物联网无线传感单元在变电站中的EMC仿真研究

李继琨

【摘要】无线传感单元应用到变电站中的电力设备状态监测，有利于提升变电站测控系统的性能。然而变电站的电磁环境相当恶劣，无线传感单元在变电站电磁环境中的电磁兼容问题有待解决。由电磁辐射耦合机理可知，在无线传感器节点中产生骚扰电压对无线传感器节点之间无线通信造成影响。通过CST软件对无线温度传感器建立仿真模型，仿真结果表明：骚扰源主要以电磁辐射途径作用到无线传感器节点的天线上，对无线传感器节点造成电磁干扰，电场极化方向对天线的电磁干扰程度有重要影响。

【关键词】变电站;无线传感器单元;电磁骚扰;仿真

随着我国电力事业的快速发展，国家提出了“智能电网”计划，随即又提出以“感、传、知”为特征的“物联网技术”研究规划，以提高电网运行管理水平。物联网是将先进的传感技术、通信技术、网络技术等融合到电力系统中，加强了电网设备自动化水平管理。网络可以通过无线传感单元，实现电力系统设备智能化识别、定位、跟踪、监控和管理服务[1-4]。特别是伴随特高压电网的发展，电力设备数目种类繁多，对电力系统的安全监测提出了更高的要求。电力系统的安全、可靠的运行需要对电力设备的运行状态进行实时监控，对运行环境和突发事件也要及时掌握[5]。通过在电力系统设备（如变压器、断路器、电抗器等）上布置大量微型的无线传感单元，可以实现对电力设备信号采集与传输的重要功能，有利于维护和保障电力系统设备的安全运行。同时免去人工操作的繁琐工作，降低了有线监控的高额成本[6]。因此，无线传感单元凭借自身的特点弥补有线监控的不足，是有线监控有利的补充。

高压变电站有限的空间汇集了母线、高压器、断路器、隔离开关等一次设备和保护、控制、通信等二次设备，是一个强弱电相结合的典型电磁环境。然而，高压变电站在运行时会在站内区域及其周围环境中产生电磁骚扰。无线传感单元放置在变电站一次设备上，将会受到不同程度电磁骚扰的影响。当这类影响可能会导致无线传感单元丢包、甚至发出或收到错误的数据。因此，本文利用CST软件建立无线温度传感单元仿真模型，对无线传感器单元进行电磁兼容仿真研究。

1.变电站的电磁环境分析

在变电站的电磁环境中，一次设备主要产生两类电磁信号。一类是稳态电磁信号，另一类是瞬态电磁信号[7]。

稳态电磁信号以工频电压、工频电流、电晕、谐波等形式存在。变电站高压线路和母线上工频电压、电流产生的工频电场和磁场，电晕、谐波产生的高频电磁场，会向周围空间辐射大能量的电磁波。

瞬态电磁信号主要由开关操作、雷击和故障产生，并以暂态电磁波的形式辐射很高的能量。

（1）隔离开关操作时，将产生高频率、前沿陡峭的瞬变电磁脉冲;在断开的母线上将引起一系列的高频电流波和高频电压波。

（2）当发生雷电现象时，安装在变电站中的避雷针进行保护，此时耦合电流通过电缆传入接地网，在电缆导线上产生很大的暂态电流和电压。

（3）当发生系统短路故障时，大电流经接地点泄入接地网，使接地点乃至整个接地网的电位升高，在二次电缆的芯线上产生的干扰电压的峰值可达到几十伏到一万多伏，暂态电压的频率约几kHz到几百kHz[8]。

（4）高压导线表面及绝缘子金具尖端部位的电晕放电、接触不良产生的火花放电以及污秽绝缘子表面的局部放電火花等都会引起强烈的电流脉冲，电流脉冲向周围辐射电磁波，形成高频辐射干扰。局部放电信号通常是瞬变快速的时域信号，它的脉冲的持续时间介于1ns～100ns之间，上升时间在0.1ns～1ns之间，它是脉冲宽度为ns级的非周期波，相应的频域分布十分宽广，具有丰富的高频信号分量[9]。

图1 局部放电信号

如图1所示为局部放电信号时域信号和频谱分析，该持续时间为9.8ns，上升时间为0.15ns。主频分布集中在1.06GHz、1.77GHz、2.34 GHz。局部放电信号是上升时间极短的电流脉冲，会向周围辐射高频干扰。

2.电磁耦合机理分析

2.1 空间电磁场特性

当干扰源与受干扰设备的距离d大于干扰信号的波长（即）时，骚扰源的性质表现为辐射骚扰源，场的性质表现为辐射电磁场（远场）。远场的特点是电场与磁场结合起来形成了平面电磁波，电场与磁场的比值为，其中Z为波阻抗。当讨论平面电磁波的时候，可以认为电场、磁场处于远场区。

