數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備電磁干擾自動(dòng)控制方法

張海霞，陳見(jiàn)輝

（1.河南科技職業(yè)大學(xué)，周口 466000；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，昆明 650201）

0 引言

電磁干擾是一種常見(jiàn)的電量信號(hào)傳輸噪音，必須以電磁輻射發(fā)生源作為產(chǎn)生裝置，在其傳輸過(guò)程中，能夠直接干擾電纜信號(hào)波的完整性與穩(wěn)定性水平。常見(jiàn)的電磁干擾現(xiàn)象包含輻射型干擾、傳導(dǎo)型干擾兩種表現(xiàn)形式。其中，輻射型干擾是指干擾源設(shè)備借助傳導(dǎo)空間，將信號(hào)參量輸送至另一個(gè)電量網(wǎng)絡(luò)之中；傳導(dǎo)型干擾是指干擾源設(shè)備借助導(dǎo)電介質(zhì)，將一個(gè)信號(hào)參量輸送至另一個(gè)電量網(wǎng)絡(luò)之中，在此過(guò)程中，信號(hào)參量的傳輸行為完全符合耦合特征[1]。數(shù)字化變電站作為一個(gè)強(qiáng)大的電磁干擾源，在其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾，且由于電子設(shè)備對(duì)于電量信號(hào)的感知敏感性不同，這些電磁干擾參量所帶來(lái)的波動(dòng)影響也會(huì)有所不同。隨著變電站運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，電磁干擾作用的表現(xiàn)能力也會(huì)不斷增強(qiáng)，此時(shí)電流諧波、電壓諧波的物理波形很難保持連續(xù)穩(wěn)定的存在狀態(tài)。為解決上述問(wèn)題，針對(duì)數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備的電磁干擾自動(dòng)控制方法展開(kāi)研究。

1 數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備的電磁特性分析

數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備的電磁特性分析以電場(chǎng)耦合強(qiáng)度指標(biāo)、磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度指標(biāo)為基礎(chǔ)，并可以聯(lián)合相關(guān)物理量，對(duì)公共阻抗耦合行為量的數(shù)值變化行為進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)劃，本文將針對(duì)上述內(nèi)容展開(kāi)深入研究。

1.1 電場(chǎng)耦合強(qiáng)度

電場(chǎng)耦合也叫電容耦合（靜電耦合），是由電容差異分布行為主導(dǎo)的電量耦合方式。所謂耦合就是指電子設(shè)備輸出電量信號(hào)由第一級(jí)設(shè)備向著第二級(jí)設(shè)備進(jìn)行傳遞的過(guò)程，在不加注明顯標(biāo)注說(shuō)明時(shí)，電場(chǎng)耦合直接指代交流耦合行為[2]。在數(shù)字化變電站的智能輸電環(huán)境中，電場(chǎng)耦合包含所有能量或信號(hào)在不同電路結(jié)點(diǎn)處的電容傳遞變化量。設(shè)表示數(shù)字化變電站智能電場(chǎng)E中的電信號(hào)輸出量均值，UR表示電子設(shè)備R兩端的負(fù)載電壓，表示電子設(shè)備R的接入電阻數(shù)值，表示電量耦合指標(biāo)的最大取值結(jié)果，表示電量耦合指標(biāo)的最小取值結(jié)果，表示與電子設(shè)備R匹配的電信號(hào)耦合權(quán)限。聯(lián)立上述物理量，可將電場(chǎng)耦合強(qiáng)度表達(dá)式定義為：

由于數(shù)字化變電站的高壓電量輸入端會(huì)產(chǎn)生明顯的低頻電場(chǎng)，所以智能電子設(shè)備內(nèi)部的耦合電平始終與電纜芯線內(nèi)部的耦合電平保持相等狀態(tài)。因此，在計(jì)算電場(chǎng)耦合強(qiáng)度時(shí)，默認(rèn)低頻電場(chǎng)內(nèi)的物理電壓始終等于其物理最大值。

