变电站智能组件辐射磁场干扰下感应电气量的计算方法

1.本发明属于智能电网设备的电磁兼容技术领域，具体涉及变电站智能组件辐射磁场干扰下感应电气量计算方法。


背景技术：

2.智能电网设备是未来智能电网建设的重要组成部分，在推广试用过程中，由电磁干扰引发的故障占据绝大多数，使用以往传导干扰的研究和防护方法也难有成效。因此，有必要研究智能电网设备在遭受电力系统中暂态辐射干扰时的受扰情况，且由于辐射电场防护措施较多，往往容易忽视辐射磁场的危害，对其造成的干扰进行计算分析，对于提升此类设备应用可靠性具有重要的理论和工程价值。
3.当智能设备在遭受变电站开关分合、振荡冲击等强暂态干扰时,由于冲击电流流过变电站回路从而产生严重的辐射磁场。这种辐射磁场频率极高，强度大，可能穿过变电站智能组件的屏蔽壳体或孔缝，透射进入壳体内部，从而在智能组件板卡上直接产生耦合电压和电流，这样的暂态过程作用下，智能组件上的一些敏感元器件和芯片等可能遭受严重的冲击而产生电击穿或者热击穿，轻则导致设备计量出现误差或丢失数据，重则直接毁坏器件，引发开关失灵等严重故障。因此急需研究一种计算方法对磁场干扰下智能组件辐射磁场干扰下传输线或电源端口的感应电气量进行计算。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供变电站智能组件辐射磁场干扰下感应电气量计算方法，通过建立干扰回路以及屏蔽壳体和智能组件的实物模型，对其进行匹配和调试，从而进行辐射磁场的计算，得到辐射磁场对于智能组件上传输线或电源端口等线路的干扰情况。
5.本发明所采用的技术方案是：变电站智能组件辐射磁场干扰下感应电气量计算方法，具体操作步骤如下：
6.步骤1：建立三维电磁计算模型，所述三维电磁计算模型包括干扰回路、屏蔽壳体、智能组件，以及计算模块；所述智能组件设置在屏蔽壳体内；将干扰回路、屏蔽壳体、智能组件的电磁参数输入至计算模块；
7.步骤2：将引起干扰的信号经频率缩放后导入三维电磁计算模型，使其通过干扰回路，在三维电磁计算模型的智能组件附近按照使用需求任选一个在测量点作为磁场强度测量点；
8.步骤3：进行三维电磁场计算，在智能组件附近的磁场强度测量点采集到辐射磁场强度信号，并将该辐射磁场强度信号按照干扰信号的频率缩放倍数进行还原，还原得到的磁场强度信号就是测量点在干扰信号下的实际辐射磁场强度信号；
9.步骤4：将步骤3所得测量点实际辐射磁场信号施加在三维电磁计算模型的智能组件上，计算出辐射磁场在智能组件的电源端口或传输线上感应出的电压电流信号，进行电流和电压信号测量，得到信号即感应电气量信号。
10.本发明的特点还在于，
11.步骤3进行频率缩放处理的具体方法为：假设需要求解的问题是干扰信号i1导致的辐射磁场及其感应电气量。那么首先将信号i1的幅值不变，频率提高到数百mhz-ghz级，得到一个新的干扰信号i2，将i2导入三维磁场计算模型进行计算，在磁场强度测量点可测得辐射磁场强度h2’
，得到h2’
之后再按照i1和i2频率之间的倍数关系，还原得到i1实际作用下导致的辐射磁场强度h2，将h2施加在智能组件上，即可得到智能组件上受到干扰信号i1干扰所感应出的电压和电流。
12.具体推导过程如下：
13.对于频率为f的交变电流,当延迟时间r/v比交变电流激发的电磁场周期t＝1/f小很多时，推迟引起的效应很小，可以忽略感生电场。
14.其中，r为磁场强度测量点到干扰回路的距离；v为电磁波在空间的传播速度。
15.忽略推迟效应后的似稳态电磁场满足：
[0016][0017]
其中，e为电场强度，h为磁场强度，d为电位移矢量，b为磁感应强度。
[0018]
求解的似稳态场中，存在两种介质，即干扰回路导体(介质1)和智能组件处空气(介质2)，二者的边界条件满足以下要求：
[0019]h1t-h
2t
＝jsꢀꢀ
(2)
[0020]js
＝σ
·eꢀꢀ
(3)
[0021]
(σ1+jωε1)e1en＝(σ2+jωε2)e2enꢀꢀ
(4)
