智慧變電站多物理場數(shù)字化建模關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

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社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)場。國家電網(wǎng)有限公司為推進能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，全力推動實現(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《“碳達峰、碳中和”行動方案》和《構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)行動方案》，并制定了2021—2030 年九大重點任務(wù)，其中，智慧變電站建設(shè)是落實國家電網(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“提升運檢工作效率、加強設(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，其中全面提升在運設(shè)備傳感器可靠性是推進智慧變電站建設(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)計不合理，實際應(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)性試驗標(biāo)準(zhǔn)，無法適用于電壓等級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)分級影響評估；二是缺乏變電站復(fù)雜電磁、濕、熱、設(shè)備振動等多物理場耦合干擾環(huán)境對電氣量、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影響因素分析［2-4］，不同電壓等級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防護性能有待提升。

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設(shè)備的功能及運行狀態(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)備在運傳感器功能統(tǒng)計如圖1 所示。結(jié)合目前傳感器所安裝位置在運設(shè)備的運行功能，統(tǒng)計相應(yīng)傳感器的測量原理和安裝方式，分析不同運行狀態(tài)下在運設(shè)備對傳感器的影響情況，針對在運設(shè)備的運行環(huán)境，分析變電站多物理場環(huán)境中其他設(shè)備對傳感器的影響。

圖1 智能高壓設(shè)備在運傳感器功能統(tǒng)計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)備振動等多物理場典型特征參量的提取，研究變電站在運設(shè)備對多物理場的影響規(guī)律，研究不同類型在運設(shè)備所處多物理場特征分布和量值強度，通過實測對不同類型在運設(shè)備電磁騷擾、濕度、溫度、設(shè)備振動等多物理場典型特征參量的分布規(guī)律和量值強度驗證上述分析結(jié)果的有效性。

1）變電站不同在運傳感設(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)備工況對復(fù)雜電磁騷擾、濕、熱、設(shè)備振動等多物理場的影響規(guī)律。

首先在運傳感設(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。同時根據(jù)傳感器與開關(guān)設(shè)備的空間關(guān)系首先將評估電磁騷擾信號的區(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)以及遠離開關(guān)設(shè)備區(qū)域3 類。

然后通過針對敞開式開關(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）進行不同電壓等級不同容性負載的隔離開關(guān)分合閘實驗［5］，并提取電磁騷擾信號特征量，發(fā)現(xiàn)的規(guī)律為：電磁騷擾信號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。其中最高級需要對AIS 二次設(shè)備施加持續(xù)時間大于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，次一級施加電流為1 500 A，最低級施加電流為1 000 A；最高級施加電壓幅值大于10 kV、持續(xù)時間大于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，次一級施加電壓為6 kV，最低級施加電壓為3 kV；最高級需要對GIS 二次設(shè)備施加電壓幅值大于20 kV、持續(xù)時間大于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，次一級施加電壓為12 kV，最低級施加電壓為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、濕度以及振動的影響實際取決于設(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)備振動時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度。

利用Comsol 有限元仿真軟件對在運設(shè)備進行建模［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)備振動等多物理場特征量的分布規(guī)律和量值強度規(guī)律，確定傳感器在變電站中運行的多物理場環(huán)境狀況。

3）變電站多物理場特征分布和量值強度試驗驗證。

開展變電站現(xiàn)場復(fù)雜電磁騷擾、濕度、溫度、設(shè)備振動等多物理場典型特征參量的實際測量，并通過MATLAB 程序?qū)Σㄐ翁卣鲄⒘窟M行提取，其中本算法包括濾波、提取單次周期、計算特征參量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)實測結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析，驗證在運設(shè)備電磁騷擾、濕度、溫度、設(shè)備振動等多物理場典型特征參量的分布規(guī)律和量值強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、量值強度及其影響因素，研究不同物理場對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，并進行仿真分析；根據(jù)各特征參量的實測及數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法對關(guān)聯(lián)關(guān)系模型進行驗證，分析多物理場作用對變電站不同安裝位置傳感器影響的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進而為解決多物理場綜合作用下傳感器的實效機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)對傳感器故障影響因素統(tǒng)計和不同類型物理場特征分布、量值強度分析結(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，運行環(huán)境為24 h 內(nèi)相對濕度平均值不超過95%，月相對濕度平均值不超過90%；運行環(huán)境溫度為-50～55 ℃、最大溫升140 K；設(shè)備振動產(chǎn)生的噪聲信號頻率集中在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傳感器作用的權(quán)重，進而研究不同物理場對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，在建模之前需要對多物理場分布特征參量進行處理，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傳感器的干擾程度，進而驗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測，并對失效傳感器進行統(tǒng)計分析，通過改變輸入?yún)?shù)對多物理場關(guān)聯(lián)關(guān)系的多元支持向量回歸預(yù)測模型的預(yù)測精度進行驗證，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；進而研究多物理場作用對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對傳感器進行作用過程中的關(guān)聯(lián)性關(guān)系。