1.2 磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度

磁場(chǎng)耦合特指電子設(shè)備線圈內(nèi)表現(xiàn)出的電流變化行為，由于電量信號(hào)的滲透能力較強(qiáng)，所以相鄰線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)隨之呈現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)，由于電流變化與電動(dòng)勢(shì)變化始終保持相互獨(dú)立的存在狀態(tài)，所以它們之間的相互影響是以磁場(chǎng)作用為基礎(chǔ)建立起來(lái)的。在數(shù)字化變電站環(huán)境中，電子設(shè)備導(dǎo)體的兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)分別設(shè)立在兩個(gè)獨(dú)立的接線柱結(jié)構(gòu)之上，若將線圈看作一個(gè)完整的閉合電路，則可認(rèn)為：“當(dāng)導(dǎo)體設(shè)備在磁場(chǎng)中呈現(xiàn)出明顯的向左或向右運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，磁力線會(huì)受到電量信號(hào)的橫向切割，從而促使電流表元件的物理指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就表明在磁場(chǎng)耦合作用下，數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流”[3]。設(shè)φ-表示數(shù)字化變電站感應(yīng)磁場(chǎng)W中的磁通量均值，f表示電磁感應(yīng)系數(shù)，β表示電磁感應(yīng)特征，S︿表示感應(yīng)磁場(chǎng)W中的電量傳輸行為特征，q表示感應(yīng)磁場(chǎng)W中的電量信號(hào)耦合系數(shù)，ΔT表示磁通量信號(hào)的單位耦合時(shí)長(zhǎng)。聯(lián)立上述物理量，可將磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度表達(dá)式定義為：

與電場(chǎng)耦合行為相比，磁場(chǎng)耦合行為完全是由數(shù)字化變電站體系內(nèi)的電流傳輸信號(hào)引起的，與電壓數(shù)值并無(wú)明顯關(guān)聯(lián)性關(guān)系。

1.3 公共阻抗耦合行為量

公共阻抗耦合行為是指數(shù)字化變電站公共地線上流過(guò)的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的電位差向量，對(duì)智能電子設(shè)備運(yùn)行能力造成的影響。當(dāng)感應(yīng)電流流入地網(wǎng)時(shí)，由于電網(wǎng)設(shè)備自身具有一定的物理電阻，所以當(dāng)主電位處的電壓水平不斷升高時(shí)，已接入電子設(shè)備兩端的感應(yīng)電壓數(shù)值也會(huì)隨之升高，這不但會(huì)加速電磁信號(hào)的擴(kuò)散能力，也會(huì)使遠(yuǎn)地端的物理數(shù)值快速增大，拉大地電位差的梯度水平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁輸入信號(hào)的有效抵抗。設(shè)λ→表示既定的電位差向量，δ0表示地電位差的初始數(shù)值，δn表示地電位差的實(shí)際數(shù)值，A表示電磁信號(hào)擴(kuò)散系數(shù)，n表示電磁輸入信號(hào)的梯度標(biāo)記值。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(1)、式(2)，可將公共阻抗耦合行為量表達(dá)式定義為：

對(duì)于數(shù)字化變電站的智能電子設(shè)備而言，公共阻抗耦合行為量的數(shù)值結(jié)果能夠決定電量信號(hào)在耦合磁場(chǎng)中的實(shí)時(shí)傳輸能力。

2 電磁干擾行為的自動(dòng)控制策略

智能電子設(shè)備電磁干擾自動(dòng)控制方法的設(shè)計(jì)包含共模等效電路建立、電磁諧波量計(jì)算、幅相抵消系數(shù)確定三個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)，具體分析方法如下。

2.1 共模等效電路

共模等效電路能夠提供數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備所需的電磁傳輸信號(hào)，并可以在信號(hào)放大器結(jié)構(gòu)的作用下，更改電磁信號(hào)的傳輸形式，從而使得阻抗回路內(nèi)的電流與電壓諧波呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的表現(xiàn)狀態(tài)[4]。電路結(jié)構(gòu)體內(nèi)部同時(shí)存在多個(gè)連接電阻，其中r1電阻的數(shù)值水平相對(duì)較小，而r2電阻的數(shù)值水平相對(duì)較大。r1電阻負(fù)責(zé)將散亂分布的電磁信號(hào)整合成束狀傳輸形式，并可以借助L阻抗元件，將這些感應(yīng)電量反饋至C級(jí)敏感元件之中；r2電阻能夠在承載高壓電量信號(hào)的同時(shí)，調(diào)度阻抗回路內(nèi)的電磁感應(yīng)信號(hào)，從而使得整個(gè)共模等效電路中的傳輸電流與傳輸電壓數(shù)值始終保持穩(wěn)定。完整的共模等效電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 共模等效電路示意圖

