物聯(lián)網(wǎng)無線傳感單元在變電站中的EMC仿真研究

李繼琨

【摘要】無線傳感單元應(yīng)用到變電站中的電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有利于提升變電站測(cè)控系統(tǒng)的性能。然而變電站的電磁環(huán)境相當(dāng)惡劣，無線傳感單元在變電站電磁環(huán)境中的電磁兼容問題有待解決。由電磁輻射耦合機(jī)理可知，在無線傳感器節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生騷擾電壓對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間無線通信造成影響。通過CST軟件對(duì)無線溫度傳感器建立仿真模型，仿真結(jié)果表明：騷擾源主要以電磁輻射途徑作用到無線傳感器節(jié)點(diǎn)的天線上，對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)造成電磁干擾，電場(chǎng)極化方向?qū)μ炀€的電磁干擾程度有重要影響。

【關(guān)鍵詞】變電站;無線傳感器單元;電磁騷擾;仿真

隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，國家提出了“智能電網(wǎng)”計(jì)劃，隨即又提出以“感、傳、知”為特征的“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”研究規(guī)劃，以提高電網(wǎng)運(yùn)行管理水平。物聯(lián)網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合到電力系統(tǒng)中，加強(qiáng)了電網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)化水平管理。網(wǎng)絡(luò)可以通過無線傳感單元，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)設(shè)備智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理服務(wù)[1-4]。特別是伴隨特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，電力設(shè)備數(shù)目種類繁多，對(duì)電力系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。電力系統(tǒng)的安全、可靠的運(yùn)行需要對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)運(yùn)行環(huán)境和突發(fā)事件也要及時(shí)掌握[5]。通過在電力系統(tǒng)設(shè)備（如變壓器、斷路器、電抗器等）上布置大量微型的無線傳感單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備信號(hào)采集與傳輸?shù)闹匾δ?，有利于維護(hù)和保障電力系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行。同時(shí)免去人工操作的繁瑣工作，降低了有線監(jiān)控的高額成本[6]。因此，無線傳感單元憑借自身的特點(diǎn)彌補(bǔ)有線監(jiān)控的不足，是有線監(jiān)控有利的補(bǔ)充。

高壓變電站有限的空間匯集了母線、高壓器、斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備和保護(hù)、控制、通信等二次設(shè)備，是一個(gè)強(qiáng)弱電相結(jié)合的典型電磁環(huán)境。然而，高壓變電站在運(yùn)行時(shí)會(huì)在站內(nèi)區(qū)域及其周圍環(huán)境中產(chǎn)生電磁騷擾。無線傳感單元放置在變電站一次設(shè)備上，將會(huì)受到不同程度電磁騷擾的影響。當(dāng)這類影響可能會(huì)導(dǎo)致無線傳感單元丟包、甚至發(fā)出或收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。因此，本文利用CST軟件建立無線溫度傳感單元仿真模型，對(duì)無線傳感器單元進(jìn)行電磁兼容仿真研究。

1.變電站的電磁環(huán)境分析

在變電站的電磁環(huán)境中，一次設(shè)備主要產(chǎn)生兩類電磁信號(hào)。一類是穩(wěn)態(tài)電磁信號(hào)，另一類是瞬態(tài)電磁信號(hào)[7]。

穩(wěn)態(tài)電磁信號(hào)以工頻電壓、工頻電流、電暈、諧波等形式存在。變電站高壓線路和母線上工頻電壓、電流產(chǎn)生的工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)，電暈、諧波產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)，會(huì)向周圍空間輻射大能量的電磁波。

瞬態(tài)電磁信號(hào)主要由開關(guān)操作、雷擊和故障產(chǎn)生，并以暫態(tài)電磁波的形式輻射很高的能量。

（1）隔離開關(guān)操作時(shí)，將產(chǎn)生高頻率、前沿陡峭的瞬變電磁脈沖;在斷開的母線上將引起一系列的高頻電流波和高頻電壓波。

（2）當(dāng)發(fā)生雷電現(xiàn)象時(shí)，安裝在變電站中的避雷針進(jìn)行保護(hù)，此時(shí)耦合電流通過電纜傳入接地網(wǎng)，在電纜導(dǎo)線上產(chǎn)生很大的暫態(tài)電流和電壓。

（3）當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)短路故障時(shí)，大電流經(jīng)接地點(diǎn)泄入接地網(wǎng)，使接地點(diǎn)乃至整個(gè)接地網(wǎng)的電位升高，在二次電纜的芯線上產(chǎn)生的干擾電壓的峰值可達(dá)到幾十伏到一萬多伏，暫態(tài)電壓的頻率約幾kHz到幾百kHz[8]。

