李謙，張衛(wèi)東，楊志超，趙明敏，王沛，付勝軍，關(guān)程遠(yuǎn)

(1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院)，北京102206；2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；3. 中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

0 引言

隨著“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，全面快速推進智能電網(wǎng)的建設(shè)成為了重要內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。智慧型變電站作為整個輸變電工程的樞紐，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于變電站中是必不可少的過程。由于變電站中電磁環(huán)境復(fù)雜多變，對無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性要求較高，使得無線通信技術(shù)在變電站的實踐應(yīng)用還比較缺乏[1 - 4]。

目前，由于氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear, GIS)的優(yōu)勢[5]，其已在110 kV及以上等級變電站中得到了廣泛的應(yīng)用，我國特高壓變電中也普遍采用了GIS開關(guān)設(shè)備。GIS隔離開關(guān)操作時，由于開關(guān)觸頭間的電弧擊穿和重燃，會形成特快速暫態(tài)過電壓(very fast transient over-voltage，VFTO)。VFTO傳播時在GIS外殼不連續(xù)和外引線接口時，由于折反射將導(dǎo)致瞬態(tài)外殼地電位升，并引發(fā)瞬態(tài)電流在外殼和外引線傳播，在空間激發(fā)強烈的瞬態(tài)電磁場[6 - 9]。變電站復(fù)雜的空間電磁場與匯聚節(jié)點的通信線和電源線會產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，使匯聚節(jié)點設(shè)備會受到電磁干擾，影響通信質(zhì)量，造成誤碼、丟包現(xiàn)象，嚴(yán)重時會導(dǎo)致整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)不能正常可靠地運行。匯聚節(jié)點作為整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中樞設(shè)備，一方面需要與智能傳感單元通過無線或有線的方式進行通信，將智能傳感單元采集的信息進行接收和匯總；另一方面需要把匯聚完成的信息通過有線的方式上傳至接入節(jié)點。它的可靠正常工作對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信起著至關(guān)重要的作用。

在電纜芯線感應(yīng)電流問題實測和實驗研究方面，華北電力大學(xué)開展了特高壓GIS變電站中VFTO對二次電纜騷擾電壓以及GIS變電站開關(guān)操作引起的瞬態(tài)電磁干擾對智能二次設(shè)備端口的騷擾電壓的實測工作[10 - 13]；清華大學(xué)開展了暫態(tài)地電位升對二次電纜騷擾的模擬實驗[9]。但是，缺少對于變電站新型無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備匯聚節(jié)點線纜的騷擾電壓的測量研究。

在理論分析方面，國內(nèi)外應(yīng)用多導(dǎo)體傳輸線理論[14]、Taylor“場-傳輸線模型[15]”、Agrawal“場-傳輸線模型”[16]、Rachidi“場-傳輸線模型”[17]、TRI模型[18]和TLSL模型[19]來分析場線耦合問題；基于傳輸線模型的求解方法較為典型的有BLT方程[20]、格林函數(shù)法[21]、SPICE等效電路模型[22]以及傳輸線方程的FDTD[23 - 25]和矩量法等方法對變電站空間電磁場與傳統(tǒng)二次屏蔽電纜之間的耦合問題進行了大量的研究。但是針對新型的無線傳感設(shè)備匯聚節(jié)點線纜與變電站空間電磁場耦合模型的問題缺少研究。

本文在分析空間電磁場與傳輸線耦合的前提下，基于幾座智慧型變電站的調(diào)研，實測了某110 kV智慧型變電站中GIS室和10 kV開關(guān)室內(nèi)匯聚節(jié)點通信線和電源線的穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流；利用CST仿真軟件建立了匯聚節(jié)點電源線、網(wǎng)線和同軸電纜線纜模型；建立了匯聚節(jié)點線纜瞬態(tài)情況下的遠(yuǎn)場和近場耦合仿真模型，并進行了3種線纜芯線感應(yīng)電壓的仿真計算和分析。本文旨在研究復(fù)雜空間電磁場對匯聚節(jié)點互連線纜的耦合機理，對匯聚節(jié)點在復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠性問題提出分析和建議，為推進泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的大面積建設(shè)提供技術(shù)保障和參考。

1 耦合機理分析

針對設(shè)備敏感點和耦合路徑，本文對幾座智慧型變電站實地調(diào)研得知，不同的智慧型變電站無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)類型也不一樣,所使用的匯聚節(jié)點的類型和數(shù)量也不同。但總的來說，匯聚節(jié)點線纜的類型分為3種：屏蔽和非屏蔽的網(wǎng)線，同軸電纜和電源線。

