CN117709050A - Hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法及系统，涉及强电磁脉冲耦合特征计算技术领域，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。将HEMP辐照环境对变电站线缆强电磁脉冲耦合特征的影响考虑到计算过程中，使计算结果更贴合实际，在计算速度上有所提高；使用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及强电磁脉冲耦合特征计算技术领域，特别是HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法及系统。
背景技术
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。
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。
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。
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，屏蔽电缆的转移阻抗和转移导纳把两条回路联系起来，利用两条回路各自的阻抗和导纳在频域或时域内计算电缆屏蔽层和芯线上的感应电流电压，这些数值可以通过快速傅里叶变换和反变换在时域和频域内相互转换。相比场的方法，采用传输线方程的路的方法计算速度更快。
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。
发明内容
鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的问题是：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。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：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。
作为本发明所述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。
作为本发明所述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：
E(t)＝kE0(e-αt-e-βt)
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。
作为本发明所述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：
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。
作为本发明所述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，
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。
作为本发明所述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，
fmax＝fpeak×(1+θ)
其中，fpeak为HEMP E1阶段波形高频分量，θ为阈值系数。
作为本发明所述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：
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：
ΔE＝max|En+1-En|
ΔH＝max|Hn+1-Hn|
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。
本发明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。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：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；所述三维模型构建模块用于建立一个包含变电站、线缆及其周围环境的三维模型；所述HEMP传播方向及电场方向定义模块定义HEMP的传播方向和电场方向，根据这些方向以及线缆的位置和方向，确定HEMP与线缆之间的入射角，并计算不同入射角下的线缆强电磁脉冲耦合特征；所述激励输入定义模块定义激励的输入形式和参数，使用平面波的入射形式，波形为IEC标准的HEMP E1阶段的波形；所述边界条件设置模块考虑模型边界的反射，设置特定的边界条件以模拟无限大地面，减弱模型边界的反射；所述TLM网格剖分模块对三维模型进行TLM网格剖分，确保线缆内部结构的剖分满足计算要求；所述仿真频率上限确定模块根据HEMP E1阶段波形的高频分量，确定仿真的频率上限；所述耦合响应水平求解模块初始化求解器参数，设定求解器为场路协同求解形式，迭代地更新电场和磁场的值，直到满足收敛条件，从仿真结果中提取线缆的耦合响应水平。
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如上所述HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的步骤。
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如上所述HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的步骤。
本发明有益效果为本发明提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法可以将HEMP辐照环境对变电站线缆强电磁脉冲耦合特征的影响考虑到计算过程中，使计算结果更贴合实际；本发明基于有限的建模空间，通过设置边界条件，模拟了无限大地面，减弱了模型边界带来的反射对响应水平的影响；对比以往计算方法，本发明在计算速度上有所提高；对比以往计算方法，本发明可以通过三维建模，计算HEMP辐照环境以及复杂HEMP传播方向、电场方向及线缆走向的耦合响应水平，使用范围更广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明第一个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的整体流程图。
图2为本发明第一个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的流程图。
图3为本发明第一个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的三维模型图。
图4为本发明第一个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的三维模型方向图。
图5为本发明第一个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的线缆图。
图6为本发明第一个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的HEMP传播方向图。
图7为本发明第一个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的电场方向图。
图8为本发明第二个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真系统的结构图。
图9为本发明第三个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的线缆两端负载上的电压波形图。
图10为本发明第三个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的线缆两端负载上的电流波形图。
图11为本发明第三个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的线缆两端附近电场强度波形图。
图12为本发明第三个实施例提供的HEMP辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法的电源线和信号线两端附近电场强度波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
参照图1～图7，为本发明第一个实施例，该实施例提供了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。如图2所示。
步骤一、建立一个包含变电站、线缆以及周围环境和无限大地面的三维模型。
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，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；确保线缆的内部结构，如导体、绝缘层、屏蔽层等，都被准确地表示。
具体的，变电站、线缆以及周围环境和无限大地面的三维模型如下图3和图4所示；其中线缆选择四芯控制屏蔽电缆，如图5所示。
步骤二、定义HEMP传播方向以及电场方向。
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。
HEMP传播方向以及电场方向如图6和图7，计算不同入射角情况下线缆强电磁脉冲耦合特征。
步骤三、定义激励输入形式及其参数。
具体的，在本实施例中，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来描述：
E(t)＝kE0(e-αt-e-βt)
其中，E(t)为双指数函数，E0为峰值场强，取50kV/m；k为修正系数，取1.3；α和β为表示脉冲前沿和后沿的参数，分别取4×107/s、6×108/s，t为时间。
