[发明专利]基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

本发明技术方案如下：

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，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；

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；

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：

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；

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：

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；

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；