CN103207332B - 变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的评估方法 - Google Patents

Abstract

一种评估变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的方法。首先采用磁场测量设备检测、记录变电站关注位置的瞬态磁感应强度B的波形。然后截取第一个半波并延展，对延展波形进行傅里叶分析，得到各频率分量的幅值B_k、频率ω_k和相位β_k。其次利用傅里叶分析结果，得到的瞬态磁场各频率分量的幅值B_k和频率ω_k的乘积B_kω_k，找出其中的最大值B_Mω_M。根据测量精度要求，确定截断误差ε%。舍去B_kω_k<ε%B_Mω_M的所有频率分量，再利用剩余的频率分量计算空间磁场受扰强度E_DS。最后结合被评估二次设备的实际二次回路的面积S，计算二次回路上可能产生的感应电势E。比较感应电势E与二次设备逻辑电平，当感应电势E高于被评估的二次设备的逻辑低电平（VIL）和阈值电压（VTH）的差值，判定该二次设备存在遭受空间磁场干扰的风险。

Description

变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的评估方法

技术领域

本发明涉及一种变电站的二次设备遭受空间磁场干扰风险的评估方法，包括测量、计算和判定风险等步骤，适用于变电站电磁兼容技术领域。

背景技术

如图1所示，变电站空间磁场耦合进二次电路的途径通常由以下几种：与信号线构成的回路交链、与电源线构成的回路交链、以及与电路板上的二次回路直接交链。在智能变电站中，信号全部采用光纤传输，电源线采取了充分的抗干扰措施，有效杜绝或降低了通过这两种途径的空间磁场骚扰。但由于二次设备前移至一次设备近旁布置，电路板上二次回路本身交链的磁场增强。

按照法拉第电磁感应定律，若穿过二次回路的磁感应强度为B(T)，二次回路面积为S(m²)，匝数为n(电路板上的二次回路通常为1匝)，磁场方向与二次回路法线的夹角为θ(°)，则二次回路上感生的电动势如式1.1。

$E=\frac{\mathrm{d\&Psi;}}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left(\mathrm{nSB}\cos \mathrm{\&theta;}\right)}{\mathrm{dt}}=\mathrm{nS}\cos \mathrm{\&theta;}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}---1.1$

该电动势作用在二次电路上，若其幅值达到了电子电路的逻辑电平值，则可能给二次系统带来例如寻址错误、程序死机、控制保护拒动/误动等严重后果。

国际上通用抗扰度试验来保障变电站二次设备的正常运行。第39界国际大电网会议出台了变电站电子设备抗扰度试验的内容、方法和合格指标，现已为世界各国广泛接受。其中变电站二次设备磁场抗扰度指标如表1，即要求二次设备在表中规定的磁场环境中具有维持功能不变和性能不降低的能力。

试验项目	抗扰度指标
		稳定持续磁场试验	30A/m
1～3s短时磁场试验	300A/m
		瞬态磁场试验	1000A/m
阻尼磁场试验	100A/m

表1 变电站二次设备磁场抗扰度指标

然而上述方法存在如下缺陷：

(1)二次设备磁场抗扰度指标是在世界各国所做大量变电站电磁环境测试基础上得到的经验值。是在现有认识程度下，采用现有技术条件得到的。其结果受测量技术、测量方法、测量者、变电站类型等因素的影响，带有很强的统计性，不能保证其高于所有变电站的电磁骚扰强度。国内有学者经过大量实测后提出了提高抗扰度指标的建议。

(2)变电站产生的空间磁场骚扰通常是表1中几种类型磁场的组合。二次回路遭受空间磁场骚扰，产生的骚扰电势的大小应该是该时刻施加在该回路上所有磁场分量综合作用的结果。故单项磁场抗扰度测试并不足以保证二次设备正常工作。

(3)国内外变电站二次设备遭受空间磁场干扰事故案例证明了传统抗扰度指标的局限性。

(4)智能变电站技术的推广应用，使得变电站二次设备面临更加严峻的空间磁场干扰风险。一方面智能化二次设备前移至一次设备近旁布置，工作于更加严酷的电磁环境中。另一方面，智能变电站大量低电压、高频率智能化电子设备的应用，使设备的电磁兼容敏感性更高。按照常规变电站经验制定的传统抗扰度指标已无法满足变电站技术发展的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种能够有效评估变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的方法，以作为传统抗扰度指标和试验认证的补充。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的评估方法。包括步骤一，使用具有自动触发功能和波形记录功能的磁场测量设备，自动测量变电站内瞬态过程中二次设备所处位置的磁感应强度，并完整记录下瞬态磁感应强度波形；步骤二，截取瞬态磁感应强度波形的第一个半波，对其进行时域延展，再进行傅里叶分析，得到各频率磁场分量的幅值B_k、频率ω_k和相位β_k，其中，k＝1、2、3、4……n；步骤三，计算各频率分量产生的感应电势E_DSk＝B_kω_k，取其中的最大值E_DSM作为截断基准，确定截断误差ε％，舍去E_DSk＜E_DSMε％的所有的频率分量，利用剩下的频率分量计算空间磁场受扰强度E_DS，空间磁场受扰强度E_DS定义为测量位置垂直于磁场方向的单位面积单匝线圈上感应电动势的峰值，单位为V/m²，t为时间；步骤四，结合被评估的二次设备的二次回路面积S，计算二次回路上可能产生的感应电势E＝SE_DS；步骤五，当感应电势E高于被评估的二次设备的逻辑低电平VIL和阈值电压VTH的差值，判定该二次设备存在遭受空间磁场干扰的风险。

