成 林，馬驍騰，任雙贊，劉 臻，汪全濤

（1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054；2.國網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司，陜西 西安 710054）

0 引言

在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)和新型電力系統(tǒng)引領(lǐng)下，電力能源已成為促進(jìn)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)場。國家電網(wǎng)有限公司為推進(jìn)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，全力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)與新型電力系統(tǒng)構(gòu)建中數(shù)字技術(shù)與能源技術(shù)深度融合、廣泛應(yīng)用，相繼印發(fā)了《“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案》和《構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)行動(dòng)方案》，并制定了2021—2030 年九大重點(diǎn)任務(wù)，其中，智慧變電站建設(shè)是落實(shí)國家電網(wǎng)有限公司發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)建現(xiàn)代設(shè)備管理體系的重要內(nèi)容，是電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)的核心環(huán)節(jié)，提升設(shè)備智能化水平與變電運(yùn)檢質(zhì)量與效果的重要舉措，服務(wù)新型電力系統(tǒng)的重要途徑。

國網(wǎng)陜西省電力有限公司作為智慧變電站試點(diǎn)建設(shè)單位，自2020 年起開始1 000 kV 橫山、110 kV鳳凰嘴智慧變電站建設(shè)，從“提升運(yùn)檢工作效率、加強(qiáng)設(shè)備狀態(tài)感知、提高本質(zhì)安全水平”方面有力支持了變電專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，其中全面提升在運(yùn)設(shè)備傳感器可靠性是推進(jìn)智慧變電站建設(shè)的關(guān)鍵。然而，變電站工況環(huán)境是復(fù)雜電磁、濕、熱、設(shè)備振動(dòng)等多物理場耦合場景，傳統(tǒng)可靠性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并未與變電站可靠性需求進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化，導(dǎo)致在智慧變電站建設(shè)中傳感器或無線網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計(jì)不合理，實(shí)際應(yīng)用中故障率偏高，嚴(yán)重制約了智慧變電站建設(shè)。具體表現(xiàn)為：一是變壓器、開關(guān)等主設(shè)備內(nèi)外部或附近多物理場耦合影響因素尚不清晰［1］，現(xiàn)有傳感器生產(chǎn)制造依據(jù)的電磁兼容和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，無法適用于電壓等級(jí)不斷提升的變電站復(fù)雜工況要求，造成傳感器故障率高，缺乏變電站分區(qū)分級(jí)影響評(píng)估；二是缺乏變電站復(fù)雜電磁、濕、熱、設(shè)備振動(dòng)等多物理場耦合干擾環(huán)境對(duì)電氣量、狀態(tài)量、行為量、環(huán)境量典型傳感器關(guān)鍵材料、元器件與裝置的多層級(jí)影響因素分析［2-4］，不同電壓等級(jí)變電站典型傳感器在傳感材料、關(guān)鍵微觀結(jié)構(gòu)、元器件加工工藝及封裝方法等方面的多層級(jí)防護(hù)性能有待提升。

因此，為保障智慧變電站的建設(shè)，亟須開展數(shù)字化重構(gòu)技術(shù)構(gòu)建變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)模型的研究，從而明確適用于變電站內(nèi)傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備的電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性分級(jí)與技術(shù)指標(biāo)要求，構(gòu)建契合變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)模型的物聯(lián)網(wǎng)傳感器可靠性測試體系，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)傳感器對(duì)智慧變電站建設(shè)的支撐作用。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 變電站多物理場典型特征量的提取方法

研究變電站復(fù)雜電磁騷擾、濕、熱、設(shè)備振動(dòng)等多物理場典型特征參量的提取方法，首先要厘清變電站在運(yùn)設(shè)備的功能及運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司智慧變電站的建設(shè)方案，通過調(diào)研和分析，統(tǒng)計(jì)目前變電站中典型且故障率高的傳感器類型，得到智能高壓設(shè)備在運(yùn)傳感器功能統(tǒng)計(jì)如圖1 所示。結(jié)合目前傳感器所安裝位置在運(yùn)設(shè)備的運(yùn)行功能，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)傳感器的測量原理和安裝方式，分析不同運(yùn)行狀態(tài)下在運(yùn)設(shè)備對(duì)傳感器的影響情況，針對(duì)在運(yùn)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，分析變電站多物理場環(huán)境中其他設(shè)備對(duì)傳感器的影響。