匯聚節(jié)點設(shè)備線纜與傳統(tǒng)的二次設(shè)備控制電纜大不相同。其一，匯聚節(jié)點多安裝在開關(guān)室的智能組件柜中，與GIS設(shè)備距離較近。其二，匯聚節(jié)點為新型無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，線纜傳輸信號的電平較低，而二次電纜連接一次設(shè)備和二次設(shè)備，工作電平較高。其三，傳統(tǒng)二次設(shè)備的型號為鎧裝屏蔽KVVP型電纜，多布設(shè)在電纜溝中，而匯聚節(jié)點設(shè)備線纜多為電子設(shè)備的通信線，與匯聚節(jié)點設(shè)備同在開關(guān)室的智能組件柜或開關(guān)柜中。因此，匯聚節(jié)點及其線纜的抗擾能力遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的二次設(shè)備及其控制電纜。

空間電磁場與傳輸線的耦合如圖1所示。Taylor和Agrawal分別將外界激勵源等效為：包含電壓源和電流源、僅含分布電壓源兩種形式；Rachidi只考慮入射磁場分量導(dǎo)致的等效電流的作用。

圖1 空間電磁場與傳輸線的耦合Fig.1 Coupling of spatial electromagnetic field and transmission line

Taylor提出將第一、第二電報方程的激勵項等效為兩個與入射場有關(guān)的分布電壓源與分布電流源，雙線傳輸線的電報方程變成了全電壓公式。

(1)

(2)

由于所使用的網(wǎng)線沒有屏蔽層，所以網(wǎng)線芯線與大地組成了“芯線-地”傳輸線系統(tǒng)。如圖2所示，建立八芯網(wǎng)線的多導(dǎo)體傳輸線的耦合模型。

圖2 八芯網(wǎng)線的多導(dǎo)體傳輸線耦合模型Fig.2 Multi-conductor transmission line model of an eight-core network cable

變電站穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)空間電磁場會與匯聚節(jié)點設(shè)備的通信線和電源線耦合，由于網(wǎng)線和電源線沒有屏蔽層，空間電磁場直接在線纜的芯線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流；同軸電纜有屏蔽層，空間電磁場首先耦合到屏蔽層上，在屏蔽層導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，這部分感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流通過屏蔽層和電纜芯線之間的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納和轉(zhuǎn)移阻抗，進一步在電纜芯線上產(chǎn)生新的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，從而對內(nèi)部芯線造成電磁騷擾，芯線中的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流通過匯聚節(jié)點設(shè)備端口注入設(shè)備內(nèi)部，進而對匯聚節(jié)電設(shè)備的內(nèi)部集成電路造成電磁騷擾。

2 110 kV GIS智慧型變電站匯聚節(jié)點設(shè)備穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流實測

在110 kV GIS智慧型變電站中使用電流探頭和頻譜分析儀分別對10 kV開關(guān)室中開關(guān)柜和110 kV GIS室中在線監(jiān)測智能組件柜中匯聚節(jié)點的電源線和通信線進行了穩(wěn)態(tài)情況下感應(yīng)電流的測量。110 kV GIS智慧型變電站中匯聚節(jié)點線纜的穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流測量如圖3所示。實測結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 10 kV開關(guān)室匯聚節(jié)點線纜穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流Fig.4 Steady-state induced currents of convergence node cable in a 10 kV switch room

由實測結(jié)果可知，10 kV開關(guān)室中測得的匯聚節(jié)點線纜穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流在0～300 MHz的頻段內(nèi)，感應(yīng)電流頻譜在37.63 MHz、93.34 MHz、200 MHz、250 MHz頻率點處線纜的感應(yīng)電流強度值相對較大。110 kV GIS室中測得的匯聚節(jié)點線纜穩(wěn)態(tài)感應(yīng)電流在0～300 MHz的頻段內(nèi)，感應(yīng)電流頻譜在35.25 MHz、93.34 MHz、125.2 MHz、180.5 MHz、208.6 MHz、250 MHz、271.9 MHz頻率點處線纜的感應(yīng)電流強度值相對較大。由不同位置線纜的感應(yīng)電流頻譜的結(jié)果分析可知，110 kV GIS室中電磁騷擾相較于10 kV開關(guān)室更加的復(fù)雜。

