今天为大家介绍一项国家发明授权专利——基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法。该专利由国家电网公司申请，并于2017年3月29日获得授权公告。

内容说明

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。

发明背景

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；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。

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。

本发明的技术方案有益效果包括：（1）、基于有限元分析进行三维电磁场分析，全面分析了不同形式的电磁场和不同强度的电磁场对智能电表内部电压互感器、电流互感器以及变压器的影响，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，防止外界电磁场对电能表的影响，防止电能表发生窃电。（2）采用场路耦合的方法来进行电磁场的分析，通过电路给线圈施加激励。（3）优化了电压互感器（电流互感器和变压器）的模型，将一次线圈和二次线圈放在铁芯同一侧减小漏磁的影响。（4）分别采用了谐波分析和瞬态分析两种方法来进行仿真，谐波分析计算时间短，计算结果数据量小，但不能观察电压和磁场在整个周期中的变化情况；瞬态分析恰恰相反，瞬态分析的因为需要计算很多步故计算时间较长且数据量很大，但是瞬态分析可以在计算结果中观察整个周期中电压和磁场的变化情况，很直观。（5）在电压互感器（电流互感器和变压器）和电磁铁之间加上不同材料，分析不同材料对外界电磁场干扰的屏蔽效果。（6）本发明的研究结果可以指导智能电表的优化设计，智能电表内部电压互感器、电流互感器以及变压器应当放置在电表内部中心且离电表表壳应在应在一定的安全距离以上以减少磁场干扰，防止偷电，还可以在重要元件以及智能电表表壳上涂上一层导磁材料来隔离外界电磁场的干扰。

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