变电站空间电磁场对电力物联网汇聚节点线缆耦合特性分析

李谦，张卫东，杨志超，赵明敏，王沛，付胜军，关程远

(1. 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学电气与电子工程学院)，北京102206；2. 国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033；3. 中国电力科学研究院，北京100192)

0 引言

随着“三型两网”战略目标的提出，全面快速推进智能电网的建设成为了重要内容和关键环节。智慧型变电站作为整个输变电工程的枢纽，将无线传感网络应用于变电站中是必不可少的过程。由于变电站中电磁环境复杂多变，对无线网络设备的可靠性要求较高，使得无线通信技术在变电站的实践应用还比较缺乏[1 - 4]。

目前，由于气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear, GIS)的优势[5]，其已在110 kV及以上等级变电站中得到了广泛的应用，我国特高压变电中也普遍采用了GIS开关设备。GIS隔离开关操作时，由于开关触头间的电弧击穿和重燃，会形成特快速暂态过电压(very fast transient over-voltage，VFTO)。VFTO传播时在GIS外壳不连续和外引线接口时，由于折反射将导致瞬态外壳地电位升，并引发瞬态电流在外壳和外引线传播，在空间激发强烈的瞬态电磁场[6 - 9]。变电站复杂的空间电磁场与汇聚节点的通信线和电源线会产生感应电压和感应电流，使汇聚节点设备会受到电磁干扰，影响通信质量，造成误码、丢包现象，严重时会导致整个无线传感网络不能正常可靠地运行。汇聚节点作为整个无线传感网络的中枢设备，一方面需要与智能传感单元通过无线或有线的方式进行通信，将智能传感单元采集的信息进行接收和汇总；另一方面需要把汇聚完成的信息通过有线的方式上传至接入节点。它的可靠正常工作对于无线传感网络的通信起着至关重要的作用。

在电缆芯线感应电流问题实测和实验研究方面，华北电力大学开展了特高压GIS变电站中VFTO对二次电缆骚扰电压以及GIS变电站开关操作引起的瞬态电磁干扰对智能二次设备端口的骚扰电压的实测工作[10 - 13]；清华大学开展了暂态地电位升对二次电缆骚扰的模拟实验[9]。但是，缺少对于变电站新型无线传感网络设备汇聚节点线缆的骚扰电压的测量研究。

在理论分析方面，国内外应用多导体传输线理论[14]、Taylor“场-传输线模型[15]”、Agrawal“场-传输线模型”[16]、Rachidi“场-传输线模型”[17]、TRI模型[18]和TLSL模型[19]来分析场线耦合问题；基于传输线模型的求解方法较为典型的有BLT方程[20]、格林函数法[21]、SPICE等效电路模型[22]以及传输线方程的FDTD[23 - 25]和矩量法等方法对变电站空间电磁场与传统二次屏蔽电缆之间的耦合问题进行了大量的研究。但是针对新型的无线传感设备汇聚节点线缆与变电站空间电磁场耦合模型的问题缺少研究。

本文在分析空间电磁场与传输线耦合的前提下，基于几座智慧型变电站的调研，实测了某110 kV智慧型变电站中GIS室和10 kV开关室内汇聚节点通信线和电源线的稳态感应电流；利用CST仿真软件建立了汇聚节点电源线、网线和同轴电缆线缆模型；建立了汇聚节点线缆瞬态情况下的远场和近场耦合仿真模型，并进行了3种线缆芯线感应电压的仿真计算和分析。本文旨在研究复杂空间电磁场对汇聚节点互连线缆的耦合机理，对汇聚节点在复杂电磁环境下的可靠性问题提出分析和建议，为推进泛在电力物联网的大面积建设提供技术保障和参考。

1 耦合机理分析

针对设备敏感点和耦合路径，本文对几座智慧型变电站实地调研得知，不同的智慧型变电站无线传感网络的组网类型也不一样,所使用的汇聚节点的类型和数量也不同。但总的来说，汇聚节点线缆的类型分为3种：屏蔽和非屏蔽的网线，同轴电缆和电源线。

汇聚节点设备线缆与传统的二次设备控制电缆大不相同。其一，汇聚节点多安装在开关室的智能组件柜中，与GIS设备距离较近。其二，汇聚节点为新型无线网络通信设备，线缆传输信号的电平较低，而二次电缆连接一次设备和二次设备，工作电平较高。其三，传统二次设备的型号为铠装屏蔽KVVP型电缆，多布设在电缆沟中，而汇聚节点设备线缆多为电子设备的通信线，与汇聚节点设备同在开关室的智能组件柜或开关柜中。因此，汇聚节点及其线缆的抗扰能力远低于传统的二次设备及其控制电缆。

