劉卓輝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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鐵路新型接觸網(wǎng)取電電源凈化裝置的研究

劉卓輝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

對比接觸網(wǎng)供電質(zhì)量與鐵路站點(diǎn)常用用電設(shè)備供電要求，借鑒國內(nèi)外已有的從接觸網(wǎng)取電的做法，提出一種新型接觸網(wǎng)取電電源凈化裝置。裝置采用直流環(huán)節(jié)作為中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)輸入電壓與輸出電壓的解耦，有效解決輸入電壓波動(dòng)范圍大和品質(zhì)差的問題；采用一種帶有輸出電壓有效值反饋控制及負(fù)載電流前饋控制的多閉環(huán)反饋控制器方案，使接觸網(wǎng)電源凈化裝置具有自動(dòng)的限流保護(hù)功能，可以提高電源驅(qū)動(dòng)沖擊負(fù)載的能力；負(fù)載電流前饋控制的引入，可使接觸網(wǎng)電源凈化裝置對負(fù)載的變化有及時(shí)的調(diào)節(jié)能力，同時(shí)使動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性大大提高。新型接觸網(wǎng)取電電源凈化裝置在鐵路站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測試證實(shí)，可在輸入電壓諧波較大、電源波動(dòng)范圍較大、電壓波峰系數(shù)較高的條件下可靠運(yùn)行，輸出穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)滿足用電設(shè)備要求。新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置技術(shù)先進(jìn)，具備在國內(nèi)和國際上推廣的實(shí)力和前景。

電氣化鐵路；接觸網(wǎng)取電；諧波；逆變；穩(wěn)壓

1 概述

在我國電氣化鐵路建設(shè)的發(fā)展進(jìn)程中，鐵路信號等負(fù)荷采用接觸網(wǎng)電源供電的方案經(jīng)過如下幾個(gè)階段：接觸網(wǎng)電源通過27.5/0.23 kV變壓器降壓后不經(jīng)處理直接作為信號的備用電源[1-2]；接觸網(wǎng)電源經(jīng)過簡單穩(wěn)壓處理后作為供電電源階段；接觸網(wǎng)電源經(jīng)過UPS或交直交裝置凈化后作為供電源階段[3]。

我國鐵路電力供電對可靠性和安全性的要求一般高于其他國家，接觸網(wǎng)取電供電方案較少采用。但在參與國際項(xiàng)目時(shí)，接觸網(wǎng)取電供電方案較為常見，諸如匈牙利、塞爾維亞、馬其頓等東歐國家，甚至是德國、西班牙等西歐國家。因此接觸網(wǎng)取電電源在國際市場上前景廣闊，高品質(zhì)的接觸網(wǎng)取電電源的研究很有必要。

在德國，接觸網(wǎng)電源直接降壓后為道岔融雪供電[4]，不再考慮為信號等一級負(fù)荷供電。在西班牙，由于投資限制，個(gè)別處所采用接觸網(wǎng)電源經(jīng)凈化處理后為信號等負(fù)荷供電，采用以晶閘管(或整流二極管)和IGBT(絕緣柵雙極晶體管)為主要元件組成的交直交電源凈化設(shè)備(采用智能型雙變換不間斷工業(yè)電源系統(tǒng))。

目前國內(nèi)在使用的接觸網(wǎng)電源取電供電涉及了上述所有方式。早期利用接觸網(wǎng)電源作為信號等負(fù)荷的備用電源裝置，由于沒有進(jìn)行凈化處理，運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生燒壞負(fù)荷的事故[5]。國內(nèi)有采用交直交凈化的類似裝置，但均無相關(guān)成套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)過有關(guān)部門的檢測。某些處所采用大容量UPS作為凈化電源裝置，但UPS[6]作為一款通用設(shè)備，并未針對接觸網(wǎng)電源電能質(zhì)量特性和鐵路處所負(fù)載特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑒于以上情況，必須研制一種適用于接觸網(wǎng)取電的、性能滿足信號設(shè)備等負(fù)荷的電源凈化設(shè)備。

