本发明涉及变压器建模技术领域，更具体地，涉及一种三相变压器电磁暂态中低频模型建模方法及系统。
背景技术：
变压器作为电力系统最重要的输变电设备之一，承担着电能的汇集、分配及测量的作用。随着特高压直流输电技术的广泛应用，变压器铁心交直流混合励磁条件下的暂态特性日益得到关注。除变压器正常运行及运行过程中因负荷增减带来的变化外，变压器中低频非正常的电磁暂态过程主要有直流偏磁、励磁涌流等。直流偏磁产生的主要原因是太阳磁暴爆发或高压直流输电系统单极运行时变压器中性点直接接地绕组注入的(静准)直流导致铁心励磁电流进入半波饱和状态。直流偏磁可导致变压器振动和噪声增大、高次谐波增加、铁磁部件局部过热等问题，引起变压器油分解产气和变压器油纸绝缘劣化，严重时可引发变压器故障和大面积停电事故。2003年10月30日，瑞典太阳风暴爆发引起的直流偏磁导致超过5万用户停电接近一小时。研究学者认为1989年加拿大魁北克大停电事故与变压器直流偏磁有密切的关系。变压器在运行中因计划或故障被切除后，在空载或轻载状态下再次投入将会因铁心中存在剩磁而产生较大的励磁涌流。部分研究结果表面变压器铁心剩磁保守估计为变压器正常磁通的20％～70％，在极端情况下甚至可高达正常磁通的85％。变压器励磁涌流可通过选相控制合闸的方式消除，但变压器剩磁产生机理及剩磁量与励磁涌流峰值的关系仍有待进一步研究。
现有技术利用有限元方法(finiteelementmethod，fem)求解变压器工程电磁热场问题已经取得非常显著的成果，并得到了变压器设计制造单位及研究机构的广泛应用。但利用有限元软件计算变压器工程电磁热场问题主要存在以下难题亟待解决：(1)因变压器内部结构复杂、尺寸差异较大，精确求解需要较细密的网格剖分，导致求解节点规模巨大，需占用巨大的存储空间；(2)大型电力变压器具有绕组直流电阻小、自身电感大的特点，因此变压器电磁暂态时间常数大，fem软件求取变压器暂态过程中需要较大的存储空间存储计算结果；(3)fem软件在求取变压器电磁场问题时采用电压激励往往通过函数采点，分合开关函数技术，计算结果误差较大；(4)fem软件难以模拟变压器铁心铁磁材料的磁滞特性。除此以外，变压器的设计图纸往往作为变压器制造商的核心技术机密，变压器详细设计模型难以获取。采用fem软件对三维模型计算变压器中低频电磁热场问题，从技术上或实施途径上均难存在较大困难。
电磁暂态计算程序(electromagnetictransientsprogram,emtp)采用集总等效参数元件等效模拟电力系统元件特性，具有计算速度快、资源占用少、可扩展性强等优点。利用emtp软件分析变压器中低频电磁暂态过程问题或计算暂态电流，将计算结果作为有限元分析输入激的励将有助于克服fem软件的缺点，满足求解变压器中低频电磁暂态问题的工程要求。目前主流的emtp软件主要包括：atp-emtp、emtp-rv、microtran、pscad/emdc等。研究变压器电磁暂态问题常用的仿真模型包括：bctran模型、(unifiedmagneticequivalentcircuit,umec)模型、hybird模型、饱和变压器模型以及理想变压器模型。上述模型均可通过设置自身参数或添加外部非线性元件的方式模拟变压器铁心的简单非线性特性，umec模型、hybird模型可考虑变压器铁心结构及非线性励磁特性。然而，以上变压器模型均无法实现对零序回路特性准确的模拟，无法考虑铁心深度饱和后产生的高次谐波分量对漏磁分布及损耗的影响，不适用于准确计算变压器的中低频电磁暂态问题。
因此，需要一种技术，以实现一种三相变压器电磁暂态中低频模型建模技术。
技术实现要素：
本发明提供了一种三相变压器电磁暂态中低频模型建模方法及系统，以解决如何对三相变压器电磁暂态中低频模型进行建模的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种三相变压器电磁暂态中低频模型建模方法，所述方法包括：
