基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，包括以下步骤：S01.电表仿真模型参数确定；S02.计算无外界电磁干扰的电表仿真模型输出；S03.计算有工频磁场干扰时电表仿真模型输出；S04.分析电磁铁与电能表之间距离的变化对电表仿真模型输出的影响；S05.分析直流磁场对变压器电源的影响；S06.分析不同导磁材料对干扰电磁场的屏蔽效果；S07.根据步骤S03、S04、S05所分别获取函数关系，结合步骤S06获取的不同导磁材料对干扰电磁场的屏蔽效果，获取智能电表内部电源、电压互感器和电流互感器与智能电表表壳的安全距离。本发明基于有限元分析进行三维电磁场分析，防止外界电磁场对电能表的影响，防止电能表发生窃电。
【专利说明】基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机辅助工程分析，更具体地说，涉及一种在有限元软件中模拟外 界干扰电磁场（工频磁场、直流磁场）对智能电表内部电压互感器、电流互感器和变压器电 源的影响，在此基础上得出一些智能电表的防窃电措施。
【背景技术】
[0002] 计算机辅助设计（CAE)在工程中应用很广泛，用来进行辅助设计和分析。CAE分析 特别是有限元分析（FEA)广泛应用在结构、热力学和电磁学的分析中，有限元分析通过寻 求偏微分方程的近似解来分析解决问题，随着计算机技术的飞速发展，有限元分析得到越 来越来越多的应用。电磁场的有限元分析以麦克斯韦方程组为基础，利用简单而又相互作 用的元素，即单元，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，主要计算磁位或通 量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出，根据单元类型和单元选项的不同，有限元计 算的自由度可以使标量磁位、矢量磁位或边量通量。
[0003] 智能电表内部主要由硬件电路和电压互感器、电流互感器以及变压器等组成，其 中，电压互感器用来将大电压转换为可供测量的小电压，而电流互感器则是将大电流转换 为可供测量的小电流，最后将电压和电流送入计量芯片进行运行来达到电能的计量。变压 器主要是起到电源的作用，用来给整个智能电表供电。当变压器、电压互感器和电流互感器 受到外界电磁场（工频磁场、直流磁场）干扰时，干扰电磁场会影响原本磁场的分布，工频 电磁场会与原本磁场进行叠加，改变变压器、电压互感器和电流互感器的输出；直流磁场会 使原本磁场产生一个偏置，表现出来是使输出电压和电流产生畸变，波形不再对称。智能 电表极易受到外界电磁场的干扰，因此不法分子往往也利用电磁场的作用来达到窃电的目 的。现有技术中，智能电表一般通过电流、电压、相交的检测判断是否处于窃电状态，当判 断为窃电状态时，使用特定的规则计量，只能够当发生窃电时，采取特定的计量规则进行计 量，但不能够防止窃电行为的产生，即不能够防止电能表进入窃电状态。
【发明内容】
[0004] 本发明基于有限元分析进行三维电磁场分析，分析外界不同形式的电磁场（工频 磁场、直流磁场等）对智能电表内部关键元器件（电压互感器、电流互感器和变压器）的影 响，在此基础上分析智能电表在制作过程中应该保证多大安全距离（内部电源、电压互感 器和电流互感器等重要元器件与智能电表表壳的距离）可以有效减小外界电磁场对智能 电表计量带来的影响，防止电表计量错误，进入窃电状态。
[0005] 本发明技术方案如下：
[0006] 基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，包括以下步骤：
[0007] S01，电表仿真模型参数确定，建立电表仿真模型：结合实际智能电表内部电压互 感器、电流互感器和变压器的大小，确定电表仿真模型铁芯参数、变压器线圈参数、电压互 感器线圈参数和电流互感器线圈参数，基于有限元分析建立电表仿真模型；即通过限元分 析软件建立电表仿真模型，在电表仿真模型建立过程中，需要监测电表仿真模型中电压互 感器、电流互感器和变压器的输出的电压、电流是否与线圈匝数成比例，如果不成比例，需 要对模型进行修改调整，直至输出的电压、电流是否与线圈匝数成比例；