2 接觸網(wǎng)電源的電能質(zhì)量與用電負(fù)荷需求分析

某電氣化鐵路用電負(fù)荷，其電源為接觸網(wǎng)經(jīng)27.5/0.23 kV變壓器簡單降壓。對此電源的輸出經(jīng)過一段連續(xù)時(shí)間的測試，結(jié)果為：電壓有效值在215～250 V范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖1所示；峰值電壓在310～450 V范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖2所示；最大諧波為20%，如圖3所示。接觸網(wǎng)主要的用電負(fù)荷為牽引機(jī)頭，同一段接觸網(wǎng)供電區(qū)間可能沒有，也可能同時(shí)有多列機(jī)車在運(yùn)行，因此不同時(shí)間牽引網(wǎng)上的電能質(zhì)量狀況不同；機(jī)車位置相對牽引變壓器的距離有近有遠(yuǎn)，距離隨著列車的運(yùn)行隨時(shí)發(fā)生變化，在同一測量地點(diǎn)牽引網(wǎng)電能質(zhì)量狀況也不同。由于牽引負(fù)荷(整流性負(fù)載)在空間和時(shí)間分布上的隨機(jī)性，使接觸網(wǎng)電壓波形、諧波含量在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)有不同的特點(diǎn)[7]。

圖1 電壓波動(dòng)范圍

圖2 電壓峰值波動(dòng)范圍

圖3 電壓諧波范圍

經(jīng)過大量測試統(tǒng)計(jì)，從接觸網(wǎng)直接經(jīng)過變壓器降壓取電，電壓有效值波動(dòng)范圍可達(dá)到±40%，最高峰值電壓可達(dá)到460 V或更高，電壓波峰系數(shù)可達(dá)到2.0，電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)大大超出了國家電力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許偏差[8-11]，對用電負(fù)荷的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅，甚至對相關(guān)繼電保護(hù)系統(tǒng)也會(huì)造成干擾，誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)增加，極端情況下對行車安全會(huì)構(gòu)成威脅[12]。由此可見，接觸網(wǎng)電源不宜直接作為用電負(fù)荷的供電電源。

各類用電負(fù)荷的輸入電源需求，一般按照是否設(shè)置電源屏、UPS進(jìn)行分類。

通信、信號負(fù)荷均設(shè)置電源屏[13]，其輸入電源按照電源屏技術(shù)要求確定。通信電源屏一般僅在輸入電壓(±15%)、輸入頻率(50±1) Hz兩方面有具體要求；信號電源屏一般僅在輸入電壓(±25%)、輸入頻率(50±1) Hz兩方面有具體要求。

設(shè)置UPS的用電負(fù)荷，其配置的標(biāo)準(zhǔn)UPS的電源輸入條件為公用低壓電網(wǎng)電源條件。若輸入電壓、頻率、電壓畸變率有特殊要求時(shí)，需特殊訂制。通常特殊訂制的大功率UPS的輸入電壓(±25%)、輸入頻率(50±1) Hz兩方面有具體要求。

其他用電負(fù)荷采用公用低壓電網(wǎng)電源條件，即：輸入電壓(±10%)、輸入頻率(50±2) Hz、輸入電壓總畸變因數(shù)(D≤0.08)等。

以上分析表明，接觸網(wǎng)電源的電能質(zhì)量與用電負(fù)荷對供電質(zhì)量的要求之間存在巨大矛盾，有必要設(shè)置中間設(shè)備對接觸網(wǎng)電源進(jìn)行凈化處理。

3 接觸網(wǎng)凈化電源與UPS電源對比

大功率UPS電源輸入電壓范圍一般不超過±25%，通常不能滿足接觸網(wǎng)電壓變化范圍。接觸網(wǎng)電源凈化裝置按照鐵路接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)場運(yùn)行需要，電壓波動(dòng)范圍最高可達(dá)到±40%。

UPS電源要求輸入電壓峰值計(jì)算按照正弦波波峰系數(shù)1.414計(jì)算，實(shí)際現(xiàn)場由于諧波影響，接觸網(wǎng)電壓波峰系數(shù)可高達(dá)2.0，存在較高的電壓尖峰，對UPS輸入造成安全隱患。經(jīng)過針對性設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)電源凈化裝置能承受此電壓尖峰，同時(shí)功率器件和控制供電充分考慮了接觸網(wǎng)電壓諧波含量高，電壓尖峰高的特點(diǎn)，能夠安全有效運(yùn)行。

UPS輸出設(shè)有125%額定負(fù)載過載保護(hù)和短路保護(hù)，對沖擊性負(fù)荷反應(yīng)敏感，作為信號電源的供電，特別是智能電源屏的供電，由于電源屏的整流電源、變壓器負(fù)荷和轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)等高沖擊負(fù)荷的存在，對UPS的輸出造成大電流沖擊，易造成UPS保護(hù)動(dòng)作，影響供電可靠性。接觸網(wǎng)電源凈化裝置采用多閉環(huán)電感電流及輸出電流控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出限流，對沖擊性負(fù)荷具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠有效保證供電可靠性[14]。

