偏芯电缆的暂态时域分析方法、装置和暂态时域分析系统与流程

1.本技术涉及偏芯电缆的暂态时域分析技术领域，具体而言，涉及一种偏芯电缆的暂态时域分析方法、装置、计算机可读存储介质和偏芯电缆的暂态时域分析系统。


背景技术：

2.电力电缆是一种电能及信号传输线，一般是由四层物料造成：最内里是一条导电铜线，线的外面有一层塑胶(作绝缘体、电介质之用)围拢，绝缘体外面又有一层薄的网状屏蔽导电体(一般为铜或合金)，然后导电体外面是最外层的绝缘物料作为外皮。由于其抗干扰能力强、单位体积内能量密度高，电力电缆已广泛应用于电能传输、信息传输、电气化铁路等领域，各领域对电力电缆的稳定运行也提出了更高的要求。
3.电力电缆的偏心结构是指在导体外的绝缘径向分布得不均匀。导致这种情况发生的原因主要包括模具搭配不合理造成电缆间断性偏芯、机头漏胶导致挤出偏芯等。当电缆存在一定偏心度时，电缆径向的绝缘层厚度不同，导致内部电场集中分布在绝缘层较薄的位置，容易引起绝缘层击穿、导体间短路。此外，非均匀的电场分布也会导致阻抗特性下降，增大电容和衰减效应，电缆内的驻波会因结构的不规则、电容的变化而明显恶化，使电缆中的绝缘层受热不均，缩短电缆寿命。
4.在对输电系统做电磁暂态过电压分析时，应充分考虑由于电缆偏芯结构导致的波形畸变和非正常发热，对存在偏芯度的电力电缆进行准确检测与甄别，从而整体性的优化电缆联结方式、延长电缆寿命、提升系统运行可靠性。目前的方案中，常采用fdtd(finite difference time domain，有限时域差分)算法来对来对电力电缆开展时域电磁暂态仿真，传统fdtd算法需通过正交网格对计算区域的全域离散，离散网格的尺寸和网格数量需根据仿真物体的几何结构尺寸和临近区域的电磁场畸变程度确定。对于偏心电力电缆，其径向尺寸小至毫米级，轴向尺寸大至百米级，空间跨度极大，因此，目前的fdtd算法对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率较低。


技术实现要素：

5.本技术的主要目的在于提供一种偏芯电缆的暂态时域分析方法、装置、计算机可读存储介质和偏芯电缆的暂态时域分析系统，以至少解决现有技术中fdtd算法对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率较低的问题。
6.为了实现上述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种偏芯电缆的暂态时域分析方法，所述偏芯电缆包括第一导体、第二导体和电介质，所述第一导体的圆心与所述第二导体不同轴，所述电介质位于所述第一导体和所述第二导体之间，所述方法包括：获取偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，其中，所述目标互感是第一导体和第二导体之间的互感，所述目标互容是所述第一导体和所述第二导体之间的互容，所述磁场向量为所述偏芯电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；根据所述目标互感计算所述第一导体的第一电流值，根据所述磁场向量计算所述偏芯电缆的总电流值；计算所述总电流值和所述第一电流
值的差值，得到所述第二导体的第二电流值；根据所述目标互容计算所述电介质的电压值。
7.可选地，获取偏芯电缆的目标互感和目标互容，包括：根据第一公式计算所述目标互感，其中，所述第一公式为
[0008][0009]
l
ab
表示所述目标互感，μ0表示真空磁导率，μ
r.ab
表示所述电介质的相对磁导率，ra表示所述第一导体的半径，rb表示所述第二导体的半径，d为所述第一导体的圆心与所述第二导体的圆心的距离；
[0010]
根据第二公式计算所述目标互容，其中，所述第二公式为
[0011][0012]cab
表示所述目标互容，ε0表示介电常数，ε
r.ab
表示相对介电常数。
[0013]
可选地，根据所述目标互感计算所述第一导体的第一电流值，包括：根据第三公式计算所述第一电流值，其中，所述第三公式为
[0014][0015]
l表示所述偏芯电缆的轴向距离，s表征复频域，l
ab
表示所述目标互感，ia表示所述第一电流值；
[0016]
根据第四公式将所述第一电流值转换为时域形式，其中，所述第四公式为
[0017][0018]
其中，δt为fdtd时间步长，q表示时间步数；
[0019]
根据所述目标互容计算所述电介质的电压值，包括：根据第五公式计算所述电介质的电压值，其中，所述第五公式为
[0020][0021]cab
表示所述目标互容，v
ab
表示所述电介质的电压值；
[0022]
根据第六公式将所述电压值转换为时域形式，其中，所述第六公式为
[0023][0024]
可选地，根据所述磁场向量计算所述偏芯电缆的总电流值，包括：根据第七公式计算所述总电流值，其中，所述第七公式为
[0025][0026]
h表示所述磁场向量，i、j、k为基于fdtd网格编号的磁场向量位置编号，δy和δz为fdtd网格在y、z方向的尺寸。
[0027]
可选地，在根据所述目标互感计算所述第一导体的第一电流值之前，所述方法还包括：根据第八公式计算所述偏芯电缆外部的电场向量，其中，所述第八公式为：
[0028][0029][0030][0031]
其中，e
x
、ey、ez分别为三个正交方向的所述电场向量，σ表示对应空间内的等效电导率，ε表示对应空间内的介电常数，x表示第一方向，y表示第二方向，z表示第三方向，δx、δy、δz分别为fdtd网格在x、y、z三个正交方向的所述fdtd网格的尺寸，h
x
、hy、hz分别为三个正交方向的所述磁场向量，i、j、k为基于fdtd网格编号的电场向量位置编号，所述电场向量为所述偏芯电缆产生的电场的电场强度矢量。
[0032]
可选地，获取偏芯电缆的磁场向量，包括：根据第九公式计算所述磁场向量，其中，所述第九公式为：
[0033][0034]
[0035][0036]
其中，μ表示磁导率，σm表示导磁系数，所述磁场向量是所述偏芯电缆的外部的磁场向量。
[0037]
可选地，在根据所述目标互容计算所述电介质的电压值之后，所述方法还包括：获取参考电压曲线，其中，所述参考电压曲线为从所述偏芯电缆的一端施加暂态电压激励时，在另一端测量得到的电压时域暂态响应的波形曲线；根据所述电介质的所述电压值，生成实际电压曲线；比较所述参考电压曲线和所述实际电压曲线的相似度，在所述相似度大于或者等于相似度阈值的情况下，确定所述偏芯电缆的实际偏芯度。
[0038]
