数字化变电站智能电子设备电磁干扰自动控制方法

张海霞，陈见辉

（1.河南科技职业大学，周口 466000；2.云南农业大学，昆明 650201）

0 引言

电磁干扰是一种常见的电量信号传输噪音，必须以电磁辐射发生源作为产生装置，在其传输过程中，能够直接干扰电缆信号波的完整性与稳定性水平。常见的电磁干扰现象包含辐射型干扰、传导型干扰两种表现形式。其中，辐射型干扰是指干扰源设备借助传导空间，将信号参量输送至另一个电量网络之中；传导型干扰是指干扰源设备借助导电介质，将一个信号参量输送至另一个电量网络之中，在此过程中，信号参量的传输行为完全符合耦合特征[1]。数字化变电站作为一个强大的电磁干扰源，在其运行过程中会产生大量的电磁干扰，且由于电子设备对于电量信号的感知敏感性不同，这些电磁干扰参量所带来的波动影响也会有所不同。随着变电站运行时间的延长，电磁干扰作用的表现能力也会不断增强，此时电流谐波、电压谐波的物理波形很难保持连续稳定的存在状态。为解决上述问题，针对数字化变电站智能电子设备的电磁干扰自动控制方法展开研究。

1 数字化变电站智能电子设备的电磁特性分析

数字化变电站智能电子设备的电磁特性分析以电场耦合强度指标、磁场耦合强度指标为基础，并可以联合相关物理量，对公共阻抗耦合行为量的数值变化行为进行严格规划，本文将针对上述内容展开深入研究。

1.1 电场耦合强度

电场耦合也叫电容耦合（静电耦合），是由电容差异分布行为主导的电量耦合方式。所谓耦合就是指电子设备输出电量信号由第一级设备向着第二级设备进行传递的过程，在不加注明显标注说明时，电场耦合直接指代交流耦合行为[2]。在数字化变电站的智能输电环境中，电场耦合包含所有能量或信号在不同电路结点处的电容传递变化量。设表示数字化变电站智能电场E中的电信号输出量均值，UR表示电子设备R两端的负载电压，表示电子设备R的接入电阻数值，表示电量耦合指标的最大取值结果，表示电量耦合指标的最小取值结果，表示与电子设备R匹配的电信号耦合权限。联立上述物理量，可将电场耦合强度表达式定义为：

由于数字化变电站的高压电量输入端会产生明显的低频电场，所以智能电子设备内部的耦合电平始终与电缆芯线内部的耦合电平保持相等状态。因此，在计算电场耦合强度时，默认低频电场内的物理电压始终等于其物理最大值。

1.2 磁场耦合强度

磁场耦合特指电子设备线圈内表现出的电流变化行为，由于电量信号的渗透能力较强，所以相邻线圈内的感应电动势也会随之呈现出一定的变化趋势，由于电流变化与电动势变化始终保持相互独立的存在状态，所以它们之间的相互影响是以磁场作用为基础建立起来的。在数字化变电站环境中，电子设备导体的两个端节点分别设立在两个独立的接线柱结构之上，若将线圈看作一个完整的闭合电路，则可认为：“当导体设备在磁场中呈现出明显的向左或向右运动趋势时，磁力线会受到电量信号的横向切割，从而促使电流表元件的物理指针发生偏转，这就表明在磁场耦合作用下，数字化变电站智能电子设备线圈内会产生感应电流”[3]。设φ-表示数字化变电站感应磁场W中的磁通量均值，f表示电磁感应系数，β表示电磁感应特征，S︿表示感应磁场W中的电量传输行为特征，q表示感应磁场W中的电量信号耦合系数，ΔT表示磁通量信号的单位耦合时长。联立上述物理量，可将磁场耦合强度表达式定义为：

