數字化變電站智能電子設備電磁干擾自動控制方法

張海霞，陳見輝

（1.河南科技職業大學，周口 466000；2.云南農業大學，昆明 650201）

0 引言

電磁干擾是一種常見的電量信號傳輸噪音，必須以電磁輻射發生源作為產生裝置，在其傳輸過程中，能夠直接干擾電纜信號波的完整性與穩定性水平。常見的電磁干擾現象包含輻射型干擾、傳導型干擾兩種表現形式。其中，輻射型干擾是指干擾源設備借助傳導空間，將信號參量輸送至另一個電量網絡之中；傳導型干擾是指干擾源設備借助導電介質，將一個信號參量輸送至另一個電量網絡之中，在此過程中，信號參量的傳輸行為完全符合耦合特征[1]。數字化變電站作為一個強大的電磁干擾源，在其運行過程中會產生大量的電磁干擾，且由于電子設備對于電量信號的感知敏感性不同，這些電磁干擾參量所帶來的波動影響也會有所不同。隨著變電站運行時間的延長，電磁干擾作用的表現能力也會不斷增強，此時電流諧波、電壓諧波的物理波形很難保持連續穩定的存在狀態。為解決上述問題，針對數字化變電站智能電子設備的電磁干擾自動控制方法展開研究。

1 數字化變電站智能電子設備的電磁特性分析

數字化變電站智能電子設備的電磁特性分析以電場耦合強度指標、磁場耦合強度指標為基礎，并可以聯合相關物理量，對公共阻抗耦合行為量的數值變化行為進行嚴格規劃，本文將針對上述內容展開深入研究。

1.1 電場耦合強度

電場耦合也叫電容耦合（靜電耦合），是由電容差異分布行為主導的電量耦合方式。所謂耦合就是指電子設備輸出電量信號由第一級設備向著第二級設備進行傳遞的過程，在不加注明顯標注說明時，電場耦合直接指代交流耦合行為[2]。在數字化變電站的智能輸電環境中，電場耦合包含所有能量或信號在不同電路結點處的電容傳遞變化量。設表示數字化變電站智能電場E中的電信號輸出量均值，UR表示電子設備R兩端的負載電壓，表示電子設備R的接入電阻數值，表示電量耦合指標的最大取值結果，表示電量耦合指標的最小取值結果，表示與電子設備R匹配的電信號耦合權限。聯立上述物理量，可將電場耦合強度表達式定義為：

由于數字化變電站的高壓電量輸入端會產生明顯的低頻電場，所以智能電子設備內部的耦合電平始終與電纜芯線內部的耦合電平保持相等狀態。因此，在計算電場耦合強度時，默認低頻電場內的物理電壓始終等于其物理最大值。

1.2 磁場耦合強度

磁場耦合特指電子設備線圈內表現出的電流變化行為，由于電量信號的滲透能力較強，所以相鄰線圈內的感應電動勢也會隨之呈現出一定的變化趨勢，由于電流變化與電動勢變化始終保持相互獨立的存在狀態，所以它們之間的相互影響是以磁場作用為基礎建立起來的。在數字化變電站環境中，電子設備導體的兩個端節點分別設立在兩個獨立的接線柱結構之上，若將線圈看作一個完整的閉合電路，則可認為：“當導體設備在磁場中呈現出明顯的向左或向右運動趨勢時，磁力線會受到電量信號的橫向切割，從而促使電流表元件的物理指針發生偏轉，這就表明在磁場耦合作用下，數字化變電站智能電子設備線圈內會產生感應電流”[3]。設φ-表示數字化變電站感應磁場W中的磁通量均值，f表示電磁感應系數，β表示電磁感應特征，S︿表示感應磁場W中的電量傳輸行為特征，q表示感應磁場W中的電量信號耦合系數，ΔT表示磁通量信號的單位耦合時長。聯立上述物理量，可將磁場耦合強度表達式定義為：