RS485線纜上的感應(yīng)電流較大，最高可達到58 dBμA，原因是RS485通信線在與匯聚節(jié)點連接處外套包裹被去除，易與空間電磁場發(fā)生耦合；在110 kV GIS室中，匯聚節(jié)點線纜的感應(yīng)電流最高可達到65 dBμA，這是由于110 kV GIS室中的空間電磁場更加強烈；同軸電纜相較于其他線纜，其感應(yīng)電壓較小，原因是同軸電纜有屏蔽層，能夠在一定程度上減小空間電磁場的影響。因此，為了減少變電站中空間電磁場對匯聚節(jié)點各線纜的耦合作用，一方面應(yīng)保證匯聚節(jié)點線纜的完整性，避免線纜芯線直接暴露在變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境中；另一方面，應(yīng)盡可能的使用有屏蔽作用的線纜。

3 匯聚節(jié)點線纜場線耦合模型的建立和仿真計算

在變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境中，匯聚節(jié)點線纜會受到近場、遠(yuǎn)場、穩(wěn)態(tài)空間電磁場和瞬態(tài)空間電磁場等多方面因素的影響。為了研究匯聚節(jié)點線纜在變電站瞬態(tài)空間電磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流情況，本節(jié)以瞬態(tài)空間電場作為激勵信號，分別建立了匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)線和電源線遠(yuǎn)場和近場耦合仿真模型，計算了線纜芯線上的感應(yīng)電壓，從而得出遠(yuǎn)場和近場情況對匯聚節(jié)點線纜的影響規(guī)律。

3.1 匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)線和電源線遠(yuǎn)場耦合仿真

以場源為中心，半徑為1/6波長(λ/2π)以外的空間范圍為遠(yuǎn)場。匯聚節(jié)點線纜處于遠(yuǎn)場空間范圍時，本文采用平面波來模擬遠(yuǎn)場源，此時電場強度與磁場強度的比值為定值。

匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)線和電源線仿真模型在CST軟件包中建立，該軟件主要利用有限積分法。利用CST CABLE STUDIO與CST DS STDUIO聯(lián)合協(xié)同仿真功能可完成空間電磁場耦合到線纜的問題，并計算得出線纜芯線上的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。圖6為一套匯聚節(jié)點設(shè)備，其線纜有3種類型：與下一級服務(wù)器通信的超五類以太網(wǎng)線、電源線、與外置天線連接的同軸線纜。其中本套匯聚節(jié)點設(shè)備電源線型號為UL1007，同軸電纜的型號為RG58/U。

根據(jù)YD/T1019—2013標(biāo)準(zhǔn)[26]，在CST CABLE STUDIO中建立了超五類網(wǎng)線的線纜模型；根據(jù)相同型號電源線和同軸電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了電源線和同軸電纜的線纜模型，如圖7所示。

圖7 匯聚節(jié)點線纜模型截面圖Fig.7 Convergence node cable model cross-section

其中建立的網(wǎng)線模型的標(biāo)稱對數(shù)為2×4，4對線兩兩雙絞，芯線為銅導(dǎo)體，絕緣為聚乙烯材料，外護套為聚氯乙烯材料；同軸電纜模型的芯線為銅導(dǎo)體，絕緣層為聚乙烯材料，屏蔽層為銅線編織屏蔽方式，外絕緣層為聚氯乙烯；電源線模型芯線為銅材料，絕緣為聚氯乙烯材料，由兩根線纜組成。

根據(jù)已有的匯聚節(jié)點設(shè)備，并參照調(diào)研的110 kV GIS智慧型變電站內(nèi)的匯聚節(jié)點線纜的走向，在CST CABLE STUDIO中建立了匯聚節(jié)點線纜的電磁輻照敏感度無源結(jié)構(gòu)仿真模型，如圖8(a)所示，藍色連接線部分為線纜，中間紅色框部分為平面波，下方灰色框部分為匯聚節(jié)點和地面。

圖8 匯聚節(jié)點線纜遠(yuǎn)場耦合仿真模型Fig.8 Convergence node cable far-field coupling simulation model

設(shè)置平面波的入射方向與線纜方向垂直，電場方向與線纜平行，頻率范圍設(shè)置為0～300 MHz。然后基于傳輸線理論，軟件自動對線纜線束進行網(wǎng)格剖分，并將每一個網(wǎng)格劃分為足夠多的段來計算傳輸線參量，生成用于場線協(xié)同仿真的等效電路模型，如圖8(c)所示。

同軸電纜和網(wǎng)線的特性阻抗分別為50 Ω和100 Ω，于是在電路模型中同軸線的芯線兩端都連接50 Ω的電阻，再接地，其屏蔽層直接接地；網(wǎng)線的芯線兩端都連接100 Ω的電阻，再接地。