圖1 智能高壓設(shè)備在運(yùn)傳感器功能統(tǒng)計(jì)Fig.1 Function statistics of intelligent high-voltage equipment sensor in operation

然后基于變電站復(fù)雜電磁騷擾、濕、熱、設(shè)備振動(dòng)等多物理場典型特征參量的提取，研究變電站在運(yùn)設(shè)備對(duì)多物理場的影響規(guī)律，研究不同類型在運(yùn)設(shè)備所處多物理場特征分布和量值強(qiáng)度，通過實(shí)測對(duì)不同類型在運(yùn)設(shè)備電磁騷擾、濕度、溫度、設(shè)備振動(dòng)等多物理場典型特征參量的分布規(guī)律和量值強(qiáng)度驗(yàn)證上述分析結(jié)果的有效性。

1）變電站不同在運(yùn)傳感設(shè)備受多物理場的影響規(guī)律。

根據(jù)變電站結(jié)構(gòu)布局和不同在運(yùn)設(shè)備的類型、安裝方式、安裝位置和工作模式，結(jié)合變電站多物理量的特征參量提取，研究不同現(xiàn)場設(shè)備工況對(duì)復(fù)雜電磁騷擾、濕、熱、設(shè)備振動(dòng)等多物理場的影響規(guī)律。

首先在運(yùn)傳感設(shè)備按類型分為傳感器件、板卡及裝置。其次根據(jù)安裝位置（服務(wù)于不同設(shè)備）及圖1 所示傳感功能，上述3 類傳感設(shè)備中傳感器件可以繼續(xù)細(xì)分為有源傳感器件（紅外成像傳感頭等）和無源傳感器件（天線、羅氏線圈等），板卡則包括數(shù)據(jù)采集卡、通信模組及電源模塊等，裝置則有紅外測溫儀、特高頻局放儀及高頻局放儀等。同時(shí)根據(jù)傳感器與開關(guān)設(shè)備的空間關(guān)系首先將評(píng)估電磁騷擾信號(hào)的區(qū)域分為緊貼開關(guān)設(shè)備外殼、未緊貼但位于開關(guān)設(shè)備區(qū)域內(nèi)以及遠(yuǎn)離開關(guān)設(shè)備區(qū)域3 類。

然后通過針對(duì)敞開式開關(guān)設(shè)備（air insulated switchgear，AIS）和氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated substation，GIS）進(jìn)行不同電壓等級(jí)不同容性負(fù)載的隔離開關(guān)分合閘實(shí)驗(yàn)［5］，并提取電磁騷擾信號(hào)特征量，發(fā)現(xiàn)的規(guī)律為：電磁騷擾信號(hào)分電流和電壓兩類討論，均可以按照特征量值大小從低到高分為3 級(jí)。其中最高級(jí)需要對(duì)AIS 二次設(shè)備施加持續(xù)時(shí)間大于1 s、最大電流幅值大于2 000 A 且單次電流主頻大于1 MHz 的多次放電脈沖群作為電流分量電磁騷擾信號(hào)，次一級(jí)施加電流為1 500 A，最低級(jí)施加電流為1 000 A；最高級(jí)施加電壓幅值大于10 kV、持續(xù)時(shí)間大于500 ms、頻率大于1 MHz 且放電大于20 次的衰減振蕩波脈沖群的電壓分量，次一級(jí)施加電壓為6 kV，最低級(jí)施加電壓為3 kV；最高級(jí)需要對(duì)GIS 二次設(shè)備施加電壓幅值大于20 kV、持續(xù)時(shí)間大于200 ms、頻率大于30 MHz 且放電大于200 次的衰減振蕩波脈沖群電壓分量騷擾信號(hào)，次一級(jí)施加電壓為12 kV，最低級(jí)施加電壓為6 kV。