與電場耦合行為相比，磁場耦合行為完全是由數字化變電站體系內的電流傳輸信號引起的，與電壓數值并無明顯關聯性關系。

1.3 公共阻抗耦合行為量

公共阻抗耦合行為是指數字化變電站公共地線上流過的感應電流所產生的電位差向量，對智能電子設備運行能力造成的影響。當感應電流流入地網時，由于電網設備自身具有一定的物理電阻，所以當主電位處的電壓水平不斷升高時，已接入電子設備兩端的感應電壓數值也會隨之升高，這不但會加速電磁信號的擴散能力，也會使遠地端的物理數值快速增大，拉大地電位差的梯度水平，從而實現對電磁輸入信號的有效抵抗。設λ→表示既定的電位差向量，δ0表示地電位差的初始數值，δn表示地電位差的實際數值，A表示電磁信號擴散系數，n表示電磁輸入信號的梯度標記值。在上述物理量的支持下，聯立式(1)、式(2)，可將公共阻抗耦合行為量表達式定義為：

對于數字化變電站的智能電子設備而言，公共阻抗耦合行為量的數值結果能夠決定電量信號在耦合磁場中的實時傳輸能力。

2 電磁干擾行為的自動控制策略

智能電子設備電磁干擾自動控制方法的設計包含共模等效電路建立、電磁諧波量計算、幅相抵消系數確定三個執行環節，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字化變電站智能電子設備所需的電磁傳輸信號，并可以在信號放大器結構的作用下，更改電磁信號的傳輸形式，從而使得阻抗回路內的電流與電壓諧波呈現出相對穩定的表現狀態[4]。電路結構體內部同時存在多個連接電阻，其中r1電阻的數值水平相對較小，而r2電阻的數值水平相對較大。r1電阻負責將散亂分布的電磁信號整合成束狀傳輸形式，并可以借助L阻抗元件，將這些感應電量反饋至C級敏感元件之中；r2電阻能夠在承載高壓電量信號的同時，調度阻抗回路內的電磁感應信號，從而使得整個共模等效電路中的傳輸電流與傳輸電壓數值始終保持穩定。完整的共模等效電路結構示意圖如圖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隨著電場耦合強度、磁場耦合強度數值的改變而不斷變化。

2.2 電磁諧波量計算

在共模等效電路環境中，電磁諧波作為一項矢量性指標，其計算數值具有明顯的方向性，其中正方向表示電磁信號帶有絕對的正電量，此時電場組織、磁場組織的耦合能力相對較強；負方向則表示電磁信號帶有絕對的負電量，此時電場組織、磁場組織的耦合能力相對較弱。設k1、k2、...、kn表示n個不同的電磁信號波動指標，且k1≠k2≠kn的不等式條件恒成立，ξ表示既定的諧波感應系數，且ξ指標的物理取值恒大于自然數“1”，f表示共模等效電路內部的電磁信號分布標量。在上述物理量的支持下，聯立式(3)，可將電磁諧波量計算表達式定義為：

為使數字化變電站智能電子設備能夠充分抵抗電磁干擾作用，在計算電磁諧波量時，必須將共模等效電路內的電量振蕩行為考慮在內。一般來說，共模等效電路內電量振蕩行為的表現情況越明顯，電磁諧波量的數值計算結果也就越大；反之，若共模等效電路內電量振蕩行為的表現情況較為輕微，電磁諧波量的數值計算結果也就相對較小。

2.3 幅相抵消系數

幅相抵消系數計算是數字化變電站智能電子設備電磁干擾自動控制方法設計的末尾處理環節，可在電磁諧波量計算結果的基礎上，對電場耦合強度、磁場耦合強度的數值可靠性進行判別。在運輸過程中，幅相抵消系數求解同時涉及電壓磁通、電流磁通兩項物理指標[5]。電壓磁通常表示為θu，作為一項標量應用指標，該項物理系數的取值結果越大，幅相抵消系數的實值計算結果也就越大。電流磁通常表示為θi，與電壓磁通指標不同，該項物理系數具備明顯的方向性，其中正方向表示電磁干擾行為的作用能力為正，而負方向則表示電磁干擾行為的作用能力為負。聯立上述物理量，可將幅相抵消系數計算表達式定義為：

