多芯多层电缆的暂态时域分析方法和暂态时域分析系统与流程

1.本技术涉及多芯多层电缆的暂态时域分析技术领域，具体而言，涉及一种多芯多层电缆的暂态时域分析方法、装置和多芯多层电缆的暂态时域分析系统。


背景技术：

2.随着国民经济、社会、城市建设的发展和人民生活水平的提高，对电力供应的需求也不断增加，各个城市供电可靠性的指标，影响着城市建设和发展的速度。其中，电缆下地是城市化建设的重要环节，也是提升供电可靠性的重要方法之一，因为地下电力电缆相比架空导线而言，不占地面空间，有专门的电缆隧道或通道，既不影响城市美观，又可避免风雨、雷电、污秽等自然灾害造成的影响，能够有效保障电能安全、稳定的供应。
3.多层嵌套结构的多芯埋地电缆一般由六层物料构成：最内里是一条或多条导电铜线，线的外面分别有一层塑胶(作绝缘体、电介质之用)围拢，绝缘体外面有一层薄的屏蔽导电体与导电铜线构成同轴电缆结构，同轴电缆外另敷设一层塑胶围拢，在此塑胶绝缘体外又有一层网状导体层(一般为铜或合金，本方案中统称为金属铠层或铠层)，最后网状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，多芯埋地电缆已得到广泛应用，同时也对多芯埋地电缆的稳定运行也提出了更高的要求。
4.为精细化评估埋地电缆性能、优化电缆联结布置方案与结构设计，应全面对包含考虑多层嵌套结构的多芯埋地电缆的输电系统做电磁暂态过电压分析，精确模拟埋地电缆内的电磁传播与折反射，以及多芯埋地电缆与其他输电系统的匹配与电磁耦合效应，预评估电缆内绝缘层可能收到的最大暂态冲击并做针对性改进，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。
5.目前的方案中，常采用fdtd(finite difference time domain，有限时域差分)算法来对多芯埋地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。对于考虑多层嵌套结构的多芯埋地电缆，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算法对多芯多层的电力电缆进行暂态时域分析的效率较低。


技术实现要素：

6.本技术的主要目的在于提供一种多芯多层电缆的暂态时域分析方法、装置和多芯多层电缆的暂态时域分析系统，以至少解决现有技术中目前的fdtd算法对多芯多层的电力电缆进行暂态时域分析的效率较低的问题。
7.为了实现上述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种多芯多层电缆的暂态时域分析方法，包括：获取多芯多层电缆的仿真参数，其中，所述仿真参数为采用mtl、tl算法进行运算所需要，所述仿真参数包括：介电常数、磁导率，所述多芯多层电缆的铠层内包括至少两个导体，各所述导体内至少包括一个子导体；根据mtl算法对所述仿真参数进行运
算，得到第一运算结果，其中，所述第一运算结果用于表征对所述多芯多层电缆的所述导体进行暂态时域分析的结果；根据tl算法对所述第一运算结果和所述仿真参数进行运算，得到第二运算结果，其中，所述第二运算结果用于表征对所述多芯多层电缆的所述子导体进行暂态时域分析的结果。
8.可选地，在所述多芯多层电缆中包括三个所述导体的情况下，根据mtl算法对所述仿真参数进行运算，得到第一运算结果，包括：获取所述多芯多层电缆中的第一互感、第二互感、第一互容、第二互容和磁场向量，其中，所述第一互感为x相导体与所述铠层之间的互感，所述第二互感为x相导体与y相导体之间的互感，所述第一互容为x相导体与所述铠层之间的互容，所述第二互容为x相导体与y相导体之间的互容，x与y不相等，x表示a或者b或者c，y表示a或者b或者c，所述磁场向量为所述多芯多层电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；根据所述第一互容和所述第二互容计算第一电流值、第二电流值和第三电流值，根据所述第一互感和所述第二互感计算第一电压值、第二电压值和第三电压值，其中，所述第一电流值为流经a相导体的电流值，所述第二电流值为流经b相导体的电流值，所述第三电流值为流经c相导体的电流值，所述第一电压值为a相导体与所述铠层之间的电压，所述第二电压值为b相导体与所述铠层之间的电压，所述第三电压值为c相导体与所述铠层之间的电压；根据所述磁场向量计算所述多芯多层电缆的第一总电流值；计算所述第一总电流值与目标电流值的差值，得到所述铠层的电流值，其中，所述目标电流值为所述第一电流值、所述第二电流值和所述第三电流值的总和，所述第一运算结果包括所述第一电流值、所述第二电流值、所述第三电流值、所述第一总电流值和所述铠层的电流值。
9.可选地，获取所述多芯多层电缆中的第一互感、第二互感、第一互容、第二互容和磁场向量，包括：根据第一公式计算所述第一互感，其中，所述第一公式为
[0010][0011]
l
xx
表示所述第一互感，μ0表示真空磁导率，μr表示第一电介质的相对磁导率，rc表示各相导体半径，r
d.x
表示x相导体中心与所述铠层的中心的距离，re表示所述铠层的导体内半径，所述第一电介质位于所述导体与所述铠层之间；
[0012]
根据第二公式计算所述第二互感，其中，所述第二公式为
[0013][0014]
l
xy
表示所述第二互感，θ
xy
表示x相导体和y相导体的空间夹角，系数cn的计算公式为
[0015][0016]
根据第三公式计算所述第一互容，其中，所述第三公式为
[0017]
[0018]cxx
表示所述第一互容，ε0表示介电常数，εr表示所述第一电介质的相对介电常数；根据第四公式计算所述第二互容，其中，所述第四公式为
[0019]
其中，c
xy
表示所述第二互容；根据第五公式计算所述磁场向量，其中，所述第五公式为
[0020][0021][0022][0023]
其中，μ表示磁导率，σm表示导磁系数，q表示时间步数，e
x
、ey、ez分别为三个正交方向的电场向量，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多芯多层电缆产生的电场的电场强度矢量。
[0024]
可选地，根据所述第一互容和所述第二互容计算第一电流值、第二电流值和第三电流值，根据所述第一互感和所述第二互感计算第一电压值、第二电压值和第三电压值，包括：根据第六公式计算所述第一电流值、所述第二电流值和所述第三电流值，其中，所述第六公式为
[0025][0026]
l表示所述多芯多层电缆的轴向距离，s表征复频域，ia表示所述第一电流值，ib表示所述第二电流值，ic表示所述第三电流值，c
xx
表示所述第一互容，c
xy
表示所述第二互容，v
x
表示x相导体与所述铠层之间的电压；根据第七公式计算所述第一电压值、所述第二电压值和所述第三电压值，其中，第七公式为
[0027][0028]
l
xx
表示所述第一互感，l
xy
表示所述第二互感，va表示所述第一电压值，vb表示所述第二电压值，vc表示所述第三电压值；根据所述磁场向量计算所述多芯多层电缆的第一总电流值，包括：根据第八公式计算所述第一总电流值，其中，所述第八公式为
[0029][0030]
表示所述第一总电流值，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。
[0031]
可选地，根据tl算法对所述第一运算结果和所述仿真参数进行运算，得到第二运算结果，包括：获取第三互感和第三互容，其中，所述第三互感为目标导体的目标屏蔽层与所述目标导体内的目标子导体之间的互感，所述第三互容为所述目标导体的所述目标屏蔽层与所述目标导体内的所述目标子导体之间的互容，所述目标导体为任意一个所述导体，所述目标屏蔽层为所述导体的屏蔽层；根据所述第三互容计算第四电流值，根据所述第三互感计算第四电压值，其中，所述第四电流值为流经所述目标子导体的电流值，所述第四电压值为所述目标屏蔽层与所述目标子导体之间的第二电介质的电压值；计算第二总电流值与所述第四电流值的差值，得到流经所述目标屏蔽层的电流值，其中，所述第二总电流值为流经所述目标屏蔽层和所述目标子导体的电流值，所述第二运算结果包括所述第四电流值、所述第四电压值、所述第二总电流值和所述目标屏蔽层的电流值。
[0032]
可选地，获取第三互感和第三互容，包括：根据第九公式计算所述第三互感，其中，所述第九公式为
[0033][0034]
l
in.x
表示所述第三互感，μ0表示真空磁导率，μ
r.x
表示x相的所述第二电介质的相对磁导率，ra为所述目标子导体的半径，rb为所述目标屏蔽层的半径，所述第二电介质位于所述目标屏蔽层和所述目标子导体之间；根据第十公式计算所述第三互容，其中，所述第十公式为
[0035][0036]cin.x
表示所述第三互容，ε0表示介电常数，ε
r.x
表示x相的所述第二电介质的相对介电常数。
[0037]
可选地，根据所述第三互容计算第四电流值，根据所述第三互感计算第四电压值，包括：根据第十一公式计算所述第四电流值，其中，所述第十一公式为
[0038][0039]
l表示所述多芯多层电缆的轴向距离，s表征复频域，i
in.x
表示所述第四电流值，c
in.x
表示所述第三互容；根据第十二公式计算所述第四电压值，其中，所述第十二公式为
