一种基于数字孪生的变压器状态评价方法与流程

1.本发明属于变压器状态评价技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的变压器状态评价方法。


背景技术：

2.在电力系统中，不仅需要变压器的数量多，而且要求变压器的性能好，运行可靠。因此，在变压器内安装各种传感装置，实时获取用于反映设备运行情况的各类状态量，并基于此建立变压器的评估模型，及时掌握设备的运行状态，是确保变压器安全可靠运行的主要手段。
3.基于计算机技术实现物理世界与数字信息世界之间的数据传递与虚实映射，成为重要的研究课题，在此背景下，数字孪生技术应运而生，且已经被应用至卫星技术、远程手术、智能汽车、材料制造、设备维修与故障诊断、复杂工业自动化控制系统等多个方面。
4.运行中的变压器受到雷电过电压冲击时，将造成变电压器外部过电压，当电力系统的某些参数发生变化时，由于电磁振荡的原因，将引起变压器内部过电压，这两类过电压所引起的变压器损坏大多是绕组变形、主绝缘击穿，造成变压器故障，现有检测评估方法无法对绕组情况进行实时评估。同时变压器运行中的铁损，铜损以及太阳辐射会导致变压器的油温上升，通过监测装置无法获得热点温度以及温度场，无法清楚研究最薄弱环节绝缘热老化情况，数字孪生技术可以实现多物理场的实时仿真与物理场反演，为上述两个问题提供了解决思路。
5.同时，国内外的研究学者对输变电设备传感装置设计、数据清洗与选择、设备状态评价与故障诊断均开展了相关的研究，并取得了一些成果，然而，这些研究相对孤立，尚未形成完整的体系。数字孪生技术的运用可以形成一套完善的数据采集、数据处理、模型建立、模型应用体系而为解决设备状态评估中的问题提供了新的思路和手段。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于数字孪生的变压器状态评价方法，该方法可以用数字孪生技术获得变压器运行全面信息来评价变压器运行状态，为保障变压器的健康运行提供技术方法。
7.为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是一种基于数字孪生的变压器状态评价方法，包括以下步骤：1）构建评估变压器空间信息模型、电磁学模型以及热力学模型，并仿真后与实体评估变压器信息进行对比，构建自优化的变压器数字孪生模型；2）使用优化后的数字孪生模型获取变压器全面信息；3）使用变压器全面信息获得变压器油温度场分布、油纸老化系数以及变压器过电压故障率状态评价参数；4）使用变压器数字孪生状态评价参数进行变压器状态评估。
8.作为本发明的一种改进，1）中，构建空间信息模型包括变压器所有构建几何信息、构件材质信息等物理化学信息，并通过物理场仿真软件进行软件建模。构建变压器电磁学模型包括变压器绕组间、变压器绕组与外壳等效电路模型与其过电压下的宽频等效模型，构建变压器热力学模型包括油纸绝缘热降解动力学模型，绕组形变动力学模型，流体力学模型。
9.作为本发明的一种改进，1）中，变压器数字孪生模型，是一个可视化的模型，通过获得的变压器空间信息进行数字建模，并将材料属性赋予实体材料属性，获得与实体变压器物理化学参数一致的静态数字孪生变压器，并将构建的电磁学模型以及热力学模型程序数字化，赋予数字孪生变压器，得到数字孪生变压器，所述数字孪生变压器可通过模型仿真和数值计算的方法获得变压器的状态输出量。
10.作为本发明的一种改进，1）中，对比实体评估变压器信息与数字孪生变压器信息进行数字孪生模型优化的过程分为以下三步：（1）运用电气量感知技术、声振感知技术、光电感知技术、化学感知技术、热学感知技术，将变压器的状态数据化，并传输给变压器数字孪生模型；（2）变压器数字孪生模型在初始值与边界条件确定后通过仿真与数值计算方法，输出数字孪生变压器实时的状态；（3）对比数字孪生变压器输出变压器状态值与实体变压器在线监测以及例行试验数据进行对比，利用优化方法对所建立变压器空间信息模型、电磁学模型以及热力学模型进行优化，直至误差小于给定值。
11.作为本发明的一种改进，2）中，使用优化后的数字孪生模型获取变压器全面信息，所述全面信息为油中溶解气体数据，油中水分含量、酸值、击穿电压、介质损耗数据同时包含被优化过的变压器电磁学模型信息与热动力学模型信息。
12.作为本发明的一种改进，3）中，所述变压器油温度场分布如下获得，数字孪生变压器通过电磁学模型仿真得到变压器运行电磁损耗，并与传感器收集的太阳热辐射一起作为荷载条件赋与变压器油流体场与温度场，通过有限元仿真得到变压器油温度场分布。
