今天為大家介紹一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明授權(quán)專利——基于有限元仿真分析的智能電表防外界電磁場(chǎng)干擾方法。該專利由國(guó)家電網(wǎng)公司申請(qǐng)，并于2017年3月29日獲得授權(quán)公告。

內(nèi)容說(shuō)明

本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助工程分析，更具體地說(shuō)，涉及一種在有限元軟件中模擬界干擾電磁場(chǎng)（工頻磁場(chǎng)、直流磁場(chǎng)）對(duì)智能電表內(nèi)部電壓互感器、電流互感器和變壓器電源的影響，在此基礎(chǔ)上得出一些智能電表的防竊電措施。

發(fā)明背景

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAE）在工程中應(yīng)用很廣泛，用來(lái)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和分析。CAE分析特別是有限元分析（FEA）廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)和電磁學(xué)的分析中，有限元分析通過(guò)尋求偏微分方程的近似解來(lái)分析解決問(wèn)題，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析得到越來(lái)越來(lái)越多的應(yīng)用。電磁場(chǎng)的有限元分析以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)，利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)，主要計(jì)算磁位或通量，其他關(guān)心的物理量可以由這些自由度導(dǎo)出，根據(jù)單元類型和單元選項(xiàng)的不同，有限元計(jì)算的自由度可以使標(biāo)量磁位、矢量磁位或邊量通量。

智能電表內(nèi)部主要由硬件電路和電壓互感器、電流互感器以及變壓器等組成，其中，電壓互感器用來(lái)將大電壓轉(zhuǎn)換為可供測(cè)量的小電壓，而電流互感器則是將大電流轉(zhuǎn)換為可供測(cè)量的小電流，最后將電壓和電流送入計(jì)量芯片進(jìn)行運(yùn)行來(lái)達(dá)到電能的計(jì)量。變壓器主要是起到電源的作用，用來(lái)給整個(gè)智能電表供電。當(dāng)變壓器、電壓互感器和電流互感器受到外界電磁場(chǎng)（工頻磁場(chǎng)、直流磁場(chǎng)）干擾時(shí)，干擾電磁場(chǎng)會(huì)影響原本磁場(chǎng)的分布，工頻電磁場(chǎng)會(huì)與原本磁場(chǎng)進(jìn)行疊加，改變變壓器、電壓互感器和電流互感器的輸出；直流磁場(chǎng)會(huì)使原本磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)偏置，表現(xiàn)出來(lái)是使輸出電壓和電流產(chǎn)生畸變，波形不再對(duì)稱。智能電表極易受到外界電磁場(chǎng)的干擾，因此不法分子往往也利用電磁場(chǎng)的作用來(lái)達(dá)到竊電的目的?，F(xiàn)有技術(shù)中，智能電表一般通過(guò)電流、電壓、相交的檢測(cè)判斷是否處于竊電狀態(tài)，當(dāng)判斷為竊電狀態(tài)時(shí)，使用特定的規(guī)則計(jì)量，只能夠當(dāng)發(fā)生竊電時(shí)，采取特定的計(jì)量規(guī)則進(jìn)行計(jì)量，但不能夠防止竊電行為的產(chǎn)生，即不能夠防止電能表進(jìn)入竊電狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明基于有限元分析進(jìn)行三維電磁場(chǎng)分析，分析外界不同形式的電磁場(chǎng)（工頻磁場(chǎng)、直流磁場(chǎng)等）對(duì)智能電表內(nèi)部關(guān)鍵元器件（電壓互感器、電流互感器和變壓器）的影響，在此基礎(chǔ)上分析智能電表在制作過(guò)程中應(yīng)該保證多大安全距離（內(nèi)部電源、電壓互感器和電流互感器等重要元器件與智能電表表殼的距離）可以有效減小外界電磁場(chǎng)對(duì)智能電表計(jì)量帶來(lái)的影響，防止電表計(jì)量錯(cuò)誤，進(jìn)入竊電狀態(tài)。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：基于有限元仿真分析的智能電表防外界電磁場(chǎng)干擾方法，包括以下步驟：S01，電表仿真模型參數(shù)確定，建立電表仿真模型：結(jié)合實(shí)際智能電表內(nèi)部電壓互感器、電流互感器和變壓器的大小，確定電表仿真模型鐵芯參數(shù)、變壓器線圈參數(shù)、電壓互感器線圈參數(shù)和電流互感器線圈參數(shù)，基于有限元分析建立電表仿真模型；即通過(guò)限元分析軟件建立電表仿真模型，在電表仿真模型建立過(guò)程中，需要監(jiān)測(cè)電表仿真模型中電壓互感器、電流互感器和變壓器的輸出的電壓、電流是否與線圈匝數(shù)成比例，如果不成比例，需要對(duì)模型進(jìn)行修改調(diào)整，直至輸出的電壓、電流是否與線圈匝數(shù)成比例；S02：計(jì)算無(wú)外界電磁干擾的電壓互感器、電流互感器和變壓器輸出：通過(guò)有限元分析中的諧波分析，計(jì)算步驟S01所述電表仿真模型的電壓互感器、電流互感器和變壓器輸出，進(jìn)而獲取所述電表仿真模型的電能計(jì)量輸出。