[0040][0041]vin.x
表示所述第四电压值，l
in.x
表示所述第三互感。
[0042]
可选地，在根据所述第三互容计算第四电流值，根据所述第三互感计算第四电压值之后，所述方法还包括：根据第十三公式将所述第四电流值转换为时域形式，其中，所述第十三公式为
[0043][0044]
δt为fdtd时间步长，q表示时间步数；根据第十四公式将所述第四电压值转换为时域形式，其中，所述第十四公式为
[0045][0046]
根据本技术的另一方面，提供了一种多芯多层电缆的暂态时域分析装置，包括：获取单元，用于获取多芯多层电缆的仿真参数，其中，所述仿真参数为采用mtl、tl算法进行运算所需要，所述仿真参数包括：介电常数、磁导率，所述多芯多层电缆的铠层内包括至少两个导体，各所述导体内至少包括一个子导体；第一计算单元，用于根据mtl算法对所述仿真参数进行运算，得到第一运算结果，其中，所述第一运算结果用于表征对所述多芯多层电缆的所述导体进行暂态时域分析的结果；第二计算单元，用于根据tl算法对所述第一运算结果和所述仿真参数进行运算，得到第二运算结果，其中，所述第二运算结果用于表征对所述多芯多层电缆的所述子导体进行暂态时域分析的结果。
[0047]
根据本技术的再一方面，提供了一种多芯多层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的多芯多层电缆的暂态时域分析方法。
[0048]
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，并且本方案是对多芯多层电缆进行暂态时域分析的，首先使用fdtd算法来计算多芯多层电缆中的仿真参数，然后使用mtl算法来对多芯多层电缆中的导体进行分析，再采用tl算法来对导体中的子导体进行分析，实现了fdtd-mtl-tl算法的强耦合，在保证仿真精度的前提下整体性大幅提升多芯多层的电缆暂态仿真效率。
附图说明
[0049]
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：
[0050]
图1示出了fdtd网格空间的示意图；
[0051]
图2示出了fdtd的网格空间中的电磁场向量的示意图；
[0052]
图3示出了电磁场向量相互环绕的示意图；
[0053]
图4示出了根据本技术的实施例中提供的一种执行多芯多层电缆的暂态时域分析方法的移动终端的硬件结构框图；
[0054]
图5示出了根据本技术的实施例提供的一种多芯多层电缆的暂态时域分析方法的流程示意图；
[0055]
图6示出了多芯多层电缆的截面的示意图；
[0056]
图7示出了对多芯多层电缆进行第一级求解的示意图；
[0057]
图8示出了对多芯多层电缆进行第二级求解的示意图；
[0058]
图9示出了本方案中的fdtd网格中的分段示意图；
[0059]
图10(a)示出了本方案中的第一种基于fdtd网格与电缆外表面修正系数示意图；
[0060]
图10(b)示出了本方案中的第二种基于fdtd网格与电缆外表面修正系数示意图；
[0061]
图11示出了多芯多层电缆的端口的示意图；
[0062]
图12示出了另一种多芯多层电缆的暂态时域分析方法的流程示意图；
[0063]
图13示出了根据本技术的实施例提供的一种多芯多层电缆的暂态时域分析装置的结构框图。
[0064]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0065]
102、处理器；104、存储器；106、传输设备；108、输入输出设备；10、铠层；11、导体；12、屏蔽层；13、子导体；14、第一电介质；15、第二电介质。
具体实施方式
[0066]
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。
[0067]
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。
[0068]
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。
[0069]
目前，对埋地电缆(本方案中的多芯多层电缆)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。
[0070]
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。对于考虑多层嵌套结构的多芯埋地电缆，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经典网格对埋地电缆离散时，如果要同时满足轴向和径向的仿真要求，会遇到如下问题：
[0071]
1)计算时间长，基于离散电缆(多芯多层电缆)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；
[0072]
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埋地电缆的轴向尺寸，导致内存消耗急剧增加，降低计算效率；
[0073]
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；
[0074]
4)计算误差大，为提升整体计算性能，工程仿真中会将多芯埋地电缆等效为实心导体，这将忽略电缆铠层内各相导体对电磁暂态传播，导致计算误差显著增大。
[0075]
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。
[0076]
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。
[0077]
正如背景技术中所介绍的，现有技术中对多芯多层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多芯多层电缆的暂态时域分析方法、装置和多芯多层电缆的暂态时域分析系统。
[0078]
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。
[0079]
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多芯多层电缆的暂态
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。
[0080]
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。
[0081]
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多芯多层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。
[0082]
图5是根据本技术实施例的一种多芯多层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：
[0083]
步骤s201，获取多芯多层电缆的仿真参数，其中，上述仿真参数为采用mtl、tl算法进行运算所需要，上述仿真参数包括：介电常数、磁导率，上述多芯多层电缆的铠层内包括至少两个导体，各上述导体内至少包括一个子导体；
[0084]
具体地，以三相埋地电缆为例，如图6和图7所示，金属的铠层10内装配三根平行的具有双层导体结构的同轴内电缆，同轴内电缆本方案中称为导体11，导体内部包括屏蔽层12和子导体13。
[0085]
具体地，本方案仅考虑无损埋地电缆情况，电磁耦合场未穿透铠层与屏蔽层，即铠层内部和外部的电磁耦合、各相内电缆屏蔽层内部和外部的电磁耦合仅出现在电缆端部，而在电缆中段以铠层和屏蔽层为边界在空间中进行解耦。
[0086]
具体地，同轴电缆可以有多个同心导体(即同轴内电缆，也可简称为内电缆)，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成，在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘体，然后整个电缆由聚氯乙烯或特氟纶材料的护套包住，因此，包括子导体的导体实际上相当于一个小的同轴电缆。
[0087]
以下对于子导体和屏蔽层进行解释：
[0088]
子导体：子导体也可以称为内导体，铜是内导体的主要材料，可以是以下形式：退
火铜线、退火铜管、铜包铝线。通常，小电缆内导体是铜线或铜包铝线，而大电缆用铜管，以减少电缆重量和成本。对大电缆外导体进行轧纹，这样可获得足够好的弯曲性能。内导体对信号传输影响很大，因为衰减主要是内导体电阻损耗引起的。其电导率，尤其是表面电导率，应尽可能高，一般要求是58ms/m(+20℃)，因为在高频下，电流仅在导体表面的一个薄层内传输，这种现象称为趋肤效应，电流层的有效厚度称为趋肤深度。内导体用的铜材质量要求很高，要求铜材应无杂质，表面干净、平整、光滑。内导体直径应稳定且公差很小。直径的任一变化都会降低阻抗均匀性和回波损耗，因此应精确控制制造工艺。
[0089]
