變電站空間電磁場對電力物聯網匯聚節點線纜耦合特性分析

李謙，張衛東，楊志超，趙明敏，王沛，付勝軍，關程遠

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

0 引言

隨著“三型兩網”戰略目標的提出，全面快速推進智能電網的建設成為了重要內容和關鍵環節。智慧型變電站作為整個輸變電工程的樞紐，將無線傳感網絡應用于變電站中是必不可少的過程。由于變電站中電磁環境復雜多變，對無線網絡設備的可靠性要求較高，使得無線通信技術在變電站的實踐應用還比較缺乏[1 - 4]。

目前，由于氣體絕緣開關設備(gas insulated switchgear, GIS)的優勢[5]，其已在110 kV及以上等級變電站中得到了廣泛的應用，我國特高壓變電中也普遍采用了GIS開關設備。GIS隔離開關操作時，由于開關觸頭間的電弧擊穿和重燃，會形成特快速暫態過電壓(very fast transient over-voltage，VFTO)。VFTO傳播時在GIS外殼不連續和外引線接口時，由于折反射將導致瞬態外殼地電位升，并引發瞬態電流在外殼和外引線傳播，在空間激發強烈的瞬態電磁場[6 - 9]。變電站復雜的空間電磁場與匯聚節點的通信線和電源線會產生感應電壓和感應電流，使匯聚節點設備會受到電磁干擾，影響通信質量，造成誤碼、丟包現象，嚴重時會導致整個無線傳感網絡不能正常可靠地運行。匯聚節點作為整個無線傳感網絡的中樞設備，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點。它的可靠正常工作對于無線傳感網絡的通信起著至關重要的作用。

在電纜芯線感應電流問題實測和實驗研究方面，華北電力大學開展了特高壓GIS變電站中VFTO對二次電纜騷擾電壓以及GIS變電站開關操作引起的瞬態電磁干擾對智能二次設備端口的騷擾電壓的實測工作[10 - 13]；清華大學開展了暫態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絡設備匯聚節點線纜的騷擾電壓的測量研究。

在理論分析方面，國內外應用多導體傳輸線理論[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備匯聚節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研，實測了某110 kV智慧型變電站中GIS室和10 kV開關室內匯聚節點通信線和電源線的穩態感應電流；利用CST仿真軟件建立了匯聚節點電源線、網線和同軸電纜線纜模型；建立了匯聚節點線纜瞬態情況下的遠場和近場耦合仿真模型，并進行了3種線纜芯線感應電壓的仿真計算和分析。本文旨在研究復雜空間電磁場對匯聚節點互連線纜的耦合機理，對匯聚節點在復雜電磁環境下的可靠性問題提出分析和建議，為推進泛在電力物聯網的大面積建設提供技術保障和參考。

1 耦合機理分析

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

匯聚節點設備線纜與傳統的二次設備控制電纜大不相同。其一，匯聚節點多安裝在開關室的智能組件柜中，與GIS設備距離較近。其二，匯聚節點為新型無線網絡通信設備，線纜傳輸信號的電平較低，而二次電纜連接一次設備和二次設備，工作電平較高。其三，傳統二次設備的型號為鎧裝屏蔽KVVP型電纜，多布設在電纜溝中，而匯聚節點設備線纜多為電子設備的通信線，與匯聚節點設備同在開關室的智能組件柜或開關柜中。因此，匯聚節點及其線纜的抗擾能力遠低于傳統的二次設備及其控制電纜。

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)

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

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

變電站穩態和瞬態空間電磁場會與匯聚節點設備的通信線和電源線耦合，由于網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生感應電壓和感應電流；同軸電纜有屏蔽層，空間電磁場首先耦合到屏蔽層上，在屏蔽層導體上產生感應電壓和感應電流，這部分感應電壓和感應電流通過屏蔽層和電纜芯線之間的轉移導納和轉移阻抗，進一步在電纜芯線上產生新的感應電壓和感應電流，從而對內部芯線造成電磁騷擾，芯線中的感應電壓和感應電流通過匯聚節點設備端口注入設備內部，進而對匯聚節電設備的內部集成電路造成電磁騷擾。

