物聯網無線傳感單元在變電站中的EMC仿真研究

李繼琨

【摘要】無線傳感單元應用到變電站中的電力設備狀態監測，有利于提升變電站測控系統的性能。然而變電站的電磁環境相當惡劣，無線傳感單元在變電站電磁環境中的電磁兼容問題有待解決。由電磁輻射耦合機理可知，在無線傳感器節點中產生騷擾電壓對無線傳感器節點之間無線通信造成影響。通過CST軟件對無線溫度傳感器建立仿真模型，仿真結果表明：騷擾源主要以電磁輻射途徑作用到無線傳感器節點的天線上，對無線傳感器節點造成電磁干擾，電場極化方向對天線的電磁干擾程度有重要影響。

【關鍵詞】變電站;無線傳感器單元;電磁騷擾;仿真

隨著我國電力事業的快速發展，國家提出了“智能電網”計劃，隨即又提出以“感、傳、知”為特征的“物聯網技術”研究規劃，以提高電網運行管理水平。物聯網是將先進的傳感技術、通信技術、網絡技術等融合到電力系統中，加強了電網設備自動化水平管理。網絡可以通過無線傳感單元，實現電力系統設備智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理服務[1-4]。特別是伴隨特高壓電網的發展，電力設備數目種類繁多，對電力系統的安全監測提出了更高的要求。電力系統的安全、可靠的運行需要對電力設備的運行狀態進行實時監控，對運行環境和突發事件也要及時掌握[5]。通過在電力系統設備（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，可以實現對電力設備信號采集與傳輸的重要功能，有利于維護和保障電力系統設備的安全運行。同時免去人工操作的繁瑣工作，降低了有線監控的高額成本[6]。因此，無線傳感單元憑借自身的特點彌補有線監控的不足，是有線監控有利的補充。

高壓變電站有限的空間匯集了母線、高壓器、斷路器、隔離開關等一次設備和保護、控制、通信等二次設備，是一個強弱電相結合的典型電磁環境。然而，高壓變電站在運行時會在站內區域及其周圍環境中產生電磁騷擾。無線傳感單元放置在變電站一次設備上，將會受到不同程度電磁騷擾的影響。當這類影響可能會導致無線傳感單元丟包、甚至發出或收到錯誤的數據。因此，本文利用CST軟件建立無線溫度傳感單元仿真模型，對無線傳感器單元進行電磁兼容仿真研究。

1.變電站的電磁環境分析

在變電站的電磁環境中，一次設備主要產生兩類電磁信號。一類是穩態電磁信號，另一類是瞬態電磁信號[7]。

穩態電磁信號以工頻電壓、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、電流產生的工頻電場和磁場，電暈、諧波產生的高頻電磁場，會向周圍空間輻射大能量的電磁波。

瞬態電磁信號主要由開關操作、雷擊和故障產生，并以暫態電磁波的形式輻射很高的能量。

（1）隔離開關操作時，將產生高頻率、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）當發生雷電現象時，安裝在變電站中的避雷針進行保護，此時耦合電流通過電纜傳入接地網，在電纜導線上產生很大的暫態電流和電壓。

（3）當發生系統短路故障時，大電流經接地點泄入接地網，使接地點乃至整個接地網的電位升高，在二次電纜的芯線上產生的干擾電壓的峰值可達到幾十伏到一萬多伏，暫態電壓的頻率約幾kHz到幾百kHz[8]。

（4）高壓導線表面及絕緣子金具尖端部位的電暈放電、接觸不良產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引起強烈的電流脈沖，電流脈沖向周圍輻射電磁波，形成高頻輻射干擾。局部放電信號通常是瞬變快速的時域信號，它的脈沖的持續時間介于1ns～100ns之間，上升時間在0.1ns～1ns之間，它是脈沖寬度為ns級的非周期波，相應的頻域分布十分寬廣，具有豐富的高頻信號分量[9]。

圖1 局部放電信號

如圖1所示為局部放電信號時域信號和頻譜分析，該持續時間為9.8ns，上升時間為0.15ns。主頻分布集中在1.06GHz、1.77GHz、2.34 GHz。局部放電信號是上升時間極短的電流脈沖，會向周圍輻射高頻干擾。

2.電磁耦合機理分析

2.1 空間電磁場特性

當干擾源與受干擾設備的距離d大于干擾信號的波長（即）時，騷擾源的性質表現為輻射騷擾源，場的性質表現為輻射電磁場（遠場）。遠場的特點是電場與磁場結合起來形成了平面電磁波，電場與磁場的比值為，其中Z為波阻抗。當討論平面電磁波的時候，可以認為電場、磁場處于遠場區。