根据变压器的铁心结构，选择所述铁心接缝作为所述变压器模型的磁路分点，将所述变压器进行分区；
根据各分区内所述变压器内部材料的导磁特性及所述变压器的各部件的空间分布，建立磁路等效模型；
按照各磁阻元件所表征的物理性质进行分类，根据元件的相关参数及电磁对偶原理搭建电路模型并按照拓扑连接关系进行化简；
根据所述变压器的导磁材料的损耗特性，采用动态损耗模型模拟所述变压器铁心损耗；
将所述电路模型和所述动态损耗模型进行组合，获取组合模型，所述组合模型用于模拟变压器铁心的非线性励磁及损耗特性，并采用最小二乘法估计的相关参数；
计算所述变压器电路部分参数，并采用线性变压器模型进行负载特性模拟；
将所述组合模型连接到所述线性变压器模型低压侧；
根据计算要求建立外电路，并将所述外电路与所述变压器相连接，计算所述变压器的参数。
优选地，还包括：为提高模型模拟精度，增加部分非接缝位置作为所述变压器磁路分点。
优选地，所述根据各分区内所述变压器内部材料的导磁特性及所述变压器的各部件的空间分布，建立磁路等效模型。
将所述变压器内部的导磁材料建立非线性磁路等效模型；
将所述变压器内部的非导磁材料建立线性磁路等效模型。
优选地，所述计算所述变压器的参数，包括：
电压、电流和损耗参数。
基于本发明的另一方面，提供一种三相变压器电磁暂态中低频模型建模系统，所述系统包括：
分区单元，用于根据变压器的铁心结构，选择所述铁心接缝作为所述变压器模型的磁路分点，将所述变压器进行分区；
等效单元，用于根据各分区内所述变压器内部材料的导磁特性及所述变压器的各部件的空间分布，建立磁路等效模型；
化简单元，用于按照各磁阻元件所表征的物理性质进行分类，根据元件的相关参数及电磁对偶原理搭建电路模型并按照拓扑连接关系进行化简；
损耗模拟单元，用于根据所述变压器的导磁材料的损耗特性，通过采用动态损耗模型模拟所述变压器铁心损耗；
组合单元，用于将所述电路模型和所述动态损耗模型进行组合，获取组合模型，所述组合模型用于模拟变压器铁心的非线性励磁及损耗特性，并采用最小二乘法估计所述组合模型的相关参数；
模拟单元，用于计算所述变压器电路部分参数，并采用线性变压器模型进行负载特性模拟；
连接单元，用于将所述组合模型连接到所述线性变压器模型低压侧；
计算单元，用于根据计算要求建立外电路，并将所述外电路与所述变压器相连接，计算所述变压器的参数。
优选地，所述分区间单元还用于：为提高模型模拟精度，增加部分非接缝位置作为所述变压器磁路分点。
优选地，所述等效单元还用于：
将所述变压器内部的导磁材料建立非线性磁路等效模型；
将所述变压器内部的非导磁材料建立线性磁路等效模型。
优选地，所述计算单元，计算所述变压器的参数，包括：
电压、电流和损耗参数。
本发明技术方案提供一种三相变压器电磁暂态中低频模型建模方法，是基于磁路-电路等效原理进行模块化的建模方法，通过对变压器依据铁心接缝设置磁路分点建立集总等效磁路模型，采用mec等效原理将磁路转化为电网络进行求解。本发明技术方案从变压器材料的导磁特性与相对布置关系建立等效模型，有效的决解了变压器零序参数建模复杂、测量困难等问题。采用最小二乘法估计模型参数并与试验测量值进行矫正，可采用变压器典型相对参数值建模并修正相关系数提高模型计算精度，有效解决了变压器暂态模型对设计参数严重依赖的问题，简化了建模过程，提高了建模效率。本发明技术方案建立的变压器电磁暂态模型可作为直流偏磁、剩磁评估、励磁涌流分析的基础模型，为精确计算变压器在非正常工作状态下的激励电流提供一个有效的解决措施，可作为研究直流偏磁及其抑制措施、剩磁产生机理及其消除方法等的重要的基础。本发明技术方案实现的变压器零序回路建模，并考虑了铁心深度饱和特性的变压器emtp模型，对于研究变压器中低频电磁暂态过程具有重要意义。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的三相变压器电磁暂态中低频模型建模方法流程图；