所述变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的评估方法，其中建议截断误差ε％取为10％。

所述变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的评估方法，其中所述被评估的二次设备的逻辑低电平VIL是TTL、LVTTL、CMOS或LVCMOS电路中任意一种电路的逻辑低电平VIL。

本发明的核心思想是通过实测方法得到变电场空间磁场强度，理论计算获得二次电路上可能感生的最大感应电动势，将其与二次设备采用的逻辑电平比较，从而确定二次设备是否存在被干扰的风险。

本发明提出二次回路“空间磁场受扰强度”指标，定义为变电站空间某处垂直于磁场方向的单位面积单匝线圈上感应电动势的峰值，用符号E_DS表示，单位为V/m²。定义E_DS表达式如下。

$E_{\mathrm{DS}}={\left|\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\right|}_{\max }---2.1$

对于单一频率稳态交流磁场，上式可以改写为：

$E_{\mathrm{DS}}={\left|\frac{\mathrm{dB}\cos (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&beta;})}{\mathrm{dt}}\right|}_{\max }={\left|\mathrm{B\&omega;}\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&beta;})\right|}_{\max }=\mathrm{B\&omega;}---\left(2.2\right)$

其中B、ω、β分别是第k个频率分量的幅值、角频率和初始相位。

变电站开关操作、故障或雷电波侵入等瞬态过程产生的空间磁场具有很高的频率和幅值，是二次设备遭受空间磁场干扰的主要风险点，也是二次设备空间磁场干扰风险评估的主要关注点。瞬态磁场含有众多频率分量，理论E_DS应是各频率分量叠加后的最大值：

$E_{\mathrm{DS}}={\left|\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\right|}_{\max }={\left|\underset{1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{dB}}_k\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k)}{\mathrm{dt}}\right|}_{\max }={\left|\underset{1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{B}_k{\mathrm{\&omega;}}_k\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k)\right|}_{\max }---\left(2.3\right)$

其中B_k、ω_k、β_k分别是第k个频率分量的幅值、角频率和初始相位。

在工程应用中，不需要对所有频率分量进行统计，可根据测量精度要求，确定截断误差ε％，省略对E_DS影响小的频率分量。作法是：假设第M个频率分量产生的感应电势B_Mω_M最大，则舍去B_kω_k<ε％B_Mω_M的所有频率分量，此时式2.3成为有限项的组合：

$E_{\mathrm{DS}}={\left|\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{B}_k{\mathrm{\&omega;}}_k\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k)\right|}_{\max }---\left(2.4\right)$

本发明获得瞬态干扰各频率分量的方法和原理如下：

由于瞬态骚扰磁场的高频分量会随着时间快速衰减，因此瞬态磁场的第一个半波包含最丰富的频率分量和最大的骚扰幅值，是磁场干扰风险评估的主要关注点。如图3所示，本发明截取瞬态磁感应强度的第一个半波，对其延展，对延展后的波形进行傅里叶分析，获得各主要频率分量的频率、幅值和相位。

得到空间磁场受扰强度，则任意二次回路在此处可能感生的最大电动势可通过下式计算：

E＝nSE_DScosθ   2.5

通常二次回路仅为一匝，二次回路方向与磁场方向的关系难以确定，从风险评估的角度出发考虑恶劣结果，可假设二次回路与磁场垂直，于是二次回路感应电势大小为：

E＝SE_DS   2.6

将感应电势E与二次设备逻辑电平相比较，当感应电势E高于被评估的二次设备的逻辑输入低电平(VIL)和阈值电压(VTH)的差值，判定该二次设备存在遭受空间磁场干扰的风险。电子电路常用逻辑电平值如表2所示。