最后由于傳感類設(shè)備中的器件和板卡均工作在屏蔽外殼內(nèi)，因此溫度、濕度以及振動(dòng)的影響實(shí)際取決于設(shè)備的工作環(huán)境。因此安裝于電力設(shè)備的傳感器應(yīng)滿足各自電力設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中各物理量的極限值，該極限值受不同設(shè)備、不同地域、氣候條件的影響就是研究變電站濕、熱、設(shè)備振動(dòng)時(shí)的特征參量的變化規(guī)律。

2）變電站多物理場特征分布和量值強(qiáng)度。

利用Comsol 有限元仿真軟件對(duì)在運(yùn)設(shè)備進(jìn)行建模［6-7］，研究不同環(huán)境工況下，傳感器所安裝變電站不同位置及不同載體設(shè)備在極端情況下復(fù)雜電磁騷擾、濕度、溫度、設(shè)備振動(dòng)等多物理場特征量的分布規(guī)律和量值強(qiáng)度規(guī)律，確定傳感器在變電站中運(yùn)行的多物理場環(huán)境狀況。

3）變電站多物理場特征分布和量值強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證。

開展變電站現(xiàn)場復(fù)雜電磁騷擾、濕度、溫度、設(shè)備振動(dòng)等多物理場典型特征參量的實(shí)際測量，并通過MATLAB 程序?qū)Σㄐ翁卣鲄⒘窟M(jìn)行提取，其中本算法包括濾波、提取單次周期、計(jì)算特征參量3 部分，如圖2 所示，經(jīng)過算法優(yōu)化有利于特征參量的提取。

圖2 優(yōu)化波形特征參量提取算法Fig.2 Waveform comparisions of feature parameter extraction optimization algorithm and original algorithms

在上述基礎(chǔ)上經(jīng)實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證在運(yùn)設(shè)備電磁騷擾、濕度、溫度、設(shè)備振動(dòng)等多物理場典型特征參量的分布規(guī)律和量值強(qiáng)度理論分析的有效性。

1.2 多物理場耦合影響分析

基于特征分布、量值強(qiáng)度及其影響因素，研究不同物理場對(duì)安裝于不同變電站設(shè)備傳感器影響的相關(guān)性系數(shù)，從而研究在多物理量疊加作用下［8］，多種物理量對(duì)傳感器影響的權(quán)重和相關(guān)性；在此基礎(chǔ)上，建立多物理場對(duì)安裝于不同變電站設(shè)備傳感器影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，并進(jìn)行仿真分析；根據(jù)各特征參量的實(shí)測及數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)關(guān)聯(lián)關(guān)系模型進(jìn)行驗(yàn)證，分析多物理場作用對(duì)變電站不同安裝位置傳感器影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而為解決多物理場綜合作用下傳感器的實(shí)效機(jī)理研究提供理論依據(jù)。

1）變電站多物理場相關(guān)性系數(shù)。

根據(jù)對(duì)傳感器故障影響因素統(tǒng)計(jì)和不同類型物理場特征分布、量值強(qiáng)度分析結(jié)果，得出：安裝于開關(guān)設(shè)備及變壓器等戶外電力設(shè)備的傳感器，運(yùn)行環(huán)境為24 h 內(nèi)相對(duì)濕度平均值不超過95%，月相對(duì)濕度平均值不超過90%；運(yùn)行環(huán)境溫度為-50～55 ℃、最大溫升140 K；設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲信號(hào)頻率集中在50～800 Hz，其峰值主要集中在50 Hz、100 Hz、200 Hz、500 Hz，幅值小于70 dB，地面水平加速度低于3 m/s2。

通過仿真分析研究多物理場疊加作用下對(duì)傳感器影響的程度，比較不同多種物理場作用情況下傳感器的失效模式和不同物理場對(duì)傳感器作用的權(quán)重，進(jìn)而研究不同物理場對(duì)安裝于不同變電站設(shè)備傳感器影響的相關(guān)性系數(shù)，通過相關(guān)性系數(shù)分析不同類型傳感器對(duì)不同物理場干擾的敏感性。