[0022]
其中，h
1t
为介质1的磁场强度，h
2t
为介质2的磁场强度，js为感应电流密度，σ1为介质1的电导率，σ2为介质2的电导率，ω为信号角速度，ε1为介质1的介电常数，ε2为介质2的介电常数，e1为介质1的电场强度，e2为介质2的电场强度。
[0023]
进一步做如下解释：当介质1中电磁场不变时，如果忽略介质2的趋肤效应，那么不同频率下介质2中某一位置感应电场可以通过如下公式换算：
[0024][0025]
其中，σ2’
为频率缩放后介质2的电导率，ω’为频率缩放后的信号角速度,ε2’
为频率缩放后介质2的介电常数,e2为频率缩放后介质2的电场强度。
[0026]
式(5)可简化为：
[0027][0028]
结合式(3)和式(6)得介质2处的感应电流密度为：
[0029]
[0030]
其中，f为干扰信号原始频率，f’为频率缩放后的干扰信号频率。
[0031]
将式(7)带入式(2)可得介质2中的磁场强度：
[0032][0033]
由于介质1属于金属导体，其内部的磁场强度很小，可以忽略h1和h1’
，故根据式子(8)可以得到：
[0034][0035]
故根据式(9)只需要知道频率缩放倍数f/f’和缩放后智能组件处的磁场强度h2’
,即可求得实际磁场强度h2。
[0036]
步骤3和步骤4采用时域积分法对辐射磁场强度进行求解。时域积分法是一种时域范围内的电磁场计算方法，该方法对麦克斯韦方程组的积分形式进行离散化，如式(10)所示：
[0037][0038]
其中，为电场强度，为磁场强度，为电通量，为磁通量；
[0039]
为得到该方程的数值解，时域积分法会定义一个有限的计算域，将需要求解的对象封闭在计算域之中，再创建一个合适的网格分割策略去将该计算域划分成许多小的网格单元。以正交六面体网格系统为例，主网格的剖分视图在软件中是可视化的，但是亚网格的设置是不可见的，它们被设置为与主网格正交。
[0040]
在电磁场仿真中，网格的电压e和平面磁通量b在主网格上进行分配，电通量d和磁场强度h则被定义在亚网格上。如附图3，在每个网格的平面上重复图中的运算步骤并将所有的计算过程以矩阵的形式表示，再引入拓扑矩阵c作为主网格上的空间离散化的旋量算子。得到了计算拓扑矩阵后便可以由计算机程序开始计算空间电磁场问题。
[0041]
附图3中c为旋量算子，ek,ej,ei,e
l
分别为对应网格上棱角的电压，b为对应平面磁通量，d为电位移矢量，h为磁场强度。
[0042]
再对亚网格运用安培定律并定义该网格上的旋量算子为类似地，对麦克斯韦方程组中剩下的两个等式也进行离散化并定义相应的散度算子s与分别对应与主网格与亚网格。
[0043]
磁场强度与磁通量的关系如下：
[0044][0045]
其中μ是介质的磁导率。
[0046]
在电磁仿真中，网格平面的磁通量分布在主网格上，而磁场强度则定义在子网格上，子网格的每个顶点都定义在主网格的范围内。
[0047][0048]
式中，是定义的磁场强度，li是网格的边缘，dl是积分环路。
[0049]
因此，方程(12)的积分表达式可以转化为网格方程(13)。
[0050][0051]
其中，是子网对应的旋量算子，是对应网格的磁场强度，是电位移矢量，是电流算子。
[0052]
步骤2所述智能组件是电力或通信设备中对量测信号进行处理的采集电路板卡或合并单元的电路板卡。
[0053]
本发明的有益效果是：
[0054]
本发明提出的下一种变电站智能组件辐射磁场干扰下感应电气量计算方法，通过对智能组件涉及的各部分进行建模和统一，从而计算在遭受暂态干扰信号时产生的空间辐射磁场对于智能组件的影响，可以采集智能组件辐射磁场强度和电源端口或传输线处的暂态感应电压和电流，定量研究了辐射干扰对于变电站智能组件的干扰问题，为工程应用中防护来自空间电磁场的干扰提供了参考和依据。
[0055]