1.3 點位測量反演區(qū)域量值技術(shù)

首先針對變電站多物理場分別開展“點位”測量復(fù)原“區(qū)域”量值等效關(guān)系進行研究。針對變電站復(fù)雜電磁環(huán)境，通過電磁波輻射和折反射機理分析，研究電磁波傳播及分布的理論模型，進而研究“點位”數(shù)據(jù)復(fù)原“區(qū)域”量值分布的關(guān)聯(lián)等效關(guān)系；針對設(shè)備機械振動，研究振動機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，進而研究振動“點位”數(shù)據(jù)復(fù)原“區(qū)域”量值分布的關(guān)聯(lián)等效關(guān)系；針對外界溫度和設(shè)備運行溫度，在設(shè)備材料及不同材料交界面?zhèn)鞑ズ驼鄯瓷洌M而研究溫度“點位”測量復(fù)原“區(qū)域”量值分布的關(guān)聯(lián)等效關(guān)系；針對濕度，研究空間濕度在變電站設(shè)備表面、縫隙及內(nèi)部擴散的規(guī)律，進而研究濕度“點位”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，對各物理場特征量的點位測量與復(fù)原區(qū)域量值的關(guān)聯(lián)等效關(guān)系進行分析如圖3 所示。

圖3 點位測量與區(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)計方法［9］，利用Spearman相關(guān)系數(shù)計算“點位”測量與其對“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)“點位”測量建立其對“區(qū)域”量值影響的回歸預(yù)測模型，通過模型預(yù)測精度對點位的選取進行評價。最終通過該關(guān)聯(lián)關(guān)系模型計算各因素對反演計算的準(zhǔn)確度影響，得出不同物理量反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度量級及各因素的統(tǒng)計規(guī)律。

2 應(yīng)用前景

2.1 變電站數(shù)字化重構(gòu)模型

在點位測量反演區(qū)域量值技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，對變電站進行數(shù)字化重構(gòu)建模?；谧冸娬径辔锢韴龇椒▽Φ湫投辔锢韴鲞M行仿真計算，研究典型多物理場特征參量基于不同量值強度的區(qū)域劃分和等級劃分策略；根據(jù)“點位”測量的實測結(jié)果進行數(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范圍，研究典型多物理場特征參量分區(qū)分級方法和依據(jù)。

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

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算并結(jié)合實測數(shù)據(jù)，對變電站多物理場特征參量進行不同量值強度的區(qū)域劃分。

根據(jù)不同變電站電壓等級和結(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度的精確區(qū)域劃分方法，進而為傳感器的分區(qū)安裝提供依據(jù)；按照不同物理場的強度曲線變化率，研究變電站內(nèi)多物理場區(qū)域等級劃分的策略，為變電站多物理場評估及二次設(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幅值、頻率、能量以及不同頻率分量的分布。基于廣義S 變換的時頻方法在高、低頻段的時頻分辨率更適合暫態(tài)電磁騷擾分析的特點，對暫態(tài)電磁騷擾特征參量分布規(guī)律進行對比分析，同時開發(fā)分析軟件提取特征量。

針對振動因素［11-13］，首先考慮振動源以及振動機械波在設(shè)備中的分布規(guī)律。針對振動信號的特征，通過小波包分析對高頻空間也實施類似于對低頻空間的處理。即將高頻空間也進行逐漸細化的分割，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”診斷模式識別方法，建立起能量變化與在運設(shè)備受影響程度的映射關(guān)系，得到一種表征在運設(shè)備工作狀態(tài)的判據(jù)。

針對溫度因素，從設(shè)備發(fā)熱點開始，研究溫度在設(shè)備中的分布規(guī)律以及環(huán)境溫度為低溫時設(shè)備中溫度的分布規(guī)律［14-15］。其中關(guān)鍵點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，再將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問題，根據(jù)在運設(shè)備的實際工況引入響應(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)時會嚴(yán)重影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，監(jiān)測目前常用微水儀進行監(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)分級方法和依據(jù)。

變電站多物理場是在運設(shè)備的主要環(huán)境特征，傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備是主要對象，通過仿真計算、現(xiàn)場實測、統(tǒng)計分析等手段，完成變電站數(shù)字化重構(gòu)技術(shù)基于主要環(huán)境針對主要對象的應(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分區(qū)仿真方法，針對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范圍的變電站典型多物理場特征參量分區(qū)分級方法和依據(jù)。

