CN104123408B - 基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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；S02：计算无外界电磁干扰的电表仿真模型输出；S03，计算有工频磁场干扰时电表仿真模型输出；S04，分析电磁铁与电能表之间距离的变化对电表仿真模型输出的影响；S05，分析直流磁场对变压器电源的影响；S06，分析不同导磁材料对干扰电磁场的屏蔽效果；S07，根据步骤S03、S04、S05所分别获取函数关系，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，获取智能电表内部电源、电压互感器和电流互感器与智能电表表壳的安全距离。本发明基于有限元分析进行三维电磁场分析，防止外界电磁场对电能表的影响，防止电能表发生窃电。

Description

基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法

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；

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。

步骤S01基于有限元分析建立电表仿真模型，具体包括以下步骤，

(101)依据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；

(102)基于有限元软件ANSYS的APDL语言，基于SOLID97单元和CIRCU124单元建立电表仿真模型的铁芯和线圈；在用SOLID97单元建立线圈模型时，定义SOLID97单元的实常数用以描述绞线圈导体，所述实常数包括线圈的截面积、匝数、体积、线圈电流方向以及线圈的填充因子；耦合绞线圈区域内所有节点的CURR自由度，方便获取线圈中的电流；

(103)定义电表仿真模型材料的属性参数，所述材料的属性参数包括铁芯、空气的磁导率以及线圈的电导率；

(104)因为电表仿真模型中线圈是通过外部电路来进行供电的，因此需要采用CIRCU124单元建立电路，通过设置CIRCU124单元的KEYOPT项表示不同的电路元器件，实现场路耦合，用外部电路给有限元区域的线圈供电；

(105)施加边界条件：为了模拟远场的效果，在空气区域外表面将磁矢势设置为0，即表明磁场到达空气区域外表面时已经衰减为0。

线圈包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈和二次线圈套设在铁芯的同侧，一次线圈和二次线圈的建模具体包括以下步骤：

(a)采用空心圆柱形线圈模拟线圈，根据一次线圈的匝数和线径在铁芯上建立一次线圈的模型，所述一次线圈套设在铁芯的一侧；

(b)根据二次线圈的匝数和线径，在一次线圈的外部套设建立二次线圈的模型，考虑到实际生活中一次线圈和二次线圈不可能完全充分接触，一次线圈和二次线圈中间留有0.1mm～0.2mm的空气间隙；

(c)调整一次线圈和二次线圈模型，将一次线圈和二次线圈的中心重合。

电表仿真模型的线圈的电流方向为沿圆周方向。

铁芯的参数包括外长、外宽、内长、内宽、厚度和磁导率。一次线圈和二次线圈的参数均包括内径、外径、长度、磁导率、电阻率、匝数、截面积、线圈直径和单元坐标系。

一次线圈的匝数小于二次线圈的匝数。

其中，步骤S02、S03、S04、S05所述有限元分析具体包括以下步骤，对电表仿真模型的铁芯和线圈分配材料属性和单元类型，进行有限元网格的划分，将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，获取有限元网格；

基于麦克斯韦方程组对有限元网格的电磁场进行计算，

麦克斯韦第一方程(安培环路定律)：

式中：表示磁场强度；

表示传导电流密度矢量；

表示电位移矢量；

表示位移电流密度；

麦克斯韦第二方程(法拉第电磁感应定律)：

式中：表示电场强度；

表示磁感应强度；

麦克斯韦第三方程(高斯电通定律)：

式中：表示磁感应强度；

麦克斯韦第四方程(高斯磁通定律)：

式中：ρ表示电荷体密度；

电磁场计算中，将式(1)和式(3)中的偏微分进行简化，以便能够使用分离变量法、格林函数法解得电磁场的解析解，使用矢量磁势A(磁矢位)和标量电势φ来把电场和磁场变量分离开来，分别形成一个独立的电场或磁场的偏微分方程。