本发明提出的一种变电站智能组件辐射磁场强度磁场干扰下感应电气量计算方法，将干扰回路和屏蔽壳体、智能组件合理建模并配合计算模块，将干扰信号进行频率缩放求解出对应磁场强度后，再根据缩放频率还原辐射磁场强度信号，进而求解出感应电气量的方法，避免了强硬求解的不收敛导致错误解的问题，为求解该类智能组件的电磁干扰问题提供了可行的解决方法。
附图说明
[0056]
图1是本发明变电站智能组件辐射磁场干扰下感应电气量计算方法在具体实施中使用的高频振荡冲击干扰信号波形图；
[0057]
图2是本发明变电站智能组件辐射磁场干扰下感应电气量计算方法的辐射磁场强度h2’
波形；
[0058]
图3是本发明变电站智能组件在高频振荡冲击干扰时对频率缩放得到磁场强度进行还原得到的磁场强度h2波形；
[0059]
图4是本发明变电站智能组件在辐射磁场h2作用下计算求解的智能组件电源端口感应电压波形图；
[0060]
图5是本发明变电站智能组件在辐射磁场h2作用下计算求解的智能组件电源端口感应电流波形图。
具体实施方式
[0061]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0062]
本发明的变电站智能组件辐射磁场干扰下感应电气量计算方法，具体操作步骤如下：
[0063]
步骤1：建立三维电磁计算模型，所述三维电磁计算模型包括干扰回路、屏蔽壳体、智能组件，以及计算模块；所述智能组件设置在屏蔽壳体内；将干扰回路、屏蔽壳体、智能组件的电磁参数输入至计算模块；
[0064]
步骤2：将引起干扰的信号经频率缩放后导入三维电磁计算模型，使其通过干扰回路，在三维电磁计算模型的智能组件附近按照使用需求选择一个测量点作为磁场强度测量点；
[0065]
步骤3：进行三维电磁场计算，在智能组件附近的磁场强度测量点采集到辐射磁场强度信号，并将该辐射磁场强度信号按照干扰信号的频率缩放倍数进行还原，还原得到的磁场强度信号就是测量点在干扰信号下的实际辐射磁场强度信号；
[0066]
步骤4：将步骤3所得测量点实际辐射磁场信号施加在三维电磁计算模型的智能组件上，计算出辐射磁场在智能组件的电源端口或传输线上感应出的电压电流信号，进行电流和电压信号测量，得到信号即感应电气量信号。
[0067]
步骤3进行频率缩放处理的具体方法为：假设需要求解的问题是干扰信号i1导致的辐射磁场及其感应电气量。那么首先将信号i1的幅值不变，频率提高到数百mhz-ghz级，得到一个新的干扰信号i2，将i2导入三维磁场计算模型进行计算，在智能组件附件磁场强度测量点处可以测得辐射磁场强度h2’
，得到h2’
之后再按照i1和i2频率之间的倍数关系，还原得到i1实际作用下导致的辐射磁场强度h2，将h2施加在智能组件上，即可得到智能组件上受到干扰信号i1干扰所感应出的电压和电流。
[0068]
具体推导过程如下：
[0069]
对于频率为f的交变电流,当延迟时间r/v比交变电流激发的电磁场周期t＝1/f小很多时，推迟引起的效应很小，可以忽略感生电场。
[0070]
其中，r为磁场强度测量点到干扰回路的距离；v为电磁波在空间的传播速度。
[0071]
忽略推迟效应后的似稳态电磁场满足：
[0072][0073]
其中，e为电场强度，h为磁场强度，d为电位移矢量，b为磁感应强度。
[0074]
求解的似稳态场中，存在两种介质，即干扰回路导体(介质1)和智能组件处空气(介质2)，二者的边界条件满足以下要求：
[0075]h1t-h
2t
＝jsꢀꢀ
(2)
[0076]js
＝σ
·eꢀꢀ
(3)
[0077]
(σ1+jωε1)e1en＝(σ2+jωε2)e2enꢀꢀ
(4)
[0078]
其中，h
1t
为介质1的磁场强度，h
2t
为介质2的磁场强度，js为感应电流密度，σ1为介
质1的电导率，σ2为介质2的电导率，ω为信号角速度，ε1为介质1的介电常数，ε2为介质2的介电常数，e1为介质1的电场强度，e2为介质2的电场强度。
[0079]
进一步做如下解释：当介质1中电磁场不变时，如果忽略介质2的趋肤效应，那么不同频率下介质2中某一位置感应电场可以通过如下公式换算：