根据本技术的另一方面，提供了一种偏芯电缆的暂态时域分析装置，所述偏芯电缆包括第一导体、第二导体和电介质，所述第一导体的圆心与所述第二导体不同轴，所述电介质位于所述第一导体和所述第二导体之间，所述装置包括：第一获取单元，用于获取偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，其中，所述目标互感是第一导体和第二导体之间的互感，所述目标互容是所述第一导体和所述第二导体之间的互容，所述磁场向量为所述偏芯电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；第一计算单元，用于根据所述目标互感计算所述第一导体的第一电流值，根据所述磁场向量计算所述偏芯电缆的总电流值；第二计算单元，用于计算所述总电流值和所述第一电流值的差值，得到所述第二导体的第二电流值；第三计算单元，用于根据所述目标互容计算所述电介质的电压值。
[0039]
根据本技术的再一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行任意一种所述偏芯电缆的暂态时域分析方法。
[0040]
根据本技术的又一方面，提供了一种偏芯电缆的暂态时域分析系统，包括：一个或多个处理器，存储器，以及一个或多个程序，其中，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行任意一种所述偏芯电缆的暂态时域分析方法。
[0041]
应用本技术的技术方案，设计了一种新的暂态时域分析方案，并且本方案是对偏芯电缆进行暂态时域分析的，根据偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，来确定偏芯电缆中的电流分布和电压分布，由于现有技术中只能对同轴的电缆进行暂态时域分析，是无法对偏芯的电缆进行暂态时域分析的，本方案中分别计算偏芯电缆中的第一导体的第一电流值，还要计算偏芯电缆中的第二导体的第二电流值，还要计算两个导体之间的电介质的电压值，以此来实现对于偏芯电缆的暂态时域分析，进而提高了对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率。
附图说明
[0042]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0043]
图1示出了fdtd网格空间的示意图；
[0044]
图2示出了fdtd的网格空间中的电磁场向量的示意图；
[0045]
图3示出了电磁场向量相互环绕的示意图；
[0046]
图4示出了根据本技术的实施例中提供的一种执行偏芯电缆的暂态时域分析方法的移动终端的硬件结构框图；
[0047]
图5示出了根据本技术的实施例提供的一种偏芯电缆的暂态时域分析方法的流程示意图；
[0048]
图6示出了本方案中的fdtd网格中的分段示意图；
[0049]
图7示出了偏芯电缆的横截面的示意图；
[0050]
图8示出了电力电缆的端口的示意图；
[0051]
图9示出了另一种偏芯电缆的暂态时域分析方法的流程示意图；
[0052]
图10示出了根据本技术的实施例提供的一种偏芯电缆的暂态时域分析装置的结构框图。
[0053]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0054]
102、处理器；104、存储器；106、传输设备；108、输入输出设备；10、第一导体；11、第二导体；12、电介质。
具体实施方式
[0055]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0056]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
[0057]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0058]
目前，对电力电缆开展时域电磁暂态仿真主要是基于有限时域差分算法(finite difference time domain，fdtd)来实施。该算法将计算空间、时间离散为有限个时空单元。其中空间单元布置六个正交方向的电场和磁场向量，用来离散被仿真物体内部及结构，使每个空间单元内的电磁场量空间分布可近似为均匀分布。时间单元(又称时间步长)用于离散电磁场量在时间上的变化曲线，从而可以凭借静稳态的思路解决瞬态电磁耦合问题。电磁场量由fdtd时空单元离散后，其迭代方程可由麦克斯韦方程直接推导并获得二阶精度结果，不会因为新增的数学模型假设而限制其应用范围，故该算法理论上可以对任意结构的仿真物体求解任何形式的电磁暂态案例。此外，fdtd算法还具有宽频特性仿真、计算稳定性
强、易于并行计算等优势，目前已经广泛应用于电力、通信、生物电磁、光学等领域。
[0059]
传统fdtd算法需通过正交网格对计算区域的全域离散，离散网格的尺寸和网格数量需根据仿真物体的几何结构尺寸和临近区域的电磁场畸变程度确定。对于偏心电力电缆，其径向尺寸小至毫米级，轴向尺寸大至百米级，空间跨度极大。以fdtd经典网格对偏心电力电缆离散时，如果要同时满足轴向和径向的仿真要求，会遇到如下问题：
[0060]
1)计算时间长，基于离散电缆(偏芯电缆)径向结构，需减小轴向网格尺寸，但因fdtd算法需满足科朗特稳定性判据，所以时间步长也相应减小，导致同一时间长度的电磁暂态过程需更多次计算，被动延长计算时间；
[0061]
2)占用内存大，为同时满足电缆径向的离散精度和轴向的延伸尺寸，需要以小尺寸网格覆盖电力电缆的轴向尺寸，导致内存消耗急剧增加，降低计算效率；
[0062]
3)计算稳定性差，为部分解决电缆轴向、径向跨尺度建模问题，通常会采用非均匀网格建模，但对于毫米-百米跨度的模型构建需采用极不均匀网格，此项方案常引起计算结果发散，严重降低计算稳定性；
[0063]
4)计算误差大，采用基于细线模型的fdtd仿真技术可对轴对称同轴电缆进行高效分析，但无法考虑由于内导体存在偏心度产生的电磁分布畸变，导致计算误差增大。
[0064]
经典fdtd算法是一种全域离散时域仿真算法，其计算区域除了包括所有被仿真模型，还包括被仿真物体间及其临近区域。电磁场域求解前，需要对计算全域通过fdtd正交网格离散为一组平行六面体空间单元，如图1所示。每个空间单元内的电磁场均假定为均匀分布，电磁场变化剧烈的区域应加密网格尺寸，如空气-土壤交界面、金属-电介质交界面等，电磁场变化缓慢的区域可采用大尺寸网格，如空气或土壤内部。以每个平行六面体空间单元的左下顶点为初始点，在与初始点相连的三条棱分别定义指向xyz三个正交方向的电场向量e
x
、ey、ez，垂直于与原点相连的三个面分别定义指向xyz三个正交方向的磁场向量h
x
、hy、hz，如图2所示。每个方向的电场向量、磁场向量均需根据相对空间位置设置对应的材料参数，包括电导率σ、介电常数ε和磁导率μ。
[0065]
当一组fdtd网格排布在一起组成fdtd计算区域后，电磁场向量在空间上相错半个空间步长(即空间单元尺寸)，且电磁向量间相互包围、环绕，即某方向的电场向量由四个磁场向量环绕，反之亦然，如图3所示。电磁场向量在时间上也相错半个时间步长，即整体电场向量和整体磁场向量始终相距0.5δt。以上时空特性满足麦克斯韦离散方程求解特点，因为可以实现电场向量、磁场向量交替步进式求解。通常一个完整的电磁暂态分析需要进行上万次步进式迭代，直到满足预设收敛条件(如仿真结果趋于定值或开始形成周期性变化)或达到预设迭代次数。
