一种换流变压器电场数字孪生模型构建方法

1.本发明涉及电力设备状态评估领域，尤其是一种换流变压器电场数字孪生 模型构建方法。


背景技术：

2.数字孪生技术通过基于产品的自我学习、快速迭代和演变，减少产品设计 与制造、系统规划的时间，实现了产品性能的持续优化，也因此成为企业产品 数字化转型的核心技术。目前数字孪生在航天航空、智慧城市、医疗等领域已 成功应用，数字孪生技术在工业界已迎来快速发展期。数字孪生是电力装备智 能化、数字化转型的关键技术之一，电力装备领域数的数字孪生可服务于高价 值电力装备的优化设计与预测性维护，因此具有重要价值。直流输电是优化我 国能源配置的关键技术手段，而换流变是直流输电的核心设备。区别于普通变 压器，换流变压器的电压等级更高、工作环境更加恶劣，其阀侧绕组不仅承受 交直流叠加的混合电压，还要承受大量谐波电压。由电场导致的其绝缘故障明 显高于传统交流变压器，而现场较难直接对换流变压器电场进行监测，因此， 构建换流变电场数字孪生模型，实时、精确的掌握换流变压器主绝缘电场分布 具有十分重大的意义。


技术实现要素：

3.本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种换流变压器电场 数字孪生模型构建方法，以构建出一种高计算效率的电场计算模型。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种换流变压器电场数字孪生模型构建方法，包括：
6.构建换流变压器主绝缘全尺寸模型，基于电场不变原则对绝缘纸板和相邻 油隙进行简化，形成主绝缘简化模型；
7.分别对所述主绝缘简化模型的阀侧绕组施加交流电压、直流电压和极性反 转电压三种激励，对应求解主绝缘电场，得到三种激励下的主绝缘电场分布；
8.基于本征正交分解法提取三种激励下的主绝缘电场分布的模态，构建主绝 缘电场计算降阶模型；
9.对所述主绝缘电场计算降阶模型进行验证，若验证通过，则将所述主绝缘 电场计算降阶模型作为电场数字孪生模型，若验证不通过，则重新提取三种激 励下的主绝缘电场分布的模态来重新构建主绝缘电场计算降阶模型，直至验证 通过。
10.进一步的，所述基于电场不变原则对绝缘纸板和相邻油隙进行简化，包括：
11.将绝缘纸板和油隙分别拓宽1倍，且满足施加相同的电压后，对于拓宽的 绝缘纸板和油隙承受的场强与主绝缘全尺寸模型相同。
12.进一步的，所述交流电压为：
13.14.式中，u
dm
为每个阀桥最高直流电压；n为从直流线路中性点至与变压器 相连的整流桥间所串接的六脉动桥的数量；u
vm
为换流变压器阀侧绕组最大相 电压；
15.所述直流电压为：
16.u
dc
＝1.5[(n
‑
0.5)u
dm
+0.7u
pr
]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0017]
式中，u
pr
为阀侧绕组最大相间交流工作电压；
[0018]
所述极性反转电压为：
[0019]
u
pr
＝1.25[(n
‑
0.5)u
dm
+0.35u
vm
]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
施加极性反转电压时，施加正极性电压5400s，极性反转时间为60s，再 施加负极性电压5400s，再通过60s完成极性反转。
[0021]
进一步的，所述基于本征正交分解法提取三种激励下的主绝缘电场分布的 模态，构建主绝缘电场计算降阶模型，包括：
[0022]
对三种激励下的主绝缘电场分布，选出s个时间节点的场阈电位作为样本 数据，得到样本集{ψ1,ψ2,.....,ψ
s
}，其中，向量ψ
i
为第iδt时刻场域节点电位组 成的列向量n为场域剖分后的节点个数；
[0023]
设样本数据的一组标准正交基为{ξ1,ξ2,.....,ξ
s
}，则空间中任意点的场域电位 可表示为：截取其前d项，有：以截取前后 误差最小为目标函数，根据下式求取所述标准正交基
[0024][0025]