[0080][0081]
其中，σ2’
为频率缩放后介质2的电导率，ω’为频率缩放后的信号角速度,ε2’
为频率缩放后介质2的介电常数,e2为频率缩放后介质2的电场强度。
[0082]
式(5)可简化为：
[0083][0084]
结合式(3)和式(6)得介质2处的感应电流密度为：
[0085][0086]
其中，f为干扰信号原始频率，f’为频率缩放后的干扰信号频率。
[0087]
将式(7)带入式(2)可得介质2中的磁场强度：
[0088][0089]
由于介质1属于金属导体，其内部的磁场强度很小，可以忽略h1和h1’
，故根据式子(8)可以得到：
[0090][0091]
故根据式(9)只需要知道频率缩放倍数f/f’和缩放后智能组件处的磁场强度h2’
,即可求得实际磁场强度h2。
[0092]
步骤3和步骤4采用时域积分法对辐射磁场强度进行求解。时域积分法是一种时域范围内的电磁场计算方法，该方法对麦克斯韦方程组的积分形式进行离散化，如式(10)所示：
[0093][0094]
其中，为电场强度，为磁场强度，为电通量，为磁通量；
[0095]
为得到该方程的数值解，时域积分法会定义一个有限的计算域，将需要求解的对象封闭在计算域之中，再创建一个合适的网格分割策略去将该计算域划分成许多小的网格单元。以正交六面体网格系统为例，主网格的剖分视图在软件中是可视化的，但是亚网格的设置是不可见的，它们被设置为与主网格正交。
[0096]
在电磁场仿真中，网格的电压e和平面磁通量b在主网格上进行分配，电通量d和磁场强度h则被定义在亚网格上。如附图3，在每个网格的平面上重复图中的运算步骤并将所有的计算过程以矩阵的形式表示，再引入拓扑矩阵c作为主网格上的空间离散化的旋量算子。得到了计算拓扑矩阵后便可以由计算机程序开始计算空间电磁场问题。
[0097]
附图3中c为旋量算子，ek,ej,ei,e
l
分别为对应网格上棱角的电压，b为对应平面磁通量，d为电位移矢量，h为磁场强度。
[0098]
再对亚网格运用安培定律并定义该网格上的旋量算子为类似地，对麦克斯韦方程组中剩下的两个等式也进行离散化并定义相应的散度算子s与分别对应与主网格与亚网格。
[0099]
磁场强度与磁通量的关系如下：
[0100][0101]
其中μ是介质的磁导率。
[0102]
在电磁仿真中，网格平面的磁通量分布在主网格上，而磁场强度则定义在子网格上，子网格的每个顶点都定义在主网格的范围内。
[0103][0104]
式中，是定义的磁场强度，li是网格的边缘，dl是积分环路。
[0105]
因此，方程(12)的积分表达式可以转化为网格方程(13)。
[0106][0107]
其中，是子网对应的旋量算子，是对应网格的磁场强度，是电位移矢量，是电流算子。
[0108]
步骤2所述智能组件是电力或通信设备中对量测信号进行处理的采集电路板卡或合并单元的电路板卡。
[0109]
实施例
[0110]
假设需要求解的问题是变电站经常遭受的高频振荡冲击干扰信号i1(如图1，幅值20ka，频率4250hz)导致的辐射磁场及其感应电压和电流。那么首先将信号i1的幅值不变，频率提高10倍，即其持续时间缩短为原来的1/10，得到一个新的干扰信号i2，将i2导入三维磁场计算模型，流过图5的导体通路，在计算模型的智能组件附件设置磁场强度测量点，得到i2产生的辐射磁场强度h2’
(如图2)，得到h2’
之后再按照i1和i2频率之间的倍数关系，将h2’
幅值和时间均乘以10，还原得到i1实际作用下导致的辐射磁场强度h2(如图3)，将h2施加在智能组件上(智能组件结构主要包括一些充电电容和高电压线路，核心处理模块包括光
耦器件，运算放大器，fpga核心处理芯片及若干电容电阻)，测量感应电气量时，测量点设置在fpga芯片的3.3v电源端口，通过电磁感应关系，即可得到智能组件上3.3v电源线路受到干扰信号i1作用所感应出的电压和电流。之后可将图3、图4及图5的信号，对照具体的工程要求或标准规定，衡量其电磁兼容性能。