图2为根据本发明实施方式的三相三柱变压器铁心结构及磁路分点示意图；
图3为根据本发明实施方式的变压器心柱、绕组、电磁屏蔽及油箱结构布置示意图；
图4为根据本发明实施方式的变压器心柱磁路集总等效图；
图5为根据本发明实施方式的变压器铁心等效示意图；以及
图6为根据本发明实施方式的三相变压器电磁暂态中低频模型建模系统结构图。
具体实施方式
现以参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的三相变压器电磁暂态中低频模型建模方法流程图。本发明实施方式提出的三相变压器电磁暂态中低频模型建模方法主要解决的问题在于提出了一种基于磁路-电路等效(magneticequalcircuit,mec)原理的三相变压器电磁暂态模型建模分析方法。本申请通过以铁心接缝为磁路分点分区域建立变压器铁心等效磁路模型后经mec处理得到变压器包含零序参量的铁心电磁暂态模型，和传统emtp模型相比，采用mec法得到的变压器暂态仿真模型具有更明确物理含义。本发明实施方式提出的建模分析方法可综合考虑变压器铁心材料非线性特性、变压器铁心结构及零序参数等关键要素，利用mec理论实现变压器磁路、电路转化，有效的解决了变压器在中低频电磁暂态问题求解过程中计算精度与降低问题求解复杂度之间难以兼得的矛盾，为研究分析变压器直流偏磁、剩磁评估及励磁涌流等问题提供了一种精确适用的模型。
如图1所示，三相变压器电磁暂态中低频模型建模方法，
优选地，在步骤01：根据变压器的铁心结构，选择铁心接缝作为变压器磁路分点，将变压器进行分区。
本申请实施方式的一种基于磁路-电路等效(mec)原理的中低频三相变压器模型建模分析方法依赖于变压器部分试验参数如空载损耗、空载电流百分数及变压器的基本信息如:高低压侧电压、绕组连接方式及铁心结构等。基于mec原理建立变压器电磁暂态模型的关键步骤包括：以三相变压器铁心结构在实际生产过程中的接缝为变压器磁路分点，将变压器依据磁路分点进行分区，各分区包含铁心、绕组、磁屏蔽、油箱等部分。本申请根据变压器产品类别型号，选取实际生产中变压器铁心接缝为磁路参考分点，对如附图2所示的变压器以铁心为基础将变压器上铁轭、下铁轭、心柱等划分为7个区域，各区域包含铁心及其夹件拉板等紧固件、绕组、电磁屏蔽、变压器绝缘冷却介质、油箱等。
优选地，在步骤02：根据各分区内变压器内部材料的导磁特性及变压器的各部件的空间分布，建立磁路等效模型。
优选地，根据各分区内变压器内部材料的导磁特性及变压器的各部件的空间分布，建立磁路等效模型。
本申请中，根据各分子区域内变压器内部材料导磁特性及各部件的空间分布，采用集总等效的非线性磁阻与线性磁阻元件建立等效磁路。
优选地，在步骤03：按照各磁阻元件所表征的物理性质进行分类，根据元件的相关参数及电磁对偶原理搭建电路模型并按照拓扑连接关系进行化简。
本申请中，将各子区域的等效磁路按照磁路分点进行连接，对整体磁路根据磁阻元件特性进行分类，并按照拓扑连接关系及相对尺寸关系进行简化，对化简后的磁路采用mec原理转化为电网络。
本申请中，根据变压器铁心、结构件、油箱及线性磁路的导磁特性将整体磁路中的集总等效元件分类，按类进行化简并计算等效系数；
在电磁分析理论中，电磁是一对互为对偶的关系，采用对偶原理可将磁路转化为电路进行计算。变压器的空载损耗按照产生的机理不同可分为：磁滞损耗、涡流损耗、杂散损耗等。励磁电流可按照类似方法进行分类，励磁电流的表达式如下
i0(t)＝im(m,h,t)+ife(m,h,t)+il(t)+iloss(t)(1)
上述式(1)右侧的第一项可表示为变压器励磁电流中铁心本身非线性励磁分量；第二项可表示为变压器励磁电流中变压器零序回路中导磁元件如油箱、电磁屏蔽、磁分路等元件及其组合所产生的分量；第三项可表示为变压器励磁电流中线性磁性元件如变压器绕组、变压器冷却介质(空气、变压器油等)产生的励磁电流等效分量；最后一项为变压器励磁电流中考虑变压器损耗特性的分量。