当骚扰源与受干扰设备的距离d小于干扰信号的波长（即）时，场的性质表现为近场。在近场中，波阻抗取决于源的性质和源到受干扰设备的距离。如果源具有高电流、低电压（近场波阻抗Z小于377）的特性，那么近场中占优势的场是磁场，骚扰源的性质表现为电场骚扰源;如果源具有低电流、高电压（近场波阻抗Z大于377）的特性，那么近场中占优势的场是电场，骚扰源的性质表现为磁场骚扰源。

2.2 电磁耦合途径

在变电站的电磁环境中，电磁骚扰能量可以通过传导和辐射途径从干扰源耦合到敏感设备上。传导耦合是指在干扰源与敏感设备之间有完整电路连接的耦合;辐射耦合则是在干扰源与敏感设备之间电磁能量空间辐射的耦合，又称远场耦合或天线耦合。

无线温度传感器单元（如图2所示）是采用微型电池提供运行所需要的能量。由于外壳的屏蔽作用，无线温度传感单元信号回路中的电子元件得到了有效的保护。所以骚扰源主要通过天线耦合来影响无线传感单元的正常工作。

图2 无线传感器单元

2.3 天线耦合

假设垂直放置的天线受到一个以角度的入射电场E辐射，如图3所示。此时可以把入射电场E分解为垂直分量和水平分量。由于天线垂直放置，水平分量对天线不起作用，只有垂直分量（）会使天线产生骚扰电压U。设接收天线有效长度为H，则骚扰电压U可表示为：

（2-1）

图3 天线耦合机理

接收天线的等效电路如图3（b）所示，此时骚扰电流I可表示为：

（2-2）

Zin为天线内阻抗，数值上等于用作发射时的输入阻抗。ZL为接入天线端口的负载阻抗。

3.仿真及其结果分析

利用CST软件对无线温度传感器单元（如图2所示）建立仿真模型。设置平面波为激励源，平面波的电场强度为10V/m，该强度为IEC61000-4-3标准规定的第三级试验场强。局部放电信号（如图1-a所示）为激励信号。电压探头1添加在天线上，测得电压为voltage1;电压探头2添加在信号回路中，测得电压为voltage2。

3.1 平面波沿Y轴照射，电场极化方向沿Z轴

平面波的电场强度为10V/m，方向沿Y轴照射，电场极化方向沿Z轴，仿真结果如图4所示。

图4 情况1仿真结果

从图4仿真结果得知，探头1天线的最大感应电压幅值为0.82V，探头2信号回路的最大感应电压为0.036mV。由于外壳的屏蔽作用，穿透屏蔽外壳的电磁波能量明显减弱，在信号回路内产生的感应电压较小。当电场极化方向和天线的极化方向相同，天线上会产生较大的感应电压。此时，天线接收的感应电压会在信号回路中产生骚扰电流，通过传导到信号回路中的电子元器件，导致无线传感器单元的传输数据丢包、延时等影响。由磁场强度分布图可知：天线上明显可见红色区域的磁场感应较强。同样，由于外壳的屏蔽作用，有效的减弱电磁波能量，使得在信号回路中产生的感应电压很小。

3.2 平面波沿Y轴照射，电场极化方向沿X轴

通过改变平面波的電场极化方向为X，分析天线上的感应电压幅值变化，电场强度为10V/m，仿真波形如图5所示。

图5 情况2仿真结果

图5描述了在平面波的电场强度相等条件下，改变电场极化方向对天线造成的影响。探头2在信号回路中最大感应电压为0.036mV，由于外壳的屏蔽作用，使得在信号回路中产生的感应电压很小;探头1在天线上产生的最大感应电压幅值为1.52mV，由于沿Y轴的电场极化方向与天线的极化方向垂直，接收能量相对减弱，产生的感应电压相对较小。因此，电场极化方向对无线传感器节点的天线的电磁骚扰程度有重要的影响。由磁场强度分布图可知，天线上的的磁场感应较弱。

4.结论

在变电站区域内存在恶劣的电磁环境，会对无线传感单元在变电站中的正常工作造成干扰。通过结合电磁耦合机理分析，利用CST软件对无线温度传感器建立仿真模型。对天线和信号回路的感应电压进行比较，天线的感应电压远大于信号回路的感应电压，表明骚扰源主要以电磁辐射途径耦合到无线传感器节点的天线上，对无线传感器节点造成电磁干扰。骚扰源的电场极化方向与无线传感器节点天线的极化方向相同时，天线接收干扰信号较强，产生的感应电压和电流较大，对无线传感器正常工作影响严重。所以，电场极化方向对天线的电磁干扰程度有重要影响。因此，安装无线传感器节点之前，需要对变电站的电磁环境进行有效的评估，为无线传感器在变电站中的正常工作提供保障。

参考文献

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