[0066]
正如背景技术中所介绍的，现有技术中目前的fdtd算法对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率较低，为解决如上的问题，本技术的实施例提供了一种偏芯电缆的暂态时域分析方法、装置、计算机可读存储介质和偏芯电缆的暂态时域分析系统。
[0067]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0068]
本技术实施例中所提供的方法实施例可以在移动终端、计算机终端或者类似的运算装置中执行。以运行在移动终端上为例，图4是本发明实施例的一种偏芯电缆的暂态时域分析方法的移动终端的硬件结构框图。如图4所示，移动终端可以包括一个或多个(图4中仅
示出一个)处理器102(处理器102可以包括但不限于微处理器mcu或可编程逻辑器件fpga等的处理装置)和用于存储数据的存储器104，其中，上述移动终端还可以包括用于通信功能的传输设备106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图4所示的结构仅为示意，其并不对上述移动终端的结构造成限定。例如，移动终端还可包括比图4中所示更多或者更少的组件，或者具有与图4所示不同的配置。
[0069]
存储器104可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如本发明实施例中的设备信息的显示方法对应的计算机程序，处理器102通过运行存储在存储器104内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至移动终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。传输设备106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括移动终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备106包括一个网络适配器(network interface controller，简称为nic)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备106可以为射频(radio frequency，简称为rf)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
[0070]
在本实施例中提供了一种运行于移动终端、计算机终端或者类似的运算装置的偏芯电缆的暂态时域分析方法，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0071]
图5是根据本技术实施例的一种偏芯电缆的暂态时域分析方法的流程示意图。如图5所示，该方法包括以下步骤：
[0072]
步骤s201，获取偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，其中，上述目标互感是第一导体和第二导体之间的互感，上述目标互容是上述第一导体和上述第二导体之间的互容，上述磁场向量为上述偏芯电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；
[0073]
电力电缆模型(本方案中的是偏芯电缆的模型)在fdtd网格中的设置如图6所示，模型需构建于fdtd空间单元的棱上，其径向尺寸远小于fdtd网格尺寸，即不需要借助fdtd网格将其径向结构离散、求解，模型的轴向尺寸通过对应方向的fdtd网格离散为若干段，每段模型均与对应位置的电场向量在空间上重合。
[0074]
具体地，如图7所示，上述偏芯电缆包括第一导体10、第二导体11和电介质12，上述第一导体10的圆心与上述第二导体11不同轴，上述电介质12位于上述第一导体10和上述第二导体11之间。
[0075]
具体地，由于电缆中的电流值是与互感和互容有关系的，可以先获取到偏芯电缆中的互感、互容和磁场向量，进而后续采用这些获取到的数据对偏芯电缆进行暂态时域分析。
[0076]
步骤s202，根据上述目标互感计算上述第一导体的第一电流值，根据上述磁场向量计算上述偏芯电缆的总电流值；
[0077]
具体地，偏芯电缆中，流经第一导体的第一电流值是与第一导体和第二导体之间
的互感相关的，因此可以采用目标互感来计算得到第一电流值。而流经偏芯电缆的总电流值是与包围该电缆的磁场向量有关的，例如可以使用磁场向量的积分得到总电流值，因此可以采用磁场向量来计算总电流值。
[0078]
步骤s203，计算上述总电流值和上述第一电流值的差值，得到上述第二导体的第二电流值；
[0079]
具体地，偏芯电缆中总共有两个导体，在已经得到了总电流值，以及流经第一导体的第一电流值的情况下，可以直接采用作差的方法，计算得到流经第二导体的第二电流值，无需进行其他的复杂的计算过程。
[0080]
步骤s204，根据上述目标互容计算上述电介质的电压值。
[0081]
具体地，由于电缆中的电介质的电压值是与互容有关系的，因此可以采用预先获取到的目标互容计算电介质的电压值。
[0082]
通过本实施例，设计了一种新的暂态时域分析方案，并且本方案是对偏芯电缆进行暂态时域分析的，根据偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，来确定偏芯电缆中的电流分布和电压分布，由于现有技术中只能对同轴的电缆进行暂态时域分析，是无法对偏芯的电缆进行暂态时域分析的，本方案中分别计算偏芯电缆中的第一导体的第一电流值，还要计算偏芯电缆中的第二导体的第二电流值，还要计算两个导体之间的电介质的电压值，以此来实现对于偏芯电缆的暂态时域分析，进而提高了对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率。
[0083]
具体实现过程中，获取偏芯电缆的目标互感和目标互容，可以通过以下步骤实现：
[0084]
根据第一公式计算上述目标互感，其中，上述第一公式为
[0085][0086]
l
ab
表示上述目标互感，μ0表示真空磁导率，μ
r.ab
表示上述电介质的相对磁导率，ra表示上述第一导体的半径，rb表示上述第二导体的半径，d为上述第一导体的圆心与上述第二导体的圆心的距离；根据第二公式计算上述目标互容，其中，上述第二公式为
[0087][0088]cab
表示上述目标互容，ε0表示介电常数，ε
r.ab
表示相对介电常数。
[0089]