与电场耦合行为相比，磁场耦合行为完全是由数字化变电站体系内的电流传输信号引起的，与电压数值并无明显关联性关系。

1.3 公共阻抗耦合行为量

公共阻抗耦合行为是指数字化变电站公共地线上流过的感应电流所产生的电位差向量，对智能电子设备运行能力造成的影响。当感应电流流入地网时，由于电网设备自身具有一定的物理电阻，所以当主电位处的电压水平不断升高时，已接入电子设备两端的感应电压数值也会随之升高，这不但会加速电磁信号的扩散能力，也会使远地端的物理数值快速增大，拉大地电位差的梯度水平，从而实现对电磁输入信号的有效抵抗。设λ→表示既定的电位差向量，δ0表示地电位差的初始数值，δn表示地电位差的实际数值，A表示电磁信号扩散系数，n表示电磁输入信号的梯度标记值。在上述物理量的支持下，联立式(1)、式(2)，可将公共阻抗耦合行为量表达式定义为：

对于数字化变电站的智能电子设备而言，公共阻抗耦合行为量的数值结果能够决定电量信号在耦合磁场中的实时传输能力。

2 电磁干扰行为的自动控制策略

智能电子设备电磁干扰自动控制方法的设计包含共模等效电路建立、电磁谐波量计算、幅相抵消系数确定三个执行环节，具体分析方法如下。

2.1 共模等效电路

共模等效电路能够提供数字化变电站智能电子设备所需的电磁传输信号，并可以在信号放大器结构的作用下，更改电磁信号的传输形式，从而使得阻抗回路内的电流与电压谐波呈现出相对稳定的表现状态[4]。电路结构体内部同时存在多个连接电阻，其中r1电阻的数值水平相对较小，而r2电阻的数值水平相对较大。r1电阻负责将散乱分布的电磁信号整合成束状传输形式，并可以借助L阻抗元件，将这些感应电量反馈至C级敏感元件之中；r2电阻能够在承载高压电量信号的同时，调度阻抗回路内的电磁感应信号，从而使得整个共模等效电路中的传输电流与传输电压数值始终保持稳定。完整的共模等效电路结构示意图如图1所示。

图1 共模等效电路示意图

在电磁干扰作用的影响下，共模等效电路的连接能力会随着电场耦合强度、磁场耦合强度数值的改变而不断变化。

2.2 电磁谐波量计算

在共模等效电路环境中，电磁谐波作为一项矢量性指标，其计算数值具有明显的方向性，其中正方向表示电磁信号带有绝对的正电量，此时电场组织、磁场组织的耦合能力相对较强；负方向则表示电磁信号带有绝对的负电量，此时电场组织、磁场组织的耦合能力相对较弱。设k1、k2、...、kn表示n个不同的电磁信号波动指标，且k1≠k2≠kn的不等式条件恒成立，ξ表示既定的谐波感应系数，且ξ指标的物理取值恒大于自然数“1”，f表示共模等效电路内部的电磁信号分布标量。在上述物理量的支持下，联立式(3)，可将电磁谐波量计算表达式定义为：

为使数字化变电站智能电子设备能够充分抵抗电磁干扰作用，在计算电磁谐波量时，必须将共模等效电路内的电量振荡行为考虑在内。一般来说，共模等效电路内电量振荡行为的表现情况越明显，电磁谐波量的数值计算结果也就越大；反之，若共模等效电路内电量振荡行为的表现情况较为轻微，电磁谐波量的数值计算结果也就相对较小。

2.3 幅相抵消系数

幅相抵消系数计算是数字化变电站智能电子设备电磁干扰自动控制方法设计的末尾处理环节，可在电磁谐波量计算结果的基础上，对电场耦合强度、磁场耦合强度的数值可靠性进行判别。在运输过程中，幅相抵消系数求解同时涉及电压磁通、电流磁通两项物理指标[5]。电压磁通常表示为θu，作为一项标量应用指标，该项物理系数的取值结果越大，幅相抵消系数的实值计算结果也就越大。电流磁通常表示为θi，与电压磁通指标不同，该项物理系数具备明显的方向性，其中正方向表示电磁干扰行为的作用能力为正，而负方向则表示电磁干扰行为的作用能力为负。联立上述物理量，可将幅相抵消系数计算表达式定义为：

