低压交流电弧数字孪生模型

1.本发明属于电弧研究技术领域，尤其涉及一种低压交流电弧数字孪生模型。


背景技术：

2.随着科学技术和社会经济的发展，为了满足人们对电能的需求，越来越多的低压开关电器设备投入使用，使得人们更加注重于低压电器触头分断的可靠性能，其中电弧是制约其分断可靠性能的主要因素，为降低电弧对低压开关电器的危害，保障供电运行的安全可靠，因此对于低压电弧的研究具有重要的意义。目前的研究中，电弧实验和电弧模型仿真之间的研究是割裂的，没有一个有效的方法将两者联系起来，无法达到电弧物理实验系统与模拟仿真模型的融合。随着低压开关设备的数字化转型以及智能化方向上的发展，构建低压交流电弧的数字孪生交互模型成为低压电器智能化发展急需解决的问题。
3.现有研究表明，电弧的电压波形包含丰富的电弧特征信息。电弧是否熄灭取决于电流过零后的极短时间内介质恢复强度与电压恢复强度的竞争。


技术实现要素：

4.考虑电弧的电压波形含有反映燃弧趋势特征的有用信息，提取电弧电压的小波能量谱特征值，利用小波能量谱特征值与电弧燃烧趋势具有相关性的特征，可以把小波能量谱特征值作为实现数字孪生虚实要素之间数据传输与信息交换的纽带。与此同时，随着信息感知技术、虚实映射技术、数模联动技术的发展，使得利用电弧物理实验平台和仿真软件构建电弧数字孪生模型成为了可能。
5.针对现有技术的缺陷和不足，以及未能够实现的构想和设计，本发明通过把电弧物理实验系统作为数字孪生模型中的实体平台，把基于comsol的电弧仿真实验平台作为虚拟平台，将电弧电压的小波能量谱特征值作为虚实平台之间交互与连接的桥梁，提出的一种适用于交流380v及以下系统的低压交流电弧数字孪生模型。
6.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种低压交流电弧数字孪生模型，其特征在于：包括：电弧物理实验平台和cosmol电弧仿真模型；以电弧电压的小波能量谱特征值为中介来完成电弧虚实平台之间电弧信息的交互映射；通过采集电弧物理实验平台中电弧电压变化的特征数据，动态修正仿真模型参数，使仿真模型更贴近电弧实际运动过程，并将仿真模型得到的结果反馈到电弧实验的实体平台上。
7.进一步地，所述电弧物理实验平台中，通过设置电弧实验参数控制电极进行闭合分断运动，电弧实验参数至少包括：电极间隙、电极分断速度、负载类型、背景气体成分、环境气压；使电弧发生装置产生相应的电弧；所述电弧物理实验平台具备实时获取电弧燃烧的整个过程中电弧电压的波形数据，并进一步利用系统内嵌的小波能量谱变换算法对这些波形数据进行分析处理，提取出小波能量谱特征参量的功能。
8.进一步地，所述cosmol电弧仿真模型是基于计算机系统搭建的基于comsol仿真软
件搭建的电弧仿真平台，通过仿真平台仿真模拟出与电弧物理实验平台中所测电弧电压波形的虚拟镜像，利用仿真得到的电弧电压波形的虚拟镜像做电弧灭弧趋势的仿真优化，以达到数字孪生模型以虚优实的目的；电弧仿真平台以电弧磁流体模型作为仿真模型，由所述电弧物理实验平台中的实验装置构建电弧发生装置的几何模型，并利用仿真软件中的动态网格技术模拟仿真电极的运动过程，仿真参数设定包括电弧物理实验平台中的电弧实验参数以及仿真模型中电阻和热源的设置，最终在网格划分完后计算得到与电弧实验所测电压波形相近的电弧电压波形。
9.进一步地，所述电弧物理实验平台将电弧实验中电弧电压波形的数据采集后，提取小波能量特征值并传输到cosmol电弧仿真模型中，cosmol电弧仿真模型中的仿真参数设定环节根据小波特征值在磁流体模型中的设置电阻和热源的数值与时间段，从而仿真得到实验测得与实测相近的电弧电压波形，并将电弧灭弧趋势的仿真优化结果参数传输到电弧物理实验平台的设置电弧实验参数环节中，使得电弧物理实验平台在设置更加合理的实验参数的条件下得到在虚拟实验平台中预估到的实验结果，并将电弧物理实验平台中所得结论与cosmol电弧仿真模型中仿真优化所得结论进行对比，若不一致则返回到电弧物理实验平台中的设置电弧实验参数环节中，若结果所得一致则输出最后得到的结论，实现电弧信息交互的目的。
10.与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下两个创新点和优势：1、将数字孪生模型的概念引入到电弧模型研究中，利用小波能量谱特征值作为数字孪生模型的交互桥梁将电弧的实验平台与仿真平台结合起来。
11.2、利用数字孪生模型，实现低压交流电弧的全过程动态仿真，弥补了现有仿真模型只能进行稳定电弧分析的不足。
附图说明
12.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：图1是本发明实施例电弧数字孪生模型结构图。
具体实施方式
13.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
14.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
15.本发明实施例方案的电弧数字孪生模型是利用电弧物理实验平台和cosmol电弧仿真模型相结合，以电弧电压的小波能量谱特征值作为电弧虚实平台的关系纽带，完成电弧信息的交互映射，通过采集电弧物理实验中电弧电压变化的特征数据，动态修正仿真模型参数，使仿真模型更贴近电弧实际运动过程。同时，将仿真模型得到的结果反馈到电弧实
验的实体平台上。该电弧数字孪生模型结构如图1所示。