该方案中，由于目标互感是和磁导率有关系的，目标互容是和介电常数有关系的，可以采用第一公式计算得到目标互感，可以采用第二公式计算得到目标互容，通过第一公式可以得到较为准确的目标互感，通过第二公式可以得到较为准确的目标互容，进而后续可以采用准确的目标互感和目标互容来对偏芯电缆进行暂态时域分析，从而进一步保证了后续暂态时域分析得到的数据较为准确。
[0090]
具体地，目标互感和目标互容还可以由内外导体的结构参数和材料参数确定。
[0091]
为了进一步精确地计算第一导体的第一电流值，进一步精确地计算电介质的电压值，根据上述目标互感计算上述第一导体的第一电流值，可以通过以下步骤实现：根据第三公式计算上述第一电流值，其中，上述第三公式为
[0092][0093]
l表示上述偏芯电缆的轴向距离，s表征复频域，l
ab
表示上述目标互感，ia表示上述第一电流值；根据第四公式将上述第一电流值转换为时域形式，其中，上述第四公式为
[0094][0095]
其中，δt为fdtd时间步长，q表示时间步数；根据上述目标互容计算上述电介质的电压值，包括：根据第五公式计算上述电介质的电压值，其中，上述第五公式为
[0096][0097]cab
表示上述目标互容，v
ab
表示上述电介质的电压值；根据第六公式将上述电压值转换为时域形式，其中，上述第六公式为
[0098][0099]
该方案中，先定义了偏芯电缆的内导体为导体a(第一导体)，屏蔽层为导体b(第二导体)，导体a、b之间的电介质为电介质ab，流经导体a的第一电流值为ia，ia在频域上表示为第三公式，电介质ab上的电压v
ab
，v
ab
在频域上表示为第五公式，由于fdtd算法的计算是在时域中进行，所以可以将ia的计算公式转换为时域计算形式进而得到了第四公式，将v
ab
的计算公式转换为时域计算形式，进而第六公式，从而根据第三公式和第四公式进一步精确地计算第一导体的第一电流值，根据第五公式和第六公式进一步精确地计算电介质的电压值。
[0100]
流经偏芯电缆的总的电流值实际上可以根据具体的磁场向量来计算，为进一步精确地计算偏芯电缆的总电流值，具体实现过程中，根据上述磁场向量计算上述偏芯电缆的总电流值，可以通过以下步骤实现：根据第七公式计算上述总电流值，其中，上述第七公式为
[0101][0102]
h表示上述磁场向量，i、j、k为基于fdtd网格编号的磁场向量位置编号，δy和δz为fdtd网格在y、z方向的尺寸。
[0103]
该方案中，每段偏芯电缆的总电流值i
t
由fdtd计算区域中包围该段偏芯电缆的磁场向量环路积分求得，可以以x方向第m段的偏芯电缆为例，采用第七计算公式计算x方向第m段的偏芯电缆的总电流值，这样可以得到较为准确的流经偏芯电缆的总电流值，进而后续可以根据偏芯电缆的总电流值来进一步准确地对偏芯电缆进行暂态时域分析。
[0104]
具体地，在已知第一电流值和总电流值的情况下，可以通过第十公式计算得到第二导体的第二电流值，第十公式为：其中，ib表示第二电流值。
[0105]
具体地，在偏芯的电力电缆的端口处，一方面介质ab上的电压裸露于空气中，不再被导体b屏蔽，在fdtd算法计算电场差分时需要予以考虑，即将传输线理论求解的端部电压
输出至fdtd算法；另一方面，为了考虑导体a与外部电路的连接，需要将电缆外的一段电路中的电流值代入传输线理论计算，而该段电路的电流由fdtd计算区域中的磁场向量环路积分求得，即将fdtd算法求解的外延电路电流输出至传输线理论。偏芯的电力电缆的端口结构如图8所示，虚线所示导体为导体a的外延电路。以x方向的偏芯电缆为例，其外延电路的电流值可以采用第七公式求解得到，其端口处的磁场向量
[0106][0107]
的更新的公式为第十一公式，第十一公式为：
[0108][0109]
为了进一步准确地得到偏芯电缆中的电场向量，从而后续可以根据电场向量得到较为准确的第一电流值，在根据上述目标互感计算上述第一导体的第一电流值之前，上述方法还包括以下步骤：根据第八公式计算上述偏芯电缆外部的电场向量，其中，上述第八公式为：
[0110][0111][0112][0113]
其中，e
x
、ey、ez分别为三个正交方向的上述电场向量，σ表示对应空间内的等效电导率，ε表示对应空间内的介电常数，x表示第一方向，y表示第二方向，z表示第三方向，δx、δy、δz分别为fdtd网格在x、y、z三个正交方向的上述fdtd网格的尺寸，h
x
、hy、hz分别为三
个正交方向的上述磁场向量，i、j、k为基于fdtd网格编号的电场向量位置编号，上述电场向量为上述偏芯电缆产生的电场的电场强度矢量。
[0114]
该方案中，可以采用第八公式计算得到偏芯电缆的电场向量，通过第八公式可以得到较为准确的电场向量，进而后续可以采用准确的电场向量来偏芯电缆进行暂态时域分析，从而进一步保证了后续暂态时域分析得到的数据较为准确。
[0115]
在一些实施例上，获取偏芯电缆的磁场向量，具体可以通过以下步骤实现：根据第九公式计算上述磁场向量，其中，上述第九公式为：
[0116][0117][0118][0119]
其中，μ表示磁导率，σm表示导磁系数，上述磁场向量是上述偏芯电缆的外部的磁场向量。
[0120]
该方案中，可以采用第九公式计算得到偏芯电缆的电磁向量，通过第九公式可以得到较为准确的电场向量，进而后续可以采用准确的电磁向量来偏芯电缆进行暂态时域分析，从而进一步保证了后续暂态时域分析得到的数据较为准确。
[0121]
本方案不仅可以确定偏芯电缆的暂态时域分析的一些相关数据，还可以确定电缆是否偏芯，在一些实施例上，在根据上述目标互容计算上述电介质的电压值之后，上述方法具体还可以包括以下步骤：获取参考电压曲线，其中，上述参考电压曲线为从上述偏芯电缆的一端施加暂态电压激励时，在另一端测量得到的电压时域暂态响应的波形曲线；根据上述电介质的上述电压值，生成实际电压曲线；比较上述参考电压曲线和上述实际电压曲线的相似度，在上述相似度大于或者等于相似度阈值的情况下，确定上述偏芯电缆的实际偏芯度。
[0122]
该方案中，参考电压曲线就是在电缆偏芯时，根据得到的电压值得到的曲线，这样在得到电力电缆的实际电压值之后，将这个实际电压值的曲线和参考电压曲线进行相似度匹配，如果相似度是大于或者等于相似度阈值的，那么可以简单且直接地确定电缆为偏芯的电缆，并计算得到实际彼偏芯度。
[0123]
具体地，还可以根据不同的偏心度的偏芯电缆，得到多个参考电压曲线，再将实际电压曲线和多个参考电压曲线分别进行相似度匹配，相似度最大的参考电压曲线对应的偏心度即为本电力电缆对应的偏心度。
[0124]
具体地，本方案中还可以将偏芯电缆某一侧端口的内外导体(内导体为第一导体，以上简称为内导体，外导体为第二导体，以上简称为外导体)间施加暂态电压激励，在另一侧端口的内外导体间测量电流与电压时域暂态响应波形。
[0125]