屏蔽层：屏蔽层也可以称为外导体，外导体有两个基本的作用：第1是回路导体的作用，第2起屏蔽作用。漏泄电缆的外导体还决定了其漏泄性能。同轴馈线电缆和超柔电缆的外导体是由轧纹铜管焊接而成的，这些电缆的外导体封闭，不允许电缆有任何辐射。外导体通常由铜带纵向包覆而成。在外导体层上，开有纵向或横向的槽口或小孔。外导体开槽在轧纹型电缆中比较常见。通过沿轴向方向对轧纹波峰进行等距离切削开槽形成。削去的部分所占比例很小，且槽孔间距远远小于传输的电磁波长。显然，将非漏泄型电缆按以下方法加工可制成漏泄电缆：以120度夹角对非漏泄型电缆中常见的普通皱纹型电缆的外导体波峰进行切削，获得一组合适的槽孔结构。漏泄电缆的外形、宽度及槽孔结构决定了其性能指标。外导体用的铜材也应质量很好，导电率高，无杂质。外导体尺寸应严格控制在公差范围内，以保证均匀的特征阻抗和高的回波损耗。
[0090]
步骤s202，根据mtl算法对上述仿真参数进行运算，得到第一运算结果，其中，上述第一运算结果用于表征对上述多芯多层电缆的上述导体进行暂态时域分析的结果；
[0091]
具体地，在第一级计算中，各相内电缆(导体)可以视为实心导体，如图7所示，仅对各相同轴内电缆(导体11)进行暂态时域分析，铠层10与各相同轴内电缆的外导体(屏蔽层)间的电磁波传导与折反射基于mtl算法进行模拟运算。可以是对内电缆屏蔽层与铠层间电压、铠层导通电流进行求解。
[0092]
具体地，mtl(multiconductor transmission line)算法为多导体传输线分析算法，多导体传输线是由一组金属导线组成的电磁复合系统，可用于传输各种波形和信号。它们也是传输脉冲和持续信号的理想工具。它们是高频激光传输和脉冲系统的关键部分，也可以用于低频信号的传输。多导体传输线的一个最重要的性质是它能够有效地传输波形，从而实现信号的传输。多导体传输线理论的运用有两个主要方面，一是对导线边界条件的分析，二是对导线模型的建立。对导线边界条件的分析首先考虑边界层的构成细节，包括阻抗、电阻和电感势能。然后深入考察对整个导线传输系统的影响，及其在波形传输方面的重要意义。对导线模型的建立是实现多导体系统的传输和导电性能的基础，是分析多导体传输线理论和实践的核心技术。它包括识别各种导线参数，研究分析系统模型，估算多种传输参数，探究导线传输特性以及开展导体系统的模拟和复杂性分析。多导体传输线技术的研究发展，是从实体本质和导线技术的角度去深入研究的。首先，要了解导线的本质，深入分析几何构成及其对传输系统的影响，以及复杂的电磁场结构的影响。其次，要研究导线的色散特性、耦合孤立系统的非线性特性和发散特性，以及用于实现高分辨率传输的特殊传输信号处理技术。最后，要了解导线复杂发射系统的理论基础，包括模拟传输、综合分析和电磁兼容分析等。多导体传输线理论不仅涵盖传输系统中的技术主体，而且引入了新的数学方法和理论模型，可以有效地应用于各种新型传输系统中。从实际应用角度，多导体传输线
的研究对复杂的通信系统设计和管理有重要的作用。它们有助于提高传输系统的效能和稳定性，提高传输质量，实现必要的现场电磁兼容要求，实现高速波形传输和优化信号处理。
[0093]
步骤s203，根据tl算法对上述第一运算结果和上述仿真参数进行运算，得到第二运算结果，其中，上述第二运算结果用于表征对上述多芯多层电缆的上述子导体进行暂态时域分析的结果。
[0094]
具体地，在第二级计算中，视为导体中是包括屏蔽层和子导体的，如图8所示，可以对各相同轴内电缆中的子导体13进行暂态时域分析，各相同轴电缆内外导体(内导体是子导体13，外导体是屏蔽层12)间的电磁耦合采用tl算法进行运算。可以是对各相同轴内电缆的内导体的导通电流、屏蔽层的导通电流、内导体-屏蔽层间的电压进行求解。
[0095]
具体地，tl(transmission line)算法为传输线分析算法，在信号完整性分析中占据重要的地位，tl算法是用于对同轴电缆(有屏蔽层和内导体的电缆)进行分析的，tl算法中的方程是目前已知的方程，目前常用tl算法来对电缆中的电荷分布进行分析，因此本方案中采用了tl算法的理论来对导体内的子导体进行暂态时域分析。当然，本方案是采用了tl算法的理论基础，还可以基于tl算法做一些改进，以适用于本方案的多芯多层电缆的分析。
[0096]
通过本实施例，设计了一种新的暂态时域分析方案，并且本方案是对多芯多层电缆进行暂态时域分析的，首先使用fdtd算法来计算多芯多层电缆中的仿真参数，然后使用mtl算法来对多芯多层电缆中的导体进行分析，再采用tl算法来对导体中的子导体进行分析，实现了fdtd-mtl-tl算法的强耦合，在保证仿真精度的前提下整体性大幅提升多芯多层的电缆暂态仿真效率。
[0097]
具体地，分别从算法架构角度和计算求解角度来介绍本方案：
[0098]
算法架构角度：采用fdtd-mtl-tl混合算法，多芯多层电缆的铠层结构与外环境电磁场的耦合效应通过fdtd算法分析，铠层与各相同轴内电缆的屏蔽层间的电磁波传导与折反射基于mtl模拟，各相同轴内电缆内外导体间的电磁耦合采用tl计算，实现从底层算法层面整体性提升仿真计算效率；
[0099]
计算求解角度：采用分级求解方案，在第一级计算中(得到第一运算结果的过程)，各相内电缆视为实心导体，仅对各相同轴内电缆的总电流、内电缆屏蔽层与铠层间电压、铠层导通电流进行求解；在第二级计算中(得到第二运算结果的过程)，对各相内电缆的内导体导通电流、屏蔽层导通电流、内导体-屏蔽层间电压进行求解；
[0100]
本方案可以降低电缆结构电磁耦合求解的复杂度，提升电磁仿真计算的可靠性与准确性。算法架构和分级计算求解亦可适用于金属铠层内装配三根以上平行布置的同轴内电缆结构，且铠层内的各相同轴电缆可包含三层及以上多层嵌套结构。
[0101]
fdtd算法主要解决铠层结构与外环境(如有损土壤、金属电缆卡件、金属结构件等)间的电磁耦合问题，模型在fdtd网格中的设置如图9所示。电缆模型需构建于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。
[0102]
本方案中的多芯多层电缆可以不通过fdtd网格离散求解，而通过修正多芯多层电缆临近电场向量、磁场向量所属的材料参数等效构建多芯多层电缆模型。具体而言，需要将
与多芯多层电缆模型轴向垂直的四个正交电场向量所对应的介电常数与修正系数相乘，获得修正后的介电常数ε'，如图10(a)所示，并替换fdtd迭代公式中的原介电常数，介电常数替换公式为ε'＝mε，ε表示原介电常数。
[0103]
其次，将环绕线路模型轴向的四个正交磁场向量所对应的磁导率与修正系数相除，获得修正后的磁导率μ'，如图10(b)所示，并替换fdtd迭代公式中的原磁导率，磁导率替换公式为μ'＝mμ，μ表示原磁导率。
[0104]
上述地，修正系数的计算公式为
[0105][0106]
其中，m表示修正系数，rf表示铠层的半径，δs表示fdtd网格尺寸。
[0107]
在多芯多层电缆中，由于多芯多层电缆的电流值是与互容相关的，因此可以采用互容来计算多芯多层电缆中的多个电流值，由于多芯多层电缆的电压值是和互感相关的，因此可以采用互感来计算多芯多层电缆中的多个电压值，具体实现过程中，如图6和图7所示，在上述多芯多层电缆中包括三个上述导体的情况下，根据mtl算法对上述仿真参数进行运算，得到第一运算结果，可以通过以下步骤实现：获取上述多芯多层电缆中的第一互感、第二互感、第一互容、第二互容和磁场向量，其中，上述第一互感为x相导体与上述铠层之间的互感，上述第二互感为x相导体与y相导体之间的互感，上述第一互容为x相导体与上述铠层之间的互容，上述第二互容为x相导体与y相导体之间的互容，x与y不相等，x表示a或者b或者c，y表示a或者b或者c，上述磁场向量为上述多芯多层电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；根据上述第一互容和上述第二互容计算第一电流值、第二电流值和第三电流值，根据上述第一互感和上述第二互感计算第一电压值、第二电压值和第三电压值，其中，上述第一电流值为流经a相导体的电流值，上述第二电流值为流经b相导体的电流值，上述第三电流值为流经c相导体的电流值，上述第一电压值为a相导体与上述铠层之间的电压，上述第二电压值为b相导体与上述铠层之间的电压，上述第三电压值为c相导体与上述铠层之间的电压；根据上述磁场向量计算上述多芯多层电缆的第一总电流值；计算上述第一总电流值与目标电流值的差值，得到上述铠层的电流值，其中，上述目标电流值为上述第一电流值、上述第二电流值和上述第三电流值的总和，上述第一运算结果包括上述第一电流值、上述第二电流值、上述第三电流值、上述第一总电流值和上述铠层的电流值。
[0108]
该方案中，得到第一运算结果的过程是对多芯多层电缆的暂态时域分析的第一级求解的过程，在第一级求解中，仅对各相导体的电流值(包括第一电流值、第二电流值和第三电流值)、导体与铠层之间的电压(屏蔽层与铠层之间的电压值，包括第一电压值、第二电压值和第三电压值)、铠层导通的电流值进行求解，在第一级求解中，先不考虑导体内部具体的电流分布，这样可以先对导体和铠层进行暂态时域分析，简化了复杂结构的电磁耦合求解过程，提高计算稳定性，从而进一步提高了多芯多层的电力电缆进行暂态时域分析的效率。
[0109]