在3種線纜的芯線兩端分別添加電壓探頭，其中P1-P16電壓探頭的仿真結(jié)果為網(wǎng)線芯線的共模感應(yīng)電壓，P17和P19電壓探頭的仿真結(jié)果為電源線芯線的共模電壓，P21和P23電壓探頭的仿真結(jié)果為同軸電纜芯線的共模電壓。

采用單向輻照模式，便于計算外界電磁場耦合到線纜上的感應(yīng)電壓等結(jié)果，不考慮線纜對外空間輻射場的影響。然后通過場路協(xié)同仿真計算得出在所施加激勵的平面波輻照下匯聚節(jié)點各線纜的時域響應(yīng)情況。由圖9可知，匯聚節(jié)點線纜在施加激勵的平面波輻照下匯聚節(jié)點線纜通過遠(yuǎn)場激勵場線耦合得出的感應(yīng)電壓最大值分別為0.9 V、1.1 V和60 V。

圖9 匯聚節(jié)點線纜遠(yuǎn)場場線耦合芯線感應(yīng)電壓Fig.9 Convergence node cable far-field field line coupling core induced voltage

從時域仿真結(jié)果可以看出在遠(yuǎn)場的條件下電源線的感應(yīng)電壓幅值較大，而網(wǎng)線和同軸線的感應(yīng)電壓幅值較小。從電磁干擾源的角度分析，由于采用平面波激勵，能量較大，使得線纜的感應(yīng)電壓較大；從3種線纜自身的結(jié)構(gòu)特性分析，網(wǎng)線采用兩根芯線對絞的方式，同軸電纜有屏蔽層，都可以降低電磁波在芯線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓；而電源線既無屏蔽層也沒采用對絞的方式，從而芯線上的感應(yīng)電壓較大；從端接阻抗角度分析，網(wǎng)線和同軸線芯線的端接阻抗一致，而電源線芯線端接阻抗不一致，使得電源線芯線上的感應(yīng)電壓較大。

本套匯聚節(jié)點設(shè)備采用12 V、2 A直流電源供電，匯聚節(jié)點內(nèi)部集成電路采用常用的5 V TTL和5 V CMOS器件。5 V TTL和5 V CMOS器件的邏輯電平參數(shù)為表1和2。

表1 5 V TTL器件的邏輯電平參數(shù)Tab.1 Logic level parameters of 5 V TTL devicesV

注：UCC為供電電壓；UOH為輸出高電平；UOL為輸出低電平；UIH為輸入高電平；UIL為輸入低電平

表2 5 V CMOS器件的邏輯電平參數(shù)Tab.2 Logic level parameters of 5 V CMOS devicesV

由圖10噪聲容限的定義，5 V TTL器件的靜態(tài)噪聲容限在“1”、“0”時分別是“≥0.2 V和≤0.3 V”，5 V CMOS器件靜態(tài)噪聲容限在“1”、“0”時分別是“≥1.3 V和≤1 V”。當(dāng)感應(yīng)電壓Vint+VOL>VIL時，將導(dǎo)致數(shù)字傳輸信號紊亂；當(dāng)感應(yīng)電壓Vint+VOL>Vcc時，將導(dǎo)致芯片燒毀。

圖10 邏輯電平與輸出狀態(tài)關(guān)系Fig.10 Logic level versus output state

由匯聚節(jié)點線纜遠(yuǎn)場場線耦合仿真的結(jié)果，網(wǎng)線芯線上的感應(yīng)電壓最大為0.9 V；同軸電纜芯線上的最大感應(yīng)電壓為1.1 V；電源線芯線上的最大感應(yīng)電壓為60 V。由于所施加激勵的平面波的能量較大，使得各線纜芯線上的感應(yīng)電壓均超過了器件的靜態(tài)噪聲容限，會對匯聚節(jié)點設(shè)備內(nèi)部的集成電路的正常工作造成影響。

3.2 匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)線和電源線近場耦合仿真

以場源為中心，半徑為1/6波長(λ/2π)以內(nèi)的空間范圍為近場。匯聚節(jié)點線纜處于近場空間范圍時，本文采用偶極子天線來模擬近場源，此時電場強度與磁場強度的比值不為定值，而是與偶極子天線的距離有關(guān)。

在CST中建立了匯聚節(jié)點線纜近場情況下場線耦合仿真模型，并進行了場線協(xié)同仿真計算。用偶極子天線作為近場激勵源，將偶極子天線的離散端口設(shè)置為電壓形式。同樣地，在CST Cable Studio中建立了匯聚節(jié)點線纜的電磁輻照敏感度無源結(jié)構(gòu)仿真模型，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，得到線纜的二維傳輸線參數(shù)，然后得到匯聚節(jié)點線纜的場線協(xié)同仿真的等效電路模型，如圖11所示。