式中：表示磁感应强度；

表示电场强度；

表示磁矢位；

φ表示标量电势；

矢量磁势和标量电势φ能够自动满足法拉第电磁感应定律和高斯磁通定律，然后再应用到安培环路定律和高斯电通定律中，可得到：

式中：表示磁矢位；

φ表示标量电势；

μ表示介质的磁导率；

ε表示介质的介电常数；

ρ表示电荷体密度；

对公式(8)、(9)、(10)进行数值求解，解得磁势和电势的场分布值，再经过转化(后处理)可得到电磁场的各种物理量，如磁感应强度等。

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。

附图说明

图1为本发明基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法流程图；

图2为仿真模型示意图；

图3为电流互感器仿真模型示意图；

图4为建模时线圈电流方向设定示意图；

图5为无外界电磁铁干扰时的电压互感器或者电流互感器或者变压器的模型网格示意图；

图6为有电磁屏蔽时模型网格示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，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：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；即通过限元分析软建立电表仿真模型；

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，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、电流互感器的距离，记录所述距离变化时，电压互感器、电流互感器输出数据，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。

本实施例中，步骤S01的电表仿真模型铁芯参数如表1，铁芯的参数包括外长、外宽、内长、内宽、厚度和磁导率。一次线圈和二次线圈的参数均包括内径、外径、长度、磁导率、电阻率、匝数、截面积、线圈直径和单元坐标系。变压器和电压互感器一次线圈参数如表2，变压器和电压互感器二次线圈参数如表3，电流互感器的一次线圈参数如表3，电流互感器的二次线圈参数如表2。

表1 铁芯的参数

外长	外宽	内长	内宽	厚度	磁导率
						16mm	12mm	7.6mm	2mm	4mm	5000

表2 变压器和电压互感器的一次线圈参数(电流互感器的二次线圈参数)

表3 变压器和电压互感器的二次线圈参数(电流互感器的一次线圈参数)

电流互感器的一次线圈参数为电压互感器或者变压器的二次线圈参数，电流互感器的二次线圈参数为电压互感器或者变压器的一次线圈参数因为电流互感器是将大电流转换为小电流的，所以一次线圈匝数往往远小于二次线圈匝数。

步骤S01基于有限元分析建立电表仿真模型，具体包括以下步骤，

(101)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；

(102)基于有限元软件ANSYS的APDL语言，基于SOLID97单元和CIRCU124单元建立电表仿真模型的铁芯和线圈；在用SOLID97单元建立线圈模型时，定义SOLID97单元的实常数用以描述绞线圈导体，所述实常数包括线圈的截面积、匝数、体积、线圈电流方向以及线圈的填充因子；耦合绞线圈区域内所有节点的CURR自由度，方便获取解线圈中的电流；

(103)定义电表仿真模型材料的属性参数，所述材料的属性参数包括铁芯、空气的磁导率以及线圈的电导率；

(104)因为电表仿真模型中线圈是通过外部电路来进行供电的，因此需要采用CIRCU124单元建立电路，通过设置CIRCU124单元的KEYOPT项表示不同的电路元器件，实现场路耦合，用外部电路给有限元区域的线圈供电；

(105)施加边界条件：为了模拟远场的效果，在空气区域外表面将磁矢势设置为0，即表明磁场到达空气区域外表面时已经衰减为0。

线圈包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈和二次线圈套设在铁芯的同侧，一次线圈和二次线圈的建模具体包括以下步骤：

(a)采用空心圆柱形线圈模拟线圈，根据一次线圈的匝数和线径在铁芯上建立一次线圈的模型，所述一次线圈套设在铁芯的一侧；

(b)根据二次线圈的匝数和线径，在一次线圈的外部套设建立二次线圈的模型，考虑到实际生活中一次线圈和二次线圈不可能完全充分接触，一次线圈和二次线圈中间留有0.1mm～0.2mm的空气间隙；

(c)调整一次线圈和二次线圈模型，将一次线圈和二次线圈的中心重合。

图2是整个仿真的模型示意图，一次线圈101和二次线圈102均在铁芯12左则，先在铁芯2上缠绕一次线圈101，一次线圈101缠绕完成后再在一次线圈101的外侧缠绕二次线圈102，一次线圈101和二次线圈102的中心是重合的；干扰电磁铁4的电压源给干扰线圈5供电，产生干扰电磁场，干扰磁场影响变压器、电压互感器和电流互感器铁芯中的磁场，影响正常工作；图2中，电表仿真模型包括变压器、电压互感器和电流互感器，由于变压器、电压互感器和电流互感器均包括线圈1和铁芯2，结构相同，图2中仅图示出变压器、电压互感器和电流互感器其中一个。依据表2和表3的数据建立的电流互感器仿真模型如图3所示；图3中的电能计量芯片是智能电表内部用来将电压互感器和电流互感器转换得到的小电压和小电流进行数学运算，从而计算电能的芯片。