具体地，在多芯多层的电缆的金属铠层内，各相内电缆(各个导体)中的电流传导、折反射，以及各相内电缆间、各相内电缆与金属铠层间的电磁耦合关系由多导体传输线法(mtl)分析。为描述金属铠层内的几何结构关系，可以定义铠层内的三组导体分别为a相同
轴电缆、b相同轴电缆、c相同轴电缆，铠层与各相电缆间充满第一电介质。
[0110]
具体实现过程中，获取上述多芯多层电缆中的第一互感、第二互感、第一互容、第二互容和磁场向量，可以通过以下步骤实现：根据第一公式计算上述第一互感，其中，上述第一公式为
[0111][0112]
l
xx
表示上述第一互感，μ0表示真空磁导率，μr表示第一电介质的相对磁导率，rc表示各相导体半径，r
d.x
表示x相导体中心与上述铠层的中心的距离，re表示上述铠层的导体内半径，如图6和图7所示，上述第一电介质14位于上述导体11与上述铠层10之间；
[0113]
根据第二公式计算上述第二互感，其中，上述第二公式为
[0114][0115]
l
xy
表示上述第二互感，θ
xy
表示x相导体和y相导体的空间夹角，系数cn的计算公式为
[0116][0117]
根据第三公式计算上述第一互容，其中，上述第三公式为
[0118][0119]cxx
表示上述第一互容，ε0表示介电常数，εr表示上述第一电介质的相对介电常数；根据第四公式计算上述第二互容，其中，上述第四公式为
[0120]
其中，c
xy
表示上述第二互容；根据第五公式计算上述磁场向量，其中，上述第五公式为
[0121][0122]
[0123][0124]
其中，μ表示磁导率，σm表示导磁系数，q表示时间步数，e
x
、ey、ez分别为三个正交方向的电场向量，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多芯多层电缆产生的电场的电场强度矢量。
[0125]
该方案中，由于第一互感是和磁导率有关系的，第二互感是和两个导体的空间夹角有关系的，第一互容是和介电常数有关系的，第二互感是和两个导体的空间夹角有关系的，可以采用第一公式计算得到第一互感，可以采用第二公式计算得到第二互感，可以采用第三公式计算得到第一互容，可以采用第四公式计算得到第二互容，可以采用第五公式计算得到多芯多层电缆的磁场向量，由于采用各个公式得到的数据较为精确，进而后续可以采用第一互感、第二互感、第一互容、第二互容和磁场向量来进一步对多芯多层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。
[0126]
具体地，在多芯多层电缆的端口处，一方面金属铠层与各相导体间的电压裸露于空气中，不再被铠层屏蔽，在fdtd算法计算电场差分计算中需要予以考虑，即将传输线理论求解的端部电压输出至fdtd算法；另一方面，为了考虑各相同轴内电缆(导体)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。埋地电缆的端口结构如图11所示，虚线所示三段导体为a相同轴电缆内导体、b相同轴电缆内导体、c相同轴电缆内导体的外延电路。以多芯多层电缆的a相同轴电缆内导体为例，其外延导体沿x方向展开，则该段外延电路电流采用第八公式求解得到，其端口处的磁场向量
[0127][0128]
的更新的公式为第十九公式，第十九公式为：
[0129]
[0130]
本方案还涉及到电场向量的计算，电场向量可以采用第二十公式计算得到，第二十公式为
[0131][0132]
第一电流值、第二电流值和第三电流值可以根据具体的计算公式得到，第一电压值、第二电压值和第三电压值也可以根据具体的计算公式得到，第一总电流值也可以根据具体的计算公式得到，具体实现过程中，根据上述第一互容和上述第二互容计算第一电流值、第二电流值和第三电流值，根据上述第一互感和上述第二互感计算第一电压值、第二电压值和第三电压值，可以通过以下步骤实现：根据第六公式计算上述第一电流值、上述第二电流值和上述第三电流值，其中，上述第六公式为
[0133][0134]
l表示上述多芯多层电缆的轴向距离，s表征复频域，ia表示上述第一电流值，ib表示上述第二电流值，ic表示上述第三电流值，c
xx
表示上述第一互容，c
xy
表示上述第二互容，v
x
表示x相导体与上述铠层之间的电压；根据第七公式计算上述第一电压值、上述第二电压值和上述第三电压值，其中，第七公式为
[0135][0136]
l
xx
表示上述第一互感，l
xy
表示上述第二互感，va表示上述第一电压值，vb表示上述第二电压值，vc表示上述第三电压值；根据上述磁场向量计算上述多芯多层电缆的第一总电流值，可以通过以下步骤实现：根据第八公式计算上述第一总电流值，其中，上述第八公式为
[0137][0138]
表示上述第一总电流值，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。
[0139]
该方案中，先定义了三个不同的导体(第一导体、第二导体和第三导体)，三个导体分别表示为a、b、c，从而根据第六公式进一步精确地计算第一电流值、第二电流值、第三电流值，根据第七公式进一步精确地计算第一电压值、第二电压值和第三电压值，流经多芯多层电缆的总的第一总电流值实际上可以根据具体的磁场向量来计算，每段多芯多层电缆的第一总电流值i
t
由fdtd计算区域中包围该段多芯多层电缆的磁场向量环路积分求得，可以以x方向第m段的多芯多层电缆为例，采用第八计算公式计算x方向第m段的多芯多层电缆的第一总电流值，这样可以得到较为准确的流经多芯多层电缆的第一总电流值，进而后续可以根据第一总电流值来进一步准确地对多芯多层电缆进行暂态时域分析。
[0140]
具体地，上述的第六公式中得到的第一电流值、第二电流值、第三电流值，第七公式得到的第一电压值、第二电压值和第三电压值是频域上的表达。
[0141]
由于fdtd算法的计算是在时域中进行，所以可以将第一电流值、第二电流值、第三电流值转换为频域上的计算形式，可以采用第十五公式进行计算，其中，第十五计算公式可以是
[0142][0143]
还可以将第一电压值、第二电压值和第三电压值转换为频域上的计算形式，可以采用第十六公式进行计算，其中，第十六计算公式可以是
[0144][0145]
其中，δt为fdtd时间步长，q表示时间步数。
[0146]
具体地，在已知第一电流值、第二电流值、第三电流值和第一总电流值的情况下，可以通过第十七公式计算得到铠层的电流值，第十七公式为：其中，表示铠层的电流值。
[0147]
为了进一步精确地计算第四电流值、第四电压值以及流经目标导体的电流值，本技术的根据tl算法对上述第一运算结果和上述仿真参数进行运算，得到第二运算结果，可以通过以下步骤实现：获取第三互感和第三互容，其中，上述第三互感为目标导体的目标屏蔽层与上述目标导体内的目标子导体之间的互感，上述第三互容为上述目标导体的上述目标屏蔽层与上述目标导体内的上述目标子导体之间的互容，上述目标导体为任意一个上述导体，上述目标屏蔽层为上述导体的屏蔽层；根据上述第三互容计算第四电流值，根据上述第三互感计算第四电压值，其中，上述第四电流值为流经上述目标子导体的电流值，上述第四电压值为上述目标屏蔽层与上述目标子导体之间的第二电介质的电压值；计算第二总电
流值与上述第四电流值的差值，得到流经上述目标屏蔽层的电流值，其中，上述第二总电流值为流经上述目标屏蔽层和上述目标子导体的电流值，上述第二运算结果包括上述第四电流值、上述第四电压值、上述第二总电流值和上述目标屏蔽层的电流值。
[0148]
该方案中，在多芯多层电缆中的每一个导体中，由于目标子导体的电流值是互容相关的，因此可以采用第四互容来计算第四电流值，由于第二电介质是和互感相关的，因此可以采用第四互感来计算第四电压值，在得到了第一运算结果后，由于第一级求解中是对各相导体进行暂态时域分析的，第一级求解中是将屏蔽层和子导体看做一个整体的，是没有不考虑导体内部具体的电流分布的，而在第二级求解中，是要考虑导体内部的具体电流分布，对导体的屏蔽层的电流分布和子导体的电流分布分别进行求解，对第二电介质的电压分布进行求解，这样可以对简化了复杂结构的电磁耦合求解过程，提高计算稳定性，从而进一步提高了多芯多层的电力电缆进行暂态时域分析的效率。
[0149]
具体地，在第二级计算求解过程中，实际上是在第一级计算中，已经知道流经整个目标导体的电流值的基础上，分别计算流经目标导体的屏蔽层的电流值(计算得到第二总电流值与第四电流值的差值)，以及目标导体的子导体的电流值的。在第一级计算中，是把屏蔽层和子导体看做一个整体的，而在第二级计算中，又分别计算这个屏蔽层的电流值和子导体的电流值的。
[0150]
在一些实施例上，获取第三互感和第三互容，具体可以通过以下步骤实现：根据第九公式计算上述第三互感，其中，上述第九公式为
[0151][0152]
l
in.x
表示上述第三互感，μ0表示真空磁导率，μ
r.x
表示x相的上述第二电介质的相对磁导率，ra为上述目标子导体的半径，rb为上述目标屏蔽层的半径，如图6和图8所示，上述第二电介质15位于上述目标屏蔽层和上述目标子导体之间；根据第十公式计算上述第三互容，其中，上述第十公式为
[0153][0154]cin.x
表示上述第三互容，ε0表示介电常数，ε
r.x
表示x相的上述第二电介质的相对介电常数。
[0155]