本申请为考虑变压器非线性励磁特性对变压器励磁电流的影响，国内外大量学者进行了深入而广泛的研究。目前的主要方法包括：1)采用分段线性化插值法；2)采用基于磁畴极化的presach模型；3)采用jiles-atherton磁滞模型；4)采用自定义程序考虑磁滞的高级自定义模型。其中1)具有求解简单，数值稳定性好等优点，已成为许多变压器电磁暂态模型的首选求解算法，其求解精度有效，仅限于求解对变压器铁磁过程要求不高的场合；2)式基于数学物理模型，理论上可精确模拟任何铁磁材料的非线性导磁特性，但具有数值稳定性差，求解规模大，计算速度慢等缺陷，已经被jiles-atherton磁滞模型所取代；jiles-atherton磁滞模型是传统意义上的静态磁滞模型，模型忽略了磁滞与时间状态的关系，因此4)被提出来并进行深入研究。本发明优选1)、3)和4)作为电磁暂态模型中导磁元件的基础模型，主要是为了满足不同使用条件的要求。现以最简单的采用分段线性化插值法说明铁心的建模过程，铁心材料的b-h关系一般可由供应商提供的参数表格获取或采用爱泼斯坦方圈进行测量。对于某一区域的铁心，根据其截面积s、磁路长度l、励磁绕组匝数nc，额定相电压uph等参数可推导其φ-i关系或uph-i关系如式(2)所示，用于励磁电流的计算：
变压器油箱的导磁特性和铁心类似，主要差异在于计算深度饱和时需考虑漏磁产生的涡流影响。线性导磁材料一般可采用线性电感模型进行模拟，以考虑变压器铁心在接缝处缝隙对励磁电流畸变的影响为例，可采用一个与元件并联的线性电感进行等效，电感值按式(3)计算：
变压器绕组等效的线性电感与其位置有关，可采用相关方法计算其等效电感值。将铁心各子分区的励磁部分等效电路按照磁路分点进行连接，即可得到整个变压器铁心的励磁等效电路。为方便计算可根据各元件的连接关系，根据电路原件的串并联原则、y-△转化原则进行适当简化。
优选地，在步骤04：根据变压器的导磁材料的损耗特性，采用动态损耗模型模拟变压器铁心损耗。
本申请中，依据变压器空载试验数据中测量的空载电流，采用最小二乘法原理估计步骤三中模型参数。
优选的，步骤04中，采用fortran、c等高级程序语言根据导磁材料实测参数，构建自定义磁滞回元件，相关元件的控制参量为相对尺寸关系。
本申请步骤04准确建立变压器在交直流混合激励下的中低频电磁暂态模型除考虑铁心及其他部件的非线性励磁特性以外，还需要考虑变压器的损耗特性。变压器的空载损耗按照产生的机理不同可分为铁心的磁滞损耗、涡流损耗及杂散损耗。铁心的损耗水平除与材料本身的特性密切相关外还受到工作频率、饱和程度等因素的影响。为表征变压器在交直流混合励磁下损耗的非线性变化，通常可采用cauer电路模拟。通过采用非线性电阻、线性电阻的组合与表征铁心非线性励磁的非线性电感元件并联的方式模拟损耗。
优选地，在步骤05：将电路模型和动态损耗模型进行组合，获取组合模型，组合模型用于模拟变压器铁心的非线性励磁及损耗特性，并估算组合模型的相关参数值。优选地，组合模型用于模拟变压器铁心的非线性励磁及损耗特性，并估算组合模型的相关参数值，包括：利用最小二乘法估算组合模型的相关参数值。
本申请中，采用cauer电路模型对步骤一得到的子区域铁心建立对应损耗模型，根据变压器空载试验中的测得的空载损耗数据采用最小二乘法进行参数估计。
优选的，在步骤05中，采用非线性电阻、与线性电阻并联的结构，模拟铁心的磁滞损耗、涡流损耗及杂散损耗。
本申请中根据变压器设计或试验采用最小二乘法得到的空载损耗值与励磁电流对步骤03与04所得模型的参数进行估计，使得空载电流的数值与试验测量偏差最小，得到完整的模型参数。
优选地，在步骤06：计算变压器电路部分参数，并采用线性变压器模型进行负载特性模拟。
本申请中，根据变压器型号，试验报告或设计参数计算变压器电路部分参数，并选用线性变压器bctran模型进行模拟。
优选的，步骤06中，采用bctran模型的优点在于可以根据需要替换为单相、三相多绕组等效电路，方便模型扩展，且支持模型功能的软件较多。