圖11 匯聚節(jié)點線纜近場耦合仿真模型Fig.11 Convergence node cable near-field coupling simulation model

與遠(yuǎn)場激勵不同的是，需要在Transient時域仿真任務(wù)中激勵源設(shè)置為電壓形式，在CST DS STDUIO中來定義離散端口的激勵。

在完成近場激勵的設(shè)置后，進行近場場線耦合仿真計算，生成匯聚節(jié)點芯線上的響應(yīng)。在匯聚節(jié)點線纜處設(shè)置電場探頭，經(jīng)仿真計算得到了線纜處的電場波形情況，對比圖11(b)和(c)可知，激勵信號的波形與線纜處電場的波形基本相似，且幅值有所衰減，線纜處的電場達到800 V/m，由此可以認(rèn)為利用偶極子天線來模擬近場源的方法是可行的。

其中P1-P16電壓探頭的仿真結(jié)果為網(wǎng)線芯線的共模感應(yīng)電壓，P17電壓探頭的仿真結(jié)果為同軸電纜芯線的共模電壓，P21和P23電壓探頭的仿真結(jié)果為電源線芯線的共模電壓。由近場情況下的仿真結(jié)果可知，在近場激勵的情況下，匯聚節(jié)點線纜處的電場幅值最大達到800 V/m。如圖12線纜感應(yīng)電壓仿真結(jié)果所示，在最大電場強度為800 V/m的情況下，匯聚節(jié)點網(wǎng)線芯線的感應(yīng)電壓最大值為1.4 V，同軸電纜芯線上的感應(yīng)電壓最大值為0.06 V，電源線芯線上的感應(yīng)電壓最大值為7 V。由器件的噪聲容限的概念可知，匯聚節(jié)點各線纜在近場激勵下，芯線上的感應(yīng)電壓的最大值也大于5 V TTL和5 V CMOS器件的靜態(tài)噪聲容限，會影響匯聚節(jié)點內(nèi)部集成電路的正常工作狀態(tài)。

圖12 匯聚節(jié)點線纜近場場線耦合芯線感應(yīng)電壓Fig.12 Convergence node cable near-field field line coupling core induced voltage

4 結(jié)論

本文實測了某110 kV智慧型變電站匯聚節(jié)點電源線和通信線穩(wěn)態(tài)情況下的感應(yīng)電流，由不同位置線纜的感應(yīng)電流頻譜的結(jié)果分析可知，110 kV GIS室中電磁騷擾相較于10 kV開關(guān)室的電磁騷擾更加復(fù)雜。測量結(jié)果表明RS485線纜上的感應(yīng)電流較大，最高可達58 dBμA，在110 kV GIS室中，匯聚節(jié)點線纜的感應(yīng)電流最高可達65 dBμA；應(yīng)保證匯聚節(jié)點線纜的完整性，避免線纜芯線直接暴露在變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境中；應(yīng)盡可能地使用帶有屏蔽結(jié)構(gòu)的線纜。

按照智慧型變電站匯聚節(jié)點線纜布局情況建立了匯聚節(jié)點線纜與瞬態(tài)空間電磁場的耦合模型；以瞬態(tài)空間電場作為激勵信號，分別仿真計算出匯聚節(jié)點線纜遠(yuǎn)場和近場耦合模型中各線纜芯線共模感應(yīng)電壓大小。由穩(wěn)態(tài)情況下實測的匯聚節(jié)點線纜感應(yīng)電流數(shù)據(jù)和瞬態(tài)空間電場激勵下仿真計算的匯聚節(jié)點線纜感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)分析可知：匯聚節(jié)點同軸電纜實測的感應(yīng)電流值和仿真計算的感應(yīng)電壓值最?。浑娫淳€實測的感應(yīng)電流值和仿真計算的感應(yīng)電壓值最大。

本文提出了用內(nèi)部電路器件的噪聲容限來判斷芯線感應(yīng)電壓對匯聚節(jié)點的干擾程度；由仿真結(jié)果可知空間瞬態(tài)電磁場會耦合進入?yún)R聚節(jié)點的通信線和電源線芯線上，較大的感應(yīng)電壓對其內(nèi)部TTL、CMOS等集成電路的正常工作造成影響，嚴(yán)重時還會造成其內(nèi)部較小尺寸的集成電路損壞。