该方案中，由于第三互感是和磁导率有关系的，第三互容是和介电常数有关系的，可以采用第九公式计算得到第三互感，可以采用第十公式计算得到第三互容，由于各个公式得到的数据较为精确，进而后续可以采用第三互感和第三互容来进一步对多芯多层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。
[0156]
第四电流值可以根据具体的计算公式得到，第四电压值也可以根据具体的计算公式得到，在一些实施例上，根据上述第三互容计算第四电流值，根据上述第三互感计算第四电压值，具体可以通过以下步骤实现：根据第十一公式计算上述第四电流值，其中，上述第十一公式为
[0157][0158]
l表示上述多芯多层电缆的轴向距离，s表征复频域，i
in.x
表示上述第四电流值，cin.x
表示上述第三互容；根据第十二公式计算上述第四电压值，其中，上述第十二公式为
[0159][0160]vin.x
表示上述第四电压值，l
in.x
表示上述第三互感。
[0161]
该方案中，导体内部实际上是包括屏蔽层和子导体的，由于之前得到的第三互容和第三互感是较为精确的，因此根据第十一公式可以进一步精确地计算得到第四电流值，根据第十二公式可以进一步精确地计算得到第四电压值，无需复杂的计算过程，进而提高了对多芯多层电缆进行暂态时域分析的效率。
[0162]
具体地，在已知第四电流值和第二总电流值的情况下，可以通过第十八公式计算得到目标屏蔽层的电流值，第十八公式为：其中，表示目标屏蔽层的电流值，表示第二总电流值。
[0163]
为了将频域计算形式转换为时域计算形式，在根据上述第三互容计算第四电流值，根据上述第三互感计算第四电压值之后，上述方法还包括以下步骤：根据第十三公式将上述第四电流值转换为时域形式，其中，上述第十三公式为
[0164][0165]
δt为fdtd时间步长，q表示时间步数；根据第十四公式将上述第四电压值转换为时域形式，其中，上述第十四公式为
[0166][0167]
该方案中，由于fdtd算法的计算是在时域中进行，所以可以将第四电流值和第四电压值转换为频域上的计算形式，可以采用第十三公式将第四电流值进行转换，采用第十四公式进行转换，进而保证暂态时域分析得到的数据都是时域上的表达。
[0168]
本方案的核心思路可以总结为：1)采用fdtd-mtl-tl混合算法对电缆模型建模仿真，多芯多层埋地电缆的铠层结构与外环境的电磁耦合由fdtd算法分析，且通过对电缆模型临近区域材料系数的修正，在大尺寸fdtd网格中等效构建电缆模型，无需利用细密网格离散电缆结构；2)铠层内考虑复杂多层嵌套结构的电磁耦合采用分级求解方案，第一级计算中将各相同轴电缆视为实心导体，第二级计算中再考虑同轴电缆的嵌套结构；3)在第一级计算中，采用多导体传输线法(mtl)在时域中求解各相同轴内电缆的总电流、内电缆屏蔽层与铠层间电压、铠层导通电流；4)在第二级计算中，采用传输线法(tl)在时域中求解各相内电缆的内导体导通电流、屏蔽层导通电流、内导体-屏蔽层间电压；5)由于不考虑埋地电缆导体材料的损耗，在电缆中段铠层内/外的电磁场、内同轴电缆外导体内/外的电磁场可解耦分析，即fdtd、mtl、tl算法在电缆中部无需考虑信息交互；6)在电缆的端口处，由fdtd计算各相导体外延电路电流并代入mtl/tl电压分布求解，由mtl/tl计算各相导体端口处电压并代入fdtd磁场分布求解；5)重复fdtd-mtl-tl混合算法的迭代循环，当满足迭代步数或收敛要求后，输出计算结果。
[0169]
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多芯多层电缆的暂态时域分析方法的实现过程进行详细说明。
[0170]
本实施例涉及一种具体的多芯多层电缆的暂态时域分析方法，如图12所示，包括如下步骤：
[0171]
(1)根据实际需求在fdtd空间建立埋地电缆模型(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)，定义空间及时间步长
[0172]
根据需要仿真的实际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。对埋地电缆建模，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。电缆径向无需通过fdtd网格离散求解，而通过修正电缆模型临近区域的介电常数和磁导率进行等效建模，修正细节见介电常数替换公式和磁导率替换公式。
[0173]
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，即表示为第二十一公式：
[0174][0175]
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二十一公式中的最大值，以减少仿真次数，提升仿真效率。
[0176]
(2)设置材料参数、载荷、迭代步数等必要求解参数
[0177]
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)。
[0178]
(3)计算fdtd全域的电场值，并修正与电缆重合的电场向量
[0179]
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，具体更新方程如第二十公式；
[0180]
一种可实现的方式中，由于本方案上述埋地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，故与埋地电缆重合的fdtd电场向量均需赋值为0，即e
l
q＝0(第二十二公式)。
[0181]
(4)基于多导体传输线法(mtl)计算铠层-同轴电缆外导体间电压分布
[0182]
通过第十六公式，结合前半时间步长的各相同轴电缆总电流(第一总电流值)和前一时间步长的铠层-同轴电缆外导体间电压，基于时域离散多导体传输线法(mtl)计算当前时间步长下铠层-同轴电缆外导体的电压分布。
[0183]
(5)基于传输线法(tl)计算同轴电缆内外导体间电压分布
[0184]
通过第十四公式，结合前半时间步长的该相同轴电缆内导体电流(第四电流值)和前一时间步长该相同轴电缆内外导体间电压，基于时域离散传输线法(tl)计算当前时间步
长下同轴电缆内外导体间电压分布。
[0185]
(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
[0186]
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。具体公式为第五公式；
[0187]
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，并应用第十九公式对磁场向量更新方程进行修正。
[0188]
(7)基于多导体传输线法(mtl)计算同轴电缆总电流分布
[0189]
应用第十五公式、第八公式、第十七公式依次求解当前时间步长下，各相同轴电缆总电流(第一电流值、第二电流值、第三电流值)、埋地电缆总电流(第一总电流值)和金属铠层电流。
[0190]
(8)基于传输线法(tl)计算同轴电缆内、外导体电流分布
[0191]
应用第十三公式、第十八公式依次求解当前时间步长下，各相同轴电缆内导体电流(第四电流值)和外导体电流(屏蔽层的电流值)。
[0192]
(9)重复步骤(3)-(9)，当满足迭代步数或收敛要求后，输出计算结果
[0193]
依照步骤(3)-(9)重复迭代求解计算区域中的电场向量、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。
[0194]
本方案中，提出一种基于fdtd-mtl-tl场路耦合混合算法和分级求解技术的考虑多层嵌套结构的多芯埋地电缆时域仿真模型。电缆的铠层结构与外环境电磁场的耦合效应通过fdtd算法分析，铠层与各相同轴电缆外导体间的电磁波传导与折反射基于多导体传输线法(mtl)模拟，各相同轴电缆内外导体间的电磁耦合采用传输线法(tl)计算，并在电缆端口处实现三算法计算信息的高效交互。采用分级求解方案，降低电缆结构电磁耦合求解的复杂度，提升电磁仿真计算的可靠性与准确性。基于fdtd-mtl-tl场路耦合混合算法与分级求解方案，在保证仿真精度的前提下整体性大幅提升埋地电缆电磁暂态仿真效率，实现对多层嵌套结构的埋地电缆的高效时域暂态求解分析，为整体性的优化电缆联结方式、延长电缆寿命、提升电力系统运行可靠性提供理论依据与重要技术支撑。
[0195]
本方案的关键点在于：1)埋地电缆在fdtd网格中构建等效电缆模型，无需采用细密fdtd网格离散；2)基于高电导率金属假设，将电缆中段的铠层内外和各相同轴电缆外导体内外的电磁分析解耦；3)采用fdtd-mtl-tl混合算法求解，可精确高效描述埋地电缆内外的电磁场域分布；4)电缆内的电磁计算采用分级求解方案，简化包含复杂结构的电磁耦合求解过程，提高计算稳定性；5)通过在电缆端口处的实时高效交互，在整体上实现fdtd、mtl、tl算法的强耦合；6)可实现场-路耦合分析，提升电磁分析的覆盖深度和广度；7)可对铠层内部各相同轴电缆的位置结构自由定义。
[0196]