其中，μ表示电磁干扰作用的幅相调度指标，ρ表示电量信号在感应磁场中的分布密度，Δg表示单位时间内的电磁通量变化数值。为实现对数字化变电站智能电子设备电磁干扰作用的自动化控制，在制定实践操作指令时，必须以幅相抵消系数作为关键参考条件。

3 实例分析

为突出说明电磁干扰自动控制方法与传统无线同步技术检测方法的实用差异性，设计如下对比实验。将待测电磁信号输入图2所示的检测装置之中，首先利用自动化方法对检测装置进行控制，将所得实验数据作为实验组变量；然后利用传统无线同步技术检测方法对检测装置进行控制，将所得实验数据作为对照组变量；最后对比实验组、对照组变量，分析指标参量的具体数值变化情况。

图2 电磁信号检测

电流谐波、电压谐波物理波形的数值状态，均能反映出变电设备对于电磁信号输出行为的抑制作用能力，通常情况下，电流谐波与电压谐波物理波形的数值状态越稳定，则表示变电设备对于电磁信号输出行为的抑制作用能力越强，此时所采用控制方法也就越具有实用性价值。

下图反映了电流谐波、电压谐波的理想波形变化状态。

分析图3可知，在理想情况下，电流谐波的物理波形始终保持来回波动的数值变化状态，其最大数值达到了9.43A、最小数值达到了3.48A，二者之间的物理差值为5.95A。在理想情况下，电压谐波的物理波形也始终保持来回波动的数值变化状态，其最大数值达到了300V、最小数值达到了100V，二者之间的物理差值为200V。

图3 理想波形变化曲线

如表1所示记录了实验组、对照组电流谐波的数值变化情况。

表1 电流谐波的实验数值

分析表1可知，随着实验时间的延长，实验组电流谐波始终保持来回波动的数值变化状态，整体变化趋势与理想数值一致，整个实验过程中，其最大值达到了6.91A，略高于理想极大值，最小值达到了6.38A，略低于理想极小值。对照组电流谐波则保持先上升、再趋于稳定的数值变化状态，其最大值达到了6.69A，低于理想极大值。整个实验过程中，对照组电流谐波的数值稳定性远不如实验组。

如表2所示记录了实验组、对照组电压谐波的数值变化情况。

分析表2可知，随着实验时间的延长，实验组电压谐波呈现出来回波动的数值变化状态，整体变化趋势与理想数值一致，整个实验过程中，其最大值达到了298.47V，略低于理想极大值，其最小值达到了121.53V，略高于理想极小值。对照组电压谐波则保持先上升、再稳定的数值变化状态，其整体变化趋势并不能与理想数值保持一致，谐波曲线的稳定性能力也远不如实验组。

表2 电压谐波的实验数值

综上可认为，本次实验结论如下：

1）在无线同步技术的作用下，电磁干扰作用对电流谐波、电压谐波的影响能力较强，并不能使谐波曲线呈现出相对稳定的表现形式，不符合抑制电磁信号输出行为的实际应用需求，即该方法的实用能力较弱；

2）在自动控制方法的作用下，电磁干扰作用对电流谐波、电压谐波的影响能力减弱，谐波曲线能够长期保持相对稳定的表现状态，符合抑制电磁信号输出行为的实际应用需求，即该方法的实用能力较强。

4 结语

与传统无线同步技术相比，数字化变电站智能电子设备电磁干扰自动控制方法从电场耦合强度、磁场耦合强度两个角度着手，对公共阻抗耦合行为量数值进行准确计算，又借助共模等效电路，确定幅相抵消参量的具体数值。从实用性角度来看，随着这种新型控制方法的应用，电流谐波、电压谐波在电磁干扰作用下的物理波形均能呈现出较为稳定的传输状态，在抑制电磁信号的表现能力方面，具有较强的实用性价值。