2）變電站多物理場相關(guān)性建模仿真。

建立多物理場對(duì)安裝于不同變電站設(shè)備傳感器影響關(guān)聯(lián)關(guān)系的多元支持向量回歸預(yù)測模型，在建模之前需要對(duì)多物理場分布特征參量進(jìn)行處理，包括：參數(shù)歸一化/標(biāo)準(zhǔn)化、相關(guān)性篩選、訓(xùn)練/測試參數(shù)設(shè)置以及參數(shù)優(yōu)化等；通過固定一種物理場干擾的特征，變換其他物理場干擾，得到不同物理場干擾組合方式對(duì)傳感器的干擾程度，進(jìn)而驗(yàn)證多物理場作用下不同物理場干擾之間的相關(guān)性系數(shù)；通過仿真，建立不同類型傳感器在同一多物理場疊加作用下的失效模型，研究多物理場疊加干擾對(duì)不同類型傳感器的影響規(guī)律。

3）變電站多物理場相關(guān)性分析。

結(jié)合變電站多物理場特征參量的實(shí)測，并對(duì)失效傳感器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過改變輸入?yún)?shù)對(duì)多物理場關(guān)聯(lián)關(guān)系的多元支持向量回歸預(yù)測模型的預(yù)測精度進(jìn)行驗(yàn)證，隨著輸入?yún)?shù)的增多，預(yù)測模型的預(yù)測精度從90.5%提高到94%，同時(shí)考慮預(yù)測模型的輸入?yún)?shù)的復(fù)雜度，最終確定模型為兩參數(shù)輸入；進(jìn)而研究多物理場作用對(duì)變電站不同安裝位置的傳感器影響的綜合效應(yīng)，以及不同物理場在同時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行作用過程中的關(guān)聯(lián)性關(guān)系。

1.3 點(diǎn)位測量反演區(qū)域量值技術(shù)

首先針對(duì)變電站多物理場分別開展“點(diǎn)位”測量復(fù)原“區(qū)域”量值等效關(guān)系進(jìn)行研究。針對(duì)變電站復(fù)雜電磁環(huán)境，通過電磁波輻射和折反射機(jī)理分析，研究電磁波傳播及分布的理論模型，進(jìn)而研究“點(diǎn)位”數(shù)據(jù)復(fù)原“區(qū)域”量值分布的關(guān)聯(lián)等效關(guān)系；針對(duì)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)，研究振動(dòng)機(jī)械波在金屬和絕緣材料中的傳播，并分析在兩者交界面的折反射規(guī)律，進(jìn)而研究振動(dòng)“點(diǎn)位”數(shù)據(jù)復(fù)原“區(qū)域”量值分布的關(guān)聯(lián)等效關(guān)系；針對(duì)外界溫度和設(shè)備運(yùn)行溫度，在設(shè)備材料及不同材料交界面?zhèn)鞑ズ驼鄯瓷洌M(jìn)而研究溫度“點(diǎn)位”測量復(fù)原“區(qū)域”量值分布的關(guān)聯(lián)等效關(guān)系；針對(duì)濕度，研究空間濕度在變電站設(shè)備表面、縫隙及內(nèi)部擴(kuò)散的規(guī)律，進(jìn)而研究濕度“點(diǎn)位”測量復(fù)原“區(qū)域”分布量值的關(guān)聯(lián)等效關(guān)系。

基于上述各物理場傳播規(guī)律的研究結(jié)果，對(duì)各物理場特征量的點(diǎn)位測量與復(fù)原區(qū)域量值的關(guān)聯(lián)等效關(guān)系進(jìn)行分析如圖3 所示。

圖3 點(diǎn)位測量與區(qū)域量值關(guān)聯(lián)關(guān)系模型構(gòu)建Fig.3 The modeling of the relationship between point measurements and regional quantitative values

