电力电子装置及其应用如何降低高压开关柜的电磁骚扰？武汉大学研究者者提出新设计方案|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

如何降低高压开关柜的电磁骚扰？武汉大学研究者者提出新设计方案

高比例新能源接入、高比例电力电子设备应用、电网数字化转型等对开关设备的智能化和运行状态智能感知提出了更高的要求。由于新能源出力、电动汽车和储能设备充放电模式的随机波动性，高压开关柜断路器会频繁操作产生大量电磁骚扰，对二次设备造成严重威胁。

武汉大学“高电压与绝缘技术创新团队”成员提出了一种基于高压开关柜一体化电磁骚扰传导仿真模型的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）滤波器设计方法，试验结果表明接入电磁干扰滤波器后骚扰电压下降93.94%，持续时间下降71.41%，验证了该方法的有效性。

研究背景

高压开关柜承担着开断和关合电力线路、监测运行电量数据等重要作用。智能感知技术是电网数字化的关键技术之一，是新型电力系统的基础技术。能源清洁低碳转型、分布式发电、输配电方式多元化等对智能高压开关柜提出了更高的要求。而智能高压开关柜中包含多种智能组件，其一次设备与其二次设备高度融合，使得断路器操作对开关柜敏感设备的电磁骚扰问题更为突出。

虽然智能开关柜的控制装置和电子式互感器等设备出厂时已通过了严格的电磁兼容性试验，但开关设备操作时的电磁骚扰常超出相关标准设定的阈值，出现保护误动拒动、互感器精度下降、二次设备端口击穿等问题。

论文所解决的问题及意义

电磁骚扰在开关柜内部的传导需经过互感器、二次线缆等设备，同时也会受到开关柜柜体杂散电容和接地网等设备的影响。当前研究主要针对上述的单一设备模型进行建模，缺乏从骚扰源至敏感设备端口的一体化电磁骚扰传导仿真模型，因此电磁骚扰的幅值、频率、持续时间等特征量从骚扰源传导至敏感设备端口的变化规律尚未明确，使得智能组件的电磁防护措施针对性不足，无法满足断路器频繁操作电磁骚扰的防护需求。

基于一体化电磁骚扰传导仿真模型仿真结果，能够根据典型工况下的电磁骚扰特征设计智能组件的电磁干扰滤波器，为智能高压开关柜的安全稳定运行提供支撑，提升其运行状态智能感知水平。

论文方法及创新点

1、一体化电磁骚扰传导仿真模型

KYN61-40.5型高压开关柜内部简化接线如图1所示。由图1可知电磁骚扰在KYN61-40.5型开关柜内部主要有公共阻抗耦合途径和共地阻抗耦合途径，涉及的设备包括真空断路器及其相间和相地耦合电容、电流互感器、二次线缆、智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）以及接地网。

图1 KYN61-40.5型开关柜内部简化电路图

本文融合了连续过渡模型和Helmer模型构建了真空断路器三相模型，采用矢量匹配法和电路综合法建立了电流互感器和微机保护装置电流测量端口模型，基于传输线理论获得了接地网参数，并利用有限元仿真提取了二次线缆参数和柜体杂散电容参数，综合上述模型建立了一体化智能高压开关柜断路器开断电磁骚扰传导仿真模型，实现了智能高压开关柜开断电磁骚扰的传导过程的一体化仿真。同时搭建试验回路验证了其准确性，试验与仿真结果对比如图2所示。

图2 微机保护装置端口骚扰电压仿真与试验波形

2、微机保护装置EMI滤波器设计

本文在实验室现有工况条件下，利用一体化电磁骚扰传导仿真模型进行仿真，提出微机保护装置EMI滤波器参数选取应为截止频率100kHz，陷波频率为125kHz和310kHz，陷波频率下的骚扰电压幅值下降30dB。滤波器结构为1个3阶定K型滤波器和2个m推演滤波器串联组成，如图3所示。

（a）EMI滤波器电路结构

（b）EMI滤波器实物

图3 基于m推演和3阶k型设计的EMI滤波器

3、试验验证

经EMI滤波器处理后的骚扰电压如图4所示。试验结果表明，微机保护装置电流测量端口的骚扰电压幅值和持续时间均出现了明显下降。其中骚扰电压的幅值从7.1V下降至0.43V，相对下降了93.94%，而持续时间则从50.8μs下降至14.52μs，相对下降了71.41%。表明本文提出的基于高压开关柜一体化电磁骚扰传导仿真模型的电磁干扰滤波器设计方法有效。

图4 经EMI滤波器处理后的骚扰电压

结论

本文提出了一种基于智能高压开关柜一体化电磁骚扰传导仿真模型的电磁干扰滤波器设计方法。所提方法通过测量智能高压开关柜内各类设备组件参数，分别采用矢量匹配法、有限元法等方法建立其一体化电磁骚扰传导仿真模型，然后根据不同开关柜工况下的电磁骚扰信号特征量设计其智能组件的EMI滤波器参数。试验结果表明，所提方法设计的滤波器可使骚扰电压幅值下降93.94%，能够针对性地降低智能高压开关柜开断电磁骚扰对敏感设备的影响。