步骤06线性变压器bctran模型具有计算多相多绕组变压器模型的能力，根据变压器设计或负载试验相关的短路阻抗、负载损耗等参数，计算变压器等值模型的相关参数。
优选地，在步骤07：将组合模型连接到线性变压器模型低压侧。本申请中步骤07在步骤06所得模型的基础上在变压器铁心表面增加一厚度为零的虚拟绕组，将步骤05所得模型接于虚拟绕组上模拟铁心的非线性励磁及损耗特性。
本申请中，将步骤04、步骤05中得到铁心模型连接到由步骤06得到的bctran模型低压侧。
优选地，在步骤08：根据计算要求建立外电路，并将外电路与变压器相连接，计算变压器的参数。优选地，计算变压器的参数，包括：
电压、电流和损耗参数。
本申请中采用相关封装技术对步骤07所得的模型进行封装，并将模型与外电路相连接，计算相关电压、电流、损耗等数据，用于变压器中低频电磁暂态问题的研究分析。
优选地，本发明实施方式提出的三相变压器电磁暂态中低频模型建模方法，还包括：为提高模型模拟精度，增加部分非接缝位置作为所述变压器磁路分点。
本申请在步骤01中，根据三相变压器的铁心接缝合理选取磁路分点，必要时可在铁心非接缝处增加磁路分点细化模型。
本申请由于采用了上述的技术方案，有效的解决了现存变压器难以模拟零序回路对计算结果的影响及变压器铁心的非线性磁滞、涡流及杂散损耗模拟精度较低的问题，为需要考虑变压器结构特征及非线性励磁饱和特性的工况提供了一个有效的解决方法；依据本发明实施方式构建的变压器类产品的等效铁心模型，可准确的得到变压器类产品的非线性励磁及损耗特性，为可靠、准确的计算励磁涌流、变压器直流偏磁的影响评估提供了有效的依据，为研究抑制控制措施提供了重要的基础。
图2为根据本发明实施方式的三相三柱变压器铁心结构及磁路分点示意图。图3为根据本发明实施方式的变压器心柱、绕组、电磁屏蔽及油箱结构布置示意图。图4为根据本发明实施方式的变压器心柱磁路集总等效图。图5为根据本发明实施方式的变压器铁心等效示意图。
本申请实施方式附图2中变压器某心柱结构示意简图如附图3所示，根据各分子区域内变压器内部材料导磁特性及各部件的空间分布建模时，可铁心、结构件、磁分路与油箱等导磁材料采用非线性磁阻模型进行模拟；变压器绕组、绝缘介质等非导磁材料采用线性磁阻模型进行模拟。将各磁性元件以磁路分点为端点进行连接，简图如附图4所示。
图6为根据本发明实施方式的三相变压器电磁暂态中低频模型建模系统结构图。如图6所示，一种三相变压器电磁暂态中低频模型建模系统600包括：
分区单元601，用于根据变压器的铁心结构，选择铁心接缝作为变压器模型的磁路分点，将变压器进行分区。
优选地，分区间单元601还用于：为提高模型模拟精度，增加部分非接缝位置作为所述变压器磁路分点。
等效单元602，用于根据各分区内变压器内部材料的导磁特性及变压器的各部件的空间分布，建立磁路等效模型。
优选地，等效单元602还用于：
将变压器内部的导磁材料建立非线性磁路等效模型；
将变压器内部的非导磁材料建立线性磁路等效模型。
化简单元603，用于按照各磁阻元件所表征的物理性质进行分类，根据元件的相关参数及电磁对偶原理搭建电路模型并按照拓扑连接关系进行化简。
损耗模拟单元604，用于根据变压器的导磁材料的损耗特性，采用动态损耗模型模拟变压器铁心损耗。
组合单元605，用于将电路模型和动态损耗模型进行组合，获取组合模型，组合模型用于模拟变压器铁心的非线性励磁及损耗特性，并采用最小二乘法估计组合模型的相关参数。
模拟单元606，用于计算变压器电路部分参数，并采用线性变压器模型进行负载特性模拟。
连接单元607，用于将组合模型连接到线性变压器模型低压侧。
计算单元608，用于根据计算要求建立外电路，并将外电路与变压器相连接，计算变压器的参数。
优选地，计算单元608还用于，计算变压器的参数，包括：
电压、电流和损耗参数。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。