一种变压器电场时域仿真方法和系统与流程

本发明涉及变压器电场仿真，尤其涉及一种变压器电场时域仿真方法和系统。

背景技术：

1、电力变压器是用来变换交流电压和电流的设备，主要作用是实现电网的电压升高和降低，以适应不同负载的电压要求。电力变压器能够实现电能的传递和分配，使得电能可以在不同电压范围内传递和分配。通过电力变压器的变压变流作用，电能可以达到在不同地理位置和使用场合所需的电压等级和电流值，从而实现电力的高效传输和利用。

2、电力变压器时域电场仿真可以帮助工程师预测变压器在不同电路条件下的工作情况，变压器时域电场仿真可以预测电场分布和强度、评估变压器绝缘性能、优化变压器设计和分析故障原因，可以提高电力系统的可靠性和稳定性并减少设备故障和损坏的风险。时域有限差分法(fdtd)是计算电磁波传播和辐射场最常用的数值模拟方法之一。其基本思想是将求解区域离散成一个个网格，利用空间和时间上的差分方程表示电磁场在每一个离散时空点的关系，并通过时间上的迭代求解方法，逐步计算电磁场的时域演化规律。fdtd算法的主要优点包括适用于计算一般非线性、非均匀、各向异性媒质中的电磁波传播，可进行宏观物理过程的定性和定量分析，算法普适性好，可以用于求解各类电磁波问题。由于其简单、精确、高效的特点，在电力变压器仿真中也得到了广泛的应用。

3、fdtd算法在时间上采用步进式迭代求解方式，为满足稳定性判据，每段步进式时间步长通常为纳秒级甚至更小，对一段微秒级时域暂态过程需要迭代上万步，而仿真一段毫秒级时域暂态过程则需要迭代百万步以上。应用fdtd算法计算电力变压器仿真的每段时间步长月耗费1秒，则微秒级时域暂态过程的计算时间约为数小时，而毫秒级时域暂态过程的计算时间约为数周。因此当时域暂态过程的时间跨度大时，fdtd算法的计算量过大，难以满足工程仿真计算的要求。因此，如何提高基于fdtd的变压器时域电场仿真效率，为变压器内部电场分布计算、变压器绝缘性能评估、变压器设计优化和故障原因分析提供技术支撑是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种变压器电场时域仿真方法和系统，用于解决现有的基于fdtd的变压器时域电场仿真方法效率低，难以为变压器内部电场分布计算、变压器绝缘性能评估、变压器设计优化和故障原因分析提供技术支撑的技术问题。

2、有鉴于此，本发明第一方面提供了一种变压器电场时域仿真方法，包括：

3、s1、基于fdtd算法的基本计算参数构建变压器几何模型，fdtd算法的基本计算参数包括计算区域范围和网格离散策略；

4、s2、在每个网格的任意一个正交方向上，根据前一个时间步长的电场向量和前半个时间步长环绕电场向量的四个磁场向量，更新当前时间步长的电场向量；

5、s3、在每个网格的任意一个正交方向上，根据前一个时间步长的磁场向量和前半个时间步长环绕磁场向量的四个电场向量，更新当前时间步长的磁场向量；

6、s4、判断当前是否达到迭代次数或当前时间步长的电场向量与磁场向量是否满足收敛条件，若是，则将当前时间步长的电场向量与磁场向量作为目标电场向量和目标磁场向量进行输出，执行步骤s5，否则，返回步骤s2；

7、s5、判断电场向量绝对值和电磁信号波长是否符合频率缩比数学模型应用条件，若是，则对输出的目标电场向量进行时域-频域变换，得到高频电场频域离散序列，频率缩比数学模型应用条件为：

8、|σc+jωcεc|＞＞ωcεd

9、

10、其中，σc为变压器导体在低频下的等效电导率，ω为低频下的离散角频率，εc为变压器导体的介电常数，εd为电介质的介电常数，λd为电磁波在变压器电介质中的波长，l为被仿真变压器的几何尺寸；

11、s6、基于频率缩比数学模型对电场波形的频域离散序列进行低频下的变压器内部电场分布，频率缩比数学模型为：

12、

13、其中，ec(ω)为低频下的变压器内部电场分布，e′c(ω)为高频电场频域离散序列，ω'为高频下的离散角频率，σ'c为变压器导体在高频下的等效电导率，εc'为变压器导体在高频下的介电常数。