团队介绍

本文作者来自武汉大学电气与自动化学院“高电压与绝缘技术创新团队”，团队研究范围涉及高压电气设备状态检测与评估、电磁-温度-流体-力学多物理场分析、绝缘放电试验与机理、电工新材料研发、防雷接地、高功率电磁发射等学科研究方向。

团队入选2017年度湖北省“双创战略团队”A类自主创业战略团队。先后承担了国家973、863、科技支撑计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金等各类纵向科研项目，以及一批企业合作项目。目前培养博士研究生65名，硕士研究生150余名。已发表学术论文800余篇，其中SCI论文120余篇，EI源刊论文200余篇，授权国家发明专利65项，软件著作权13项，编写专著9部。主持的“电磁多物理场分析关键技术及其在电工装备虚拟设计与状态评估的应用”获2017年湖北省科技进步一等奖。

王华清，博士研究生，研究方向为开关设备与绝缘技术。

黄道春，教授，博士生导师，主要研究方向为高压输变电设备绝缘失效机理与风险评估、高压输变电设备状态智能感知与智能运维。

本工作成果发表在2024年第11期《电工技术学报》，论文标题为“基于一体化电磁骚扰传导模型的开关柜微机保护装置电磁干扰滤波器设计“。本课题得到国家重点研发计划的支持。

这套电网“神经网络” 助力新型能源体系建设丨沪市新质生产力巡礼

证券时报记者张一帆

电流也要“发声筒”，也需要“打电话”。诞生于湖南长沙的威胜信息，通过为电网构造数字化通信网络，在十余年的发展中逐渐成为一家具有“物联网+数字化+芯片”全贯通核心技术的科创板上市公司。截至目前，公司海外用户连接数超千万、国内物联网设备连接数过亿、总市值超百亿元。

新型能源体系的建设，为威胜信息带来了全新的机遇与挑战，面临“感官”要求越来越复杂，快速决策能力越来越高的新需求，威胜信息计划引入人工智能的新“武器”，助力我国新能源体系建设得更加坚固、更加低碳、更加高效。

电流也要“打电话”

“电是如今世界能源的主要形态，感知、通信功能是智能化电网不可或缺的。”威胜信息董事、副总裁范律告诉证券时报记者。

建立在集成的、高速双向通信网络基础上，集合一系列传感和测量技术、硬件设备等物联网技术，这就是被称为“电网2.0”的智能电网。如今，智能电网已经涵盖了发电、输电、变电、配电、用电和调度等电网运作的各个环节。

如果电网系统不具有通信能力，当居民遭遇了停电，电力公司只有接到投诉时才能获知停电的消息，进而派出检修队伍排查、维修。“如果电网具备感知检测以及通信能力，那么电力公司就可以及时甚至提前排除隐患，有的放矢地针对问题予以维护，及时乃至无忧地实现电力稳定供应。”范律说。

精细化、预知化的维护管理，自然会使电力保供和电力系统稳定运行的成本大幅降低。电网设备的迭代升级，智能化是核心方向之一。

7月份召开的南方电网公司高质量发展大会提到，南方电网正全面推进电网设备大规模更新，预计2024年至2027年，大规模设备更新投资规模将达到1953亿元。数字电网、节能增效等方向是关键核心。国家电网高质量发展工作会议也强调，数字化、智能化是电网高质量发展的重要支点。要聚焦应用赋能，聚焦新型电力系统建设，聚焦人工智能创新应用，发挥好数据要素价值。

在电网智能化改造大潮中，威胜信息业绩再创新高。2024年上半年公司实现营业收入12.23亿元，同比增长20.76%；归母净利润2.72亿元，同比增长26.52%。其中，在上半年国网和南网总部的第一次招标中，公司总计收获合同金额3.39亿元，同比增长91%。

与此同时，基于智能电网体系以及相关物联网技术，威胜信息横向拓展到数智城市，包括智慧水务、智慧消防、智慧园区、智慧农业等领域，将智能电网降本增效的本领向多行业扩张。

在东南亚，威胜信息为孟加拉国某地构建了能源物联网AMI（高级计量基础设施）综合管理系统，以实现智慧灌溉。在一年以后，当地财政收入增加了30%，农民灌溉的成本下降了20%，每一亩田的单产量还上升了15%，带来降本增效。同时，威胜信息还以新型能源体系建设和智慧管理领域为合作契机，助力沙特等阿拉伯地区数智城市转型。

技术产品全贯通

要搭建一套为电网“打电话”的通信系统并不简单，需要多行业、多学科知识和技术的协同配合。以威胜信息的主要产品“AMI全套系统解决方案”为例，该方案作为智能电网的重要组成部分之一，通过感知设备、通信模块、边缘计算设备、数据管理平台等一系列核心产品，实现感知设备与电力公司之间的双向通信。

范律指出：“一长串的产品背后是一系列颇具门槛的技术能力，比如通信芯片设计、数据感知及采集、路由组网等核心技术，以及基于边缘计算、人工智能的核心能力。简而言之，这套方案充分体现了公司以‘物联网+数字化+芯片’三大方向构建的核心竞争力。”

