基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法，它包括步骤1、分析开关操作辐射产生机理及GIS壳体辐射电磁场特性；步骤2、在XFDTD的中建立天线辐射物理模型，并采用时域有限差分法划分网格，建立PML边界；步骤3：导入壳体暂态环流作为激励源，仿真获取附属电磁场的分布特性；现有技术不能对GIS变电站开关操作时其二次侧设备的电磁辐射风险精确评估等技术问题。

【技术实现步骤摘要】
基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法
本专利技术属于高频电磁场计算领域，具体涉及一种基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法。
技术介绍
GIS气体绝缘式变电站以其安全可靠、运行稳定、性能优良等诸多优点，在高压、特高压系统中得到了广泛应用。在GIS变电站的发展过程中，GIS开关操作瞬态电磁干扰问题逐渐引起关注，尤其在高压、特高压系统中，特快速暂态电磁辐射问题随着电压等级的提高愈来愈严重。随着国家电网的坚强智能电网和泛在电力物联网的提出，为实现智能变电站信息数字化、通信平台网络化和信息共享标准，需要越来越多的电力电子器件下放到开关场中，随之产生的是这些二次设备对瞬态电磁干扰的敏感性和脆弱性的特点，而开关操作会引起一系列特快速暂态现象，因此对其产生的电磁干扰问题不能忽略。特快速暂态电磁辐射干扰源最为突出的是GIS壳体内部产生的VFTO，但是随着电网电压等级的不断提高，特高压系统在电网中的应用，GIS变电站内由VFTO派生的TEV以及进而产生的壳体暂态环流引起特快速暂态现象不能忽视。GIS外部电磁干扰源主要来自外壳表面的高频暂态过电流，在外边空间以高频电磁场的方式向四周辐射。根据天线理论，将GIS壳体等效为天线，建立赫兹偶极子天线辐射模型，进行辐射电磁场分析计算。现阶段，虽然已经有通过有限元、有限积分等方法对天线辐射进行仿真计算，但是有限元法主要适用于计算电小尺寸天线辐射，有限积分法可以计算稍大一点尺寸的天线辐射，但对于大尺寸模型计算的精度有待考量；不能实现对GIS变电站开关操作时其二次侧设备的电磁辐射风险精确评估。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法，以解决现有技术不能对GIS变电站开关操作时其二次侧设备的电磁辐射风险精确评估等技术问题。本专利技术的技术方案是：一种基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法，它包括：步骤1、分析开关操作辐射产生机理及GIS壳体辐射电磁场特性；步骤2、在XFDTD的中建立天线辐射物理模型，并采用时域有限差分法划分网格，建立PML边界；步骤3：导入壳体暂态环流作为激励源，仿真获取附属电磁场的分布特性。步骤1所述的分析开关操作辐射产生机理及GIS壳体辐射电磁场特性的方法为：根据GIS壳体内部的干扰源是以电磁波的方式在GIS内部进行传播的，电磁波在空间介质中传播时会发生损耗，能量会逐渐减弱，建立电磁波在GIS壳体内部传播时，传播系数表达式式中：α为电磁波的衰减常数，表示场的振幅随电磁波传输距离的增大而衰减；β为电磁波的相位常数，表示电磁波在传播过程中电场强度与磁场强度的相位改变；通过计算电磁场的电场强度以及磁场强度的分量传播特性，得出电磁波在GIS壳体内部向前传播时，其电场强度幅值与磁场强度幅值在沿波的传播方向上幅值会发生衰减，相位也会发生改变；GIS内部干扰源在传播过程中，通过GIS套管和盆式绝缘子等GIS壳体不连续处耦合到壳体外表面上，产生TEV与壳体暂态环流。步骤2所述在XFDTD的中建立天线辐射物理模型，并采用时域有限差分法划分网格，建立PML边界的方法为：通时域有限差分法在XFDTD的中建立赫兹偶极子天线模型；把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分方程，在时间轴上以跳蛙形式在时间和空间上逐步向前推进电场磁场的计算。所述把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分方式，在时间轴上以跳蛙形式在时间和空间上逐步向前推进电场磁场的计算的方法包括：步骤2.1、把Maxwell旋度方程展开成六个标量方程：在空间建立矩形差分网格，在nΔt时刻：f(x,y,z,y＝f(iΔx,jΔy,kΔz,nΔt)(3)；步骤2.2、把空间任一网格分成E和H六个分量，即每个磁场分量由四个电场分量环绕，每个电场分量由四个磁场分量环绕，每个网格点上的值由该点前一时刻的值，以及临近点早半个时间步长的值，通过差分运算交替得出各个时间步长的值；根据这一原则，得出差分方程：步骤2.3、以差分方程组来代替电磁场偏微分方程求解，需要离散后的差分方程组的解释收敛和稳定的才能进行计算，为保证解的收敛性和稳定性需要时间步长Δt与空间步长Δx,Δy,Δz满足一定关系，才能保持数值稳定性；根据电磁原理通过数学推导得出数值稳定条件如下：式中：c为介质中的光速；时间间隔Δt必须不超过波以光速通过Yee元胞的1/3对角线长度、1/2对角线长度或元胞本身的长度；为减小数值色散，对空间离散Δx和时间离散Δt间隔要求为：式中：λ为无色散介质中波长，T为波的周期。以差分方程组来代替电磁场偏微分方程求解时，为了模拟开域电磁辐射过程，在计算区域的截断边界处需要给出吸收边界条件；完全匹配层PML为有耗介质，能迅速衰减进入PML层的透射波，通过设置PML来提高边界吸收效率。壳体暂态环流的获取方法为：实际测量或通过建模进行仿真获得。通过建模进行仿真获得壳体暂态环流的方法为：在ATP-EMPT中建立基于SF6重燃模型改进的高频放电模型，通过盆式绝缘子和套管处耦合产生暂态壳体电位，即为TEV，再根据干扰源的传播路径，模拟每条路径上的波阻抗，根据壳体暂态环流欧姆计算定律，得出GIS壳体暂态环流数学表达式：式中：f(x)为TEV拟合数学表达式，TEV根据仿真获得或实测获得，Z为外壳耦合阻抗特性，采用场-路耦合方法获得。步骤3所述导入壳体暂态环流作为激励源，仿真获取附属电磁场的分布特性的方法为：将壳体暂态环流数学表达式作为激励源导入XFDTD的大尺寸天线模型中，通过XFDTD的软件仿真，得出天线近场设置边界面上电磁场，根据惠更斯原理，由XFDTD的中数据处理模块计算出电流密度J和磁流密度M，选择远区场观察点通过离散傅里叶变换(DTF)计算出天线的远区场辐射；得出GIS外壳上因壳体暂态环流向外辐射而产生的电磁干扰的主要频段及幅值。本专利技术有益效果：本专利技术综合考虑选用时域有限差分法，既适用于大尺寸物体的计算，其精度也完全符合辐射场的要求。故本专利技术基于时域有限差分法，采用XFDTD的仿真软件，针对类似于GIS这类大尺寸天线模型，采用非均匀网格划分和近-远场转换技术，对特快速暂态电磁场进行仿真计算；主要针对具有大尺寸的特点的GIS变电站，采用时域有限差分法，不受计算过程复杂化影响，一次计算就可以得到宽频带电磁干扰；解决了GIS变电站开关操作时其二次侧设备的电磁辐射风险评估问题。本专利技术优点：1.针对大尺寸GIS变电站电磁计算问题；2.辐射源是壳体暂态环流；3.通过本计算方法仅需一次计算就可以得到宽频带内天线的频域特性，给出附近电磁波辐射过程；4.解决了GIS变电站开关操作时其二次侧设备的电磁辐射风险评估问题。附图说明图1为本专利技术实施方案流程框图；图2为GIS套管处行波耦合到壳体示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法，它包括：/n步骤1、分析开关操作辐射产生机理及GIS壳体辐射电磁场特性；/n步骤2、在XFDTD的中建立天线辐射物理模型，并采用时域有限差分法划分网格，建立PML边界；/n步骤3：导入壳体暂态环流作为激励源，仿真获取附属电磁场的分布特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法，它包括：
步骤1、分析开关操作辐射产生机理及GIS壳体辐射电磁场特性；
步骤2、在XFDTD的中建立天线辐射物理模型，并采用时域有限差分法划分网格，建立PML边界；
步骤3：导入壳体暂态环流作为激励源，仿真获取附属电磁场的分布特性。