S03，計(jì)算有工頻磁場(chǎng)干擾時(shí)電壓互感器、電流互感器和變壓器輸出：在所述電表仿真模型的線圈側(cè)增加上一個(gè)仿真電磁鐵（用于提供干擾磁場(chǎng)），改變所述電磁鐵線圈的激勵(lì)電壓的大小、方向和頻率的同時(shí)計(jì)算電表仿真模型的電壓互感器、電流互感器和變壓器的輸出，獲取不同強(qiáng)度的外界工頻磁場(chǎng)條件下，電壓互感器、電流互感器和變壓器的輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)軟件獲取所述工頻磁場(chǎng)與電壓互感器、電流互感器和變壓器的輸出的函數(shù)關(guān)系；S04，分析電磁鐵與電能表之間距離的變化對(duì)電壓互感器、電流互感器和變壓器輸出的影響：改變電磁鐵與電壓互感器、電流互感器和變壓器的距離，記錄所述距離變化時(shí)，電壓互感器、電流互感器和變壓器輸出數(shù)據(jù)，獲取電磁鐵上電壓保持不變時(shí)隨著距離的變化，電磁鐵對(duì)電壓互感器、電流互感器和變壓器輸出數(shù)據(jù)的影響關(guān)系。

S05，分析直流磁場(chǎng)對(duì)變壓器電源的影響：電磁鐵加上直流電壓，為了直觀觀察變壓器輸出電壓波形，采用瞬態(tài)法進(jìn)行直流磁場(chǎng)的仿真，通過(guò)改變直流電壓值改變直流磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，記錄不同直流磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)條件下，電壓互感器、電流互感器的輸出數(shù)據(jù)，獲取直流磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)與電壓互感器、電流互感器輸出的關(guān)系函數(shù)；S06，分析不同導(dǎo)磁材料對(duì)干擾電磁場(chǎng)的屏蔽效果：在電磁鐵與電表仿真模型間加上一塊導(dǎo)磁平板，所述導(dǎo)磁平板用于電磁屏蔽，記錄不同導(dǎo)磁材料條件下，電表仿真模型的電壓互感器、電流互感器的輸出數(shù)據(jù)，獲取不同導(dǎo)磁材料對(duì)干擾電磁場(chǎng)的屏蔽效果。

S07，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)中實(shí)際竊電所用的電磁鐵，根據(jù)步驟S03、S04、S05所分別獲取的工頻磁場(chǎng)、電磁鐵與電壓互感器、電流互感器和變壓器的距離、直流磁場(chǎng)對(duì)電壓互感器、電流互感器和變壓器的輸出數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)結(jié)合步驟S06獲取的不同導(dǎo)磁材料對(duì)干擾電磁場(chǎng)的屏蔽效果，獲取在不同導(dǎo)磁材料的屏蔽的條件下，智能電表內(nèi)部電源、電壓互感器、電流互感器和變壓器與智能電表表殼的安全距離。

本發(fā)明的技術(shù)方案有益效果包括：（1）、基于有限元分析進(jìn)行三維電磁場(chǎng)分析，全面分析了不同形式的電磁場(chǎng)和不同強(qiáng)度的電磁場(chǎng)對(duì)智能電表內(nèi)部電壓互感器、電流互感器以及變壓器的影響，獲取在不同導(dǎo)磁材料的屏蔽的條件下，智能電表內(nèi)部電源、電壓互感器、電流互感器和變壓器與智能電表表殼的安全距離，防止外界電磁場(chǎng)對(duì)電能表的影響，防止電能表發(fā)生竊電。（2）采用場(chǎng)路耦合的方法來(lái)進(jìn)行電磁場(chǎng)的分析，通過(guò)電路給線圈施加激勵(lì)。（3）優(yōu)化了電壓互感器（電流互感器和變壓器）的模型，將一次線圈和二次線圈放在鐵芯同一側(cè)減小漏磁的影響。（4）分別采用了諧波分析和瞬態(tài)分析兩種方法來(lái)進(jìn)行仿真，諧波分析計(jì)算時(shí)間短，計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)量小，但不能觀察電壓和磁場(chǎng)在整個(gè)周期中的變化情況；瞬態(tài)分析恰恰相反，瞬態(tài)分析的因?yàn)樾枰?jì)算很多步故計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)且數(shù)據(jù)量很大，但是瞬態(tài)分析可以在計(jì)算結(jié)果中觀察整個(gè)周期中電壓和磁場(chǎng)的變化情況，很直觀。（5）在電壓互感器（電流互感器和變壓器）和電磁鐵之間加上不同材料，分析不同材料對(duì)外界電磁場(chǎng)干擾的屏蔽效果。（6）本發(fā)明的研究結(jié)果可以指導(dǎo)智能電表的優(yōu)化設(shè)計(jì)，智能電表內(nèi)部電壓互感器、電流互感器以及變壓器應(yīng)當(dāng)放置在電表內(nèi)部中心且離電表表殼應(yīng)在應(yīng)在一定的安全距離以上以減少磁場(chǎng)干擾，防止偷電，還可以在重要元件以及智能電表表殼上涂上一層導(dǎo)磁材料來(lái)隔離外界電磁場(chǎng)的干擾。