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

2.2 變電站多物理場分區(qū)分級模型

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)分級方法，構(gòu)建變電站多物理場分區(qū)分級模型；研究不同分區(qū)分級下變電站多物理場對在運設(shè)備影響的評估方法；開發(fā)變電站多物理場特征分區(qū)分級評估系統(tǒng)，實現(xiàn)變電站多物理場的分區(qū)分級評估。

1）變電站多物理場分區(qū)分級模型。

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，建立可模塊化對接的積木式變電站多物理場分區(qū)分級模型。

首先在完成點云數(shù)據(jù)試別和提取的基礎(chǔ)上對變電站進行三維重構(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、站點選取與記錄，才能保證作業(yè)過程能有序、有效進行。模型重構(gòu)作為整個環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，為實現(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撲信息和元件類型，獲得變電站拓撲信息和元件類型后，通過Excel 輸入每一種元件的仿真模型。利用變電站拓撲信息、元件類型和元件的仿真模型，按照仿真文件的語法規(guī)則自動生成仿真文件，通過調(diào)用每個物理場模塊的內(nèi)核運行仿真文件，從而實現(xiàn)對變電站多物理場的自動建模仿真。

在理解掌握上述各個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而實現(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)可模塊化對接的積木式變電站多物理場分區(qū)分級模型的建立。

2）變電站不同在運設(shè)備多物理場分區(qū)分級下的評估方法。

首先根據(jù)變電站不同在運設(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)對電子設(shè)備在不同工業(yè)等級下的電場強度和磁場強度大小限值的規(guī)定，對傳感器安裝位置進行進一步劃分和限定。

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度閾值，并提出在運設(shè)備多物理場分區(qū)分級下的設(shè)備級評估方法和依據(jù)。

3）變電站多物理場特征分區(qū)分級評估系統(tǒng)開發(fā)。

首先對可模塊化對接的積木式變電站多物理場分區(qū)分級模型進行智能化仿真處理，并對仿真結(jié)果進行數(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；對仿真結(jié)果進行時頻分析獲得時頻譜，通過比較時頻譜獲得典型參量包含的幅值、頻率分布、能量及對應(yīng)的物理場影響來源。然后針對不同類型變電站實際工況，開展不同物理場特征的站域級分區(qū)分級評估方法［19］和依據(jù)研究。開發(fā)集成設(shè)備級和站域級的變電站多物理場特征分區(qū)分級評估系統(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)分級評估系統(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)性評估方法

基于變電站多物理場分區(qū)分級模型，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)性分級綜合評估方法；根據(jù)變電站多物理場特征分區(qū)分級模型對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)性分級評估方法進行補充、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)性分級評估方法體系。

首先根據(jù)變電站多物理場特征分區(qū)分級模型及其對傳感器類設(shè)備的影響，對傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備進行分類?？紤]實際情況下對不同二次設(shè)備致?lián)p機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)性評估方法。第1 類設(shè)備，其強電磁騷擾作用下的物理機理與統(tǒng)計特征均已知，易損性模型可以通過完整的數(shù)學(xué)表達式表示，進而采用不同的統(tǒng)計方法進行模型參數(shù)回歸；第2 類設(shè)備，只有部分的致?lián)p機理已知但無法表示出完整的效應(yīng)評估過程，評估中采用由描述致?lián)p機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，評估中采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的非參模型來描述，發(fā)展了基于支持向量機和高斯過程回歸的非參評估模型。

然后針對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)分級模型中與之實際工況對應(yīng)的量值強度帶入不同類別的傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備的評估模型，得到與變電站多物理場分區(qū)分級模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

最后基于變電站多物理場特征分區(qū)分級模型、傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備分類評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)性分級及評估模型架構(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)性分級及評估模型架構(gòu)Fig.6 Model architecture for grading and evaluating electromagnetic immunity and environmental adaptability of substation based on digital reconfiguration

差異化、精細化的變電站系統(tǒng)級電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性試驗方法原理如圖7 所示，根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了變電站系統(tǒng)級電磁兼容試驗及評估方法，通過對待測變電站建模仿真、實測騷擾、模型修正，進而對變電站暫態(tài)電磁騷擾進行等級區(qū)域劃分，最終根據(jù)電磁騷擾分布對變電站二次設(shè)備安裝和防護提出優(yōu)化策略。

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

3 結(jié)束語

針對智慧變電站建設(shè)過程中傳感器及傳感網(wǎng)可靠性評估痛點，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)在運設(shè)備為研究對象，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)分級模型并進行試驗驗證，從電磁抗擾度及環(huán)境適應(yīng)性試驗出發(fā)，提出相應(yīng)的評估方法及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。