采用相關(guān)分析數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法［9］，利用Spearman相關(guān)系數(shù)計(jì)算“點(diǎn)位”測量與其對(duì)“區(qū)域”量值影響程度之間的相關(guān)性；在此基礎(chǔ)上再采用回歸分析法根據(jù)“點(diǎn)位”測量建立其對(duì)“區(qū)域”量值影響的回歸預(yù)測模型，通過模型預(yù)測精度對(duì)點(diǎn)位的選取進(jìn)行評(píng)價(jià)。最終通過該關(guān)聯(lián)關(guān)系模型計(jì)算各因素對(duì)反演計(jì)算的準(zhǔn)確度影響，得出不同物理量反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度量級(jí)及各因素的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

2 應(yīng)用前景

2.1 變電站數(shù)字化重構(gòu)模型

在點(diǎn)位測量反演區(qū)域量值技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，對(duì)變電站進(jìn)行數(shù)字化重構(gòu)建模?；谧冸娬径辔锢韴龇椒▽?duì)典型多物理場進(jìn)行仿真計(jì)算，研究典型多物理場特征參量基于不同量值強(qiáng)度的區(qū)域劃分和等級(jí)劃分策略；根據(jù)“點(diǎn)位”測量的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化重構(gòu)，得到變電站典型多物理場特征參量“區(qū)域”量值；結(jié)合現(xiàn)有傳感器多物理場的影響因素和量級(jí)范圍，研究典型多物理場特征參量分區(qū)分級(jí)方法和依據(jù)。

1）典型變電站多物理場特征參量基于不同量值強(qiáng)度的區(qū)域劃分和等級(jí)劃分策略。

首先在變電站數(shù)字化重構(gòu)模型框架下，通過基于徑向基函數(shù)的數(shù)值插值反演計(jì)算算法和基于變電站三維模型重構(gòu)基礎(chǔ)上的變電站多物理場仿真計(jì)算并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)變電站多物理場特征參量進(jìn)行不同量值強(qiáng)度的區(qū)域劃分。

根據(jù)不同變電站電壓等級(jí)和結(jié)構(gòu)形式的區(qū)別，并結(jié)合傳感器在變電站中的安裝位置，按照變電站多物理場數(shù)字化模型，研究典型變電站中基于多物理場特征參量量值強(qiáng)度的精確區(qū)域劃分方法，進(jìn)而為傳感器的分區(qū)安裝提供依據(jù)；按照不同物理場的強(qiáng)度曲線變化率，研究變電站內(nèi)多物理場區(qū)域等級(jí)劃分的策略，為變電站多物理場評(píng)估及二次設(shè)備安裝的標(biāo)準(zhǔn)化方法提供依據(jù)。

2）基于變電站數(shù)字化重構(gòu)技術(shù)的典型多物理場特征參量“區(qū)域”分布規(guī)律。

基于變電站數(shù)字化重構(gòu)算法和模型，具體研究不同多物理場特征參量區(qū)域分布規(guī)律。對(duì)于電磁騷擾來說，研究暫態(tài)電壓、暫態(tài)電流和暫態(tài)電磁場在設(shè)備上及周邊的分布情況［10］，并研究隨距離、時(shí)間的變化趨勢，研究暫態(tài)電磁騷擾的衰減規(guī)律。其中變電站復(fù)雜電磁騷擾特征分布主要包括信號(hào)幅值、頻率、能量以及不同頻率分量的分布?；趶V義S 變換的時(shí)頻方法在高、低頻段的時(shí)頻分辨率更適合暫態(tài)電磁騷擾分析的特點(diǎn)，對(duì)暫態(tài)電磁騷擾特征參量分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)開發(fā)分析軟件提取特征量。

針對(duì)振動(dòng)因素［11-13］，首先考慮振動(dòng)源以及振動(dòng)機(jī)械波在設(shè)備中的分布規(guī)律。針對(duì)振動(dòng)信號(hào)的特征，通過小波包分析對(duì)高頻空間也實(shí)施類似于對(duì)低頻空間的處理。即將高頻空間也進(jìn)行逐漸細(xì)化的分割，改善了小波變換的分析性能。并在此基礎(chǔ)上通過“能量-故障”診斷模式識(shí)別方法，建立起能量變化與在運(yùn)設(shè)備受影響程度的映射關(guān)系，得到一種表征在運(yùn)設(shè)備工作狀態(tài)的判據(jù)。