步骤四、考虑有限建模空间带来的边界反射，设置特定的边界条件以减小反射，模拟无限大地面。
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：
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。
为了减弱模型边界的反射使得波形在不恰当的位置产生叠加，最终导致线缆耦合到的波形与实际情况不符，在模型构建时需要对地面的面积、厚度以及模型边界的反射进行修正和确认。对于图示的模型，考虑在100ns内的响应不会受到波形的影响，所构建的地面参数为110m*70m*2m，电导率为0.01S/m，相对介电常数为10，磁导率为1。
步骤五、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。
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：
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。
步骤六、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。
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：
fmax＝fpeak×(1+θ)
其中，fpeak为HEMP E1阶段波形高频分量，θ为阈值系数，是一个介于0与1之间的小数。
根据HEMP E1阶段波形高频分量的含量，确定仿真频率上限为250MHz。
步骤七、最终求解得出线缆的耦合特性。
根据最小网格确定时间步长，确保仿真的稳定性，表示为：
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；收敛条件表示为：
ΔE＝max|En+1-En|
ΔH＝max|Hn+1-Hn|
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。
以平行放置于X轴上方高度10cm处，长度为10m的线缆为例，平面波传播方式如步骤三所示，电场方向平行于X轴。线缆类型选择与实际相同的KVVP-2-1-4×4的线缆。地面模型为20*20m。由上述计算方法流程解出的线缆两端负载上的电压波形、电流波形、线缆两端附近电场强度波形以及电源线和此信号线两端附近电场强度波形。
实施例2
参照图8，为本发明第二个实施例，其不同于前一个实施例的是，提供了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。
三维模型构建模块用于建立一个包含变电站、线缆及其周围环境的三维模型。
HEMP传播方向及电场方向定义模块定义HEMP的传播方向和电场方向，根据这些方向以及线缆的位置和方向，确定HEMP与线缆之间的入射角，并计算不同入射角下的线缆强电磁脉冲耦合特征。
激励输入定义模块定义激励的输入形式和参数，使用平面波的入射形式，波形为IEC标准的HEMP E1阶段的波形。
边界条件设置模块考虑模型边界的反射，设置特定的边界条件以模拟无限大地面，减弱模型边界的反射。
TLM网格剖分模块对三维模型进行TLM网格剖分，确保线缆内部结构的剖分满足计算要求。
仿真频率上限确定模块根据HEMP E1阶段波形的高频分量，确定仿真的频率上限。
耦合响应水平求解模块初始化求解器参数，设定求解器为场路协同求解形式，迭代地更新电场和磁场的值，直到满足收敛条件，从仿真结果中提取线缆的耦合响应水平。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方其中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
实施例3
参照图5、图6和图9～图12，为本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：为对本发明中采用的技术效果加以验证说明，以验证本方法所具有的真实效果。
步骤一、建立变电站、线缆以及周围环境和无限大地面的三维模型；
具体的，在本实施例中，变电站、线缆以及周围环境和无限大地面的三维模型，其中线缆选择四芯控制屏蔽电缆。
步骤二、定义HEMP传播方向以及电场方向；
HEMP传播方向以及电场方向如图5和图6，计算不同入射角情况下线缆强电磁脉冲耦合特征。
步骤三、定义激励输入形式及其参数；
具体的，在本实施例中，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；
步骤四、考虑有限建模空间带来的边界反射，设置特定的边界条件以减小反射，模拟无限大地面；
为了减弱模型边界的反射使得波形在不恰当的位置产生叠加，最终导致线缆耦合到的波形与实际情况不符，在模型构建时需要对地面的面积、厚度以及模型边界的反射进行修正和确认。对于图示的模型，考虑在100ns内的响应不会受到波形的影响，所构建的地面参数为110m*70m*2m，电导率为0.01S/m，相对介电常数为10，磁导率为1。
步骤五、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；
进行TLM网格剖分，考虑到线缆内部结构大小，最小网格求取为
步骤六、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；
根据HEMP E1阶段波形高频分量的含量，确定仿真频率上限为250MHz。
步骤七、最终求解得出线缆的耦合特性；
以平行放置于X轴上方高度10cm处，长度为10m的线缆为例，电场方向平行于X轴。线缆类型选择与实际相同的KVVP-2-1-4×4的线缆。地面模型为20*20m。由上述计算方法流程解出的线缆两端负载上的电压波形、电流波形、线缆两端附近电场强度波形以及电源线和此信号线两端附近电场强度波形分别如下图9、图10、图11、图12所示。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
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，
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。
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；
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。
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，
E(t)＝kE0(e-αt-e-βt)
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。
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，
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，▽×H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。
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，考虑到线缆内部结构大小，最小网格表示为，
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。
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，
fmax＝fpeak×(1+θ)
其中，fpeak为HEMP E1阶段波形高频分量，θ为阈值系数。
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，
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，
ΔE＝max|En+1-En|
ΔH＝max|Hn+1-Hn|
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。
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；
所述三维模型构建模块用于建立一个包含变电站、线缆及其周围环境的三维模型；
所述HEMP传播方向及电场方向定义模块定义HEMP的传播方向和电场方向，根据这些方向以及线缆的位置和方向，确定HEMP与线缆之间的入射角，并计算不同入射角下的线缆强电磁脉冲耦合特征；
所述激励输入定义模块定义激励的输入形式和参数，使用平面波的入射形式，波形为IEC标准的HEMP E1阶段的波形；
所述边界条件设置模块考虑模型边界的反射，设置特定的边界条件以模拟无限大地面，减弱模型边界的反射；
所述TLM网格剖分模块对三维模型进行TLM网格剖分，确保线缆内部结构的剖分满足计算要求；
所述仿真频率上限确定模块根据HEMP E1阶段波形的高频分量，确定仿真的频率上限；
所述耦合响应水平求解模块初始化求解器参数，设定求解器为场路协同求解形式，迭代地更新电场和磁场的值，直到满足收敛条件，从仿真结果中提取线缆的耦合响应水平。
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。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311430117.9A CN117709050A (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | Hemp辐照环境中线缆脉冲耦合特征仿真方法及系统 |
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Publications (1)
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