一种基于数字孪生技术的开关柜温度在线监测平台的制作方法

本发明涉及开关柜监测系统，具体涉及一种基于数字孪生技术的开关柜温度在线监测平台。

背景技术：

1、高压开关柜作为输变电系统的重要组成部分，具有可靠地开断和接通电路、监测线路运行状态的作用，其运行的可靠性直接影响着电网的安全。根据坚强智能电网的建设目标，作为一种广泛运用的电力设备，高压开关柜的可靠性和安全性要求越来越高。然而，电网事故中因开关柜过热引发故障的事故占一半以上，实时监测开关柜的运行状态并对故障预警、诊断是提高供电可靠性的有效措施。

2、目前，封闭式结构的高压开关设备占绝大部分，导致散热性差，温度积累显著，当开关设备长期满载运行时，容易引起设备部件温度升高，进而引起开关设备故障或损坏。加之封闭结构巡检人员不易掌握柜内设备的运行状况，不利于工作人员对故障的预防判断和故障切除。传统的监测系统存在单一性、滞后性等一系列问题，因此，有必要设计一种高效的开关柜温度状态监测与分析系统。

3、数字孪生是物理实体在虚拟空间中的数字化表达，既可以保持虚拟空间和物理实体运行状态的一致性，又可以通过虚拟仿真来保证数据的完整性。数字孪生始终与物理空间中的开关柜系统保持实时和双向交互，数字孪生可以不断记录系统的运行状态数据、运行环境和运行参数数据，实现实时监测系统最新状态；基于实时数据、历史数据和仿真数据，算法能够训练更佳的故障诊断模型。在系统运行过程中，通过数字孪生技术，可以实现对物理实体整个生命周期的全面实时监测、模拟以及预测。

4、随着数字孪生技术的进步，其在多种行业中得到广泛应用。将数字孪生技术用于开关柜在线监测系统，可以解决开关柜在线监测过程中庞大数据处理以及传输滞后等问题，通过终端系统可以全面有效地掌握开关柜的工作状态，在设备发生异常或者故障时，系统可以准确的显示出故障位置并发出预警信号。能够极大提高开关柜监测系统的工作效率，实现开关柜设备状态评估和健康管理。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于数字孪生技术的开关柜温度在线监测平台。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于数字孪生技术的开关柜温度在线监测平台，包括：感知模块、数据传输模块、录像模块、云平台、开关柜数字孪生体以及开关柜数字孪生平台，其中，

4、所述感知模块用于实时采集温度和电气参量信息和视频；

5、所述数据传输模块用于连接感知设备与数字孪生模块，采用poe交换机接收热像仪温度信号，供电和数据传输一条网线解决，进行实时数据传输；

6、所述录像模块使用录像机实现温度信号的存储，用于以同时观看、浏览、回放、管理、存储多个开关柜网络摄像机；

7、所述开关柜数字孪生体包含数据处理、建模仿真、数据分析模块，用于对监测到的底层数据加工处理，实现开关柜运行状态的多场耦合实时建模，开关柜利用反演技术和算法实现开关柜内部温度状态和温度预测模型；

8、所述开关柜数字孪生平台调用开关柜数字孪生体的数据，对开关柜现有运行状态多维可视化，实现故障定位、温度预测、状态评估、历史数据、报警设置。

9、进一步的，所述感知模块包含多个数据采集模块，模块前端架设双光谱热像仪、可见光相机和传感器，温度视频感知终端具有高分辨率红外探测器与优秀的空间分辨率。

10、进一步的，所述开关柜数字孪生体包括数据处理模块、建模仿真模块和数据分析模块，其中：

11、所述数据处理模块包括数据预处理和数据存储，所述数据预处理包括数据清理、数据转化和特征提取，其中，数据清理用于删除不能刻画高温故障特征的属性且要采用均值插补、高维映射等缺失值补全方法补齐缺失数据；数据转化用于标准化不同单位的数据，并转化为系统支持的数据格式；特征提取用于利用属性约简方法对原始温度数据进行降维处理并对比属性约简方法降低数据维度和数据间的关联性的效果，选择最优的属性约简方法提取故障的主要特征。

12、进一步的，所述开关柜数字孪生体实现开关柜运行状态的多场耦合实时建模的具体方式为：

13、a1、以基于电流连续方程、热传导方程，将电、热、流场基本方程和感知数据进行电-热-流体耦合仿真，计算出开关柜的电场和温度场模型；

14、a2、利用伪瞬态计算流体力学方法进行开关柜散热仿真，计算得到关柜外表面对流换热系数；

15、a3、模拟开关柜与导电回路外表面的辐射散热，计算得到接线端子向外界导线传递的热流密度。

16、进一步的，所述a1中开关柜的电场模型计算方程表示为：

17、

18、j＝σe+je

19、

20、n·j＝0

21、式中，j为总电流感应密度，且法向电流密度为零；q为体积损耗密度；σ为电导率；je为外部电流密度，e为电场强度；u为电势；

22、温度场模型计算方程表示为：

23、

24、式中c为绝缘材料的比热容；p为绝缘材料的密度；t为所求温度变量；t为时间；λx，λy，λz分别为沿绝缘材料x，y，z三个方向的导热率；qv为开关柜内部单位体积产生的热量。

25、进一步的，所述开关柜外表面对流换热系数计算方式为：

26、

27、

28、gr、pr和nu分别为grashof数、prandlt数和nusselt数；δt和l分别为壁面与室温的温差和壁面特征长度；au、v、a和λ分别为空气热膨胀系数、运动粘度、热扩散率和热导率；c和t为常数。

29、进一步的，所述接线端子向外界导线传递的热流密度的计算方式为：

30、

31、式中，w为接线端子向外接导线的传热功率；tt为接线端子处的温升；i为电流有效值；αs为外接导线表面对流散热系数和等效辐射散热系数之和；c、s、σ和λ分别为外接端子截面周长、截面积、电导率和热导率。

32、进一步的，所述数据分析模块的具体工作方式为：

33、b1、基于多物理场仿真方法建立开关柜内部温度场的正演计算模型；

34、b2、根据测量到的电压、电流等参数信息，反演计算采用麦克斯韦方程组得到开关柜的内部电磁场分布，计算出开关柜内的损耗分布；

35、b3、将开关柜内部损耗分布导入温度场正演模型，采用开关柜表面温度信息作为反演模型的输入数据，并建立目标函数，得到开关柜多物理场多参数反演模型；

36、b4、采用寻优算法对开关柜内部各部位的多点温度进行反演计算，得到开关柜内部的温度场参数分布，计算获得开关柜内部温度场的参数分布情况，可在线观测开关柜运行特征。

37、进一步的，所述b3中目标函数表示为：

38、

39、tij为第i个测点j时刻温度检测值，为第i个测点j时刻温度计算值，j为温度误差函数。

40、本发明具有以下有益效果：

41、系统采用5g通信与无线通讯协议结合的数据传输方式，解决了现有技术数据传输滞后性等问题，使得用户掌握实时数据；温度采集模块优劣互补，具有宽测温范围、高分辨率等功能，弥补了之前的设备信息采集不全面、不清晰等问题；搭建了开关柜数字孪生模型，孪生体可以显示当前开关柜的运行状态，并根据实时的动态数据更新迭代。还可以对异常故障提前监测并报警，温度预警多重保障，促进开关柜安全运行；开关柜数据双重备份，保证数据的安全可靠；开关柜监测与分析平台采用图形化人机交互的界面，多个开关柜设备全方面对比展示，用户可以清晰操控平台，极大提高了工作效率。