本方案的优点如下：1)埋地电缆的布置方案，即通过对临近区域材料参数进行修正，在fdtd网格中构建等效电缆模型，模型的径向尺寸可小于fdtd网格尺寸，轴向则借助fdtd网格分段，从而增大单次时间步长，减少内存占用空间，提升算法计算效率；2)基于电气工程的实际仿真需求，假设耦合电磁场无法穿过高电导率的金属铠层，故可以将电缆中段铠层内外的电磁分析解耦，为混合算法的实施奠定基础；3)采用fdtd-mtl-tl混合算法求
解，铠层外的电磁耦合采用fdtd算法分析，铠层与同轴电缆外导体间的电磁暂态过程采用mtl算法分析，同轴电缆内的电磁暂态过程采用tl算法分析，从而精确高效描述埋地电缆内外的电磁场域分布；4)电缆内的电磁计算分为两级求解，第一级将铠层内的同轴电缆视为整体，仅求解同轴电缆的总电流，第二级进一步求解同轴电缆的内外导体电流分布，简化包含复杂结构的电磁耦合求解过程，提高计算稳定性；5)通过在电缆端口处，通过将fdtd计算的外延电路电流和mtl计算的铠层-同轴电缆外导体电压、tl计算的同轴电缆内外导体电压实时高效交互，可在整体上实现fdtd、mtl、tl算法的强耦合；6)fdtd属于场域算法，mtl、tl属于电路算法，通过混合算法的构建，可实现场-路耦合分析，提升电磁分析的覆盖深度和广度；7)铠层内构建完善的解析公式，可满足各相同轴电缆在铠层内部的自由位置结构定义，无轴对称分布等限制要求。
[0197]
本技术实施例还提供了一种多芯多层电缆的暂态时域分析装置，需要说明的是，本技术实施例的多芯多层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多芯多层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。
[0198]
以下对本技术实施例提供的多芯多层电缆的暂态时域分析装置进行介绍。
[0199]
图13是根据本技术实施例的一种多芯多层电缆的暂态时域分析装置的结构框图。如图13所示，该装置包括：
[0200]
获取单元100，用于获取多芯多层电缆的仿真参数，其中，上述仿真参数为采用mtl、tl算法进行运算所需要，上述仿真参数包括：介电常数、磁导率，上述多芯多层电缆的铠层内包括至少两个导体，各上述导体内至少包括一个子导体；
[0201]
第一计算单元200，用于根据mtl算法对上述仿真参数进行运算，得到第一运算结果，其中，上述第一运算结果用于表征对上述多芯多层电缆的上述导体进行暂态时域分析的结果；
[0202]
第二计算单元300，用于根据tl算法对上述第一运算结果和上述仿真参数进行运算，得到第二运算结果，其中，上述第二运算结果用于表征对上述多芯多层电缆的上述子导体进行暂态时域分析的结果。
[0203]
通过本实施例，设计了一种新的暂态时域分析方案，并且本方案是对多芯多层电缆进行暂态时域分析的，首先使用fdtd算法来计算多芯多层电缆中的仿真参数，然后使用mtl算法来对多芯多层电缆中的导体进行分析，再采用tl算法来对导体中的子导体进行分析，实现了fdtd-mtl-tl算法的强耦合，在保证仿真精度的前提下整体性大幅提升多芯多层的电缆暂态仿真效率。
[0204]
在多芯多层电缆中，由于多芯多层电缆的电流值是与互容相关的，因此可以采用互容来计算多芯多层电缆中的多个电流值，由于多芯多层电缆的电压值是和互感相关的，因此可以采用互感来计算多芯多层电缆中的多个电压值，具体实现过程中，在上述多芯多层电缆中包括三个上述导体的情况下，第一计算单元包括第一获取模块、第一计算模块、第二计算模块和第三计算模块，第一获取模块用于获取上述多芯多层电缆中的第一互感、第二互感、第一互容、第二互容和磁场向量，其中，上述第一互感为x相导体与上述铠层之间的
互感，上述第二互感为x相导体与y相导体之间的互感，上述第一互容为x相导体与上述铠层之间的互容，上述第二互容为x相导体与y相导体之间的互容，x与y不相等，x表示a或者b或者c，y表示a或者b或者c，上述磁场向量为上述多芯多层电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；第一计算模块用于根据上述第一互容和上述第二互容计算第一电流值、第二电流值和第三电流值，根据上述第一互感和上述第二互感计算第一电压值、第二电压值和第三电压值，其中，上述第一电流值为流经a相导体的电流值，上述第二电流值为流经b相导体的电流值，上述第三电流值为流经c相导体的电流值，上述第一电压值为a相导体与上述铠层之间的电压，上述第二电压值为b相导体与上述铠层之间的电压，上述第三电压值为c相导体与上述铠层之间的电压；第二计算模块用于根据上述磁场向量计算上述多芯多层电缆的第一总电流值；第三计算模块用于计算上述第一总电流值与目标电流值的差值，得到上述铠层的电流值，其中，上述目标电流值为上述第一电流值、上述第二电流值和上述第三电流值的总和，上述第一运算结果包括上述第一电流值、上述第二电流值、上述第三电流值、上述第一总电流值和上述铠层的电流值。
[0205]
该方案中，得到第一运算结果的过程是对多芯多层电缆的暂态时域分析的第一级求解的过程，在第一级求解中，仅对各相导体的电流值(包括第一电流值、第二电流值和第三电流值)、导体与铠层之间的电压(屏蔽层与铠层之间的电压值，包括第一电压值、第二电压值和第三电压值)、铠层导通的电流值进行求解，在第一级求解中，先不考虑导体内部具体的电流分布，这样可以先对导体和铠层进行暂态时域分析，简化了复杂结构的电磁耦合求解过程，提高计算稳定性，从而进一步提高了多芯多层的电力电缆进行暂态时域分析的效率。
[0206]
具体实现过程中，第一获取模块包括第一计算子模块、第二计算子模块、第三计算子模块、第四计算子模块和第五计算子模块，第一计算子模块用于根据第一公式计算上述第一互感，其中，上述第一公式为
[0207][0208]
l
xx
表示上述第一互感，μ0表示真空磁导率，μr表示第一电介质的相对磁导率，rc表示各相导体半径，r
d.x
表示x相导体中心与上述铠层的中心的距离，re表示上述铠层的导体内半径，上述第一电介质位于上述导体与上述铠层之间；
[0209]
第二计算子模块用于根据第二公式计算上述第二互感，其中，上述第二公式为
[0210][0211]
l
xy
表示上述第二互感，θ
xy
表示x相导体和y相导体的空间夹角，系数cn的计算公式为
[0212][0213]
第三计算子模块用于根据第三公式计算上述第一互容，其中，上述第三公式为
[0214][0215]cxx
表示上述第一互容，ε0表示介电常数，εr表示上述第一电介质的相对介电常数；第四计算子模块用于根据第四公式计算上述第二互容，其中，上述第四公式为
[0216]
其中，c
xy
表示上述第二互容；第五计算子模块用于根据第五公式计算上述磁场向量，其中，上述第五公式为
[0217][0218][0219][0220]
其中，μ表示磁导率，σm表示导磁系数，q表示时间步数，e
x
、ey、ez分别为三个正交方向的电场向量，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多芯多层电缆产生的电场的电场强度矢量。
[0221]
该方案中，由于第一互感是和磁导率有关系的，第二互感是和两个导体的空间夹角有关系的，第一互容是和介电常数有关系的，第二互感是和两个导体的空间夹角有关系的，可以采用第一公式计算得到第一互感，可以采用第二公式计算得到第二互感，可以采用第三公式计算得到第一互容，可以采用第四公式计算得到第二互容，可以采用第五公式计算得到多芯多层电缆的磁场向量，由于采用各个公式得到的数据较为精确，进而后续可以采用第一互感、第二互感、第一互容、第二互容和磁场向量来进一步对多芯多层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。
[0222]
第一电流值、第二电流值和第三电流值可以根据具体的计算公式得到，第一电压值、第二电压值和第三电压值也可以根据具体的计算公式得到，第一总电流值也可以根据
具体的计算公式得到，具体实现过程中，第一计算模块包括第六计算子模块和第七计算子模块，第六计算子模块用于根据第六公式计算上述第一电流值、上述第二电流值和上述第三电流值，其中，上述第六公式为
[0223][0224]
l表示上述多芯多层电缆的轴向距离，s表征复频域，ia表示上述第一电流值，ib表示上述第二电流值，ic表示上述第三电流值，c
xx
表示上述第一互容，c
xy
表示上述第二互容，v
x
表示x相导体与上述铠层之间的电压；第七计算子模块用于根据第七公式计算上述第一电压值、上述第二电压值和上述第三电压值，其中，第七公式为
[0225][0226]
l
xx
表示上述第一互感，l
xy
表示上述第二互感，va表示上述第一电压值，vb表示上述第二电压值，vc表示上述第三电压值；第二计算模块包括第八计算子模块，第八计算子模块用于根据第八公式计算上述第一总电流值，其中，上述第八公式为
[0227][0228]
表示上述第一总电流值，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。
[0229]
该方案中，先定义了三个不同的导体(第一导体、第二导体和第三导体)，三个导体分别表示为a、b、c，从而根据第六公式进一步精确地计算第一电流值、第二电流值、第三电流值，根据第七公式进一步精确地计算第一电压值、第二电压值和第三电压值，流经多芯多层电缆的总的第一总电流值实际上可以根据具体的磁场向量来计算，每段多芯多层电缆的第一总电流值i