針對(duì)溫度因素，從設(shè)備發(fā)熱點(diǎn)開始，研究溫度在設(shè)備中的分布規(guī)律以及環(huán)境溫度為低溫時(shí)設(shè)備中溫度的分布規(guī)律［14-15］。其中關(guān)鍵點(diǎn)在于求解溫度場的過程：先將溫度場和流場離散為若干單元上節(jié)點(diǎn)，再將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問題，根據(jù)在運(yùn)設(shè)備的實(shí)際工況引入響應(yīng)的邊界條件后，利用分布式同步測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采用交叉迭代法求解，最終得到不同時(shí)間的溫度和速度序列即為體現(xiàn)特征分布的溫度場和流場。

針對(duì)濕度因素，研究環(huán)境濕度在空間和設(shè)備縫隙及內(nèi)部的分布規(guī)律［7］。其中，空間主要考慮設(shè)備外部環(huán)境、縫隙及內(nèi)部主要針對(duì)設(shè)備內(nèi)部環(huán)境。外部環(huán)境濕度采用一般的濕度傳感器就可以獲得，部分設(shè)備內(nèi)部水分含量超標(biāo)時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，監(jiān)測目前常用微水儀進(jìn)行監(jiān)測，并得出產(chǎn)生凝露現(xiàn)象的判據(jù)。

3）變電站典型多物理場特征參量分區(qū)分級(jí)方法和依據(jù)。

變電站多物理場是在運(yùn)設(shè)備的主要環(huán)境特征，傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備是主要對(duì)象，通過仿真計(jì)算、現(xiàn)場實(shí)測、統(tǒng)計(jì)分析等手段，完成變電站數(shù)字化重構(gòu)技術(shù)基于主要環(huán)境針對(duì)主要對(duì)象的應(yīng)用。結(jié)合基于數(shù)字化重構(gòu)技術(shù)的變電站多物理場分級(jí)分區(qū)仿真方法，針對(duì)不同類型傳感器的測量原理的環(huán)境耐受的程度，研究考慮現(xiàn)有傳感器多物理場的影響因素和量級(jí)范圍的變電站典型多物理場特征參量分區(qū)分級(jí)方法和依據(jù)。

首先變電站復(fù)雜電磁環(huán)境典型特征參量反演計(jì)算方面，根據(jù)分布式同步測量系統(tǒng)的各物理量點(diǎn)位測量值，通過基于徑向基函數(shù)的曲面插值計(jì)算進(jìn)行區(qū)域量值復(fù)原［16］；其次基于變電站復(fù)雜電磁環(huán)境仿真的分區(qū)分級(jí)預(yù)測方面，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別對(duì)變電站進(jìn)行三維模型重構(gòu)，同時(shí)依托變電站復(fù)雜電磁環(huán)境仿真技術(shù)對(duì)站域電磁環(huán)境典型特征參量的分布特性進(jìn)行仿真；最后建立基于變電站多物理場特征的分區(qū)分級(jí)模型方面，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)變電站數(shù)字化重構(gòu)模型進(jìn)行修正，在此基礎(chǔ)上計(jì)算典型特征量分布并確定變電站電磁環(huán)境強(qiáng)弱等級(jí)閾值，提出變電站站域電磁環(huán)境分區(qū)分級(jí)體系及其評(píng)估方法的技術(shù)要求。

2.2 變電站多物理場分區(qū)分級(jí)模型

基于變電站多物理場數(shù)字化重構(gòu)方法［17］與典型多物理場特征分區(qū)分級(jí)方法，構(gòu)建變電站多物理場分區(qū)分級(jí)模型；研究不同分區(qū)分級(jí)下變電站多物理場對(duì)在運(yùn)設(shè)備影響的評(píng)估方法；開發(fā)變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站多物理場的分區(qū)分級(jí)評(píng)估。