2 110 kV GIS智慧型變電站匯聚節點設備穩態感應電流實測

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開關室中開關柜和110 kV GIS室中在線監測智能組件柜中匯聚節點的電源線和通信線進行了穩態情況下感應電流的測量。110 kV GIS智慧型變電站中匯聚節點線纜的穩態感應電流測量如圖3所示。實測結果如圖4和圖5所示。

圖4 10 kV開關室匯聚節點線纜穩態感應電流Fig.4 Steady-state induced currents of convergence node cable in a 10 kV switch room

由實測結果可知，10 kV開關室中測得的匯聚節點線纜穩態感應電流在0～300 MHz的頻段內，感應電流頻譜在37.63 MHz、93.34 MHz、200 MHz、250 MHz頻率點處線纜的感應電流強度值相對較大。110 kV GIS室中測得的匯聚節點線纜穩態感應電流在0～300 MHz的頻段內，感應電流頻譜在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電流強度值相對較大。由不同位置線纜的感應電流頻譜的結果分析可知，110 kV GIS室中電磁騷擾相較于10 kV開關室更加的復雜。

RS485線纜上的感應電流較大，最高可達到58 dBμA，原因是RS485通信線在與匯聚節點連接處外套包裹被去除，易與空間電磁場發生耦合；在110 kV GIS室中，匯聚節點線纜的感應電流最高可達到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點各線纜的耦合作用，一方面應保證匯聚節點線纜的完整性，避免線纜芯線直接暴露在變電站復雜的電磁環境中；另一方面，應盡可能的使用有屏蔽作用的線纜。

3 匯聚節點線纜場線耦合模型的建立和仿真計算

在變電站復雜的電磁環境中，匯聚節點線纜會受到近場、遠場、穩態空間電磁場和瞬態空間電磁場等多方面因素的影響。為了研究匯聚節點線纜在變電站瞬態空間電磁場作用下產生的感應電壓和感應電流情況，本節以瞬態空間電場作為激勵信號，分別建立了匯聚節點數據線和電源線遠場和近場耦合仿真模型，計算了線纜芯線上的感應電壓，從而得出遠場和近場情況對匯聚節點線纜的影響規律。

3.1 匯聚節點數據線和電源線遠場耦合仿真

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

匯聚節點數據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聯合協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電壓和感應電流。圖6為一套匯聚節點設備，其線纜有3種類型：與下一級服務器通信的超五類以太網線、電源線、與外置天線連接的同軸線纜。其中本套匯聚節點設備電源線型號為UL1007，同軸電纜的型號為RG58/U。

根據YD/T1019—2013標準[26]，在CST CABLE STUDIO中建立了超五類網線的線纜模型；根據相同型號電源線和同軸電纜的結構參數，建立了電源線和同軸電纜的線纜模型，如圖7所示。

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

其中建立的網線模型的標稱對數為2×4，4對線兩兩雙絞，芯線為銅導體，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。

根據已有的匯聚節點設備，并參照調研的110 kV GIS智慧型變電站內的匯聚節點線纜的走向，在CST CABLE STUDIO中建立了匯聚節點線纜的電磁輻照敏感度無源結構仿真模型，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點和地面。

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

設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格剖分，并將每一個網格劃分為足夠多的段來計算傳輸線參量，生成用于場線協同仿真的等效電路模型，如圖8(c)所示。

同軸電纜和網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電壓探頭的仿真結果為網線芯線的共模感應電壓，P17和P19電壓探頭的仿真結果為電源線芯線的共模電壓，P21和P23電壓探頭的仿真結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電壓等結果，不考慮線纜對外空間輻射場的影響。然后通過場路協同仿真計算得出在所施加激勵的平面波輻照下匯聚節點各線纜的時域響應情況。由圖9可知，匯聚節點線纜在施加激勵的平面波輻照下匯聚節點線纜通過遠場激勵場線耦合得出的感應電壓最大值分別為0.9 V、1.1 V和60 V。