以所述标准正交基对场域电位进行重构，以重构后的场域电位带入求解电 位的有限元离散代数方程。
[0026]
进一步的，所述基于本征正交分解法提取三种激励下的主绝缘电场分布的 模态，构建主绝缘电场计算降阶模型，包括：
[0027]
对三种激励下的主绝缘电场分布，选出若干时间节点的场阈电位作为样本 数据，得到样本集，样本集合成样本矩阵；
[0028]
将样本矩阵左奇异值矩阵的列向量由大到小排序，截取前预定数量的特征 值构成样本集的标准正交基；
[0029]
以所述标准正交基对场域电位进行重构，以重构后的场域电位带入求解电 位的有限元离散代数方程。
[0030]
进一步的，所述对主绝缘电场计算降阶模型进行验证，包括：
[0031]
对所述主绝缘电场计算降阶模型施加实测的阀侧电压，在计算时间和计算 误差均满足预定要求时，验证通过。
[0032]
进一步的，对应于所述计算时间的预定要求为：在秒级时间内计算出主绝 缘电场分布；对应于所述计算误差的预定要求为：主绝缘电场计算降阶模型的 计算结果与实测结果对比误差小于5％。
[0033]
进一步的，所述主绝缘全尺寸模型包括网侧绕组、阀侧绕组、分接绕组、 静电环、绝缘纸板、绝缘油隙、横向和纵向油道、挡油板和铁芯。
[0034]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0035]
1、当前换流变电场分析模型多采用二维截面模型，误差较大，本发明利 用保持电场不变的原则，对主绝缘全尺寸模型的绝缘纸板和油隙进行了等效， 可显著减少计算时的网格，提高计算效率。
[0036]
2、本发明分别对换流变的阀侧绕组施加交流电压、直流电压、极性反转 电压计算其电场分布后，然后才进行本征正交分解算法的所需的瞬像提取，该 步骤提高了所提取模态的全面性，解决了当前基于本征正交分解算法进行模型 降阶时所提取的模态不能表征场分布的全部信息的问题。
[0037]
3、本发明设计了验证环节，给出了从计算时效性和计算精度方面两个方 向考虑对降阶模型能否作为电场数字孪生模型的判据，可以确保最终生成模型 的计算时效性和计算精度。
附图说明
[0038]
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0039]
图1是换流变压器电场数字孪生模型构建方法的流程图。
[0040]
图2是基于场强等效法对绝缘纸板和相邻油隙的电场模型进行简化的示意 图。图3是换流变压器电场数字孪生模型构建方法的另一实施例。
具体实施方式
[0041]
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互 相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0042]
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别 叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙 述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0043]
实施例一
[0044]
本实施例公开了一种换流变压器电场数字孪生模型构建方法，如图1所示， 包括：
[0045]
a.构建换流变压器主绝缘全尺寸模型，基于电场不变原则对绝缘纸板和相 邻油隙进行简化，形成主绝缘简化模型。
[0046]
换流变压器主绝缘全尺寸模型包括网侧绕组、阀侧绕组、分接绕组、静电 环、绝缘纸板、绝缘油隙、横向和纵向油道、挡油板和铁芯。
[0047]
在一些实施例中，如图2所示，上述的“基于电场不变原则对绝缘纸板和 相邻油隙进行简化”的方法包括：将绝缘纸板和油隙分别拓宽1倍，且满足施 加相同的电压后，对于拓宽的绝缘纸板和油隙承受的场强与主绝缘全尺寸模型 相同。
[0048]
b.分别对所述主绝缘简化模型的阀侧绕组施加交流电压、直流电压和极性 反转电压三种激励，对应求解主绝缘电场，得到三种激励下的主绝缘电场分布。
