本发明涉及电力设备，具体涉及一种gis电磁场分布仿真方法、系统及存储介质。
背景技术：
1、气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear，简称gis）具有占地面积相对较小，可靠性高，开断性能优越等优点，在世界范围内尤其是电力系统中得到了广泛的应用。特高压gis多年的运行经验表明尽管具有很高的运行可靠性，但由于在制造、装配过程中的工艺问题，其内部仍不可避免地存在各种缺陷，如自由金属微粒、针状突出物、固定微粒、绝缘气体等。通过检测gis中电磁场分布可及时发现绝缘故障并对gis的绝缘状态进行可靠地评估，以便采取适当措施防止进一步发展造成事故。对此，目前主要有模拟实验和仿真计算两种方法，由于gis设备的特殊性，导致实验条件受限，缺乏实验数据及特性研究，所以仿真成为gis设备故障研究的重要手段。
2、目前，gis的仿真主要研究方法主要包括时域有限差分仿真方法（finite-difference time-domain，简称fdtd）和时域有限元法（finiteelementmethodintimedomain，简称femtd），相比于femtd，fdtd的应用更加广泛，fdtd中网格单元的电场和磁场的空间取样方式直接满足法拉第定律和安培定律，通过时间离散和空间离散，当前时刻的电场由上一时刻的电场和相邻位置的磁场获得，当前时刻的磁场由上一时刻的磁场和相邻位置的电场获得，因此，只用对每个网格单元的电场和磁场赋予初值后，直接通过电场和磁场相隔半个时间步长交替抽样的形式完成电磁传播过程的计算。
3、但是在仿真过程中，网格划分的粗细程度会影响计算结果的精细度，但同时也会使得时间成本与精细程度成反比，并且成指数倍增长，所以研究通过gis时域有限差分仿真以及网格节点数据增强的方法对于gis仿真具有重要作用，同时可为gis设备的研究与仿真提供参考方向。
4、在相关技术中，硕士论文“基于时域有限差分法的gis设备暂态电场仿真计算，杨瑞，华中科技大学”中提出了一套适用于gis设备暂态电场计算的fdtd方法，该文献通过选择合适的网格剖分算法和吸收边界条件，按照建模时的结构特点将gis分为同轴母线管道和gis复杂设备两部分，对其中的网格剖分算法等关键性问题进行研究；由于gis电磁场仿真侧重于设备模型与电磁场分布交互的精确模拟，复杂度较高，需要同时考虑时间成本与仿真的精确度，但该文献主要研究仿真算法精确程度的提升而忽略了实际仿真过程中所需要的时间成本，更注重理论方向的研究，缺少实际应用性；并且该文献主要目的是分析gis设备在暂态电压作用下的电场分布仿真，这种仿真通常关注设备在短暂时间内电压冲击或电流冲击下的响应，泛化能力较弱。在公布号为cn107153721a的专利申请文献中提出了一种运动目标下的辛时域有限差分电磁仿真方法，通过构建麦克斯韦方程组，并采用辛时域有限差分法对克斯韦方程组进行求解；该文献通过构建麦克斯韦方程组，并采用辛时域有限差分算法对克斯韦方程组进行求解，利用辛积分传播因子构造具有4阶精度的sfdtd方法，本质是将麦克斯韦方程的时间演化矩阵做近似，通过在原来麦克斯韦方程组中加入速度这个变量，更加注重如高速运动的飞机、导弹，快速移动的汽车等运动目标，而gis电磁场仿真更侧重于设备模型与电磁场分布交互的精确模拟，gis电磁场仿真需要考虑电力设备的具体结构和材料属性对电磁场的影响，以及电磁场如何在这些设备内部分布和变化，并且gis电磁场仿真通常需要考虑媒质的有耗特性和色散特性。在实际的电磁场中，媒质往往不是理想的完美介质，而是具有一定的电导率（导致有耗）和频率相关的折射率（导致色散），这些特性对于高压高频电磁场的传播和反射都有重要影响。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于如何实现高效获取精细的gis电磁场分布仿真数据。
2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：
3、本发明提出了一种gis电磁场分布仿真方法，所述方法包括：
4、将gis设备的三维仿真模型离散为空间网格，并确定每个网格节点的编号和空间坐标数据对应关系；
5、将用于描述gis电磁场的麦克斯韦方程转换为四阶矩阵，并采用四步hie-fdtd算法对四阶矩阵进行求解，计算每个网格节点的场强数据；
6、基于网格节点的空间坐标数据和场强数据构建图结构，其中，表示网格节点集合，表示边集合，网格之间的连线作为边，每个网格节点的特征值包括空间坐标数据和场强数据；
7、利用节点插值增强策略在相邻的网格节点之间生成新网格节点及新网格节点的特征值。
8、进一步地，所述将gis设备的三维仿真模型离散为空间网格，并确定每个网格节点的编号和空间坐标数据对应关系，包括：
9、将gis设备的三维仿真模型离散为矩形空间网格，并采用yee网格思想对每个网格节点进行编号；
10、确定每个网格节点的编号和其空间坐标数据对应关系为，其中，是沿着轴方向上离散的空间步长，为网格节点的三维空间坐标。
11、进一步地，所述将用于描述gis电磁场的麦克斯韦方程转换为四阶矩阵，并采用四步hie-fdtd算法对四阶矩阵进行求解，计算每个网格节点的场强数据，包括：
12、将用于描述gis电磁场的麦克斯韦方程转换为六阶矩阵形式为：