[0008] S02 :计算无外界电磁干扰的电压互感器、电流互感器和变压器输出：通过有限元 分析中的谐波分析，计算步骤S01所述电表仿真模型的电压互感器、电流互感器和变压器 输出，进而获取所述电表仿真模型的电能计量输出；
[0009] S03,计算有工频磁场干扰时电压互感器、电流互感器和变压器输出：
[0010] 在所述电表仿真模型的线圈侧增加上一个仿真电磁铁（用于提供干扰磁场），改 变所述电磁铁线圈的激励电压的大小、方向和频率的同时计算电表仿真模型的电压互感 器、电流互感器和变压器的输出，获取不同强度的外界工频磁场条件下，电压互感器、电流 互感器和变压器的输出数据，通过数学软件获取所述工频磁场与电压互感器、电流互感器 和变压器的输出的函数关系；
[0011] S04,分析电磁铁与电能表之间距离的变化对电压互感器、电流互感器和变压器输 出的影响：
[0012] 改变电磁铁与电压互感器、电流互感器和变压器的距离，记录所述距离变化时，电 压互感器、电流互感器和变压器输出数据，获取电磁铁上电压保持不变时随着距离的变化， 电磁铁对电压互感器、电流互感器和变压器输出数据的影响关系；
[0013] S05,分析直流磁场对变压器电源的影响：电磁铁加上直流电压，为了直观观察变 压器输出电压波形，采用瞬态法进行直流磁场的仿真，通过改变直流电压值改变直流磁场 场强，记录不同直流磁场场强条件下，电压互感器、电流互感器的输出数据，获取直流磁场 场强与电压互感器、电流互感器输出的关系函数；
[0014] S06,分析不同导磁材料对干扰电磁场的屏蔽效果：在电磁铁与电表仿真模型间加 上一块导磁平板，所述导磁平板用于电磁屏蔽，记录不同导磁材料条件下，电表仿真模型的 电压互感器、电流互感器的输出数据，获取不同导磁材料对干扰电磁场的屏蔽效果；
[0015] S07,结合经验中实际窃电所用的电磁铁，根据步骤S03、S04、S05所分别获取的工 频磁场、电磁铁与电压互感器、电流互感器和变压器的距离、直流磁场对电压互感器、电流 互感器和变压器的输出数据的对应关系，同时结合步骤S06获取的不同导磁材料对干扰电 磁场的屏蔽效果，获取在不同导磁材料的屏蔽的条件下，智能电表内部电源、电压互感器、 电流互感器和变压器与智能电表表壳的安全距离。
[0016] 步骤S01基于有限元分析建立电表仿真模型，具体包括以下步骤，
[0017] (101)依据实际智能电表内部电压互感器、电流互感器和变压器的大小，确定电表 仿真模型铁芯参数、变压器线圈参数、电压互感器线圈参数和电流互感器线圈参数；
[0018] (102)基于有限元软件ANSYS的APDL语言，基于S0LID97单元和CIRCU124单元建 立电表仿真模型的铁芯和线圈；在用S0LID97单元建立线圈模型时，定义S0LID97单元的实 常数用以描述绞线圈导体，所述实常数包括线圈的截面积、匝数、体积、线圈电流方向以及 线圈的填充因子；耦合绞线圈区域内所有节点的CURR自由度，方便获取线圈中的电流；
[0019] (103)定义电表仿真模型材料的属性参数，所述材料的属性参数包括铁芯、空气的 磁导率以及线圈的电导率；
[0020] (104)因为电表仿真模型中线圈是通过外部电路来进行供电的，因此需要采用 CIRCU124单元建立电路，通过设置CIRCU124单元的KEYOPT项表示不同的电路元器件，实现 场路耦合，用外部电路给有限元区域的线圈供电；
[0021] (105)施加边界条件：为了模拟远场的效果，在空气区域外表面将磁矢势设置为 0,即表明磁场到达空气区域外表面时已经衰减为0。
[0022] 线圈包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈和二次线圈套设在铁芯的同侧，一 次线圈和二次线圈的建模具体包括以下步骤：
[0023] (a)采用空心圆柱形线圈模拟线圈，根据一次线圈的匝数和线径在铁芯上建立一 次线圈的模型，所述一次线圈套设在铁芯的一侧；
[0024] (b)根据二次线圈的匝数和线径，在一次线圈的外部套设建立二次线圈的模型，考 虑到实际生活中一次线圈和二次线圈不可能完全充分接触，一次线圈和二次线圈中间留有 0. 1mm?0. 2mm的空气间隙；
[0025] (c)调整一次线圈和二次线圈模型，将一次线圈和二次线圈的中心重合。