1）變電站多物理場分區(qū)分級(jí)模型。

建立變電站設(shè)備的模塊化電路模型，研究變電站設(shè)備電路模型的數(shù)字化構(gòu)建及連接方法，結(jié)合多物理場在變電站設(shè)備中及其周邊的傳播算法，研究變電站模塊化設(shè)備的多物理場分區(qū)分級(jí)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建方法，并根據(jù)不同現(xiàn)場設(shè)備連接方式，建立可模塊化對(duì)接的積木式變電站多物理場分區(qū)分級(jí)模型。

首先在完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)試別和提取的基礎(chǔ)上對(duì)變電站進(jìn)行三維重構(gòu)［18］。變電站設(shè)備結(jié)構(gòu)多樣、種類繁多，只有通過合理區(qū)域劃分、站點(diǎn)選取與記錄，才能保證作業(yè)過程能有序、有效進(jìn)行。模型重構(gòu)作為整個(gè)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)變電站高效建模，確定模型重構(gòu)的流程及方法，如圖4 所示。

圖4 變電站三維模型重構(gòu)流程Fig.4 Flowchart of substation 3D model reconstruction

然后通過解析SCD 文件可以得到變電站的拓?fù)湫畔⒑驮愋?，獲得變電站拓?fù)湫畔⒑驮愋秃?，通過Excel 輸入每一種元件的仿真模型。利用變電站拓?fù)湫畔?、元件類型和元件的仿真模型，按照仿真文件的語法規(guī)則自動(dòng)生成仿真文件，通過調(diào)用每個(gè)物理場模塊的內(nèi)核運(yùn)行仿真文件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站多物理場的自動(dòng)建模仿真。

在理解掌握上述各個(gè)未知量的算法并模塊化集成后，最終通過MATLAB 的GUI 界面整合上述操作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可視化操作，仿真過程和仿真結(jié)果均通過GUI 界面顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)可模塊化對(duì)接的積木式變電站多物理場分區(qū)分級(jí)模型的建立。

2）變電站不同在運(yùn)設(shè)備多物理場分區(qū)分級(jí)下的評(píng)估方法。

首先根據(jù)變電站不同在運(yùn)設(shè)備及其附近不同物理場的分布情況，結(jié)合傳感器功能和類型，系統(tǒng)梳理在運(yùn)設(shè)備及其附近適合安裝傳感器的位置。

結(jié)合我國現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子設(shè)備在不同工業(yè)等級(jí)下的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度大小限值的規(guī)定，對(duì)傳感器安裝位置進(jìn)行進(jìn)一步劃分和限定。

最終在變電站多物理場數(shù)字化重構(gòu)模型的框架下，預(yù)測變電站多物理場典型特征量強(qiáng)度閾值，并提出在運(yùn)設(shè)備多物理場分區(qū)分級(jí)下的設(shè)備級(jí)評(píng)估方法和依據(jù)。

3）變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)。

首先對(duì)可模塊化對(duì)接的積木式變電站多物理場分區(qū)分級(jí)模型進(jìn)行智能化仿真處理，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：比較不同工作模式的仿真結(jié)果，獲得多物理場典型參量的特征量；對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行時(shí)頻分析獲得時(shí)頻譜，通過比較時(shí)頻譜獲得典型參量包含的幅值、頻率分布、能量及對(duì)應(yīng)的物理場影響來源。然后針對(duì)不同類型變電站實(shí)際工況，開展不同物理場特征的站域級(jí)分區(qū)分級(jí)評(píng)估方法［19］和依據(jù)研究。開發(fā)集成設(shè)備級(jí)和站域級(jí)的變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)，具體系統(tǒng)開發(fā)方案如圖5 所示。

圖5 變電站多物理場數(shù)字化重構(gòu)及分區(qū)分級(jí)評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)方案Fig.5 Development solution of substation multi-physical field digital reconstruction and zonal hierarchical evaluation system

