【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及强电磁脉冲耦合特征计算，特别是hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法及系统。
技术介绍
1、cst线缆工作室(cable studio)的核心方法是采用有限积分法(fit)和传输线矩阵法(tlm)进行计算。因此，电缆的几何和材料特性被转化为等效电路，可以在电路模拟器中进行时域和频域的模拟。在模型中一个复杂的电缆线束将被分成数量有限的网格，每单位长度的主要传输线参数将由静态二维场解算器从每段中计算出来。之后，每一段将被转化为一个等效电路，最后，所有的电路将被连接到一个代表整个电缆的单一电气模型。电缆的电气模型可以在电路仿真中进一步处理。
2、中高空电磁脉冲(high-altitude electromagnetic pulse，hemp)是一种由高空核爆炸产生的电磁现象，能产生极强的电磁场，对电子设备和通讯系统可能造成严重的损害。
3、其中tlm算法是从传输线理论出发，推导出集总元件的离散模型，同时对时间和空间进行离散化的分析波传输问题的方法，将此电路模型代替原型，模型与原型中的各个物理量之间存在一一对应地关系，只要对模型中的物理量进行分析便可以定量地分析原型中的物理现象。避免了求解复杂的方程组，而自身的物理特性也决定了该方法具有收敛性、稳定性与无奇异解。
4、通过将电缆的几何和材料特性被转化为等效电路的方法主要是指依据传输线模型，从电路的角度按照一维问题计算场线耦合问题。该模型以外部电磁场为激励源，把屏蔽电缆的外皮和有耗大地作为外回路，屏蔽层和芯线作为内回路，屏蔽电缆的转移阻
5、综上所述，为了获得相对准确的结果的同时，可以最大限度地缩短运算时间，本专利采用有限积分法(fit)和传输线矩阵法(tlm)的方法对hemp辐照环境中变电站线缆强电磁脉冲耦合特征进行仿真计算。
技术实现思路
1、鉴于上述存在的问题，提出了本专利技术。
2、因此，本专利技术所要解决的问题是：现有技术中在解决线缆耦合计算问题时，对线缆周围可影响其耦合特性的hemp辐照环境的分析处理较少且缓慢，以及对实际hemp传播方向、电场方向及线缆走向因素综合考虑下的耦合特性计算不够全面的问题。
3、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，包括，建立一个三维模型，定义hemp传播方向及电场方向；定义激励输入形式及参数；考虑有限建模空间的边界反射，设置特定的边界条件，模拟无限大地面；对三维模型构建tlm网格，进行网格剖分，确认对线缆内部结构的剖分满足计算要求；初始化求解器参数，设定求解器为场路协同求解形式，确定仿真频率上限，求解线缆的耦合响应水平。
4、作为本专利技术所述hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的一种优选方案，其中：所述三维模型包括，建立一个包含变电站、线缆以及周围环境的三维模型，选择四芯控制屏蔽电缆作为线缆模型，根据线缆的实际尺寸和结构，建立线缆的三维表示；所述hemp传播方向及电场方向包括，hemp传播方向与电场方向垂直，根据hemp的传播方向和电场方向以及线缆的位置和方向，确定hemp与线缆之间的入射角，计算不同入射角情况下线缆强电磁脉冲耦合特征。
5、作为本专利技术所述hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的一种优选方案，其中：所述激励输入形式及参数包括，使用平面波的入射形式，其波形为iec标准的hemp e1阶段的波形，根据iec标准，hemp表达式以双指数函数描述表示为：
6、e(t)＝ke0(e-αt-e-βt)
7、其中，e(t)为双指数函数，e0为峰值场强，k为修正系数，α为表示脉冲前沿的参数，β为表示脉冲后沿的参数，t为时间。
8、作为本专利技术所述hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的一种优选方案，其中：所述边界条件包括，减弱模型边界的反射使得波形在不恰当的位置不产生叠加导致线缆耦合到的波形与实际情况不符，在模型构建时对地面的面积、厚度以及模型边界的反射进行修正和确认，地面的面积足够大包含所有波的传播和散射，地面的厚度足够大，以模拟地下的电磁场分布，使用pml处理模型边界的反射表示为：
9、
10、
11、
12、
13、其中，σpml(u)为pml中的电导率分布，σmax为pml中的最大电导率，u为从边界到考虑的点的距离，d为厚度，m为控制吸收特性的参数，β为衰减参数，si(u)为拉伸函数，j为虚数单位，ω为角频率，e为电场，h为磁场，为电场e的旋度，为电场h的旋度，μ为磁导率，sx为x方向的拉伸函数，sy为y方向的拉伸函数，sz为z方向的拉伸函数，ε为介电常数，σ为电导率。
14、作为本专利技术所述hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的一种优选方案，其中：所述网格剖分包括，进行tlm网格剖分，考虑到线缆内部结构大小，最小网格表示为，
15、
16、
17、其中，λ为波长，c为光速，fmax为仿真频率上限，dmin为线缆内部结构最小尺寸，n为网格单元数量。
18、作为本专利技术所述hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的一种优选方案，其中：所述仿真频率上限包括，根据hemp e1阶段波形高频分量的含量，确定仿真频率上限，表示为，
19、fmax＝fpeak×(1+θ)
20、其中，fpeak为hemp e1阶段波形高频分量，θ为阈值系数。