电表仿真模型的线圈的电流方向为沿圆周方向。

铁芯的参数包括外长、外宽、内长、内宽、厚度和磁导率。一次线圈和二次线圈的参数均包括内径、外径、长度、磁导率、电阻率、匝数、截面积、线圈直径和单元坐标系。

一次线圈的匝数小于二次线圈的匝数。

利用现有的有限元软件(本发明是基于ANSYS进行仿真分析的)，利用确定的模型参数，利用APDL语言编写命令流来进行仿真建模，建立好的没有外界电磁干扰的模型如图4所示，图4中线圈1设置在铁芯2的同一侧，且变压器(电压互感器、电流互感器)的一次侧线圈和二次侧线圈放在了同一侧，这样主要是考虑到减小漏磁对计算结果的影响，仿真中发现将一次线圈和二次线圈分在铁芯的两侧计算结果偏差较大。

线圈包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈和二次线圈套设在铁芯的同侧，减小漏磁的影响。电流方向设定如图5所示，电表仿真模型的线圈的电流方向为沿圆周方向。建模过程中要注意线圈电流方向的设定，否则无法得出正确结果。

电流互感器的一次线圈参数和二次线圈参数与电压互感器、变压器的参数相反，电压互感器、变压器的参数可以相同；因为电流互感器是将大电流转换为小电流的，因此一次线圈的匝数小于二次线圈的匝数。

在没有施加外部电磁场干扰的情况下变压器(电压互感器、电流互感器)输出结果正确的前提下，才能进行下一步仿真不同形式的电磁场对各部分的影响，在变压器(电压互感器、电流互感器)的左侧加上一个饶有线圈的电磁铁4，如图6所示，图6中电磁铁4和模型(包括铁芯2和线圈1)之间的导磁平板3是为了说明电磁屏蔽的作用，电磁屏蔽可以起到减小磁场干扰的作用，在电磁铁和模型之间加上一块导磁平板3，分析不同形式材料对外界电磁场的屏蔽效果。改变施加在电磁铁上的激励电压的形式可以模拟工频磁场和直流磁场带来的影响，同时改变激励电压的大小、方向以及电磁场距离模型的距离来模拟不同大小的磁感应强度对变压器(电压互感器、电流互感器)输出电压和电流的影响。

根据仿真数据进行数据处理，得出结论，分析不同形式的电磁场对变压器(电压互感器、电流互感器)的影响差异，并结合实际偷电所用的磁铁，分析为了尽量减小偷电带来的损失，在智能电表制造过程中应该注意的地方，仿真结果对智能电表防偷电具有很重要的意义。

其中，步骤S02、S03、S04、S05所述有限元分析具体包括以下步骤，对电表仿真模型的铁芯和线圈分配材料属性和单元类型，进行有限元网格的划分，将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，获取有限元网格；

基于麦克斯韦方程组对有限元网格的电磁场进行计算，

麦克斯韦第一方程(安培环路定律)：

式中：表示磁场强度

表示传导电流密度矢量

表示电位移矢量

表示位移电流密度

麦克斯韦第二方程(法拉第电磁感应定律)：

式中：表示电场强度；

表示磁感应强度；

麦克斯韦第三方程(高斯电通定律)：

式中：表示磁感应强度；

麦克斯韦第四方程(高斯磁通定律)：

式中：ρ表示电荷体密度

电磁场计算中，将式(1)和式(3)中的偏微分进行简化，以便能够使用分离变量法、格林函数法解得电磁场的解析解，使用矢量磁势A(磁矢位)和标量电势φ来把电场和磁场变量分离开来，分别形成一个独立的电场或磁场的偏微分方程。

式中：表示磁感应强度

表示电场强度

表示磁矢位

φ表示标量电势

矢量磁势和标量电势φ能够自动满足法拉第电磁感应定律和高斯磁通定律，然后再应用到安培环路定律和高斯电通定律中，可得到：

式中：表示磁矢位；

φ表示标量电势；

μ表示介质的磁导率；

ε表示介质的介电常数；

ρ表示电荷体密度；

对公式(8)、(9)、(10)进行数值求解，解得磁势和电势的场分布值，再经过转化(后处理)可得到电磁场的各种物理量，如磁感应强度等。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其特征在于：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；