其中，网络层智能网关与通信模块产品是公司的重要利润来源，也是公司长期耕耘的重点技术，而自研芯片被范律视作公司业务最为核心和不可替代的关键部分。

范律表示：“起初，我们只是专注于电力终端产品的开发，但随着市场竞争的加剧和客户需求的变化，公司意识到仅靠终端产品难以实现持续发展和突破。于是，管理层决定进行战略转型，通过自主研发芯片来提升公司整体竞争力。”

在2017年，威胜信息加速以自主研发芯片为核心的战略转型，通过收购珠海中慧获取通信芯片研发的关键技术、人才和市场资源。同时通过加大研发投入，招聘国内外优秀人才、与高校和科研机构合作培养人才等方式，组建研发队伍。购置先进的研发设备和仪器，并与国内外先进的科研机构进行技术合作。

上下游之间的协同，又促使公司产生了更强的创造力。核心芯片的技术进步可以推动感知物联网设备性能的提升，而应用系统又能更好地发挥芯片和设备的优势，从而整体提升公司综合方案的价值和竞争力，降低成本，提高效率。

“如今，我们已经成为行业内少有的从数据感知、通信组网到数据管理纵向全贯通的能源物联网综合解决方案企业。”范律说。

在海外市场，尤其是前期智能化改造水平较低的亚非拉市场，这种将“感知设备+终端+软件平台”整合于一体的AMI整体解决方案，既是有力的“敲门砖”，也是保持黏性的“不干胶”。目前威胜信息已经为多个国家及市场提供了电力AMI全套系统解决方案，后续将继续大力拓展“一带一路”亚非拉重点市场，同时寻求在欧洲市场的发展机会。

展望未来，威胜信息将利用通信芯片和系统软件等关键技术，打造智能配电网、智慧水务和公共基础设施的综合解决方案。目标是从单一产品向提供包括变电站、能源站、建筑群、园区和工厂在内的电力基础设施建设、电力装备成套和EPC服务等综合解决方案转型，以数字化设备和智能软硬件为核心，为国内外市场提供全面的能源供给解决方案。

把握新型能源体系转型

《中共中央关于进一步全面深化改革、推进中国式现代化的决定》明确，加快规划建设新型能源体系，完善新能源消纳和调控政策措施。这将是威胜信息进一步发展的挑战和机遇。

国家能源局电力司司长杜忠明表示，随着新能源发展进一步提速，截至今年4月底，我国风电、光伏发电累计装机超过了11亿千瓦，同比增长约38%，消纳需求大幅增加。其中，为满足分布式新能源大规模发展要求，国家能源局将加强配电网建设、改造，打造坚强灵活网架，提升智能化水平，完善调度运行机制。到2025年，配电网将具备5亿千瓦左右分布式新能源接入能力。

相关的投资计划也正逐步明确。7月29日，国家电网公司计划在2024年全年电网投资上迈出重大步伐，投资总额将超过6000亿元，相比2023年增加711亿元。旨在加速构建新型电力系统，有效应对新能源消纳与用电量增长的双重挑战。

过往的电网原则是发多少用多少、用多少发多少，始终要保持平衡，只需要依靠中心调度即可满足需求，但是在新型能源体系下，中心化的调度已经不能适应新的环境。以分布式光伏为例，终端不再只是电力消费者，同时也是生产者、储备者，对电力保供和电力系统稳定运行产生了非常大的影响。高比例可再生能源接入和高比例电力电子设备应用的“双高”特点，对能源物联网行业提出了更高的要求。

范律打了个比方，“如果把新型能源体系比作智能体，电网负责输送和分配构成智能体的躯干，物联网就像是躯干上的神经网络，具有感知能力，进而把信息状态反馈给指挥中心。同时，新型电力系统要求更多的‘感官’——可观、可测、可调、可控，意味着感知终端将爆发式增长。但在多元‘感官’之余，新型能源体系还需要实现智能化，在无数的细小关节实现智能决策、高频调配，这个需求的解决方案或许就是AI。”

目前，威胜信息已经向市场推出分布式光伏有序接入解决方案，旨在实现分布式光伏的接入由无序到有序、混沌到透明。可以实现对分布式电源发电数据、组件运行状态、输出调节控制、异常告警可视化展示，运行状态实时感知、运行监测、异常分析、就地治理；同时对分布式电源节点并网刚性可控，发电输出功率柔性可调、充电功率柔性可调。

在这套体系中，威胜信息引入人工智能技术，通过深入研究负荷预测、光伏发电功率预测及运行优化控制等前沿技术，提高用电需求和新能源的预测精度，支撑对海量广域发、供、用对象的智能协调控制;结合数据处理及机器学习算法，设计短期负荷预测及光伏发电功率预测模型，显著提升电力系统的调度效率和运行稳定性。

“有了物联网这个神经网络，再加上人工智能大脑的话，我们的新型能源体系将变得更加坚固、更加低碳、更加高效。威胜信息已经为这样的使命做好了准备。”范律说。

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