4 新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 輸入諧波消除

新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置主回路設(shè)計(jì)時(shí)采用交直交拓?fù)湫问?，主要由整流器、直流濾波器、逆變器、輸出變壓器、輸出濾波器組成。輸入電壓經(jīng)過三相全橋整流和LC濾波器，將輸入三相交流電壓整流、濾波為平滑直流電壓，該直流電壓再經(jīng)過3個(gè)單相H橋逆變電路，逆變?yōu)榻涣麟妷菏┘拥捷敵鲎儔浩魃?，在變壓器輸出?cè)設(shè)置有交流濾波電容器，利用變壓器的漏感和濾波電容組成LC濾波器，以消除逆變過程中產(chǎn)生的高次諧波。由于中間直流母線的存在，輸入交流側(cè)的諧波不能傳遞到輸出交流側(cè)，有效地濾除了接觸網(wǎng)電壓中存在的諧波，其原理如圖4所示。

圖4 新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置原理示意

4.2 輸出電壓控制

新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置需要在輸入電壓大范圍波動(dòng)及輸入電壓波形嚴(yán)重畸變的條件下保持輸出電壓波形為穩(wěn)定、平滑的正弦波。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，控制器采用一種電感電流(即逆變器輸出電流)反饋控制加輸出電壓有效值反饋控制及負(fù)載電流前饋控制的多閉環(huán)控制器方案，可以對輸出電壓的波形、頻率、幅值進(jìn)行精確控制，同時(shí)保證輸出的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

該控制器將電感電流反饋值作為電流控制環(huán)，通過一個(gè)PI控制器對逆變器輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，電流控制環(huán)跟蹤給定的正弦波信號，可以對輸出電壓波形進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以保證輸出電壓波形品質(zhì)。電流控制環(huán)具有最大輸出電流限制能力，當(dāng)電感電流達(dá)到預(yù)設(shè)的最大值之前，電流控制環(huán)的輸出幅值不再增加，使得電感電流不再增大，如此將使新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置的輸出電流得到限制，即使發(fā)生短路，輸出電流也能被限制在安全范圍內(nèi)。

給定輸出電壓值及輸出電壓反饋值作為電壓控制環(huán)的輸入，通過檢測輸出電壓與給定電壓的誤差，通過比例調(diào)節(jié)器，對輸出電壓的有效值進(jìn)行控制，以保證正常負(fù)載條件下輸出電壓的穩(wěn)定。在發(fā)生輸出嚴(yán)重過載或短路時(shí)，電壓控制環(huán)的輸出被電流控制環(huán)的輸出限制，在維持輸出電流不再增加的同時(shí)，輸出電壓有效值自動(dòng)降低。

由于PI調(diào)節(jié)器本身的固有特性，對輸出的控制有一定的滯后作用，較大的PI參數(shù)對調(diào)節(jié)精度有好處，但在負(fù)載大小急劇變化時(shí)，會(huì)造成輸出電壓的超調(diào)量過大和恢復(fù)時(shí)間延長。在電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)之外引入輸出電流前饋控制可以提高響應(yīng)速度，通過適當(dāng)調(diào)整前饋系數(shù)，可以保證在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，輸出電壓的動(dòng)態(tài)特性得到改善[15]。

4.3 輸出濾波[16]

在新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置內(nèi)，逆變器的輸出為PWM波，含有大量的高次諧波成分，不能直接作為普通用電負(fù)荷的供電電源(變頻電機(jī)等由變頻器驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷除外)。在逆變器輸出設(shè)置濾波器是必不可少的，它的作用是濾除輸出諧波成分，使得輸出電壓諧波含量達(dá)到要求，將逆變器輸出的PWM波處理為正弦波。輸出濾波器一般設(shè)計(jì)為LC電路。在輸出濾波器設(shè)計(jì)中，主要考慮的因素如下。

(1)合理選擇L、C參數(shù)，在輸入電壓變化范圍內(nèi)使輸出電壓的單次諧波含量及總諧波含量滿足要求。

(2)充分考慮在極端工作條件下，例如在最低輸入電壓最高輸出電壓時(shí)，輸出空載和滿載下，輸出電壓的單次諧波含量及總諧波含量符合要求。

(3)應(yīng)平衡考慮新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置對線性負(fù)載和非線性負(fù)載的適應(yīng)性，在LC之積恒定時(shí)，L越小，輸出阻抗越小，對非線性負(fù)載的適應(yīng)能力越好。