圖9 匯聚節點線纜遠場場線耦合芯線感應電壓Fig.9 Convergence node cable far-field field line coupling core induced voltage

從時域仿真結果可以看出在遠場的條件下電源線的感應電壓幅值較大，而網線和同軸線的感應電壓幅值較小。從電磁干擾源的角度分析，由于采用平面波激勵，能量較大，使得線纜的感應電壓較大；從3種線纜自身的結構特性分析，網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生的感應電壓；而電源線既無屏蔽層也沒采用對絞的方式，從而芯線上的感應電壓較大；從端接阻抗角度分析，網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電壓較大。

本套匯聚節點設備采用12 V、2 A直流電源供電，匯聚節點內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為表1和2。

表1 5 V TTL器件的邏輯電平參數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器件靜態噪聲容限在“1”、“0”時分別是“≥1.3 V和≤1 V”。當感應電壓Vint+VOL>VIL時，將導致數字傳輸信號紊亂；當感應電壓Vint+VOL>Vcc時，將導致芯片燒毀。

圖10 邏輯電平與輸出狀態關系Fig.10 Logic level versus output state

由匯聚節點線纜遠場場線耦合仿真的結果，網線芯線上的感應電壓最大為0.9 V；同軸電纜芯線上的最大感應電壓為1.1 V；電源線芯線上的最大感應電壓為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電壓均超過了器件的靜態噪聲容限，會對匯聚節點設備內部的集成電路的正常工作造成影響。

3.2 匯聚節點數據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)以內的空間范圍為近場。匯聚節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。

在CST中建立了匯聚節點線纜近場情況下場線耦合仿真模型，并進行了場線協同仿真計算。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置為電壓形式。同樣地，在CST Cable Studio中建立了匯聚節點線纜的電磁輻照敏感度無源結構仿真模型，經過網格劃分后，得到線纜的二維傳輸線參數，然后得到匯聚節點線纜的場線協同仿真的等效電路模型，如圖11所示。

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

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

在完成近場激勵的設置后，進行近場場線耦合仿真計算，生成匯聚節點芯線上的響應。在匯聚節點線纜處設置電場探頭，經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電壓探頭的仿真結果為網線芯線的共模感應電壓，P17電壓探頭的仿真結果為同軸電纜芯線的共模電壓，P21和P23電壓探頭的仿真結果為電源線芯線的共模電壓。由近場情況下的仿真結果可知，在近場激勵的情況下，匯聚節點線纜處的電場幅值最大達到800 V/m。如圖12線纜感應電壓仿真結果所示，在最大電場強度為800 V/m的情況下，匯聚節點網線芯線的感應電壓最大值為1.4 V，同軸電纜芯線上的感應電壓最大值為0.06 V，電源線芯線上的感應電壓最大值為7 V。由器件的噪聲容限的概念可知，匯聚節點各線纜在近場激勵下，芯線上的感應電壓的最大值也大于5 V TTL和5 V CMOS器件的靜態噪聲容限，會影響匯聚節點內部集成電路的正常工作狀態。

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

4 結論

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

按照智慧型變電站匯聚節點線纜布局情況建立了匯聚節點線纜與瞬態空間電磁場的耦合模型；以瞬態空間電場作為激勵信號，分別仿真計算出匯聚節點線纜遠場和近場耦合模型中各線纜芯線共模感應電壓大小。由穩態情況下實測的匯聚節點線纜感應電流數據和瞬態空間電場激勵下仿真計算的匯聚節點線纜感應電壓數據分析可知：匯聚節點同軸電纜實測的感應電流值和仿真計算的感應電壓值最小；電源線實測的感應電流值和仿真計算的感應電壓值最大。

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