在電磁干擾作用的影響下，共模等效電路的連接能力會(huì)隨著電場(chǎng)耦合強(qiáng)度、磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度數(shù)值的改變而不斷變化。

2.2 電磁諧波量計(jì)算

在共模等效電路環(huán)境中，電磁諧波作為一項(xiàng)矢量性指標(biāo)，其計(jì)算數(shù)值具有明顯的方向性，其中正方向表示電磁信號(hào)帶有絕對(duì)的正電量，此時(shí)電場(chǎng)組織、磁場(chǎng)組織的耦合能力相對(duì)較強(qiáng)；負(fù)方向則表示電磁信號(hào)帶有絕對(duì)的負(fù)電量，此時(shí)電場(chǎng)組織、磁場(chǎng)組織的耦合能力相對(duì)較弱。設(shè)k1、k2、...、kn表示n個(gè)不同的電磁信號(hào)波動(dòng)指標(biāo)，且k1≠k2≠kn的不等式條件恒成立，ξ表示既定的諧波感應(yīng)系數(shù)，且ξ指標(biāo)的物理取值恒大于自然數(shù)“1”，f表示共模等效電路內(nèi)部的電磁信號(hào)分布標(biāo)量。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式(3)，可將電磁諧波量計(jì)算表達(dá)式定義為：

為使數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備能夠充分抵抗電磁干擾作用，在計(jì)算電磁諧波量時(shí)，必須將共模等效電路內(nèi)的電量振蕩行為考慮在內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，共模等效電路內(nèi)電量振蕩行為的表現(xiàn)情況越明顯，電磁諧波量的數(shù)值計(jì)算結(jié)果也就越大；反之，若共模等效電路內(nèi)電量振蕩行為的表現(xiàn)情況較為輕微，電磁諧波量的數(shù)值計(jì)算結(jié)果也就相對(duì)較小。

2.3 幅相抵消系數(shù)

幅相抵消系數(shù)計(jì)算是數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備電磁干擾自動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)的末尾處理環(huán)節(jié)，可在電磁諧波量計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)電場(chǎng)耦合強(qiáng)度、磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度的數(shù)值可靠性進(jìn)行判別。在運(yùn)輸過(guò)程中，幅相抵消系數(shù)求解同時(shí)涉及電壓磁通、電流磁通兩項(xiàng)物理指標(biāo)[5]。電壓磁通常表示為θu，作為一項(xiàng)標(biāo)量應(yīng)用指標(biāo)，該項(xiàng)物理系數(shù)的取值結(jié)果越大，幅相抵消系數(shù)的實(shí)值計(jì)算結(jié)果也就越大。電流磁通常表示為θi，與電壓磁通指標(biāo)不同，該項(xiàng)物理系數(shù)具備明顯的方向性，其中正方向表示電磁干擾行為的作用能力為正，而負(fù)方向則表示電磁干擾行為的作用能力為負(fù)。聯(lián)立上述物理量，可將幅相抵消系數(shù)計(jì)算表達(dá)式定義為：

其中，μ表示電磁干擾作用的幅相調(diào)度指標(biāo)，ρ表示電量信號(hào)在感應(yīng)磁場(chǎng)中的分布密度，Δg表示單位時(shí)間內(nèi)的電磁通量變化數(shù)值。為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備電磁干擾作用的自動(dòng)化控制，在制定實(shí)踐操作指令時(shí)，必須以幅相抵消系數(shù)作為關(guān)鍵參考條件。

3 實(shí)例分析

為突出說(shuō)明電磁干擾自動(dòng)控制方法與傳統(tǒng)無(wú)線同步技術(shù)檢測(cè)方法的實(shí)用差異性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將待測(cè)電磁信號(hào)輸入圖2所示的檢測(cè)裝置之中，首先利用自動(dòng)化方法對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行控制，將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)組變量；然后利用傳統(tǒng)無(wú)線同步技術(shù)檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)裝置進(jìn)行控制，將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)照組變量；最后對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變量，分析指標(biāo)參量的具體數(shù)值變化情況。