2.根据权利要求1所述的一种基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法，其特征在于：步骤1所述的分析开关操作辐射产生机理及GIS壳体辐射电磁场特性的方法为：根据GIS壳体内部的干扰源是以电磁波的方式在GIS内部进行传播的，电磁波在空间介质中传播时会发生损耗，能量会逐渐减弱，建立电磁波在GIS壳体内部传播时，传播系数表达式



式中：α为电磁波的衰减常数，表示场的振幅随电磁波传输距离的增大而衰减；β为电磁波的相位常数，表示电磁波在传播过程中电场强度与磁场强度的相位改变；通过计算电磁场的电场强度以及磁场强度的分量传播特性，得出电磁波在GIS壳体内部向前传播时，其电场强度幅值与磁场强度幅值在沿波的传播方向上幅值会发生衰减，相位也会发生改变；
GIS内部干扰源在传播过程中，通过GIS套管和盆式绝缘子等GIS壳体不连续处耦合到壳体外表面上，产生TEV与壳体暂态环流。


3.根据权利要求1所述的一种基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法，其特征在于：步骤2所述在XFDTD的中建立天线辐射物理模型，并采用时域有限差分法划分网格，建立PML边界的方法为：通时域有限差分法在XFDTD的中建立赫兹偶极子天线模型；把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分方程，在时间轴上以跳蛙形式在时间和空间上逐步向前推进电场磁场的计算。


4.根据权利要求3所述的一种基于时域有限差分法特快速暂态辐射电磁场的计算方法，其特征在于：所述把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分方式，在时间轴上以跳蛙形式在时间和空间上逐步向前推进电场磁场的计算的方法包括：
步骤2.1、把Maxwell旋度方程展开成六个标量方程：



在空间建立矩形差分网格，在nΔt时刻：
f(x,y,z,y＝f(iΔx,jΔy,kΔz,nΔt)(3)；
步骤2.2、把空间任一网格分成E和H六个分量，即每个磁场分量由四个电场分量环绕，每个电场分量由四个磁场分量环绕，每个网格点上的值由该点前一时刻的值，以及临近点早半个时间步长的值，通过差分运算交替...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，吴建蓉，朱勇，黄军凯，许逵，曾鹏，肖彬，刘岺俐，郑海涯，
申请(专利权)人：贵州电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：贵州;52