2.3 傳感器電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估方法

基于變電站多物理場分區(qū)分級(jí)模型，研究適用于變電站多物理場應(yīng)用場景的傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性分級(jí)綜合評(píng)估方法；根據(jù)變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)模型對(duì)所研究的傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性分級(jí)評(píng)估方法進(jìn)行補(bǔ)充、修正及調(diào)整；研究傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估指標(biāo)及其權(quán)重；研究基于變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)模型的傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性分級(jí)評(píng)估方法體系。

首先根據(jù)變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)模型及其對(duì)傳感器類設(shè)備的影響，對(duì)傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行分類。考慮實(shí)際情況下對(duì)不同二次設(shè)備致?lián)p機(jī)理所掌握的程度不同，將不同的二次設(shè)備分為3 類并發(fā)展相應(yīng)的電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估方法。第1 類設(shè)備，其強(qiáng)電磁騷擾作用下的物理機(jī)理與統(tǒng)計(jì)特征均已知，易損性模型可以通過完整的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，進(jìn)而采用不同的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行模型參數(shù)回歸；第2 類設(shè)備，只有部分的致?lián)p機(jī)理已知但無法表示出完整的效應(yīng)評(píng)估過程，評(píng)估中采用由描述致?lián)p機(jī)理的白箱模型與假設(shè)的黑箱模型組成的混合模型用于描述效應(yīng)易損性模型；第3 類設(shè)備，主要考慮復(fù)雜二次設(shè)備，其致?lián)p機(jī)理與閾值概率特征均未知，無法用數(shù)學(xué)模型加以描述，評(píng)估中采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的非參模型來描述，發(fā)展了基于支持向量機(jī)和高斯過程回歸的非參評(píng)估模型。

然后針對(duì)上述不同類別的傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備，將變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)模型中與之實(shí)際工況對(duì)應(yīng)的量值強(qiáng)度帶入不同類別的傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備的評(píng)估模型，得到與變電站多物理場分區(qū)分級(jí)模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

最后基于變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)模型、傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備分類評(píng)估模型以及兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到基于變電站多物理場特征分區(qū)分級(jí)模型的傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性分級(jí)模型，形成完整的基于變電站數(shù)字孿生地圖［20-21］的傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性分級(jí)及評(píng)估模型架構(gòu)，如圖6 所示。

圖6 基于數(shù)字化重構(gòu)的變電站電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性分級(jí)及評(píng)估模型架構(gòu)Fig.6 Model architecture for grading and evaluating electromagnetic immunity and environmental adaptability of substation based on digital reconfiguration

差異化、精細(xì)化的變電站系統(tǒng)級(jí)電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法原理如圖7 所示，根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了變電站系統(tǒng)級(jí)電磁兼容試驗(yàn)及評(píng)估方法，通過對(duì)待測變電站建模仿真、實(shí)測騷擾、模型修正，進(jìn)而對(duì)變電站暫態(tài)電磁騷擾進(jìn)行等級(jí)區(qū)域劃分，最終根據(jù)電磁騷擾分布對(duì)變電站二次設(shè)備安裝和防護(hù)提出優(yōu)化策略。

圖7 變電站系統(tǒng)級(jí)電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法原理Fig.7 Schematic diagram of substation system-level electromagnetic immunity and environmental adaptability test method

3 結(jié)束語

針對(duì)智慧變電站建設(shè)過程中傳感器及傳感網(wǎng)可靠性評(píng)估痛點(diǎn)，提出基于變電站多物理場數(shù)字化建模的研究思路：首先，以變電站內(nèi)在運(yùn)設(shè)備為研究對(duì)象，構(gòu)建基于多物理場特征分布、量值大小、耦合關(guān)系及關(guān)聯(lián)性分析的理論體系；然后，針對(duì)變電站復(fù)雜電磁環(huán)境開展分布式同步測量技術(shù)的研究，并在此基礎(chǔ)上完成基于變電站多物理場數(shù)字化重構(gòu)模型的搭建；最后，基于數(shù)字化重構(gòu)技術(shù)構(gòu)建分區(qū)分級(jí)模型并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)出發(fā)，提出相應(yīng)的評(píng)估方法及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。