[0026] 电表仿真模型的线圈的电流方向为沿圆周方向。
[0027] 铁芯的参数包括外长、外宽、内长、内宽、厚度和磁导率。一次线圈和二次线圈的参 数均包括内径、外径、长度、磁导率、电阻率、匝数、截面积、线圈直径和单元坐标系。
[0028] -次线圈的匝数小于二次线圈的匝数。
[0029] 其中，步骤S02、S03、S04、S05所述有限元分析具体包括以下步骤，对电表仿真模 型的铁芯和线圈分配材料属性和单元类型，进行有限元网格的划分，将求解域近似为具有 不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，获取有限元网格；
[0030] 基于麦克斯韦方程组对有限元网格的电磁场进行计算，
[0031] 麦克斯韦第一方程（安培环路定律）：
[0032]
【权利要求】
1. 基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其特征在于：包括以下步 骤： SO 1，电表仿真模型参数确定，建立电表仿真模型：结合实际智能电表内部电压互感器、 电流互感器和变压器的大小，确定电表仿真模型铁芯参数、变压器线圈参数、电压互感器线 圈参数和电流互感器线圈参数，基于有限元分析建立电表仿真模型； S02 :计算无外界电磁干扰的电压互感器、电流互感器和变压器输出：通过有限元分 析，计算步骤S01所述电表仿真模型的电压互感器、电流互感器和变压器输出，进而获取所 述电表仿真模型的电能计量输出； 503, 计算有工频磁场干扰时电压互感器、电流互感器和变压器输出： 在所述电表仿真模型的线圈侧设置仿真电磁铁，改变所述电磁铁上线圈的激励电压 的大小、方向和频率的同时计算电表仿真模型的电压互感器、电流互感器和变压器的输出， 基于有限元分析获取不同强度的外界工频磁场条件下，电压互感器、电流互感器和变压器 的输出数据，通过数学软件获取所述工频磁场与电压互感器、电流互感器的输出的函数关 系； 504, 分析电磁铁与电能表之间距离的变化对电压互感器、电流互感器和变压器输出的 影响： 改变电磁铁与电压互感器、电流互感器的距离，基于有限元分析记录所述距离变化时， 电压互感器、电流互感器输出数据，获取电磁铁上电压保持不变时随着距离的变化，电磁铁 对电压互感器、电流互感器输出数据的影响关系； 505, 分析直流磁场对变压器电源的影响：电磁铁加上直流电压，采用瞬态法进行直流 磁场的仿真，通过改变直流电压值改变直流磁场场强，基于有限元分析记录不同直流磁场 场强条件下，电压互感器、电流互感器的输出数据，获取直流磁场场强与电压互感器、电流 互感器输出的关系函数； S06，分析不同导磁材料对干扰电磁场的屏蔽效果：在电磁铁与电表仿真模型间加上一 块导磁平板，所述导磁平板用于电磁屏蔽，记录不同导磁材料条件下，电表仿真模型的电压 互感器、电流互感器和变压器的输出数据，获取不同导磁材料对干扰电磁场的屏蔽效果； S07,结合经验中实际窃电所用的电磁铁，根据步骤S03、S04、S05所分别获取的工频磁 场、电磁铁与电压互感器、电流互感器和变压器的距离、直流磁场对电压互感器、电流互感 器和变压器的输出数据的对应关系，同时结合步骤S06获取的不同导磁材料对干扰电磁场 的屏蔽效果，获取在不同导磁材料的屏蔽的条件下，智能电表内部电源、电压互感器、电流 互感器和变压器与智能电表表壳的安全距离。
2. 根据权利要求1所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其 特征在于：步骤S01基于有限元分析建立电表仿真模型，具体包括以下步骤， (101) 依据实际智能电表内部电压互感器、电流互感器和变压器的大小，确定电表仿真 模型铁芯参数、变压器线圈参数、电压互感器线圈参数和电流互感器线圈参数； (102) 基于有限元软件ANSYS的APDL语言，基于S0LID97单元和CIRCU124单元建立电 表仿真模型的铁芯和线圈；在用S0LID97单元建立线圈模型时，定义S0LID97单元的实常数 用以描述绞线圈导体，所述实常数包括线圈的截面积、匝数、体积、线圈电流方向以及线圈 的填充因子；耦合绞线圈区域内所有节点的CURR自由度； (103) 定义电表仿真模型材料的属性参数，所述材料的属性参数包括铁芯、空气的磁导 率以及线圈的电导率； (104) 因为电表仿真模型中线圈是通过外部电路来进行供电的，因此需要采用 CIRCU124单元建立电路，通过设置CIRCU124单元的KEYOPT项表示不同的电路元器件，实现 场路耦合，用外部电路给有限元区域的线圈供电； (105) 施加边界条件：为了模拟远场的效果，在空气区域外表面将磁矢势设置为0,即 表明磁场到达空气区域外表面时已经衰减为0。