21、作为本专利技术所述hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的一种优选方案，其中：所述耦合响应水平包括，根据最小网格确定时间步长，确保仿真的稳定性，表示为：
22、
23、其中，δt为时间步长；使用场路协同求解形式，迭代地更新电场和磁场的值，在每个时间步长中，先更新电场，然后更新磁场，直到满足收敛条件；所述收敛条件表示为：
24、δe＝max|en+1-en|
25、δh＝max|hn+1-hn|
26、其中，δe为两个步长之间电场值的最大变化，δh为两个步长之间磁场值的最大变化，γ为电场阈值，ρ为磁场阈值；若δe＜γ且δh＜ρ，则停止迭代，从仿真结果中提取线缆的耦合响应水平；若与期望不符，则优化参数，获得更好的匹配，重新进行仿真。
27、本专利技术的另外一个目的是提供hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的系统，其能通过仿真系统，解决了hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真问题。
28、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真系统，包括，三维模型构建模块、hemp传播方向及电场方向定义模块、激本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：包括，
2.如权利要求1所述的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：所述三维模型包括，建立一个包含变电站、线缆以及周围环境的三维模型，选择四芯控制屏蔽电缆作为线缆模型，根据线缆的实际尺寸和结构，建立线缆的三维表示；
3.如权利要求2所述的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：所述激励输入形式及参数包括，使用平面波的入射形式，其波形为IEC标准的HEMP E1阶段的波形，根据IEC标准，HEMP表达式以双指数函数描述表示为，
4.如权利要求3所述的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：所述边界条件包括，减弱模型边界的反射使得波形在不恰当的位置不产生叠加导致线缆耦合到的波形与实际情况不符，在模型构建时对地面的面积、厚度以及模型边界的反射进行修正和确认，地面的面积足够大包含所有波的传播和散射，地面的厚度足够大，以模拟地下的电磁场分布，使用PML处理模型边界的反射表示为，
5.如权利要求4所述的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征
6.如权利要求5所述的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：所述仿真频率上限包括，根据HEMP E1阶段波形高频分量的含量，确定仿真频率上限，表示为，
7.如权利要求6所述的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：所述耦合响应水平包括，根据最小网格确定时间步长，确保仿真的稳定性，表示为，
8.一种采用如权利要求1～7任一所述的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的系统，其特征在于：包括，三维模型构建模块、HEMP传播方向及电场方向定义模块、激励输入定义模块、边界条件设置模块、TLM网格剖分模块、仿真频率上限确定模块及耦合响应水平求解模块；
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：包括，
2.如权利要求1所述的hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：所述三维模型包括，建立一个包含变电站、线缆以及周围环境的三维模型，选择四芯控制屏蔽电缆作为线缆模型，根据线缆的实际尺寸和结构，建立线缆的三维表示；
3.如权利要求2所述的hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：所述激励输入形式及参数包括，使用平面波的入射形式，其波形为iec标准的hemp e1阶段的波形，根据iec标准，hemp表达式以双指数函数描述表示为，
4.如权利要求3所述的hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：所述边界条件包括，减弱模型边界的反射使得波形在不恰当的位置不产生叠加导致线缆耦合到的波形与实际情况不符，在模型构建时对地面的面积、厚度以及模型边界的反射进行修正和确认，地面的面积足够大包含所有波的传播和散射，地面的厚度足够大，以模拟地下的电磁场分布，使用pml处理模型边界的反射表示为，
5.如权利要求4所述的hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法，其特征在于：所述网格剖分包括，进行tlm网格剖分，考...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏小飞，俸波，苏毅，饶夏锦，陈梁远，潘绍明，刘磊，范才进，厉天威，李敏，
申请(专利权)人：广西电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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