t
由fdtd计算区域中包围该段多芯多层电缆的磁场向量环路积分求得，可以以x方向第m段的多芯多层电缆为例，采用第八计算公式计算x方向第m段的多芯多层电缆的第一总电流值，这样可以得到较为准确的流经多芯多层电缆的第一总电流值，进而后续可以根据第一总电流值来进一步准确地对多芯多层电缆进行暂态时域分析。
[0230]
为了进一步精确地计算第四电流值、第四电压值以及流经目标导体的电流值，本技术的第二计算单元包括第二获取模块、第四计算模块和第五计算模块，第二获取模块用于获取第三互感和第三互容，其中，上述第三互感为目标导体的目标屏蔽层与上述目标导体内的目标子导体之间的互感，上述第三互容为上述目标导体的上述目标屏蔽层与上述目标导体内的上述目标子导体之间的互容，上述目标导体为任意一个上述导体，上述目标屏蔽层为上述导体的屏蔽层；第四计算模块用于根据上述第三互容计算第四电流值，根据上述第三互感计算第四电压值，其中，上述第四电流值为流经上述目标子导体的电流值，上述第四电压值为上述目标屏蔽层与上述目标子导体之间的第二电介质的电压值；第五计算模块用于计算第二总电流值与上述第四电流值的差值，得到流经上述目标屏蔽层的电流值，
其中，上述第二总电流值为流经上述目标屏蔽层和上述目标子导体的电流值，上述第二运算结果包括上述第四电流值、上述第四电压值、上述第二总电流值和上述目标屏蔽层的电流值。
[0231]
该方案中，在多芯多层电缆中的每一个导体中，由于目标子导体的电流值是互容相关的，因此可以采用第四互容来计算第四电流值，由于第二电介质是和互感相关的，因此可以采用第四互感来计算第四电压值，在得到了第一运算结果后，由于第一级求解中是对各相导体进行暂态时域分析的，第一级求解中是将屏蔽层和子导体看做一个整体的，是没有不考虑导体内部具体的电流分布的，而在第二级求解中，是要考虑导体内部的具体电流分布，对导体的屏蔽层的电流分布和子导体的电流分布分别进行求解，对第二电介质的电压分布进行求解，这样可以对简化了复杂结构的电磁耦合求解过程，提高计算稳定性，从而进一步提高了多芯多层的电力电缆进行暂态时域分析的效率。
[0232]
在一些实施例上，第二获取模块包括第九计算子模块和第十计算子模块，第九计算子模块用于根据第九公式计算上述第三互感，其中，上述第九公式为
[0233][0234]
l
in.x
表示上述第三互感，μ0表示真空磁导率，μ
r.x
表示x相的上述第二电介质的相对磁导率，ra为上述目标子导体的半径，rb为上述目标屏蔽层的半径，上述第二电介质位于上述目标屏蔽层和上述目标子导体之间；第十计算子模块用于根据第十公式计算上述第三互容，其中，上述第十公式为
[0235][0236]cin.x
表示上述第三互容，ε0表示介电常数，ε
r.x
表示x相的上述第二电介质的相对介电常数。
[0237]
该方案中，由于第三互感是和磁导率有关系的，第三互容是和介电常数有关系的，可以采用第九公式计算得到第三互感，可以采用第十公式计算得到第三互容，由于各个公式得到的数据较为精确，进而后续可以采用第三互感和第三互容来进一步对多芯多层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。
[0238]
第四电流值可以根据具体的计算公式得到，第四电压值也可以根据具体的计算公式得到，在一些实施例上，第四计算模块包括第十一计算子模块和第十二计算子模块，第十一计算子模块用于根据第十一公式计算上述第四电流值，其中，上述第十一公式为
[0239][0240]
l表示上述多芯多层电缆的轴向距离，s表征复频域，i
in.x
表示上述第四电流值，c
in.x
表示上述第三互容；第十二计算子模块用于根据第十二公式计算上述第四电压值，其中，上述第十二公式为
[0241][0242]vin.x
表示上述第四电压值，l
in.x
表示上述第三互感。
[0243]
该方案中，导体内部实际上是包括屏蔽层和子导体的，由于之前得到的第三互容
和第三互感是较为精确的，因此根据第十一公式可以进一步精确地计算得到第四电流值，根据第十二公式可以进一步精确地计算得到第四电压值，无需复杂的计算过程，进而提高了对多芯多层电缆进行暂态时域分析的效率。
[0244]
为了将频域计算形式转换为时域计算形式，上述装置还包括第一转换单元和第二转换单元，第一转换单元用于在根据上述第三互容计算第四电流值，根据上述第三互感计算第四电压值之后，根据第十三公式将上述第四电流值转换为时域形式，其中，上述第十三公式为
[0245][0246]
δt为fdtd时间步长，q表示时间步数；第二转换单元用于根据第十四公式将上述第四电压值转换为时域形式，其中，上述第十四公式为
[0247][0248]
该方案中，由于fdtd算法的计算是在时域中进行，所以可以将第四电流值和第四电压值转换为频域上的计算形式，可以采用第十三公式将第四电流值进行转换，采用第十四公式进行转换，进而保证暂态时域分析得到的数据都是时域上的表达。
[0249]
上述多芯多层电缆的暂态时域分析装置包括处理器和存储器，上述获取单元、第一计算单元和第二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。
[0250]
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目前的fdtd算法对多芯多层的电力电缆进行暂态时域分析的效率较低的问题。
[0251]
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。
[0252]
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多芯多层电缆的暂态时域分析方法。
[0253]
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多芯多层电缆的暂态时域分析方法。
[0254]
本技术还提供了一种多芯多层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的多芯多层电缆的暂态时域分析方法。
[0255]
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以下多芯多层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。
[0256]
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多芯多层电缆的暂态时域分析方法步骤的程序。
[0257]
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。
[0258]
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。
[0259]
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。
[0260]
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。
[0261]
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。
[0262]
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。
[0263]
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。
[0264]
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。
[0265]
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。
[0266]
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：
[0267]
1)、本技术的多芯多层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，并且本方案是对多芯多层电缆进行暂态时域分析的，首先使用fdtd算法来计算多芯多层电缆中的仿真参数，然后使用mtl算法来对多芯多层电缆中的导体进行分析，再采用tl算法来对导体中的子导体进行分析，实现了fdtd-mtl-tl算法的强耦合，在保证仿真精度的前提下整体性大幅提升多芯多层的电缆暂态仿真效率。
[0268]
2)、本技术的多芯多层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，并且本方案是对多芯多层电缆进行暂态时域分析的，首先使用fdtd算法来计算多芯多层电缆中的仿真参数，然后使用mtl算法来对多芯多层电缆中的导体进行分析，再采用tl算法来对导体中的子导体进行分析，实现了fdtd-mtl-tl算法的强耦合，在保证仿真精度的前提下整体性大幅提升多芯多层的电缆暂态仿真效率。
[0269]
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：