14、可选地，步骤s5包括：

15、采用离散傅里叶法对输出的目标电场向量进行时域-频域变换，得到高频电场频域离散序列，时域-频域变换公式为：

16、

17、其中，e(q)为目标电场向量的时域离散序列，n为总时间步数，q为时间步数。

18、可选地，更新当前时间步长的电场向量的方程为：

19、

20、

21、

22、其中，i、j和k为基于fdtd离散网格的电场向量位置编号，q为时间步数，和为x、y、z三个正交方向上对应位置编号和时间步数的电场向量，δt为时间步长，δx、δy和δz为x、y、z三个正交方向上的最小网格尺寸，和为x、y、z三个正交方向上对应位置编号和时间步数的磁场向量。

23、可选地，更新当前时间步长的磁场向量的方程为：

24、

25、

26、

27、其中，μm为磁导系数，σ为磁导率。

28、可选地，fdtd算法的基本计算参数还包括空间步长、时间步长、计算停止判据、吸收边界和激励波形。

29、本发明第二方面提供了一种变压器电场时域仿真系统，包括：

30、变压器模型构建模块，用于基于fdtd算法的基本计算参数构建变压器几何模型，fdtd算法的基本计算参数包括计算区域范围和网格离散策略；

31、电场向量更新模块，用于在每个网格的任意一个正交方向上，根据前一个时间步长的电场向量和前半个时间步长环绕电场向量的四个磁场向量，更新当前时间步长的电场向量；

32、磁场向量更新模块，用于在每个网格的任意一个正交方向上，根据前一个时间步长的磁场向量和前半个时间步长环绕磁场向量的四个电场向量，更新当前时间步长的磁场向量；

33、第一判断模块，用于判断当前是否达到迭代次数或当前时间步长的电场向量与磁场向量是否满足收敛条件，若是，则将当前时间步长的电场向量与磁场向量作为目标电场向量和目标磁场向量进行输出，跳转至第二判断模块，否则，返回跳转至电场向量更新模块；

34、第二判断模块，用于判断电场向量绝对值和电磁信号波长是否符合频率缩比数学模型应用条件，若是，则对输出的目标电场向量进行时域-频域变换，得到高频电场频域离散序列，频率缩比数学模型应用条件为：

35、|σc+jωcεc|＞＞ωcεd

36、

37、其中，σc为变压器导体在低频下的等效电导率，ω为低频下的离散角频率，εc为变压器导体的介电常数，εd为电介质的介电常数，λd为电磁波在变压器电介质中的波长，l为被仿真变压器的几何尺寸；

38、低频电场分布输出模块，用于基于频率缩比数学模型对电场波形的频域离散序列进行低频下的变压器内部电场分布，频率缩比数学模型为：

39、

40、其中，ec(ω)为低频下的变压器内部电场分布，e′c(ω)为高频电场频域离散序列，ω'为高频下的离散角频率，σ'c为变压器导体在高频下的等效电导率，εc'为变压器导体在高频下的介电常数。

41、可选地，第二判断模块具体用于：

42、采用离散傅里叶法对输出的目标电场向量进行时域-频域变换，得到高频电场频域离散序列，时域-频域变换公式为：

43、

44、其中，e(q)为目标电场向量的时域离散序列，n为总时间步数，q为时间步数。

45、可选地，更新当前时间步长的电场向量的方程为：

46、

47、

48、

49、其中，i、j和k为基于fdtd离散网格的电场向量位置编号，q为时间步数，和为x、y、z三个正交方向上对应位置编号和时间步数的电场向量，δt为时间步长，δx、δy和δz为x、y、z三个正交方向上的最小网格尺寸，和为x、y、z三个正交方向上对应位置编号和时间步数的磁场向量。

50、可选地，更新当前时间步长的磁场向量的方程为：

51、

52、

53、

54、其中，σm为磁导系数，μ为磁导率。

55、可选地，fdtd算法的基本计算参数还包括空间步长、时间步长、计算停止判据、吸收边界和激励波形。

56、从以上技术方案可以看出，本发明提供的变压器电场时域仿真方法和系统具有以下优点：

57、本发明提供的变压器电场时域仿真方法，基于fdtd算法的基本计算参数构建变压器几何模型，然后更新计算区域内的电场向量和磁场向量，直到满足计算停止判据，输出最终的时域电场向量和磁场向量计算结果，然后对输出的电场向量进行时域-频域变换，由频率缩比技术推导低频下的变压器内部电场分布，相比传统fdtd算法可将计算时间缩短约106倍，可以极大提升变压器电场时域仿真效率，改善传统fdtd算法对于时域低频仿真的不足，解决了现有的基于fdtd的变压器时域电场仿真方法效率低，难以为变压器内部电场分布计算、变压器绝缘性能评估、变压器设计优化和故障原因分析提供技术支撑的技术问题。

58、本发明提供的变压器电场时域仿真系统，用于执行本发明提供的变压器电场时域仿真方法，其原理与所取得的技术效果与本发明提供的变压器电场时域仿真方法相同，在此不再赘述。