本方案的核心思路可总结为：1)对偏芯电缆其中的一侧端口施加激励，测量另一侧电缆的输出暂态时域响应；2)采用混合算法对电缆模型建模仿真，偏芯电力电缆内的电磁场量及其传播特性通过传输线理论精确分析，传输线外的计算区域应用fdtd算法迭代计算；3)电力电缆模型(及其相应传输线公式)嵌入fdtd网格中，其轴向被fdtd网格离散，并与对应位置的fdtd电场向量重合；4)在每一时间步迭代求解中，输入与测试中相同的激励源时域离散波形，同时fdtd算法向传输线方程传递每段离散电缆的总电流和外延电路电流，传输线方程向fdtd算法传递电缆端口处的内导体-屏蔽层间电压差，从而两算法在时空中形成强耦合；5)重复fdtd算法的迭代循环，当满足迭代步数或收敛要求后，输出计算结果；6)将fdtd计算结果与测量结果比较，满足要求则可输入电缆偏芯度，不满足要求则修改预设偏芯度重复fdtd迭代计算。
[0126]
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本技术的技术方案，以下将结合具体的实施例对本技术的偏芯电缆的暂态时域分析方法的实现过程进行详细说明。
[0127]
本实施例涉及一种具体的偏芯电缆的暂态时域分析方法，如图9所示，包括如下步骤：
[0128]
(1)测试偏芯电缆两端的暂态时域响应特性
[0129]
将偏芯电缆某一侧端口的内外导体间施加暂态电压激励，在另一侧端口的内外导体间测量电流与电压时域暂态响应波形。
[0130]
(2)设置材料参数、载荷、迭代步数、时间步长、空间步长等参数
[0131]
根据被仿真物体的空间位置，在fdtd网格中设置响应的电导率、介电常数和导磁率。根据实际需求在指定位置，以空间电磁场或集中电路参数元件的形式设置载荷。根据需模拟的暂态过程，确定总迭代步数，或根据计算精度要求，设置计算结果收敛条件(如仿真结果趋于定值或开始形成周期性变化)。
[0132]
fdtd算法时间步长的选择范围由最小fdtd离散网格尺寸决定，需满足克朗特(courant-friedrich-levy，cfl)判据以防止时域计算中可能出现的数据发散、震荡、不收敛等问题，即表示为第十二公式：
[0133][0134]
其中，δx、δy、δz分别为fdtd网格在x、y、z三个正交方向的最小的fdtd网格的尺寸，c为光在相应介质内的传播速度，一般情况下，fdtd时间步长可以选择第十二公式中的最大值，以减少仿真次数，提升仿真效率。
[0135]
(3)建立偏芯电力电缆等模型(包括本方案中的全部公式，具体是根据此模型得到的公式的)
[0136]
根据测试中使用的偏芯电力电缆模型尺寸合理确定计算区域，此区域一般在包含所有被仿真物体的基础上，向外延伸约50％的空间，以消除边界效应、杂散信号折反射等影响。其次根据模型的拓扑结构确定网格离散方案，在含有精细结构的被仿真物体区域需适当加密网格尺寸，而在电磁场变化较为缓慢的区域增加网格尺寸，从而同时考虑仿真精度与效率。对电力电缆建模，将该模型依附于fdtd网格的某条棱上，其径向尺寸小于fdtd网格尺寸，轴向被fdtd网格离散为若干电缆段，每段均与对应电场向量重合。由于电缆的径向未被fdtd网格离散，故其径向电磁场分布未直接被fdtd算法迭代求解，故电缆在fdtd空间内的径向材料参数可以经细线模型技术(thin wire model，twm)修正。
[0137]
(4)计算fdtd全域的电场值，并修正与电缆重合的电场向量
[0138]
迭代过程涉及前一时间步长的电场向量值和环绕该电场向量的四个磁场向量，具体更新方程为第八公式；
[0139]
一种可实现的方式中，由于本方案上述电力电缆模型仅考虑无损导体，即该导体为等势体，导体内部及表面不存在电势差，故与电力电缆重合的fdtd电场向量均需赋值为0，即(第十三公式)。
[0140]
(5)基于传输线理论计算介质ab上的电压分布
[0141]
通过第六公式，结合前半时间步长的导体a电流(第一电流值)和前一时间步长的介质ab上电压，基于时域离散传输线理论计算当前时间步长中介质ab上的电压分布。
[0142]
(6)计算fdtd全域的磁场值，修正电缆端口处的磁场值以考虑端口电压值
[0143]
计算全域的磁场向量均采用经典fdtd磁场向量更新方程迭代计算。具体公式为第九公式；
[0144]
一般导磁系数设定为0。在电缆端口处的磁场向量更新方程应考虑端口电压对电场向量差分的影响，并应用第十一公式对磁场向量更新方程进行修正。
[0145]
(7)基于传输线理论计算导体a、b中的电流分布
[0146]
应用第四公式、第七公式、第十公式依次求解当前时间步长下，导体a电流(第一电流值)、电力电缆总电流和导体b电流(第二电流值)。
[0147]
(8)重复步骤(4)-(7)，当满足迭代步数或收敛要求后，输出计算结果
[0148]
依照步骤(4)-(7)重复迭代求解计算区域中的电场、磁场向量，每迭代求解一次，相当于计算区域中的电磁场量在时间上更新、估算至下一个时间步长δt，实现电磁场量在时间上的步进式求解。当迭代步数或收敛情况满足预设条件时，终止电磁场计算，并输出计算结果。
[0149]
(9)判断fdtd计算结果与测试结果吻合度
[0150]
将fdtd迭代计算的输出结果与步骤(1)中的测试结果作比较，当两组结果满足吻合度要求时，可得到偏芯电力电缆的内导体偏芯度。当不满足要求时，调整fdtd参数设置中的偏芯度，并进行新一轮fdtd迭代计算，即重复步骤(3)-(8)，直至测试与计算结果满足吻合度要求，输出此时内导体偏芯度。
[0151]
本方案中，提出一种基于fdtd算法的偏心电力电缆时域仿真检测模型，该模型采用fdtd算法、传输线理论混合算法技术，电力电缆内的电磁场量及其传播特性采用传输线法精确模拟，电力电缆与土壤、激励源等临近物体间电磁耦合由fdtd算法迭代计算，两算法在时域求解中信息实时交互。从而可以在大尺寸fdtd网格中对偏心电力电缆进行三维建
模，避免极细密离散单元的产生，在保证仿真精度的前提下大幅提升计算效率，实现对偏心电力电缆的高效时域暂态分析，为整体性的优化电缆联结方式、延长电缆寿命、提升系统运行可靠性提供理论依据与重要技术支撑。
[0152]
本技术的关键点在于：1)电力电缆的布置方案，即径向尺寸可小于网格尺寸，轴向则借助fdtd网格分段；2)fdtd算法与传输线理论混合求解，在时域计算中达到强耦合，在不降低计算精度的前提下，可显著提升计算效率；3)传输线理论计算经修正，可对由偏芯结构导致的电力电缆内部电磁场畸变作精确模拟；4)电力电缆模型在端口处的耦合、修正方案；5)在参考测试波形的基础上，经过多次迭代修正计算模型的相关参数，最终精确获取偏芯电缆的偏芯度。
[0153]
本技术的优点如下：1)计算时间方面，由于电力电缆的径向结构不依赖fdtd网格离散，因此fdtd网格尺寸较传统方案可提升十倍以上，进而单次迭代的时间步长也可以成倍提升，对同一时间长度的电磁暂态过程迭代次数成倍减少，从而大幅缩短计算时间；2)内存占用方面，由于电力电缆轴向、径向均采用大尺寸网格离散，因此对于同一计算区域，所生成的空间单元数成倍减少，内存消耗也相应下降，显著提升计算效率；3)计算稳定性方面，电力电缆轴向、径向空间离散的跨空间尺度问题得到缓解，多数情况下轴向、径向可采用同一网格离散尺寸，避免形成极不均匀网格，提升计算稳定性；4)计算精度方面，本专利提出混合算法，电缆内部由于偏芯结构导致的电磁畸变效应可由偏芯化后的传输线理论求解，因此可精确计算电缆中的电磁传播特性，极大提升计算精度。