當騷擾源與受干擾設備的距離d小于干擾信號的波長（即）時，場的性質表現為近場。在近場中，波阻抗取決于源的性質和源到受干擾設備的距離。如果源具有高電流、低電壓（近場波阻抗Z小于377）的特性，那么近場中占優勢的場是磁場，騷擾源的性質表現為電場騷擾源;如果源具有低電流、高電壓（近場波阻抗Z大于377）的特性，那么近場中占優勢的場是電場，騷擾源的性質表現為磁場騷擾源。

2.2 電磁耦合途徑

在變電站的電磁環境中，電磁騷擾能量可以通過傳導和輻射途徑從干擾源耦合到敏感設備上。傳導耦合是指在干擾源與敏感設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備之間電磁能量空間輻射的耦合，又稱遠場耦合或天線耦合。

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回路中的電子元件得到了有效的保護。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

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

（2-1）

圖3 天線耦合機理

接收天線的等效電路如圖3（b）所示，此時騷擾電流I可表示為：

（2-2）

Zin為天線內阻抗，數值上等于用作發射時的輸入阻抗。ZL為接入天線端口的負載阻抗。

3.仿真及其結果分析

利用CST軟件對無線溫度傳感器單元（如圖2所示）建立仿真模型。設置平面波為激勵源，平面波的電場強度為10V/m，該強度為IEC61000-4-3標準規定的第三級試驗場強。局部放電信號（如圖1-a所示）為激勵信號。電壓探頭1添加在天線上，測得電壓為voltage1;電壓探頭2添加在信號回路中，測得電壓為voltage2。

3.1 平面波沿Y軸照射，電場極化方向沿Z軸

平面波的電場強度為10V/m，方向沿Y軸照射，電場極化方向沿Z軸，仿真結果如圖4所示。

圖4 情況1仿真結果

從圖4仿真結果得知，探頭1天線的最大感應電壓幅值為0.82V，探頭2信號回路的最大感應電壓為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，在信號回路內產生的感應電壓較小。當電場極化方向和天線的極化方向相同，天線上會產生較大的感應電壓。此時，天線接收的感應電壓會在信號回路中產生騷擾電流，通過傳導到信號回路中的電子元器件，導致無線傳感器單元的傳輸數據丟包、延時等影響。由磁場強度分布圖可知：天線上明顯可見紅色區域的磁場感應較強。同樣，由于外殼的屏蔽作用，有效的減弱電磁波能量，使得在信號回路中產生的感應電壓很小。

3.2 平面波沿Y軸照射，電場極化方向沿X軸

通過改變平面波的電場極化方向為X，分析天線上的感應電壓幅值變化，電場強度為10V/m，仿真波形如圖5所示。

圖5 情況2仿真結果

圖5描述了在平面波的電場強度相等條件下，改變電場極化方向對天線造成的影響。探頭2在信號回路中最大感應電壓為0.036mV，由于外殼的屏蔽作用，使得在信號回路中產生的感應電壓很小;探頭1在天線上產生的最大感應電壓幅值為1.52mV，由于沿Y軸的電場極化方向與天線的極化方向垂直，接收能量相對減弱，產生的感應電壓相對較小。因此，電場極化方向對無線傳感器節點的天線的電磁騷擾程度有重要的影響。由磁場強度分布圖可知，天線上的的磁場感應較弱。

4.結論

在變電站區域內存在惡劣的電磁環境，會對無線傳感單元在變電站中的正常工作造成干擾。通過結合電磁耦合機理分析，利用CST軟件對無線溫度傳感器建立仿真模型。對天線和信號回路的感應電壓進行比較，天線的感應電壓遠大于信號回路的感應電壓，表明騷擾源主要以電磁輻射途徑耦合到無線傳感器節點的天線上，對無線傳感器節點造成電磁干擾。騷擾源的電場極化方向與無線傳感器節點天線的極化方向相同時，天線接收干擾信號較強，產生的感應電壓和電流較大，對無線傳感器正常工作影響嚴重。所以，電場極化方向對天線的電磁干擾程度有重要影響。因此，安裝無線傳感器節點之前，需要對變電站的電磁環境進行有效的評估，為無線傳感器在變電站中的正常工作提供保障。

參考文獻

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