常用逻辑电平	VIH/V	VIL/V	VTH/V
				TTL	2.0	0.8	1.2
LVTTL	1.7	0.7	1
				CMOS	3.5	1.5	2
LVCOMS	2.0	0.7	1.3

表2：电子电路常用逻辑电平值

本发明相对于现有技术的优点体现在以下几个方面：

(1)现有技术根据运行经验统计测试常规变电站的电磁环境，以此为依据制定二次设备空间磁场抗扰度标准和试验方法。这种方法带有一定的统计性，不能完全规避受扰风险。依据传统变电站测试结果制定的标准也不再适用于智能变电站。而本发明基于磁场实测和电磁感应基本理论计算的感应电势不受上述因素影响，可以真实反映一个具体的变电站的二次设备遭受空间磁场干扰的风险。

(2)现有技术试图将变电站空间磁场区分为稳定持续磁场、1～3s短时磁场、瞬态磁场和阻尼磁场等几种典型的类型，针对每个类型确定二次设备磁场抗扰度指标。但电力系统空间磁场尤其是暂态过程中的磁场通常是上述几种的组合，满足分项抗扰度指标要求的二次设备在多种类型磁场的综合作用下不一定安全。本发明提出的空间磁场受扰强度是考虑了各频率分量的综合指标，不存在上述问题。

本发明针对变电站二次设备遭受空间磁场干扰问题，提出了一种风险评估方法，定义了二次回路空间磁场受扰强度指标。该方法基于现场实测和基础电磁感应理论，考虑了各种频率磁场分量的综合作用，可以对指定变电站、指定位置、指定二次设备的空间磁场受扰风险进行评估。相比传统的基于统计规律的抗扰度指标，评价结果具有更高的精确度，对变电站结构和技术的发展具有更强的适应性。可以作为变电站二次设备空间磁场抗扰度指标和试验方法的补充，在变电站(尤其是智能变电站)电磁兼容设计、和二次设备运维领域中发挥作用。

附图说明

图1是典型的二次设备连接示意图。

图2示出了变电站典型瞬态磁场波形。

图3示出了瞬态磁场波形截取和延展后的波形。

具体实施方式

(1)采用磁场测量设备检测空间磁感应强度B的波形

要求磁场测量设备必须具有自动触发功能，能够在系统发生瞬态过程是自动测量磁感应强度。且必须具有波形记录功能，能完整记录下瞬态磁感应强度波形，便于后续数据分析。

(2)对测得的瞬态磁感应强度波形进行处理频率分析

截取瞬态磁场波形第一个半波，并对其进行时域延展，再进行傅里叶分析，得到各频率磁场分量的幅值B_k、频率ω_k和相位β_k。

(3)计算测量点的空间磁场受扰强度

计算各频率分量产生的感应电势，E_DSk＝B_kω_k找出其中的最大值E_DSM。根据工程实际确定截断误差ε％，建议取为10％。舍去E_DSk＜E_DSMε％的所有的频率分量，利用剩下的磁场分量计算空间磁场受扰强度：

(4)评估二次回路实际受扰风险

结合被评估二次设备的实际二次回路的尺寸，应用式E＝SE_DS计算二次回路上可能产生的感应电势。将感应电势E与二次设备逻辑电平相比较，确定二次设备的受扰风险。当感应电势E高于被评估的二次设备的逻辑低电平(VI L)和阈值电压(VTH)的差值，判定该二次设备存在遭受空间磁场干扰的风险。

Claims (3)

1.一种变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的评估方法，包括

步骤一，使用具有自动触发功能和波形记录功能的磁场测量设备，自动测量变电站内瞬态过程中二次设备所处位置的磁感应强度，并完整记录下瞬态磁感应强度波形；

步骤二，截取瞬态磁感应强度波形的第一个半波，对其进行时域延展，再进行傅里叶分析，得到各频率磁场分量的幅值B_k、频率ω_k和相位β_k，其中，k＝1、2、3、4……n；

步骤三，计算各频率分量产生的感应电势E_DSk＝B_kω_k，取其中的最大值E_DSM作为截断基准，确定截断误差ε％，舍去E_DSk＜E_DSMε％的所有的频率分量，利用剩下的频率分量计算空间磁场受扰强度E_DS，空间磁场受扰强度E_DS定义为测量位置垂直于磁场方向的单位面积单匝线圈上感应电动势的峰值，单位为V/m²， $E_{\mathrm{DS}}=|\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{B}_k{\mathrm{\&omega;}}_k\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k){|}_{\max },$ t为时间；

步骤四，结合被评估的二次设备的二次回路面积S，计算二次回路上可能产生的感应电势E＝SE_DS；

步骤五，当感应电势E高于被评估的二次设备的逻辑低电平VIL和阈值电压VTH的差值，判定该二次设备存在遭受空间磁场干扰的风险。

2.如权利要求1所述的变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的评估方法，其特征在于，所述截断误差ε％等于10％。

3.如权利要求1所述的变电站二次设备遭受空间磁场干扰风险的评估方法，其特征在于，所述被评估的二次设备的逻辑低电平VIL是TTL、LVTTL、CMOS或LVCMOS电路中任意一种电路的逻辑低电平VIL。