[0154]
本技术实施例还提供了一种偏芯电缆的暂态时域分析装置，需要说明的是，本技术实施例的偏芯电缆的暂态时域分析装置可以用于执行本技术实施例所提供的用于偏芯电缆的暂态时域分析方法。该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
[0155]
以下对本技术实施例提供的偏芯电缆的暂态时域分析装置进行介绍。
[0156]
图10是根据本技术实施例的一种偏芯电缆的暂态时域分析装置的结构框图。如图10所示，该装置包括：
[0157]
第一获取单元100，用于获取偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，其中，上述目标互感是第一导体和第二导体之间的互感，上述目标互容是上述第一导体和上述第二导体之间的互容，上述磁场向量为上述偏芯电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；
[0158]
第一计算单元200，用于根据上述目标互感计算上述第一导体的第一电流值，根据上述磁场向量计算上述偏芯电缆的总电流值；
[0159]
第二计算单元300，用于计算上述总电流值和上述第一电流值的差值，得到上述第二导体的第二电流值；
[0160]
第三计算单元400，用于根据上述目标互容计算上述电介质的电压值。
[0161]
通过本实施例，设计了一种新的暂态时域分析方案，并且本方案是对偏芯电缆进行暂态时域分析的，根据偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，来确定偏芯电缆中的电流分布和电压分布，由于现有技术中只能对同轴的电缆进行暂态时域分析，是无法对偏芯的电缆进行暂态时域分析的，本方案中分别计算偏芯电缆中的第一导体的第一电流值，
还要计算偏芯电缆中的第二导体的第二电流值，还要计算两个导体之间的电介质的电压值，以此来实现对于偏芯电缆的暂态时域分析，进而提高了对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率。
[0162]
具体实现过程中，第一获取单元包括第一计算模块和第二计算模块，第一计算模块用于根据第一公式计算上述目标互感，其中，上述第一公式为
[0163][0164]
l
ab
表示上述目标互感，μ0表示真空磁导率，μ
r.ab
表示上述电介质的相对磁导率，ra表示上述第一导体的半径，rb表示上述第二导体的半径，d为上述第一导体的圆心与上述第二导体的圆心的距离；第二计算模块用于根据第二公式计算上述目标互容，其中，上述第二公式为
[0165][0166]cab
表示上述目标互容，ε0表示介电常数，ε
r.ab
表示相对介电常数。
[0167]
该方案中，由于目标互感是和磁导率有关系的，目标互容是和介电常数有关系的，可以采用第一公式计算得到目标互感，可以采用第二公式计算得到目标互容，通过第一公式可以得到较为准确的目标互感，通过第二公式可以得到较为准确的目标互容，进而后续可以采用准确的目标互感和目标互容来对偏芯电缆进行暂态时域分析，从而进一步保证了后续暂态时域分析得到的数据较为准确。
[0168]
为了进一步精确地计算第一导体的第一电流值，进一步精确地计算电介质的电压值，第一计算单元包括第三计算模块和第一转换模块，第三计算单元包括第四计算模块和第二转换模块，第三计算模块用于根据第三公式计算上述第一电流值，其中，上述第三公式为
[0169][0170]
l表示上述偏芯电缆的轴向距离，s表征复频域，l
ab
表示上述目标互感，ia表示上述第一电流值；第一转换模块用于根据第四公式将上述第一电流值转换为时域形式，其中，上述第四公式为
[0171][0172]
其中，δt为fdtd时间步长，q表示时间步数；第四计算模块用于根据第五公式计算上述电介质的电压值，其中，上述第五公式为
[0173][0174]cab
表示上述目标互容，v
ab
表示上述电介质的电压值；第二转换模块用于根据第六公式将上述电压值转换为时域形式，其中，上述第六公式为
[0175][0176]
该方案中，先定义了偏芯电缆的内导体为导体a(第一导体)，屏蔽层为导体b(第二导体)，导体a、b之间的电介质为电介质ab，流经导体a的第一电流值为ia，ia在频域上表示为第三公式，电介质ab上的电压v
ab
，v
ab
在频域上表示为第五公式，由于fdtd算法的计算是在时域中进行，所以可以将ia的计算公式转换为时域计算形式进而得到了第四公式，将v
ab
的计算公式转换为时域计算形式，进而第六公式，从而根据第三公式和第四公式进一步精确地计算第一导体的第一电流值，根据第五公式和第六公式进一步精确地计算电介质的电压值。
[0177]
流经偏芯电缆的总的电流值实际上可以根据具体的磁场向量来计算，为进一步精确地计算偏芯电缆的总电流值，具体实现过程中，第一计算单元包括第五计算模块第五计算模块用于根据第七公式计算上述总电流值，其中，上述第七公式为
[0178][0179]
h表示上述磁场向量，i、j、k为基于fdtd网格编号的磁场向量位置编号，δy和δz为fdtd网格在y、z方向的尺寸。
[0180]
该方案中，每段偏芯电缆的总电流值i
t
由fdtd计算区域中包围该段偏芯电缆的磁场向量环路积分求得，可以以x方向第m段的偏芯电缆为例，采用第七计算公式计算x方向第m段的偏芯电缆的总电流值，这样可以得到较为准确的流经偏芯电缆的总电流值，进而后续可以根据偏芯电缆的总电流值来进一步准确地对偏芯电缆进行暂态时域分析。
[0181]
为了进一步准确地得到偏芯电缆中的电场向量，从而后续可以根据电场向量得到较为准确的第一电流值，上述装置还包括第四计算单元，第四计算单元用于在根据上述目标互感计算上述第一导体的第一电流值之前，根据第八公式计算上述偏芯电缆外部的电场向量，其中，上述第八公式为：
[0182][0183]
[0184][0185]
其中，e
x
、ey、ez分别为三个正交方向的上述电场向量，σ表示对应空间内的等效电导率，ε表示对应空间内的介电常数，x表示第一方向，y表示第二方向，z表示第三方向，δx、δy、δz分别为fdtd网格在x、y、z三个正交方向的上述fdtd网格的尺寸，h
x
、hy、hz分别为三个正交方向的上述磁场向量，i、j、k为基于fdtd网格编号的电场向量位置编号，上述电场向量为上述偏芯电缆产生的电场的电场强度矢量。
[0186]
该方案中，可以采用第八公式计算得到偏芯电缆的电场向量，通过第八公式可以得到较为准确的电场向量，进而后续可以采用准确的电场向量来偏芯电缆进行暂态时域分析，从而进一步保证了后续暂态时域分析得到的数据较为准确。