1.一种多芯多层电缆的暂态时域分析方法，其特征在于，包括：获取多芯多层电缆的仿真参数，其中，所述仿真参数为采用mtl、tl算法进行运算所需要，所述仿真参数包括：介电常数、磁导率，所述多芯多层电缆的铠层内包括至少两个导体，各所述导体内至少包括一个子导体；根据mtl算法对所述仿真参数进行运算，得到第一运算结果，其中，所述第一运算结果用于表征对所述多芯多层电缆的所述导体进行暂态时域分析的结果；根据tl算法对所述第一运算结果和所述仿真参数进行运算，得到第二运算结果，其中，所述第二运算结果用于表征对所述多芯多层电缆的所述子导体进行暂态时域分析的结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述多芯多层电缆中包括三个所述导体的情况下，根据mtl算法对所述仿真参数进行运算，得到第一运算结果，包括：获取所述多芯多层电缆中的第一互感、第二互感、第一互容、第二互容和磁场向量，其中，所述第一互感为x相导体与所述铠层之间的互感，所述第二互感为x相导体与y相导体之间的互感，所述第一互容为x相导体与所述铠层之间的互容，所述第二互容为x相导体与y相导体之间的互容，x与y不相等，x表示a或者b或者c，y表示a或者b或者c，所述磁场向量为所述多芯多层电缆产生的感应磁场的磁场强度矢量；根据所述第一互容和所述第二互容计算第一电流值、第二电流值和第三电流值，根据所述第一互感和所述第二互感计算第一电压值、第二电压值和第三电压值，其中，所述第一电流值为流经a相导体的电流值，所述第二电流值为流经b相导体的电流值，所述第三电流值为流经c相导体的电流值，所述第一电压值为a相导体与所述铠层之间的电压，所述第二电压值为b相导体与所述铠层之间的电压，所述第三电压值为c相导体与所述铠层之间的电压；根据所述磁场向量计算所述多芯多层电缆的第一总电流值；计算所述第一总电流值与目标电流值的差值，得到所述铠层的电流值，其中，所述目标电流值为所述第一电流值、所述第二电流值和所述第三电流值的总和，所述第一运算结果包括所述第一电流值、所述第二电流值、所述第三电流值、所述第一总电流值和所述铠层的电流值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取所述多芯多层电缆中的第一互感、第二互感、第一互容、第二互容和磁场向量，包括：根据第一公式计算所述第一互感，其中，所述第一公式为l
xx
表示所述第一互感，μ0表示真空磁导率，μ
r
表示第一电介质的相对磁导率，r
c
表示各相导体外半径，r
d.x
表示x相导体中心与所述铠层的中心的距离，r
e
表示所述铠层的导体内半径，所述第一电介质位于所述导体与所述铠层之间；根据第二公式计算所述第二互感，其中，所述第二公式为
l
xy
表示所述第二互感，θ
xy
表示x相导体和y相导体的空间夹角，系数c
n
的计算公式为根据第三公式计算所述第一互容，其中，所述第三公式为c
xx
表示所述第一互容，ε0表示介电常数，ε
r
表示所述第一电介质的相对介电常数；根据第四公式计算所述第二互容，其中，所述第四公式为其中，c
xy
表示所述第二互容；根据第五公式计算所述磁场向量，其中，所述第五公式为根据第五公式计算所述磁场向量，其中，所述第五公式为根据第五公式计算所述磁场向量，其中，所述第五公式为其中，μ表示磁导率，σ
m
表示导磁系数，q表示时间步数，e
x
、e
y
、e
z
分别为三个正交方向的电场向量，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多芯多层电缆产生的电场的电场强度矢量。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述第一互容和所述第二互容计算第一电流值、第二电流值和第三电流值，根据所述第一互感和所述第二互感计算第一电压值、第二电压值和第三电压值，包括：根据第六公式计算所述第一电流值、所述第二电流值和所述第三电流值，其中，所述第
六公式为l表示所述多芯多层电缆的轴向距离，s表征复频域，i
a
表示所述第一电流值，i
b
表示所述第二电流值，i
c
表示所述第三电流值，c
xx
表示所述第一互容，c
xy
表示所述第二互容，v
x
表示x相导体与所述铠层之间的电压；根据第七公式计算所述第一电压值、所述第二电压值和所述第三电压值，其中，第七公式为l
xx
表示所述第一互感，l
xy
表示所述第二互感，v
a
表示所述第一电压值，v
b
表示所述第二电压值，v
c
表示所述第三电压值；根据所述磁场向量计算所述多芯多层电缆的第一总电流值，包括：根据第八公式计算所述第一总电流值，其中，所述第八公式为根据第八公式计算所述第一总电流值，其中，所述第八公式为表示所述第一总电流值，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2所述的方法，其特征在于，根据tl算法对所述第一运算结果和所述仿真参数进行运算，得到第二运算结果，包括：获取第三互感和第三互容，其中，所述第三互感为目标导体的目标屏蔽层与所述目标导体内的目标子导体之间的互感，所述第三互容为所述目标导体的所述目标屏蔽层与所述目标导体内的所述目标子导体之间的互容，所述目标导体为任意一个所述导体，所述目标屏蔽层为所述导体的屏蔽层；根据所述第三互容计算第四电流值，根据所述第三互感计算第四电压值，其中，所述第四电流值为流经所述目标子导体的电流值，所述第四电压值为所述目标屏蔽层与所述目标子导体之间的第二电介质的电压值；计算第二总电流值与所述第四电流值的差值，得到流经所述目标屏蔽层的电流值，其中，所述第二总电流值为流经所述目标屏蔽层和所述目标子导体的电流值，所述第二运算结果包括所述第四电流值、所述第四电压值、所述第二总电流值和所述目标屏蔽层的电流值。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，获取第三互感和第三互容，包括：根据第九公式计算所述第三互感，其中，所述第九公式为
l
in.x
表示所述第三互感，μ0表示真空磁导率，μ
r.x
表示x相的所述第二电介质的相对磁导率，r
a
为所述目标子导体的半径，r
b
为所述目标屏蔽层的半径，所述第二电介质位于所述目标屏蔽层和所述目标子导体之间；根据第十公式计算所述第三互容，其中，所述第十公式为c
in.x
表示所述第三互容，ε0表示介电常数，ε
r.x
表示x相的所述第二电介质的相对介电常数。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述第三互容计算第四电流值，根据所述第三互感计算第四电压值，包括：根据第十一公式计算所述第四电流值，其中，所述第十一公式为l表示所述多芯多层电缆的轴向距离，s表征复频域，i
in.x
表示所述第四电流值,c
in.x
表示所述第三互容；根据第十二公式计算所述第四电压值，其中，所述第十二公式为v
in.x
表示所述第四电压值，l
in.x
表示所述第三互感。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在根据所述第三互容计算第四电流值，根据所述第三互感计算第四电压值之后，所述方法还包括：根据第十三公式将所述第四电流值转换为时域形式，其中，所述第十三公式为δt为fdtd时间步长，q表示时间步数；根据第十四公式将所述第四电压值转换为时域形式，其中，所述第十四公式为9.一种多芯多层电缆的暂态时域分析装置，其特征在于，包括：获取单元，用于获取多芯多层电缆的仿真参数，其中，所述仿真参数为采用mtl、tl算法进行运算所需要，所述仿真参数包括：介电常数、磁导率，所述多芯多层电缆的铠层内包括至少两个导体，各所述导体内至少包括一个子导体；第一计算单元，用于根据mtl算法对所述仿真参数进行运算，得到第一运算结果，其中，所述第一运算结果用于表征对所述多芯多层电缆的所述导体进行暂态时域分析的结果；第二计算单元，用于根据tl算法对所述第一运算结果和所述仿真参数进行运算，得到第二运算结果，其中，所述第二运算结果用于表征对所述多芯多层电缆的所述子导体进行暂态时域分析的结果。10.一种多芯多层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中任意一项所述的多芯多层电缆的暂态时域分析方法。

技术总结
本申请提供了一种多芯多层电缆的暂态时域分析方法和暂态时域分析系统。该方法包括：获取多芯多层电缆的仿真参数；根据MTL算法对仿真参数进行运算，得到第一运算结果；根据TL算法对第一运算结果和仿真参数进行运算，得到第二运算结果。本申请设计了一种新的暂态时域分析方案，并且本方案是对多芯多层电缆进行暂态时域分析的，首先使用FDTD算法来计算多芯多层电缆中的仿真参数，然后使用MTL算法来对多芯多层电缆中的导体进行分析，再采用TL算法来对导体中的子导体进行分析，实现了FDTD-MTL-TL算法的强耦合，在保证仿真精度的前提下整体性大幅提升多芯多层的电缆暂态仿真效率。性大幅提升多芯多层的电缆暂态仿真效率。性大幅提升多芯多层的电缆暂态仿真效率。


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：2023/8/24