16.图中模块1为电弧物理实验平台，通过该平台设置合适的电弧实验参数来控制电极进行闭合分断运动，电弧实验参数包括电极间隙、电极分断速度、负载类型、背景气体成分、环境气压等，使得电弧发生装置产生相应的电弧，同时该平台可以实时准确地获取电弧燃烧的整个过程中电弧电压的波形数据，并进一步利用系统内嵌的小波能量谱变换算法对这些波形数据进行分析处理，提取出小波能量谱特征参量。
17.图中模块2为电弧仿真平台，该平台是基于comsol仿真软件搭建的，通过该仿真平台仿真模拟出与模块1中所测电弧电压波形的虚拟镜像，利用仿真得到的电弧电压波形的虚拟镜像做电弧灭弧趋势的仿真优化，来达到数字孪生模型以虚优实的目的。电弧仿真平台是以电弧磁流体模型作为仿真模型，由模块1中的实验装置来构建电弧发生装置的几何模型，并利用仿真软件中的动态网格技术来模拟仿真电极的运动过程，模块2中的仿真参数设定包括模块1中的电弧实验参数以及仿真模型中电阻和热源的设置，最终在网格划分完后计算得到与电弧实验所测电压波形相近的电弧电压波形。
18.在模型的信息交互方面，模块1将电弧实验中电弧电压波形的数据采集后，提取其小波能量特征值并将其传输到模块2中，模块2中的仿真参数设定环节根据小波特征值在磁流体模型中的设置电阻和热源的数值与时间段，从而仿真得到实验测得与实测相近的电弧电压波形，并将电弧灭弧趋势的仿真优化结果参数传输到模块1的设置电弧实验参数环节中，使得模块1在设置更加合理的实验参数的条件下得到在虚拟实验平台中预估到的实验结果，并模块1中实验所得结论与模块2中仿真优化所得结论进行对比，若不一致则返回到模块1中的设置电弧实验参数环节中，若结果所得一致则输出最后得到的结论，完成电弧信息交互的目的。
19.本方案主要涉及电弧发生实验装置和电弧仿真技术平台，以及数字孪生模型概念框架，此模型主要针对的是交流220v及以下的交流电弧，目的在于克服电弧实验研究与仿真研究之间易形成信息孤岛的问题，有利于电弧虚拟仿真平台与实验平台之间的信息交互，使电弧仿真模型更接近于实际电弧从起弧到熄灭的全过程。
20.作为优选的设计方案，主要包括以下几个关键模块：（1）电弧实验实体平台（模块1）：模块1中系统电路由交流220v工频电源与负载、电极串联组成，其中电极是可拆卸的，可以根据不同材料的电弧燃弧实验进行更换安装，电弧实验的电路参数包括负载大小类型等可在外电路中实现，而电极参数包括电极分断距离、电极运动速度等可在系统的上位机界面上设置，电极的运动是由连接电极的步进电机控制，步进电极带动电极实现闭合与分断动作并产生电弧；背景气体更换和环境气压则是在密闭的实验装置中进行；在数据采集方面，以研华pci-1710u多功能数据采集卡作为核心，主要采集触头两端的电弧电压数据，电压互感器采用的是lv25-p，将采集到的电弧电压波形经过系统内嵌的小波能量谱算法变换得到其特征值，最后上位机将得到的小波能量谱特征值传输至模块2中。
21.（2）电弧仿真虚拟平台（模块2）：模块2为基于comsol仿真软件建立的电弧仿真虚拟平台，模块2的目的是为了仿真得到模块1采集到的电弧电压波形一样的波形，由于模块1的电弧实验是在电源为220v工频交流电的条件下，产生的电弧满足局部热力学平衡，在模块2上的电弧仿真模块中构建磁流体电弧模型较为合理，然后构建出与模块1中的电极模型
相对应的几何模型，在仿真参数的设定上，根据模块1的电弧实验参数设置相应的仿真参数，以及通过模块1中提取的小波能量谱特征值在comsol软件中通过在电极间隙中添加8
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w/m3的热源分段函数将电弧电压波形分成稳定燃烧部分和不稳定燃烧部分进行仿真，其次再设置相应的电阻分段函数，在电弧稳定燃弧阶段电阻值为5ω，电弧不稳定燃弧阶段电阻值为50ω，仿真得到与实测电弧电压波形相仿的电弧电压波形数据，为了验证仿真的正确性，提取仿真波形的小波能量谱特征值与对应时刻的实测得到的数据进行对比，将该时刻两者的差值除以该时刻实测波形的小波能量特征值，若比值不超过8%，则应返回到参数设定的步骤，对电阻以及热源的分段函数进行修改，否则进行下一步。在电弧灭弧趋势的仿真优化环节上，对在不同仿真参数条件下的电弧电压的小波能量谱特征值进行对比。当电弧处于趋于熄灭的不稳定燃弧阶段，电弧电压的小波能量谱特征值处于稳定燃弧时数量级的2.5倍及以下；当电弧熄灭时，电弧电压的小波能量谱特征值会增大到其稳定燃弧时数量级的3倍以上。即依据在不同仿真参数条件下电弧电压的小波能量谱特征值的数值变化来对电弧的熄灭效果完成评价，并将结论数据反馈到模块1的电弧实验参数设置中，使得模块1中的电弧实验根据仿真优化结果来调整实验参数，并提取重设参数后的电弧电压波形的小波能量谱特征值与模块2中仿真优化的结果进行对比，若结果不一致则返回到模块2中参数设定的步骤，对电阻以及热源的分段函数进行修改，否则认为实验与仿真结果一致，保持当前实验参数和仿真参数设置，实现低压交流电弧的全过程动态仿真。
22.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
23.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的低压交流电弧数字孪生模型，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。