(4)由于LC濾波電路本身的特性，空載時(shí)電容元件的充放電會(huì)帶來LC電路的空載電流，造成熱損耗，進(jìn)而影響到整機(jī)效率，因此空載電流越小越好。

(5)電感應(yīng)選用體積小、質(zhì)量輕的產(chǎn)品；電容元件應(yīng)充分考慮其安全性，特別是使用金屬化膜電容時(shí)應(yīng)保證其工作電壓在允許的范圍內(nèi)并有一定的裕量，一般推薦使用電壓不超過額定電壓的一半，當(dāng)輸出頻率在50 Hz以上時(shí)，最好按照實(shí)際使用頻率對其熱特性進(jìn)行測試，簡單的判斷方法是在靜態(tài)環(huán)境中通電試驗(yàn)，熱穩(wěn)定后表面溫升應(yīng)不超過10 ℃。

輸出變壓器或多或少本身都存在漏感，輸出變壓器設(shè)計(jì)定型及工藝確定后該漏感將為恒定值。為了節(jié)約成本可以利用輸出變壓器的漏感作為輸出濾波電感，在設(shè)計(jì)和加工過程中控制輸出變壓器漏感在合理的范圍內(nèi)，可以避免專門設(shè)計(jì)、安裝濾波電感，從而降低整機(jī)成本并減小體積。

LC濾波器參數(shù)計(jì)算方法建立在新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置主要技術(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上。設(shè)計(jì)之前需要確定主要輸出參數(shù)，并確定基本參數(shù)，包括：額定輸出電壓及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、額定輸出頻率及頻率調(diào)節(jié)范圍、載波頻率(或等效開關(guān)頻率)、負(fù)載功率因數(shù)范圍、負(fù)載有功功率、輸入電壓范圍、直流母線電壓范圍、輸入PWM波幅值的變化范圍、變壓器變比。最終確定L、C參數(shù)所主要考慮以下4個(gè)指標(biāo)。

(1)要求的輸出電壓諧波含量。用戶對輸出電壓的總諧波含量及單次諧波含量做出規(guī)定，輸出電壓波形應(yīng)滿足該指標(biāo)。

(2)輸出濾波器的基波電壓增益。在新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置輸入電壓達(dá)到最低、負(fù)載滿載、功率因數(shù)最低的條件下，輸出電壓指標(biāo)能達(dá)到規(guī)定，并且不發(fā)生過調(diào)制。

(3)空載條件下，在輸出電壓滿足規(guī)定時(shí)，輸出濾波器的輸入電流最小。這樣可以使損耗較小，有利于整機(jī)效率的提高。

(4)滿足上述3個(gè)要求的前提下，使新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置對非線性負(fù)載的適應(yīng)性最好。

5 新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置的應(yīng)用

圖5～圖7給出了接觸網(wǎng)電源凈化裝置在太中銀鐵路-板窯車站測試的電網(wǎng)和凈化裝置輸出參數(shù)的情況，其中曲線1是接觸網(wǎng)特性，曲線2是接觸網(wǎng)電源凈化裝置輸出特性。

圖5 凈化裝置輸入、輸出諧波變化曲線

圖6 凈化裝置輸入、輸出電壓變化曲線

圖7 凈化裝置輸入、輸出電壓峰值變化曲線

從圖中可見，本新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置能有效濾除電壓尖峰，同時(shí)功率器件和控制供電系統(tǒng)能適應(yīng)接觸網(wǎng)電壓諧波含量高，電壓尖峰高的特點(diǎn)，為鐵路站點(diǎn)各類生產(chǎn)、生活用電負(fù)荷提供高品質(zhì)電源。

6 新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置的主要技術(shù)指標(biāo)

6.1 輸入指標(biāo)

(1)電壓

①供電相電壓有效值持續(xù)波動(dòng)在AC 154～308 V范圍內(nèi)；

②供電相電壓有效值瞬時(shí)波動(dòng)在AC 110～308 V范圍內(nèi)。

(2)頻率

供電電壓頻率持續(xù)波動(dòng)在50×(1±5) Hz范圍內(nèi)。

(3)電壓諧波

供電電壓的總諧波失真不大于40%，各奇次諧波失真不大于20%，各偶次諧波失真不大于10%。

6.2 輸出指標(biāo)