[0187]
在一些实施例上，第一获取单元包括第六计算模块，第六计算模块用于根据第九公式计算上述磁场向量，其中，上述第九公式为：
[0188][0189][0190][0191]
其中，μ表示磁导率，σm表示导磁系数，上述磁场向量是上述偏芯电缆的外部的磁场向量。
[0192]
该方案中，可以采用第九公式计算得到偏芯电缆的电磁向量，通过第九公式可以得到较为准确的电场向量，进而后续可以采用准确的电磁向量来偏芯电缆进行暂态时域分析，从而进一步保证了后续暂态时域分析得到的数据较为准确。
[0193]
本方案不仅可以确定偏芯电缆的暂态时域分析的一些相关数据，还可以确定电缆是否偏芯，在一些实施例上，上述装置还包括第二获取单元、生成单元和确定单元，第二获取单元用于在根据上述目标互容计算上述电介质的电压值之后获取参考电压曲线，其中，
上述参考电压曲线为从上述偏芯电缆的一端施加暂态电压激励时，在另一端测量得到的电压时域暂态响应的波形曲线；生成单元用于根据上述电介质的上述电压值，生成实际电压曲线；确定单元用于比较上述参考电压曲线和上述实际电压曲线的相似度，在上述相似度大于或者等于相似度阈值的情况下，确定上述偏芯电缆的实际偏芯度，并计算得到实际彼偏芯度。
[0194]
该方案中，参考电压曲线就是在电缆偏芯时，根据得到的电压值得到的曲线，这样在得到电力电缆的实际电压值之后，将这个实际电压值的曲线和参考电压曲线进行相似度匹配，如果相似度是大于或者等于相似度阈值的，那么可以简单且直接地确定电缆为偏芯的电缆。
[0195]
上述偏芯电缆的暂态时域分析装置包括处理器和存储器，上述第一获取单元、第一计算单元、第二计算单元和第三计算单元等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
[0196]
处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来解决现有技术中fdtd算法对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率较低的问题。
[0197]
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)，存储器包括至少一个存储芯片。
[0198]
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，上述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在上述程序运行时控制上述计算机可读存储介质所在设备执行上述偏芯电缆的暂态时域分析方法。
[0199]
本发明实施例提供了一种处理器，上述处理器用于运行程序，其中，上述程序运行时执行上述偏芯电缆的暂态时域分析方法。
[0200]
本技术还提供了一种偏芯电缆的暂态时域分析系统，包括一个或多个处理器，存储器，以及一个或多个程序，其中，上述一个或多个程序被存储在上述存储器中，并且被配置为由上述一个或多个处理器执行，上述一个或多个程序包括用于执行任意一种上述偏芯电缆的暂态时域分析方法。
[0201]
本发明实施例提供了一种设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现至少偏芯电缆的暂态时域分析方法步骤。本文中的设备可以是服务器、pc、pad、手机等。
[0202]
本技术还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有至少如下偏芯电缆的暂态时域分析方法步骤的程序。
[0203]
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0204]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0205]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0206]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0207]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0208]
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
[0209]
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。存储器是计算机可读介质的示例。
[0210]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0211]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0212]
从以上的描述中，可以看出，本技术上述的实施例实现了如下技术效果：
[0213]
1)、本技术的偏芯电缆的暂态时域分析方法，设计了一种新的暂态时域分析方案，
并且本方案是对偏芯电缆进行暂态时域分析的，根据偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，来确定偏芯电缆中的电流分布和电压分布，由于现有技术中只能对同轴的电缆进行暂态时域分析，是无法对偏芯的电缆进行暂态时域分析的，本方案中分别计算偏芯电缆中的第一导体的第一电流值，还要计算偏芯电缆中的第二导体的第二电流值，还要计算两个导体之间的电介质的电压值，以此来实现对于偏芯电缆的暂态时域分析，进而提高了对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率。
[0214]
2)、本技术的偏芯电缆的暂态时域分析装置，设计了一种新的暂态时域分析方案，并且本方案是对偏芯电缆进行暂态时域分析的，根据偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，来确定偏芯电缆中的电流分布和电压分布，由于现有技术中只能对同轴的电缆进行暂态时域分析，是无法对偏芯的电缆进行暂态时域分析的，本方案中分别计算偏芯电缆中的第一导体的第一电流值，还要计算偏芯电缆中的第二导体的第二电流值，还要计算两个导体之间的电介质的电压值，以此来实现对于偏芯电缆的暂态时域分析，进而提高了对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率。