3. 根据权利要求2所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其 特征在于：所述线圈包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈和二次线圈套设在铁芯的同 侦牝所述一次线圈和二次线圈的建模具体包括以下步骤： (a) 采用空心圆柱形线圈模拟线圈，根据一次线圈的匝数和线径在铁芯上建立一次线 圈的模型，所述一次线圈套设在铁芯的一侧； (b) 根据二次线圈的匝数和线径，在一次线圈的外部套设建立二次线圈的模型，一次线 圈和二次线圈中间留有0. 1mm?0. 2mm的空气间隙； (c) 调整一次线圈和二次线圈模型，将一次线圈和二次线圈的中心重合。
4. 根据权利要求2所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其 特征在于：所述电表仿真模型的线圈的电流方向为沿圆周方向。
5. 根据权利要求2所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其 特征在于，所述铁芯的参数包括外长、外宽、内长、内宽、厚度和磁导率。
6. 根据权利要求2所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其 特征在于，所述一次线圈的匝数小于二次线圈的匝数。
7. 根据权利要求2所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其 特征在于，所述一次线圈和二次线圈的参数均包括内径、外径、长度、磁导率、电阻率、匝数、 截面积、线圈直径和单元坐标系。
8. 根据权利要求1所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其 特征在于，步骤S02、S03、S04、S05所述有限元分析具体包括以下步骤，对电表仿真模型的 铁芯和线圈分配材料属性和单元类型，进行有限元网格的划分，将求解域近似为具有不同 有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，获取有限元网格； 基于麦克斯韦方程组对有限元网格的电磁场进行计算， 麦克斯韦第一方程： _ - QJ) v X 办=/ + [ Qt (〇 式中：#表不磁场强度； 7表示传导电流密度矢量； 刀表示电位移矢量； ￥表示位移电流密度； dt
麦克斯韦第二方程：
式中：iT表不电场强度； 云表示磁感应强度； 麦克斯韦第三方程：
式中：5表示磁感应强度； 麦克斯韦第四方程：
式中：P表示电荷体密度 电磁场计算中，将式（1)和式（3)中的偏微分进行简化，使用矢量磁势]和标量电势Φ 来把电场和磁场变量分离开来，分别形成独立的电场或磁场的偏微分方程；
式中：万表示磁感应强度； 方表不电场强度； 2表示磁矢位； Φ表示标量电势； 矢量磁势〗和标量电势Φ满足法拉第电磁感应定律和高斯磁通定律，然后再应用到安 培环路定律和高斯电通定律中，可得到：
式中：]表不磁矢位； Φ表示标量电势； μ表不介质的磁导率； ε表不介质的介电常数； P表示电荷体密度； 对公式（8)、（9)、（10)进行数值求解，解得磁势和电势的场分布值。
【文档编号】G06F17/50GK104123408SQ201410314438
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】金萍, 刘建, 徐晴, 王忠东, 蔡奇新, 邵雪松 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏省电力公司电力科学研究院