(1)額定輸出電壓：AC 380 V/220 V(三相四線制)。

(2)額定輸出頻率：50 Hz。

(3)頻率穩(wěn)定精度：1‰。

(4)電壓穩(wěn)定精度：380 V/220 V±2%(穩(wěn)態(tài))380 V/220 V±5%(瞬態(tài))。

(5)三相相位差：120°±2°(1/3不平衡負(fù)載)。

(6)諧波失真(THD)：≤2%(線性負(fù)載)。

(7)三相不平衡能力：100%。

6.3 適應(yīng)負(fù)載能力

(1)三相輸出適應(yīng)完全不平衡負(fù)載使用，即可單相滿功率使用。

(2)適應(yīng)非線性負(fù)載使用。如整流負(fù)載，電機(jī)負(fù)載。

(3)輸出限流工作模式，適應(yīng)沖擊性負(fù)載。如變壓器負(fù)載、電動(dòng)機(jī)負(fù)載等。

7 結(jié)論

介紹了一種高品質(zhì)的新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置，可改善接觸網(wǎng)電源供電質(zhì)量，為各種用電負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)、可靠的工作電源，并利于解決從接觸網(wǎng)取電供電時(shí)，電源電能質(zhì)量與用電負(fù)荷所需之間的匹配性問題，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)既滿足我國電能質(zhì)量方面的國家標(biāo)準(zhǔn)也符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。

本裝置主要特點(diǎn)是通過中間直流環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸入電壓與輸出電壓解耦，避免了輸入電壓諧波對輸出的影響；特別是采用帶有輸出電壓有效值控制及負(fù)載電流前饋控制的多環(huán)反饋控制方法，進(jìn)一步優(yōu)化了輸出的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)；輸出限流技術(shù)對沖擊性負(fù)載、短路或接近于短路的工作狀態(tài)具有較好的承受能力，可滿足電氣化鐵路各類常見負(fù)載的供電要求；研究還總結(jié)了輸出濾波電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素，希望能對同類裝置的研制提供參考。

新型鐵路接觸網(wǎng)凈化電源裝置為鐵路負(fù)荷供電提供了一種新的解決方案和設(shè)計(jì)思路，并可推廣到其他對電能質(zhì)量敏感的工礦企業(yè)，相比從公共電源取電可節(jié)約投資并縮短建設(shè)工期。這種供電方式在歐洲國家已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，同類裝置的供應(yīng)商有英國CHLORIDE公司、ABB的AVC1和AVC2系列產(chǎn)品，美國SoftSwitching公司的DySC系列產(chǎn)品。

目前我國鐵路正面臨走出去的任務(wù)，各類機(jī)電設(shè)備的輸出也是重中之重，特別是我國目前正在開展設(shè)計(jì)的塞爾維亞至匈牙利鐵路，接觸網(wǎng)取電裝置要大量使用。新型接觸網(wǎng)電源凈化裝置技術(shù)先進(jìn)，在太中銀鐵路項(xiàng)目上已成功運(yùn)營5年，穩(wěn)定、可靠，具備在國際上推廣的實(shí)力和前景。

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Study on New Railway Catenary Power Purification Device

LIU Zhuo-hui

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

Comparing the railway catenary power quality with the power supply requirements of common electrical equipment in the railway station and according to the existing approaches to collect power from the catenary at home and abroad， this paper proposes a new railway catenary power purification device. The device uses a DC link as the intermediate process to achieve decoupling between the output voltage and the input voltage， thus effectively solving the problem of poor quality and large fluctuation of the input voltage. The scheme of a multi-loop feedback controller with output voltage RMS feedback and load current feed-forward control is adopted to function the catenary power supply purification device with automatic current limiting protection， which can increase the ability of the power-driven and impact load. The load current feed-forward control enables catenary power purification device to timely regulate subject to load changes， and greatly improves dynamic response. The practical tests in the railway station confirm that the catenary power purification device operates reliably in the case of larger input voltage harmonics， larger range of power fluctuation， higher voltage crest factor， and produces steady outputs and required dynamic indicators to meet the requirements of electrical equipment. This new and advanced device is competitive in both domestic and international markets.

Electrified railway; Collect power from catenary; Harmonic; Contravariant; Voltage stabilization

2016-03-07；

2016-03-27

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(建技科字(2006)第8號)；鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研課題。

劉卓輝(1979—)，男，高級工程師，2005年畢業(yè)于天津大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：liuzhuohui518@126.com。

1004-2954(2016)11-0125-05

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.028