[0215]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种偏芯电缆的暂态时域分析方法，其特征在于，所述偏芯电缆包括第一导体、第二导体和电介质，所述第一导体的圆心与所述第二导体不同轴，所述电介质位于所述第一导体和所述第二导体之间，所述方法包括：获取偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，其中，所述目标互感是第一导体和第二导体之间的互感，所述目标互容是所述第一导体和所述第二导体之间的互容，所述磁场向量为所述偏芯电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；根据所述目标互感计算所述第一导体的第一电流值，根据所述磁场向量计算所述偏芯电缆的总电流值；计算所述总电流值和所述第一电流值的差值，得到所述第二导体的第二电流值；根据所述目标互容计算所述电介质的电压值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取偏芯电缆的目标互感和目标互容，包括：根据第一公式计算所述目标互感，其中，所述第一公式为l
ab
表示所述目标互感，μ0表示真空磁导率，μ
r.ab
表示所述电介质的相对磁导率，r
a
表示所述第一导体的半径，r
b
表示所述第二导体的半径，d为所述第一导体的圆心与所述第二导体的圆心的距离；根据第二公式计算所述目标互容，其中，所述第二公式为c
ab
表示所述目标互容，ε0表示介电常数，ε
r.ab
表示相对介电常数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述目标互感计算所述第一导体的第一电流值，包括：根据第三公式计算所述第一电流值，其中，所述第三公式为l表示所述偏芯电缆的轴向距离，s表征复频域，l
ab
表示所述目标互感，i
a
表示所述第一电流值；根据第四公式将所述第一电流值转换为时域形式，其中，所述第四公式为其中，δt为fdtd时间步长，q表示时间步数；根据所述目标互容计算所述电介质的电压值，包括：根据第五公式计算所述电介质的电压值，其中，所述第五公式为
c
ab
表示所述目标互容，v
ab
表示所述电介质的电压值；根据第六公式将所述电压值转换为时域形式，其中，所述第六公式为4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述磁场向量计算所述偏芯电缆的总电流值，包括：根据第七公式计算所述总电流值，其中，所述第七公式为h表示所述磁场向量，i、j、k为基于fdtd网格编号的磁场向量位置编号，δy和δz为fdtd网格在y、z方向的尺寸。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述目标互感计算所述第一导体的第一电流值之前，所述方法还包括：根据第八公式计算所述偏芯电缆外部的电场向量，其中，所述第八公式为：根据第八公式计算所述偏芯电缆外部的电场向量，其中，所述第八公式为：根据第八公式计算所述偏芯电缆外部的电场向量，其中，所述第八公式为：其中，e
x
、e
y
、e
z
分别为三个正交方向的所述电场向量，σ表示对应空间内的等效电导率，ε表示对应空间内的介电常数，x表示第一方向，y表示第二方向，z表示第三方向，δx、δy、δz分别为fdtd网格在x、y、z三个正交方向的所述fdtd网格的尺寸，h
x
、h
y
、h
z
分别为三个正交方向的所述磁场向量，i、j、k为基于fdtd网格编号的电场向量位置编号，所述电场向量为所述偏芯电缆产生的电场的电场强度矢量。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取偏芯电缆的磁场向量，包括：
根据第九公式计算所述磁场向量，其中，所述第九公式为：根据第九公式计算所述磁场向量，其中，所述第九公式为：根据第九公式计算所述磁场向量，其中，所述第九公式为：其中，μ表示磁导率，σ
m
表示导磁系数，所述磁场向量是所述偏芯电缆的外部的磁场向量。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述目标互容计算所述电介质的电压值之后，所述方法还包括：获取参考电压曲线，其中，所述参考电压曲线为从所述偏芯电缆的一端施加暂态电压激励时，在另一端测量得到的电压时域暂态响应的波形曲线；根据所述电介质的所述电压值，生成实际电压曲线；比较所述参考电压曲线和所述实际电压曲线的相似度，在所述相似度大于或者等于相似度阈值的情况下，确定所述偏芯电缆的实际偏芯度。8.一种偏芯电缆的暂态时域分析装置，其特征在于，所述偏芯电缆包括第一导体、第二导体和电介质，所述第一导体的圆心与所述第二导体不同轴，所述电介质位于所述第一导体和所述第二导体之间，所述装置包括：第一获取单元，用于获取偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，其中，所述目标互感是第一导体和第二导体之间的互感，所述目标互容是所述第一导体和所述第二导体之间的互容，所述磁场向量为所述偏芯电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；第一计算单元，用于根据所述目标互感计算所述第一导体的第一电流值，根据所述磁场向量计算所述偏芯电缆的总电流值；第二计算单元，用于计算所述总电流值和所述第一电流值的差值，得到所述第二导体的第二电流值；第三计算单元，用于根据所述目标互容计算所述电介质的电压值。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1至7中任意一项所述偏芯电缆的暂态时域分析方法。
10.一种偏芯电缆的暂态时域分析系统，其特征在于，包括：一个或多个处理器，存储器，以及一个或多个程序，其中，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行权利要求1至7中任意一项所述偏芯电缆的暂态时域分析方法。

技术总结
本申请提供了一种偏芯电缆的暂态时域分析方法、装置和暂态时域分析系统。本申请设计了一种新的暂态时域分析方案，并且本方案是对偏芯电缆进行暂态时域分析的，根据偏芯电缆的目标互感、目标互容和磁场向量，来确定偏芯电缆中的电流分布和电压分布，由于现有技术中只能对同轴的电缆进行暂态时域分析，是无法对偏芯的电缆进行暂态时域分析的，本方案中分别计算偏芯电缆中的第一导体的第一电流值，还要计算偏芯电缆中的第二导体的第二电流值，还要计算两个导体之间的电介质的电压值，以此来实现对于偏芯电缆的暂态时域分析，进而提高了对偏芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率。芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率。芯的电力电缆进行暂态时域分析的效率。


技术研发人员：李炳昊 程建伟 钟连宏 郭伊宇 喇元 王增超 杨家辉 张曦 刘芹
受保护的技术使用者：南方电网科学研究院有限责任公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/7/7