空间电磁场与传输线的耦合如图1所示。Taylor和Agrawal分别将外界激励源等效为：包含电压源和电流源、仅含分布电压源两种形式；Rachidi只考虑入射磁场分量导致的等效电流的作用。

图1 空间电磁场与传输线的耦合Fig.1 Coupling of spatial electromagnetic field and transmission line

Taylor提出将第一、第二电报方程的激励项等效为两个与入射场有关的分布电压源与分布电流源，双线传输线的电报方程变成了全电压公式。

(1)

(2)

由于所使用的网线没有屏蔽层，所以网线芯线与大地组成了“芯线-地”传输线系统。如图2所示，建立八芯网线的多导体传输线的耦合模型。

图2 八芯网线的多导体传输线耦合模型Fig.2 Multi-conductor transmission line model of an eight-core network cable

变电站稳态和瞬态空间电磁场会与汇聚节点设备的通信线和电源线耦合，由于网线和电源线没有屏蔽层，空间电磁场直接在线缆的芯线上产生感应电压和感应电流；同轴电缆有屏蔽层，空间电磁场首先耦合到屏蔽层上，在屏蔽层导体上产生感应电压和感应电流，这部分感应电压和感应电流通过屏蔽层和电缆芯线之间的转移导纳和转移阻抗，进一步在电缆芯线上产生新的感应电压和感应电流，从而对内部芯线造成电磁骚扰，芯线中的感应电压和感应电流通过汇聚节点设备端口注入设备内部，进而对汇聚节电设备的内部集成电路造成电磁骚扰。

2 110 kV GIS智慧型变电站汇聚节点设备稳态感应电流实测

在110 kV GIS智慧型变电站中使用电流探头和频谱分析仪分别对10 kV开关室中开关柜和110 kV GIS室中在线监测智能组件柜中汇聚节点的电源线和通信线进行了稳态情况下感应电流的测量。110 kV GIS智慧型变电站中汇聚节点线缆的稳态感应电流测量如图3所示。实测结果如图4和图5所示。

图4 10 kV开关室汇聚节点线缆稳态感应电流Fig.4 Steady-state induced currents of convergence node cable in a 10 kV switch room

由实测结果可知，10 kV开关室中测得的汇聚节点线缆稳态感应电流在0～300 MHz的频段内，感应电流频谱在37.63 MHz、93.34 MHz、200 MHz、250 MHz频率点处线缆的感应电流强度值相对较大。110 kV GIS室中测得的汇聚节点线缆稳态感应电流在0～300 MHz的频段内，感应电流频谱在35.25 MHz、93.34 MHz、125.2 MHz、180.5 MHz、208.6 MHz、250 MHz、271.9 MHz频率点处线缆的感应电流强度值相对较大。由不同位置线缆的感应电流频谱的结果分析可知，110 kV GIS室中电磁骚扰相较于10 kV开关室更加的复杂。

RS485线缆上的感应电流较大，最高可达到58 dBμA，原因是RS485通信线在与汇聚节点连接处外套包裹被去除，易与空间电磁场发生耦合；在110 kV GIS室中，汇聚节点线缆的感应电流最高可达到65 dBμA，这是由于110 kV GIS室中的空间电磁场更加强烈；同轴电缆相较于其他线缆，其感应电压较小，原因是同轴电缆有屏蔽层，能够在一定程度上减小空间电磁场的影响。因此，为了减少变电站中空间电磁场对汇聚节点各线缆的耦合作用，一方面应保证汇聚节点线缆的完整性，避免线缆芯线直接暴露在变电站复杂的电磁环境中；另一方面，应尽可能的使用有屏蔽作用的线缆。

3 汇聚节点线缆场线耦合模型的建立和仿真计算

在变电站复杂的电磁环境中，汇聚节点线缆会受到近场、远场、稳态空间电磁场和瞬态空间电磁场等多方面因素的影响。为了研究汇聚节点线缆在变电站瞬态空间电磁场作用下产生的感应电压和感应电流情况，本节以瞬态空间电场作为激励信号，分别建立了汇聚节点数据线和电源线远场和近场耦合仿真模型，计算了线缆芯线上的感应电压，从而得出远场和近场情况对汇聚节点线缆的影响规律。

3.1 汇聚节点数据线和电源线远场耦合仿真

以场源为中心，半径为1/6波长(λ/2π)以外的空间范围为远场。汇聚节点线缆处于远场空间范围时，本文采用平面波来模拟远场源，此时电场强度与磁场强度的比值为定值。

汇聚节点数据线和电源线仿真模型在CST软件包中建立，该软件主要利用有限积分法。利用CST CABLE STUDIO与CST DS STDUIO联合协同仿真功能可完成空间电磁场耦合到线缆的问题，并计算得出线缆芯线上的感应电压和感应电流。图6为一套汇聚节点设备，其线缆有3种类型：与下一级服务器通信的超五类以太网线、电源线、与外置天线连接的同轴线缆。其中本套汇聚节点设备电源线型号为UL1007，同轴电缆的型号为RG58/U。

