一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法及系统

本发明属于设备智能化与数字化，具体涉及一种构建有载分接开关电弧传热的数字孪生体的方法及系统。

背景技术：

1、有载分接开关是变压器的核心组成部件之一，其能够在保证不中断负载电流的情况下，实现调压的目的，保障分接开关的运行可靠性是实现电力系统正常运行的基础。由于负载电流的存在，开关接触件之间的间隙容易引起电弧现象，而电弧则会产生高温和高压，可能会损坏接触件、绝缘和周围设备。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法及系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，包括以下步骤：

4、根据有载分接开关的切换过程中的电弧电压和电弧电流波形，计算电弧能量和燃弧功率；并根据装在有载分接开关油室入口处的油流传感器获取入口油流速度；

5、根据所述燃弧功率和所述入口油流速度，基于有限体积流体仿真软件对有载分接开关油中电弧故障传热状态进行仿真，构建不同工况下有载分接开关电弧传热温度场的全阶仿真模型；

6、采用稳态和暂态模型降阶方法对所述全阶仿真模型进行降阶，生成数字孪生体。

7、进一步地，所述电弧能量的计算表达式为：

8、

9、式中，u(t)为开关端部电压；i(t)为开关电流；t1、t2分别为燃弧起止时间；w为燃弧能量。

10、进一步地，所述燃弧功率的计算表达式为：

11、p＝w/δt

12、式中，p为燃弧功率。

13、进一步地，所述稳态模型降阶方法中，采用pod-响应面模型构建有载分接开关电弧故障稳态热场降阶模型；具体步骤为：

14、s311，选取n个不同的工况，采用稳态仿真方法构建电弧故障传热状态全阶模型；

15、s312，将m个不同节点的温度场以列向量的形式表示，每种工况下对应的温度场向量称之为快照，则不同工况下的快照可以拼接成m﹡n维的快照矩阵mm*n；

16、s313，然后对快照矩阵进行pod降维，通过提取快照矩阵的前r阶pod模态构建降维子空间，将整个快照矩阵投影到该降维子空间上，计算出每个快照的pod系数，最后通过响应面模型构建不同的工况与pod系数之间的映射关系，即可构建有载分接开关电弧故障稳态热场降阶模型。

17、进一步地，所述pod-响应面模型的构建方法包括：

18、1)首先对快照矩阵进行svd分解，即将快照矩阵mm*n分解成m＝uσvt的形式，其中um*m和vn*n均为正交矩阵，σ为对角矩阵，其对角线上的元素按照奇异值由大到小的顺序排列；

19、2)选取矩阵u中的前r项作为基函数，构成r维的线性子空间u'm*r，则对于矩阵m的每个快照，都可用pod基函数的线性组合来表示，求解得每组的pod系数αi；

20、3)通过多元二次回归构建不同工况与pod系数之间的响应面模型。

21、6、根据权利要求5所述的一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，其特征在于，不同工况与pod系数之间的响应面模型表达式为：

22、

23、式中，α为输出变量，β为变量系数，x为输入变量，ε为观测误差。

24、进一步地，所述暂态模型降阶方法中，采用dmd-pod-lstm神经网络模型构建有载分接开关电弧故障暂态热场降阶模型；具体步骤为：

25、s321，当运行工况随时间变化时，采用暂态仿真方法构建电弧故障传热状态全阶模型；

26、s322，将m个不同节点的温度场以列向量的形式表示，每个时间点对应的温度场向量称之为快照，则n个不同时间节点下的快照可以拼接成m﹡n维的快照矩阵；

27、s323，快照矩阵进行dmd提取主要流场，将t时刻的快照记为xt,设xt＝axt-1，通过近似求解矩阵a来表示对快照矩阵进行降维，提取主要的dmd模态。

28、进一步地，所述dmd-pod-lstm神经网络模型的构建方法包括以下步骤：

29、1)将快照矩阵通过dmd之后的残差矩阵进行pod降维，通过提取残差矩阵的前r阶pod模态构建降维子空间，将整个快照矩阵投影到该降维子空间上，计算出每个快照的pod系数；