（4）高壓導(dǎo)線表面及絕緣子金具尖端部位的電暈放電、接觸不良產(chǎn)生的火花放電以及污穢絕緣子表面的局部放電火花等都會(huì)引起強(qiáng)烈的電流脈沖，電流脈沖向周圍輻射電磁波，形成高頻輻射干擾。局部放電信號(hào)通常是瞬變快速的時(shí)域信號(hào)，它的脈沖的持續(xù)時(shí)間介于1ns～100ns之間，上升時(shí)間在0.1ns～1ns之間，它是脈沖寬度為ns級(jí)的非周期波，相應(yīng)的頻域分布十分寬廣，具有豐富的高頻信號(hào)分量[9]。

圖1 局部放電信號(hào)

如圖1所示為局部放電信號(hào)時(shí)域信號(hào)和頻譜分析，該持續(xù)時(shí)間為9.8ns，上升時(shí)間為0.15ns。主頻分布集中在1.06GHz、1.77GHz、2.34 GHz。局部放電信號(hào)是上升時(shí)間極短的電流脈沖，會(huì)向周圍輻射高頻干擾。

2.電磁耦合機(jī)理分析

2.1 空間電磁場(chǎng)特性

當(dāng)干擾源與受干擾設(shè)備的距離d大于干擾信號(hào)的波長（即）時(shí)，騷擾源的性質(zhì)表現(xiàn)為輻射騷擾源，場(chǎng)的性質(zhì)表現(xiàn)為輻射電磁場(chǎng)（遠(yuǎn)場(chǎng)）。遠(yuǎn)場(chǎng)的特點(diǎn)是電場(chǎng)與磁場(chǎng)結(jié)合起來形成了平面電磁波，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比值為，其中Z為波阻抗。當(dāng)討論平面電磁波的時(shí)候，可以認(rèn)為電場(chǎng)、磁場(chǎng)處于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

當(dāng)騷擾源與受干擾設(shè)備的距離d小于干擾信號(hào)的波長（即）時(shí)，場(chǎng)的性質(zhì)表現(xiàn)為近場(chǎng)。在近場(chǎng)中，波阻抗取決于源的性質(zhì)和源到受干擾設(shè)備的距離。如果源具有高電流、低電壓（近場(chǎng)波阻抗Z小于377）的特性，那么近場(chǎng)中占優(yōu)勢(shì)的場(chǎng)是磁場(chǎng)，騷擾源的性質(zhì)表現(xiàn)為電場(chǎng)騷擾源;如果源具有低電流、高電壓（近場(chǎng)波阻抗Z大于377）的特性，那么近場(chǎng)中占優(yōu)勢(shì)的場(chǎng)是電場(chǎng)，騷擾源的性質(zhì)表現(xiàn)為磁場(chǎng)騷擾源。

2.2 電磁耦合途徑

在變電站的電磁環(huán)境中，電磁騷擾能量可以通過傳導(dǎo)和輻射途徑從干擾源耦合到敏感設(shè)備上。傳導(dǎo)耦合是指在干擾源與敏感設(shè)備之間有完整電路連接的耦合;輻射耦合則是在干擾源與敏感設(shè)備之間電磁能量空間輻射的耦合，又稱遠(yuǎn)場(chǎng)耦合或天線耦合。

無線溫度傳感器單元（如圖2所示）是采用微型電池提供運(yùn)行所需要的能量。由于外殼的屏蔽作用，無線溫度傳感單元信號(hào)回路中的電子元件得到了有效的保護(hù)。所以騷擾源主要通過天線耦合來影響無線傳感單元的正常工作。

圖2 無線傳感器單元

2.3 天線耦合

假設(shè)垂直放置的天線受到一個(gè)以角度的入射電場(chǎng)E輻射，如圖3所示。此時(shí)可以把入射電場(chǎng)E分解為垂直分量和水平分量。由于天線垂直放置，水平分量對(duì)天線不起作用，只有垂直分量（）會(huì)使天線產(chǎn)生騷擾電壓U。設(shè)接收天線有效長度為H，則騷擾電壓U可表示為：

（2-1）

圖3 天線耦合機(jī)理

接收天線的等效電路如圖3（b）所示，此時(shí)騷擾電流I可表示為：

（2-2）

Zin為天線內(nèi)阻抗，數(shù)值上等于用作發(fā)射時(shí)的輸入阻抗。ZL為接入天線端口的負(fù)載阻抗。

3.仿真及其結(jié)果分析

利用CST軟件對(duì)無線溫度傳感器單元（如圖2所示）建立仿真模型。設(shè)置平面波為激勵(lì)源，平面波的電場(chǎng)強(qiáng)度為10V/m，該強(qiáng)度為IEC61000-4-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第三級(jí)試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)。局部放電信號(hào)（如圖1-a所示）為激勵(lì)信號(hào)。電壓探頭1添加在天線上，測(cè)得電壓為voltage1;電壓探頭2添加在信號(hào)回路中，測(cè)得電壓為voltage2。

