提下，可以达到的最高嵌入容量为1.2 bpp，同时具有一定的安全性保证。

中文引用格式： 牛向洲，张敏情，柯彦. 基于插值预测误差的密文域可逆信息隐藏[J].电子技术应用，2017，43(12)：120-124，129.

英文引用格式： Niu Xiangzhou，Zhang Minqing，Ke Yan. Reversible data hiding in encrypted domain based on prediction error of interpolation[J].Application of Electronic Technique，2017，43(12)：120-124，129.

7.安全可信工业控制系统构建方案

摘要： 针对当前工业控制系统所面临的信息安全问题，提出了一种安全可信的体系架构。首先分析了工控系统特点、整体模型和控制流程，然后结合可信计算的思想，对工控系统的启动、组态和运行进行了安全加固，设计了静态度量、安全传输以及运行结果安全性验证。该体系可有效提高工控系统的安全防御能力。

中文引用格式： 丰大军，张晓莉，杜文玉，等. 安全可信工业控制系统构建方案[J].电子技术应用，2017，43(10)：74-77.

英文引用格式： Feng Dajun，Zhang Xiaoli，Du Wenyu，et al. A method of construct a secure and trustable industrial control system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：74-77.

8.基于全同态MAC的消息认证算法设计

摘要： 针对通信信道中数据传输的安全性和认证问题，通过对全同态加密和消息认证码(Message Authentication Code，MAC)算法的研究，提出一种基于全同态MAC的消息认证算法设计方案。该方案首先在接收端对消息进行全同态加密，结合MD5算法对加密后的数据进行扰乱处理，将处理后的数据在信道中传输。然后，在接收端检测消息在传输信道中是否被篡改，再对数据执行全同态解密，进而确保消息传输的可靠性。最后，在SMIC 65 nm工艺下完成硬件设计，DC综合后电路面积为21 911 μm2，在1.2 V电压下最高工作频率可达到204 MHz，功耗为5.73 mW。

中文引用格式： 潘钊，张跃军，丁代鲁. 基于全同态MAC的消息认证算法设计[J].电子技术应用，2018，44(1)：20-23.

英文引用格式： Pan Zhao，Zhang Yuejun，Ding Dailu. Message authentication algorithm based on fully homomorphism MAC method[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(1)：20-23.

9.基于SM4并行加密的智能电网监控与安全传输系统

摘要： 随着电网规模的日益扩大以及监控设备的逐渐增多，为了高效、集中地监控电网设备的运行情况，结合ModBus和IEC104协议，设计了一种智能电网监控与安全传输系统，实现设备断线自动重连机制，提高系统的稳定性，并且以图形交互界面的形式提供给用户，便于用户直观地进行数据监控与设备管理。由于数据采集量的与日俱增，针对当前系统中数据传输的安全性较低、大量数据加密传输时实时性不高等问题，结合SM4加密算法及GPU并行计算的能力，提出一种新的并行加密算法，并有效应用到系统中，提高数据传输过程中的安全性与实时性。实验结果表明，此监控系统运行稳定可靠，实时性好，安全性高。

中文引用格式： 余容，黄剑，何朝明. 基于SM4并行加密的智能电网监控与安全传输系统[J].电子技术应用，2016，42(11)：66-69.

英文引用格式： Yu Rong，Huang Jian，He Chaoming. Smart grid monitoring and secure transmission system based on SM4 parallel encryption[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：66-69.

10. 基于贝叶斯Stackelberg博弈的Web安全问题研究

摘要： 随着基于Web环境的互联网应用越来越广泛，Web应用的安全问题日益突出。针对黑客攻击Web应用的问题，提出一种基于贝叶斯Stackelberg博弈的Web安全应用模型。模型中提出了一种改进的收益计算方法，在综合考虑成本和收益参数的同时，将防御者的最优反击纳入考虑范畴，能够更加准确地计算攻防双方的支付矩阵。模型利用领导者的优势，利用DOBSS计算防守方的最优混合策略，分析证实了模型和分析方法的有效性。

中文引用格式： 钱震，蔚承建，王开，等. 基于贝叶斯Stackelberg博弈的Web安全问题研究[J].电子技术应用，2015，41(12)：124-128.

英文引用格式： Qian Zhen，Wei Chengjian，Wang Kai，et al. Web security research base on Bayesian Stackelberg Game[J].Application of Electronic Technique，2015，41(12)：124-128.

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