30、2)然后通过lstm神经网络构建不同时间节点的工况与pod系数之间的映射关系。

31、9一种面向有载分接开关油中电弧传热的数字孪生体，包括：

32、数据传感层：用于采集有载分接开关切换过程中的电弧电压、电弧电流波形以及分接开关油室入口油流速度；

33、孪生模型层：包括有载分接开关油中电弧传热温度场降阶模型，降阶模型的激励电弧功率p及油流速度v，响应为分接开关油室热场的温度分布，用于实现油室热场的模型降阶，高效快速的计算温度分布；

34、以及，用户交互层：用于为用户提供可视化交互界面，

35、一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的系统，包括：

36、数据采集模块：根据有载分接开关的切换过程中的电弧电压和电弧电流波形，计算电弧能量和燃弧功率；并根据装在有载分接开关油室入口处的油流传感器获取入口油流速度；

37、仿真模块：根据所述燃弧功率和所述入口油流速度，基于有限体积流体仿真软件对有载分接开关油中电弧故障传热状态进行仿真，构建不同工况下有载分接开关电弧传热温度场的全阶仿真模型；

38、以及，降阶模块：采用稳态和暂态模型降阶方法对所述全阶仿真模型进行降阶，生成数字孪生体。

39、本发明的有益效果：

40、1、本发明集成了多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，通过数据驱动建模方式，采用大数据及机器学习建模方式构建了有载分接开关油中电弧传热状态的数字孪生体，实现了对于有载分接开关油中热场状态的实时动态监测，大大降低了有载分接开关状态监测成本，提高了有载分接开关热场状态监测结果的实时性与精准性。

41、2、本发明将数据驱动建模方法用于有载分接开关多物理场建模，所建立的模型容易实现、模型易于更新，且具有良好的精度和一定的抗干扰性。

42、3、本发明建立了有载分接开关三维可视化系统，并将设备的运行状态实时准确的展示给用户，构建了清晰直观的用户界面，增强了数据的交互性，大大提高数据分析的效率，有助于管理人员的运营决策。

技术特征：

1.一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，其特征在于，电弧能量的计算表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，其特征在于，所述燃弧功率的计算表达式为：

4.根据权利要求1所述的一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，其特征在于，所述稳态模型降阶方法中，采用pod-响应面模型构建有载分接开关电弧故障稳态热场降阶模型；具体步骤为：

5.根据权利要求4所述的一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，其特征在于，所述pod-响应面模型的构建方法包括：

6.根据权利要求5所述的一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，其特征在于，不同工况与pod系数之间的响应面模型表达式为：

7.根据权利要求1所述的一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，其特征在于，所述暂态模型降阶方法中，采用dmd-pod-lstm神经网络模型构建有载分接开关电弧故障暂态热场降阶模型；具体步骤为：

8.根据权利要求7所述的一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法，其特征在于，所述dmd-pod-lstm神经网络模型的构建方法包括以下步骤：

9.一种面向有载分接开关油中电弧传热的数字孪生体，其特征在于，包括：

10.一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种构建有载分接开关电弧传热数字孪生体的方法及系统，属于设备智能化与数字化技术领域；构建方法包括：根据有载分接开关的切换过程中的电弧电压和电弧电流波形，计算电弧能量和燃弧功率；并根据装在有载分接开关油室入口处的油流传感器获取入口油流速度；根据所述燃弧功率和所述入口油流速度，基于有限体积流体仿真软件对有载分接开关油中电弧故障传热状态进行仿真，构建不同工况下有载分接开关电弧传热温度场的全阶仿真模型；采用稳态和暂态模型降阶方法对所述全接仿真模型进行降阶，生成数字孪生体；实现油中热场分布与数字孪生体之间的数据镜像和信息交互，实现运行过程孪生；便于故障的快速定位和处理。

技术研发人员：仲林林,张淑文
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14