3.1 平面波沿Y軸照射，電場(chǎng)極化方向沿Z軸

平面波的電場(chǎng)強(qiáng)度為10V/m，方向沿Y軸照射，電場(chǎng)極化方向沿Z軸，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 情況1仿真結(jié)果

從圖4仿真結(jié)果得知，探頭1天線的最大感應(yīng)電壓幅值為0.82V，探頭2信號(hào)回路的最大感應(yīng)電壓為0.036mV。由于外殼的屏蔽作用，穿透屏蔽外殼的電磁波能量明顯減弱，在信號(hào)回路內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較小。當(dāng)電場(chǎng)極化方向和天線的極化方向相同，天線上會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。此時(shí)，天線接收的感應(yīng)電壓會(huì)在信號(hào)回路中產(chǎn)生騷擾電流，通過傳導(dǎo)到信號(hào)回路中的電子元器件，導(dǎo)致無線傳感器單元的傳輸數(shù)據(jù)丟包、延時(shí)等影響。由磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖可知：天線上明顯可見紅色區(qū)域的磁場(chǎng)感應(yīng)較強(qiáng)。同樣，由于外殼的屏蔽作用，有效的減弱電磁波能量，使得在信號(hào)回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓很小。

3.2 平面波沿Y軸照射，電場(chǎng)極化方向沿X軸

通過改變平面波的電場(chǎng)極化方向?yàn)閄，分析天線上的感應(yīng)電壓幅值變化，電場(chǎng)強(qiáng)度為10V/m，仿真波形如圖5所示。

圖5 情況2仿真結(jié)果

圖5描述了在平面波的電場(chǎng)強(qiáng)度相等條件下，改變電場(chǎng)極化方向?qū)μ炀€造成的影響。探頭2在信號(hào)回路中最大感應(yīng)電壓為0.036mV，由于外殼的屏蔽作用，使得在信號(hào)回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓很小;探頭1在天線上產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓幅值為1.52mV，由于沿Y軸的電場(chǎng)極化方向與天線的極化方向垂直，接收能量相對(duì)減弱，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓相對(duì)較小。因此，電場(chǎng)極化方向?qū)o線傳感器節(jié)點(diǎn)的天線的電磁騷擾程度有重要的影響。由磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖可知，天線上的的磁場(chǎng)感應(yīng)較弱。

4.結(jié)論

在變電站區(qū)域內(nèi)存在惡劣的電磁環(huán)境，會(huì)對(duì)無線傳感單元在變電站中的正常工作造成干擾。通過結(jié)合電磁耦合機(jī)理分析，利用CST軟件對(duì)無線溫度傳感器建立仿真模型。對(duì)天線和信號(hào)回路的感應(yīng)電壓進(jìn)行比較，天線的感應(yīng)電壓遠(yuǎn)大于信號(hào)回路的感應(yīng)電壓，表明騷擾源主要以電磁輻射途徑耦合到無線傳感器節(jié)點(diǎn)的天線上，對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)造成電磁干擾。騷擾源的電場(chǎng)極化方向與無線傳感器節(jié)點(diǎn)天線的極化方向相同時(shí)，天線接收干擾信號(hào)較強(qiáng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流較大，對(duì)無線傳感器正常工作影響嚴(yán)重。所以，電場(chǎng)極化方向?qū)μ炀€的電磁干擾程度有重要影響。因此，安裝無線傳感器節(jié)點(diǎn)之前，需要對(duì)變電站的電磁環(huán)境進(jìn)行有效的評(píng)估，為無線傳感器在變電站中的正常工作提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1]李建岐，雷煜卿，侯寶素.RuBee技術(shù)簡(jiǎn)介及其在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（8）：199-204.

[2]楊剛，沈沛意，鄭春紅.物聯(lián)網(wǎng)理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[3]景博，孫劼，孫勇.智能網(wǎng)絡(luò)傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[4]吳功宜.智慧的物聯(lián)網(wǎng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]陳建明，陳利平，魏錦美.Zigbee通信技術(shù)在配電線路安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].電力監(jiān)控，2010（5）：68-70.

[6]F.Cleveland，Member IEEE.Use of Wireless Data Com-munications in Power System Operations[J].2006.

[7]張衛(wèi)東，崔翔.變電站和換流站電磁騷擾的測(cè)量與特征分析[J].廣東輸電與變電技術(shù)，2009，11（1）：1-9.

[8]黃益莊.變電站智能電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36（15）：6-9.

[9]何彬.電力系統(tǒng)二次設(shè)備的電磁兼容問題[J].中國電力，1998，31（4）：46-50.