其中，μ表示電磁干擾作用的幅相調度指標，ρ表示電量信號在感應磁場中的分布密度，Δg表示單位時間內的電磁通量變化數值。為實現對數字化變電站智能電子設備電磁干擾作用的自動化控制，在制定實踐操作指令時，必須以幅相抵消系數作為關鍵參考條件。

3 實例分析

為突出說明電磁干擾自動控制方法與傳統無線同步技術檢測方法的實用差異性，設計如下對比實驗。將待測電磁信號輸入圖2所示的檢測裝置之中，首先利用自動化方法對檢測裝置進行控制，將所得實驗數據作為實驗組變量；然后利用傳統無線同步技術檢測方法對檢測裝置進行控制，將所得實驗數據作為對照組變量；最后對比實驗組、對照組變量，分析指標參量的具體數值變化情況。

圖2 電磁信號檢測

電流諧波、電壓諧波物理波形的數值狀態，均能反映出變電設備對于電磁信號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值狀態越穩定，則表示變電設備對于電磁信號輸出行為的抑制作用能力越強，此時所采用控制方法也就越具有實用性價值。

下圖反映了電流諧波、電壓諧波的理想波形變化狀態。

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回波動的數值變化狀態，其最大數值達到了9.43A、最小數值達到了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回波動的數值變化狀態，其最大數值達到了300V、最小數值達到了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所示記錄了實驗組、對照組電流諧波的數值變化情況。

表1 電流諧波的實驗數值

分析表1可知，隨著實驗時間的延長，實驗組電流諧波始終保持來回波動的數值變化狀態，整體變化趨勢與理想數值一致，整個實驗過程中，其最大值達到了6.91A，略高于理想極大值，最小值達到了6.38A，略低于理想極小值。對照組電流諧波則保持先上升、再趨于穩定的數值變化狀態，其最大值達到了6.69A，低于理想極大值。整個實驗過程中，對照組電流諧波的數值穩定性遠不如實驗組。

如表2所示記錄了實驗組、對照組電壓諧波的數值變化情況。

分析表2可知，隨著實驗時間的延長，實驗組電壓諧波呈現出來回波動的數值變化狀態，整體變化趨勢與理想數值一致，整個實驗過程中，其最大值達到了298.47V，略低于理想極大值，其最小值達到了121.53V，略高于理想極小值。對照組電壓諧波則保持先上升、再穩定的數值變化狀態，其整體變化趨勢并不能與理想數值保持一致，諧波曲線的穩定性能力也遠不如實驗組。

表2 電壓諧波的實驗數值

綜上可認為，本次實驗結論如下：

1）在無線同步技術的作用下，電磁干擾作用對電流諧波、電壓諧波的影響能力較強，并不能使諧波曲線呈現出相對穩定的表現形式，不符合抑制電磁信號輸出行為的實際應用需求，即該方法的實用能力較弱；

2）在自動控制方法的作用下，電磁干擾作用對電流諧波、電壓諧波的影響能力減弱，諧波曲線能夠長期保持相對穩定的表現狀態，符合抑制電磁信號輸出行為的實際應用需求，即該方法的實用能力較強。

4 結語

與傳統無線同步技術相比，數字化變電站智能電子設備電磁干擾自動控制方法從電場耦合強度、磁場耦合強度兩個角度著手，對公共阻抗耦合行為量數值進行準確計算，又借助共模等效電路，確定幅相抵消參量的具體數值。從實用性角度來看，隨著這種新型控制方法的應用，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出較為穩定的傳輸狀態，在抑制電磁信號的表現能力方面，具有較強的實用性價值。