13、
14、式中，为由电场和磁场在直角坐标系中的分量所构成的向量，即t，为六阶矩阵；
15、将六阶矩阵拆分为四个矩阵：
16、
17、式中，为，
18、为；
19、采用四步hie-fdtd算法对四阶矩阵形式进行求解，计算每个网格节点的场强数据。
20、进一步地，所述六阶矩阵的公式表示为：
21、
22、式中，为介电常数，为磁导率。
23、进一步地，所述采用四步hie-fdtd算法对四阶矩阵形式进行求解，计算每个网格节点的场强数据，包括：
24、所述四步hie-fdtd算法在时域上分解为、、、四个分步，对于每个分步采用半隐式差分格式计算关于网格节点场强数据的三对角隐式；
25、采用追赶法对三对角隐式进行求解，得到网格节点场强数据。
26、进一步地，对于分步，采用半隐式差分格式计算关于网格节点场强数据的三对角隐式，包括：
27、采用半隐式差分格式引入辅助向量，计算关于网格节点场强数据的三对角隐式：
28、
29、式中，为介质的点损耗参数，，，为时间步长，表示电场在 x, y, z方向上的电场分量，磁场在 x, y, z方向上的磁场分量，上标表示时间步，例如表示时间步 n的ex，表示时间步 n和 n+1之间的1/4位置的电场e x。
30、进一步地，所述利用节点插值增强策略在相邻的网格节点之间生成新网格节点及新网格节点的特征值，公式表示为：
31、
32、
33、
34、式中，和为相邻的两个网格节点，为新网格节点，。
35、进一步地，所述新网格节点的场强数据为：
36、
37、
38、式中，和为相邻的两个网格节点的场强数据，为新网格节点的场强数据，为待定系数，由上述步骤中λ以及两个节点之间的场强属性关系确定。
39、此外，本发明还提出了一种gis电磁场分布仿真系统，所述系统包括：
40、网格离散模块，用于将gis设备的三维仿真模型离散为空间网格，并确定每个网格节点的编号和空间坐标数据对应关系；
41、时域有限差分仿真模块，用于将用于描述gis电磁场的麦克斯韦方程转换为四阶矩阵，并采用四步hie-fdtd算法对四阶矩阵进行求解，计算每个网格节点的场强数据；
42、图结构表示模块，用于基于网格节点的空间坐标数据和场强数据构建图结构，其中，表示网格节点集合，表示边集合，网格之间的连线作为边，每个网格节点的特征值包括空间坐标数据和场强数据；
43、节点特征增强模块，用于利用节点插值增强策略在相邻的网格节点之间生成新网格节点及新网格节点的特征值。
44、本发明的优点在于：
45、（1）本发明通过采用时域有限差分方法分为四步对描述gis电磁场的麦克斯韦方程转换得到四阶矩阵进行求解，得到每个网格节点的场强数据，然后根据网格节点的空间坐标数据和场强数据构建图结构，基于图结构，采用节点差值增强策略在少数类的样本与其最近邻的样本之间进行插值来生成新的样本，最终得到细网格的仿真数据，可快速获取精细的gis电磁场分布仿真数据。
46、2）本发明通过引入更高阶的时间积分方案和空间积分方案，能够显著提高数值解的精度和稳定性，传统的fdtd方法可能会受到数值耗散和数值色散的影响，而本发明通过更精确的积分方法可以减少这些问题，特别是在处理长时间仿真或高频电磁波传播时尤为有效。对于复杂结构的电磁场仿真，如有介质、非均匀介质或非均匀结构的情况，本实施例采用四步混合显-隐式时域有限差分(hybrid implicit explicit finite-differencetime-domain,hie-fdtd)方法能够更好地处理这些复杂性。其精确的积分和数值方法可以有效地模拟不同介质间的电磁场传播和相互作用。
47、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.一种gis电磁场分布仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
2.如权利要求1所述的gis电磁场分布仿真方法，其特征在于，所述将gis设备的三维仿真模型离散为空间网格，并确定每个网格节点的编号和空间坐标数据对应关系，包括：
3.如权利要求1所述的gis电磁场分布仿真方法，其特征在于，所述将用于描述gis电磁场的麦克斯韦方程转换为四阶矩阵，并采用四步hie-fdtd算法对四阶矩阵进行求解，计算每个网格节点的场强数据，包括：
4.如权利要求3所述的gis电磁场分布仿真方法，其特征在于，所述六阶矩阵的公式表示为：
5.如权利要求1或3所述的gis电磁场分布仿真方法，其特征在于，所述采用四步hie-fdtd算法对四阶矩阵形式进行求解，计算每个网格节点的场强数据，包括：
6.如权利要求5所述的gis电磁场分布仿真方法，其特征在于，对于分步，采用半隐式差分格式计算关于网格节点场强数据的三对角隐式，包括：
7.如权利要求1所述的gis电磁场分布仿真方法，其特征在于，所述利用节点插值增强策略在相邻的网格节点之间生成新网格节点及新网格节点的特征值，公式表示为：
8.如权利要求7所述的gis电磁场分布仿真方法，其特征在于，所述新网格节点的场强数据为：
9.一种gis电磁场分布仿真系统，其特征在于，所述系统包括：
10.一种计算机可读存介质，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，实现如权利要求1-8中任一项所述的方法。