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，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设置仿真电磁铁，改变所述电磁铁上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，基于有限元分析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、电流互感器的距离，基于有限元分析记录所述距离变化时，电压互感器、电流互感器输出数据，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，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，基于有限元分析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、电流互感器和变压器的输出数据，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。

2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其特征在于：步骤S01基于有限元分析建立电表仿真模型，具体包括以下步骤，

(101)依据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；

(102)基于有限元软件ANSYS的APDL语言，基于SOLID97单元和CIRCU124单元建立电表仿真模型的铁芯和线圈；在用SOLID97单元建立线圈模型时，定义SOLID97单元的实常数用以描述绞线圈导体，所述实常数包括线圈的截面积、匝数、体积、线圈电流方向以及线圈的填充因子；耦合绞线圈区域内所有节点的CURR自由度；

(103)定义电表仿真模型材料的属性参数，所述材料的属性参数包括铁芯、空气的磁导率以及线圈的电导率；

(104)因为电表仿真模型中线圈是通过外部电路来进行供电的，因此需要采用CIRCU124单元建立电路，通过设置CIRCU124单元的KEYOPT项表示不同的电路元器件，实现场路耦合，用外部电路给有限元区域的线圈供电；

(105)施加边界条件：为了模拟远场的效果，在空气区域外表面将磁矢势设置为0，即表明磁场到达空气区域外表面时已经衰减为0。

3.根据权利要求2所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其特征在于：所述线圈包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈和二次线圈套设在铁芯的同侧，所述一次线圈和二次线圈的建模具体包括以下步骤：

(a)采用空心圆柱形线圈模拟线圈，根据一次线圈的匝数和线径在铁芯上建立一次线圈的模型，所述一次线圈套设在铁芯的一侧；

(b)根据二次线圈的匝数和线径，在一次线圈的外部套设建立二次线圈的模型，一次线圈和二次线圈中间留有0.1mm～0.2mm的空气间隙；

(c)调整一次线圈和二次线圈模型，将一次线圈和二次线圈的中心重合。

4.根据权利要求2所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其特征在于：所述电表仿真模型的线圈的电流方向为沿圆周方向。

5.根据权利要求2所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其特征在于，所述铁芯的参数包括外长、外宽、内长、内宽、厚度和磁导率。

6.根据权利要求3所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其特征在于，所述一次线圈的匝数小于二次线圈的匝数。

7.根据权利要求3所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其特征在于，所述一次线圈和二次线圈的参数均包括内径、外径、长度、磁导率、电阻率、匝数、截面积、线圈直径和单元坐标系。

8.根据权利要求1所述的基于有限元仿真分析的智能电表防外界电磁场干扰方法，其特征在于，步骤S02、S03、S04、S05所述有限元分析具体包括以下步骤，对电表仿真模型的铁芯和线圈分配材料属性和单元类型，进行有限元网格的划分，将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，获取有限元网格；

基于麦克斯韦方程组对有限元网格的电磁场进行计算，

麦克斯韦第一方程：

式中：表示磁场强度；

表示传导电流密度矢量；

表示电位移矢量；

表示位移电流密度；

麦克斯韦第二方程：

式中：表示电场强度；

表示磁感应强度；

麦克斯韦第三方程：

式中：表示磁感应强度；

麦克斯韦第四方程：

式中：ρ表示电荷体密度

电磁场计算中，将式(1)和式(3)中的偏微分进行简化，使用矢量磁势和标量电势φ来把电场和磁场变量分离开来，分别形成独立的电场或磁场的偏微分方程；

式中：表示磁感应强度；

表示电场强度；

表示磁矢位；

φ表示标量电势；

矢量磁势和标量电势φ满足法拉第电磁感应定律和高斯磁通定律，然后再应用到安培环路定律和高斯电通定律中，可得到：

${\▿}^2=(\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂z^2})---\left(8\right)$

${\▿}^{2}A-\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}\frac{{\∂}^{2}A}{\∂t^2}=-\mathrm{\μ}J---\left(9\right)$

${\▿}^2\mathrm{\φ}-\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{\∂t^2}=-\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ϵ}}---\left(10\right)$

式中：表示磁矢位；

φ表示标量电势；

μ表示介质的磁导率；

ε表示介质的介电常数；

ρ表示电荷体密度；

对公式(8)、(9)、(10)进行数值求解，解得磁势和电势的场分布值。