根据YD/T1019—2013标准[26]，在CST CABLE STUDIO中建立了超五类网线的线缆模型；根据相同型号电源线和同轴电缆的结构参数，建立了电源线和同轴电缆的线缆模型，如图7所示。

图7 汇聚节点线缆模型截面图Fig.7 Convergence node cable model cross-section

其中建立的网线模型的标称对数为2×4，4对线两两双绞，芯线为铜导体，绝缘为聚乙烯材料，外护套为聚氯乙烯材料；同轴电缆模型的芯线为铜导体，绝缘层为聚乙烯材料，屏蔽层为铜线编织屏蔽方式，外绝缘层为聚氯乙烯；电源线模型芯线为铜材料，绝缘为聚氯乙烯材料，由两根线缆组成。

根据已有的汇聚节点设备，并参照调研的110 kV GIS智慧型变电站内的汇聚节点线缆的走向，在CST CABLE STUDIO中建立了汇聚节点线缆的电磁辐照敏感度无源结构仿真模型，如图8(a)所示，蓝色连接线部分为线缆，中间红色框部分为平面波，下方灰色框部分为汇聚节点和地面。

图8 汇聚节点线缆远场耦合仿真模型Fig.8 Convergence node cable far-field coupling simulation model

设置平面波的入射方向与线缆方向垂直，电场方向与线缆平行，频率范围设置为0～300 MHz。然后基于传输线理论，软件自动对线缆线束进行网格剖分，并将每一个网格划分为足够多的段来计算传输线参量，生成用于场线协同仿真的等效电路模型，如图8(c)所示。

同轴电缆和网线的特性阻抗分别为50 Ω和100 Ω，于是在电路模型中同轴线的芯线两端都连接50 Ω的电阻，再接地，其屏蔽层直接接地；网线的芯线两端都连接100 Ω的电阻，再接地。

在3种线缆的芯线两端分别添加电压探头，其中P1-P16电压探头的仿真结果为网线芯线的共模感应电压，P17和P19电压探头的仿真结果为电源线芯线的共模电压，P21和P23电压探头的仿真结果为同轴电缆芯线的共模电压。

采用单向辐照模式，便于计算外界电磁场耦合到线缆上的感应电压等结果，不考虑线缆对外空间辐射场的影响。然后通过场路协同仿真计算得出在所施加激励的平面波辐照下汇聚节点各线缆的时域响应情况。由图9可知，汇聚节点线缆在施加激励的平面波辐照下汇聚节点线缆通过远场激励场线耦合得出的感应电压最大值分别为0.9 V、1.1 V和60 V。

图9 汇聚节点线缆远场场线耦合芯线感应电压Fig.9 Convergence node cable far-field field line coupling core induced voltage

从时域仿真结果可以看出在远场的条件下电源线的感应电压幅值较大，而网线和同轴线的感应电压幅值较小。从电磁干扰源的角度分析，由于采用平面波激励，能量较大，使得线缆的感应电压较大；从3种线缆自身的结构特性分析，网线采用两根芯线对绞的方式，同轴电缆有屏蔽层，都可以降低电磁波在芯线上产生的感应电压；而电源线既无屏蔽层也没采用对绞的方式，从而芯线上的感应电压较大；从端接阻抗角度分析，网线和同轴线芯线的端接阻抗一致，而电源线芯线端接阻抗不一致，使得电源线芯线上的感应电压较大。

本套汇聚节点设备采用12 V、2 A直流电源供电，汇聚节点内部集成电路采用常用的5 V TTL和5 V CMOS器件。5 V TTL和5 V CMOS器件的逻辑电平参数为表1和2。

表1 5 V TTL器件的逻辑电平参数Tab.1 Logic level parameters of 5 V TTL devicesV

注：UCC为供电电压；UOH为输出高电平；UOL为输出低电平；UIH为输入高电平；UIL为输入低电平

表2 5 V CMOS器件的逻辑电平参数Tab.2 Logic level parameters of 5 V CMOS devicesV

由图10噪声容限的定义，5 V TTL器件的静态噪声容限在“1”、“0”时分别是“≥0.2 V和≤0.3 V”，5 V CMOS器件静态噪声容限在“1”、“0”时分别是“≥1.3 V和≤1 V”。当感应电压Vint+VOL>VIL时，将导致数字传输信号紊乱；当感应电压Vint+VOL>Vcc时，将导致芯片烧毁。