13.作为本发明的一种改进，所述油纸老化系数如下获得，数字孪生变压器通过得到变压器油温度场分布后，结合所建立油纸绝缘热降解动力学模型，仿真得到油纸绝缘老化系数。
14.作为本发明的一种改进，所述变压器过电压故障率如下获得，数字孪生变压器通过电气量感知技术获得实体变压器运行电压电流以及过电压过电流次数与幅值，通过建立的绕组宽频等效模型与绕组形变动力学模型仿真计算得到变压器绕组电学与力学强度，通过应力强度干涉模型求得变压器过电压故障率信息。
15.本发明的有益效果：本发明一种基于数字孪生的变压器状态评价方法，其优点可以通过先进的数字孪生技术实时仿真实体变压器运行状态，将输变电设备传感装置技术、数据清洗与选择技术、变压器建模与仿真技术、设备状态评价技术结合起来，得到变压器全面信息，并可进行虚拟推演，对变压器老化、故障率进行全面评估，给运维检修人员评价、更换变压器提供指导意义。
附图说明
16.图1为本发明一种基于数字孪生的变压器状态评价方法的流程图。
17.图2为本发明一种基于数字孪生的变压器状态评价方法的实施图。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，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，都属于本发明保护的范围。
19.实施例：如图1所示，一种基于数字孪生的变压器状态评价方法的流程图，具体步骤如下：1）构建评估变压器空间信息模型、电磁学模型以及热力学模型，并仿真后与实体评估变压器信息进行对比构建自优化的变压器数字孪生模型；使用统一信息模型技术为数字孪生模型提供可靠实际数据支撑，利用材料分析技术对变压器内部构建进行材料属性研究为数字孪生模型提供可靠的材料数据支撑，综合构建变压器空间信息模型；利用数学建模与降阶方法构建变压器变压器绕组间、变压器绕组与外壳等效电路模型与其过电压下的宽频等效模型，以及油纸绝缘热降解动力学模型，绕组形变动力学模型，流体力学模型。
20.在上述条件下，利用多物理场仿真技术、模型融合技术实现数字孪生变压器多场、多尺度、多区域的仿真，通过获得的变压器空间信息进行数字建模，并将材料属性赋予实体材料属性，获得与实体变压器物理化学参数一致的静态数字孪生变压器，并将构建的电磁学模型以及热力学模型程序数字化，赋予数字孪生变压器，得到数字孪生变压器。
21.运用电气量感知技术、声振感知技术、光电感知技术、化学感知技术、热学感知技术，实现对实体变压器运行数据的采集，包括顶层油温、绕组温度、油位、油压、铁芯接地电流、油中溶解气体数据等数据，采集到变压器状态数据后利用数据清理、数据存储以及数据传输技术处理后与数字孪生变压器进行数据通讯，数字孪生变压器初始值与边界条件确定后通过仿真与数值计算方法，输出数字孪生变压器实时的状态，对比数字孪生变压器输出变压器状态值与实体变压器在线监测以及例行试验数据进行对比，利用人工智能、梯度下降、专家系统、机器学习等方法，对所建立变压器空间信息模型、电磁学模型以及热力学模型参数进行优化，直至误差小于给定值，如图2所示。
22.2）使用优化后的数字孪生模型获取变压器全面信息，所述全面信息为油中溶解气体数据，油中水分含量、酸值、击穿电压、介质损耗数据同时包含被优化过的变压器电磁学模型信息与热动力学模型信息。
23.3）、4）使用变压器全面信息获得变压器油温度场分布、油纸老化系数以及变压器过电压故障率状态评价参数，并进行变压器状态评估。
24.利用变压器油中溶解气体数据，油中水分含量、酸值、击穿电压、介质损耗数据以及变压器油温度场分布、油纸老化系数以及变压器过电压故障率信息，构建分层的变压器细化评估模型，选取关键评估指标利用专家系统、模糊数学、证据理论等方法对变压器进行状态评估。
25.其中变压器油温度场分布如下获得，数字孪生变压器通过电磁学模型仿真得到变压器运行电磁损耗，并与传感器收集的太阳热辐射一起作为荷载条件赋与变压器油流体场与温度场，通过有限元仿真得到变压器油温度场分布。
26.其中油纸老化系数如下获得，数字孪生变压器通过得到变压器油温度场分布后，结合所建立油纸绝缘热降解动力学模型，仿真得到油纸绝缘老化系数。
27.其中变压器过电压故障率如下获得，数字孪生变压器通过电气量感知技术获得实体变压器运行电压电流以及过电压过电流次数与幅值，通过建立的绕组宽频等效模型与绕组形变动力学模型仿真计算得到变压器绕组电学与力学强度，通过应力强度干涉模型求得变压器过电压故障率信息。
28.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。