圖2 電磁信號(hào)檢測(cè)

電流諧波、電壓諧波物理波形的數(shù)值狀態(tài)，均能反映出變電設(shè)備對(duì)于電磁信號(hào)輸出行為的抑制作用能力，通常情況下，電流諧波與電壓諧波物理波形的數(shù)值狀態(tài)越穩(wěn)定，則表示變電設(shè)備對(duì)于電磁信號(hào)輸出行為的抑制作用能力越強(qiáng)，此時(shí)所采用控制方法也就越具有實(shí)用性價(jià)值。

下圖反映了電流諧波、電壓諧波的理想波形變化狀態(tài)。

分析圖3可知，在理想情況下，電流諧波的物理波形始終保持來(lái)回波動(dòng)的數(shù)值變化狀態(tài)，其最大數(shù)值達(dá)到了9.43A、最小數(shù)值達(dá)到了3.48A，二者之間的物理差值為5.95A。在理想情況下，電壓諧波的物理波形也始終保持來(lái)回波動(dòng)的數(shù)值變化狀態(tài)，其最大數(shù)值達(dá)到了300V、最小數(shù)值達(dá)到了100V，二者之間的物理差值為200V。

圖3 理想波形變化曲線

如表1所示記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電流諧波的數(shù)值變化情況。

表1 電流諧波的實(shí)驗(yàn)數(shù)值

分析表1可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組電流諧波始終保持來(lái)回波動(dòng)的數(shù)值變化狀態(tài)，整體變化趨勢(shì)與理想數(shù)值一致，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其最大值達(dá)到了6.91A，略高于理想極大值，最小值達(dá)到了6.38A，略低于理想極小值。對(duì)照組電流諧波則保持先上升、再趨于穩(wěn)定的數(shù)值變化狀態(tài)，其最大值達(dá)到了6.69A，低于理想極大值。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照組電流諧波的數(shù)值穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如實(shí)驗(yàn)組。

如表2所示記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電壓諧波的數(shù)值變化情況。

分析表2可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組電壓諧波呈現(xiàn)出來(lái)回波動(dòng)的數(shù)值變化狀態(tài)，整體變化趨勢(shì)與理想數(shù)值一致，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其最大值達(dá)到了298.47V，略低于理想極大值，其最小值達(dá)到了121.53V，略高于理想極小值。對(duì)照組電壓諧波則保持先上升、再穩(wěn)定的數(shù)值變化狀態(tài)，其整體變化趨勢(shì)并不能與理想數(shù)值保持一致，諧波曲線的穩(wěn)定性能力也遠(yuǎn)不如實(shí)驗(yàn)組。

表2 電壓諧波的實(shí)驗(yàn)數(shù)值

綜上可認(rèn)為，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

1）在無(wú)線同步技術(shù)的作用下，電磁干擾作用對(duì)電流諧波、電壓諧波的影響能力較強(qiáng)，并不能使諧波曲線呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的表現(xiàn)形式，不符合抑制電磁信號(hào)輸出行為的實(shí)際應(yīng)用需求，即該方法的實(shí)用能力較弱；

2）在自動(dòng)控制方法的作用下，電磁干擾作用對(duì)電流諧波、電壓諧波的影響能力減弱，諧波曲線能夠長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定的表現(xiàn)狀態(tài)，符合抑制電磁信號(hào)輸出行為的實(shí)際應(yīng)用需求，即該方法的實(shí)用能力較強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)無(wú)線同步技術(shù)相比，數(shù)字化變電站智能電子設(shè)備電磁干擾自動(dòng)控制方法從電場(chǎng)耦合強(qiáng)度、磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度兩個(gè)角度著手，對(duì)公共阻抗耦合行為量數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，又借助共模等效電路，確定幅相抵消參量的具體數(shù)值。從實(shí)用性角度來(lái)看，隨著這種新型控制方法的應(yīng)用，電流諧波、電壓諧波在電磁干擾作用下的物理波形均能呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的傳輸狀態(tài)，在抑制電磁信號(hào)的表現(xiàn)能力方面，具有較強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值。