图10 逻辑电平与输出状态关系Fig.10 Logic level versus output state

由汇聚节点线缆远场场线耦合仿真的结果，网线芯线上的感应电压最大为0.9 V；同轴电缆芯线上的最大感应电压为1.1 V；电源线芯线上的最大感应电压为60 V。由于所施加激励的平面波的能量较大，使得各线缆芯线上的感应电压均超过了器件的静态噪声容限，会对汇聚节点设备内部的集成电路的正常工作造成影响。

3.2 汇聚节点数据线和电源线近场耦合仿真

以场源为中心，半径为1/6波长(λ/2π)以内的空间范围为近场。汇聚节点线缆处于近场空间范围时，本文采用偶极子天线来模拟近场源，此时电场强度与磁场强度的比值不为定值，而是与偶极子天线的距离有关。

在CST中建立了汇聚节点线缆近场情况下场线耦合仿真模型，并进行了场线协同仿真计算。用偶极子天线作为近场激励源，将偶极子天线的离散端口设置为电压形式。同样地，在CST Cable Studio中建立了汇聚节点线缆的电磁辐照敏感度无源结构仿真模型，经过网格划分后，得到线缆的二维传输线参数，然后得到汇聚节点线缆的场线协同仿真的等效电路模型，如图11所示。

图11 汇聚节点线缆近场耦合仿真模型Fig.11 Convergence node cable near-field coupling simulation model

与远场激励不同的是，需要在Transient时域仿真任务中激励源设置为电压形式，在CST DS STDUIO中来定义离散端口的激励。

在完成近场激励的设置后，进行近场场线耦合仿真计算，生成汇聚节点芯线上的响应。在汇聚节点线缆处设置电场探头，经仿真计算得到了线缆处的电场波形情况，对比图11(b)和(c)可知，激励信号的波形与线缆处电场的波形基本相似，且幅值有所衰减，线缆处的电场达到800 V/m，由此可以认为利用偶极子天线来模拟近场源的方法是可行的。

其中P1-P16电压探头的仿真结果为网线芯线的共模感应电压，P17电压探头的仿真结果为同轴电缆芯线的共模电压，P21和P23电压探头的仿真结果为电源线芯线的共模电压。由近场情况下的仿真结果可知，在近场激励的情况下，汇聚节点线缆处的电场幅值最大达到800 V/m。如图12线缆感应电压仿真结果所示，在最大电场强度为800 V/m的情况下，汇聚节点网线芯线的感应电压最大值为1.4 V，同轴电缆芯线上的感应电压最大值为0.06 V，电源线芯线上的感应电压最大值为7 V。由器件的噪声容限的概念可知，汇聚节点各线缆在近场激励下，芯线上的感应电压的最大值也大于5 V TTL和5 V CMOS器件的静态噪声容限，会影响汇聚节点内部集成电路的正常工作状态。

图12 汇聚节点线缆近场场线耦合芯线感应电压Fig.12 Convergence node cable near-field field line coupling core induced voltage

4 结论

本文实测了某110 kV智慧型变电站汇聚节点电源线和通信线稳态情况下的感应电流，由不同位置线缆的感应电流频谱的结果分析可知，110 kV GIS室中电磁骚扰相较于10 kV开关室的电磁骚扰更加复杂。测量结果表明RS485线缆上的感应电流较大，最高可达58 dBμA，在110 kV GIS室中，汇聚节点线缆的感应电流最高可达65 dBμA；应保证汇聚节点线缆的完整性，避免线缆芯线直接暴露在变电站复杂的电磁环境中；应尽可能地使用带有屏蔽结构的线缆。

按照智慧型变电站汇聚节点线缆布局情况建立了汇聚节点线缆与瞬态空间电磁场的耦合模型；以瞬态空间电场作为激励信号，分别仿真计算出汇聚节点线缆远场和近场耦合模型中各线缆芯线共模感应电压大小。由稳态情况下实测的汇聚节点线缆感应电流数据和瞬态空间电场激励下仿真计算的汇聚节点线缆感应电压数据分析可知：汇聚节点同轴电缆实测的感应电流值和仿真计算的感应电压值最小；电源线实测的感应电流值和仿真计算的感应电压值最大。

本文提出了用内部电路器件的噪声容限来判断芯线感应电压对汇聚节点的干扰程度；由仿真结果可知空间瞬态电磁场会耦合进入汇聚节点的通信线和电源线芯线上，较大的感应电压对其内部TTL、CMOS等集成电路的正常工作造成影响，严重时还会造成其内部较小尺寸的集成电路损坏。