智能電表怎樣防止外界電磁場干擾

今天為大家介紹一項國家發(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干擾方法。該專利由國家電網(wǎng)公司申請，并于2017年3月29日獲得授權(quán)公告。

內(nèi)容說明

本發(fā)明涉及計算機輔助工程分析，更具體地說，涉及一種在有限元軟件中模擬界干擾電磁場（工頻磁場、直流磁場）對智能電表內(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

計算機輔助設(shè)計（CAE）在工程中應(yīng)用很廣泛，用來進行輔助設(shè)計和分析。CAE分析特別是有限元分析（FEA）廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)、熱力學和電磁學的分析中，有限元分析通過尋求偏微分方程的近似解來分析解決問題，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析得到越來越來越多的應(yīng)用。電磁場的有限元分析以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)，利用簡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限未知量的真實系統(tǒng)，主要計算磁位或通量，其他關(guān)心的物理量可以由這些自由度導出，根據(jù)單元類型和單元選項的不同，有限元計算的自由度可以使標量磁位、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，電壓互感器用來將大電壓轉(zhuǎn)換為可供測量的小電壓，而電流互感器則是將大電流轉(zhuǎn)換為可供測量的小電流，最后將電壓和電流送入計量芯片進行運行來達到電能的計量。變壓器主要是起到電源的作用，用來給整個智能電表供電。當變壓器、電壓互感器和電流互感器受到外界電磁場（工頻磁場、直流磁場）干擾時，干擾電磁場會影響原本磁場的分布，工頻電磁場會與原本磁場進行疊加，改變變壓器、電壓互感器和電流互感器的輸出；直流磁場會使原本磁場產(chǎn)生一個偏置，表現(xiàn)出來是使輸出電壓和電流產(chǎn)生畸變，波形不再對稱。智能電表極易受到外界電磁場的干擾，因此不法分子往往也利用電磁場的作用來達到竊電的目的。現(xiàn)有技術(shù)中，智能電表一般通過電流、電壓、相交的檢測判斷是否處于竊電狀態(tài)，當判斷為竊電狀態(tài)時，使用特定的規(guī)則計量，只能夠當發(fā)生竊電時，采取特定的計量規(guī)則進行計量，但不能夠防止竊電行為的產(chǎn)生，即不能夠防止電能表進入竊電狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明基于有限元分析進行三維電磁場分析，分析外界不同形式的電磁場（工頻磁場、直流磁場等）對智能電表內(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對智能電表計量帶來的影響，防止電表計量錯誤，進入竊電狀態(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；即通過限元分析軟件建立電表仿真模型，在電表仿真模型建立過程中，需要監(jiān)測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，需要對模型進行修改調(diào)整，直至輸出的電壓、電流是否與線圈匝數(shù)成比例；S02：計算無外界電磁干擾的電壓互感器、電流互感器和變壓器輸出：通過有限元分析中的諧波分析，計算步驟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，進而獲取所述電表仿真模型的電能計量輸出。

S03，計算有工頻磁場干擾時電壓互感器、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)增加上一個仿真電磁鐵（用于提供干擾磁場），改變所述電磁鐵線圈的激勵電壓的大小、方向和頻率的同時計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，獲取不同強度的外界工頻磁場條件下，電壓互感器、電流互感器和變壓器的輸出數(shù)據(jù)，通過數(shù)學軟件獲取所述工頻磁場與電壓互感器、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，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隨著距離的變化，電磁鐵對電壓互感器、電流互感器和變壓器輸出數(shù)據(jù)的影響關(guān)系。

S05，分析直流磁場對變壓器電源的影響：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)法進行直流磁場的仿真，通過改變直流電壓值改變直流磁場場強，記錄不同直流磁場場強條件下，電壓互感器、電流互感器的輸出數(shù)據(jù)，獲取直流磁場場強與電壓互感器、電流互感器輸出的關(guān)系函數(shù)；S06，分析不同導磁材料對干擾電磁場的屏蔽效果：在電磁鐵與電表仿真模型間加上一塊導磁平板，所述導磁平板用于電磁屏蔽，記錄不同導磁材料條件下，電表仿真模型的電壓互感器、電流互感器的輸出數(shù)據(jù)，獲取不同導磁材料對干擾電磁場的屏蔽效果。

S07，結(jié)合經(jīng)驗中實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、電磁鐵與電壓互感器、電流互感器和變壓器的距離、直流磁場對電壓互感器、電流互感器和變壓器的輸出數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，同時結(jié)合步驟S06獲取的不同導磁材料對干擾電磁場的屏蔽效果，獲取在不同導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）、基于有限元分析進行三維電磁場分析，全面分析了不同形式的電磁場和不同強度的電磁場對智能電表內(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，防止外界電磁場對電能表的影響，防止電能表發(fā)生竊電。（2）采用場路耦合的方法來進行電磁場的分析，通過電路給線圈施加激勵。（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)分析兩種方法來進行仿真，諧波分析計算時間短，計算結(jié)果數(shù)據(jù)量小，但不能觀察電壓和磁場在整個周期中的變化情況；瞬態(tài)分析恰恰相反，瞬態(tài)分析的因為需要計算很多步故計算時間較長且數(shù)據(jù)量很大，但是瞬態(tài)分析可以在計算結(jié)果中觀察整個周期中電壓和磁場的變化情況，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，分析不同材料對外界電磁場干擾的屏蔽效果。（6）本發(fā)明的研究結(jié)果可以指導智能電表的優(yōu)化設(shè)計，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磁材料來隔離外界電磁場的干擾。