[0049]
在一些实施例中，上述施加的交流电压为：
[0050][0051]
式中，u
dm
为每个阀桥最高直流电压；n为从直流线路中性点至与变压器 相连的整流桥间所串接的六脉动桥的数量；u
vm
为换流变压器阀侧绕组最大相 电压；
[0052]
上述施加的直流电压为：
[0053]
u
dc
＝1.5[(n
‑
0.5)u
dm
+0.7u
pr
]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
式中，u
pr
为阀侧绕组最大相间交流工作电压；
[0055]
上述施加的极性反转电压为：
[0056]
u
pr
＝1.25[(n
‑
0.5)u
dm
+0.35u
vm
]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0057]
施加极性反转电压时，施加正极性电压5400s，极性反转时间为60s，再 施加负极性电压5400s，再通过60s完成极性反转。
[0058]
c.基于本征正交分解法提取三种激励下的主绝缘电场分布的模态，构建主 绝缘电场计算降阶模型。
[0059]
d.对所述主绝缘电场计算降阶模型进行验证，若验证通过，则将所述主绝 缘电场计算降阶模型作为电场数字孪生模型，若验证不通过，则重新提取三种 激励下的主绝缘电场分布的模态来重新构建主绝缘电场计算降阶模型，直至验 证通过。
[0060]
在一些实施例中，如图3所示，上述对所述主绝缘电场计算降阶模型进行 验证，包括：对所述主绝缘电场计算降阶模型施加实测的阀侧电压，在计算时 间和计算误差均满足预定要求时，验证通过。对于主绝缘电场计算降阶模型的 验证，在一些实施例中，综合考虑了时效性和计算精度，对应于所述计算时间 的预定要求为：在秒级时间内计算出主绝缘电场分布；对应于所述计算误差的 预定要求为：主绝缘电场计算降阶模型的计算结果与实测结果对比误差小于 5％。
[0061]
实施例二
[0062]
本实施例公开了实施例一中步骤c的一种实现方法。
[0063]
对三种激励下的主绝缘电场分布，选出s个时间节点的场阈电位作为样本 数据，得到样本集{ψ1,ψ2,.....,ψ
s
}，其中，向量ψ
i
为第iδt时刻场域节点电位组 成的列向量n为场域剖分后的节点个数；
[0064]
设样本数据的一组标准正交基为{ξ1,ξ2,.....,ξ
s
}，则空间中任意点的场域电位 可表示为：截取其前d项，有：以截取前后 误差最小为目标函数，根据下式求取所述标准正交基
[0065][0066]
以所述标准正交基对场域电位进行重构，以重构后的场域电位带入求解电 位的有限元离散代数方程。
[0067]
实施例三
[0068]
本实施例提出了一种求解实施例二中标准正交基的方法。
[0069]
本实施例中，将式(4)中的极值问题转换为以下特征值问题：
[0070]
aξ＝λξ
ꢀꢀꢀ
(5)
[0071]
式中，a＝yy
t
∈r
n
×
n
；y＝[ψ1,ψ2,.....,ψ
s
]∈r
n
×
s
为样本集合成的样本矩阵。
[0072]
将样本矩阵进行奇异值分解，
[0073]
y＝u∑
σ
v
t
ꢀꢀꢀ
(6)
[0074]
有
[0075][0076]
式中，u＝[u1,u2,.....,u
n
]∈r
n
×
n
，v＝[v1,v2,.....,v
n
]∈r
s
×
s
[0077]
基于式(7)可以看出，欲求取的标准正交基为yy
t
的特征向量，即样本矩 阵左奇异值矩阵u的列向量。
[0078]
因此，将样本矩阵左奇异值矩阵u的列向量由大到小排序，截取前预定数 量d(d为正整数)的特征值构成样本集的标准正交基：
[0079]
ξ
i
＝u
i
(i＝1、2、...d)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0080]
即，对于标准正交基的求解，可以直接将样本矩阵左奇异值矩阵的列向量 由大到小排序，截取前预定数量的特征值构成样本集的标准正交基。
[0081]
进一步的，上述以所述标准正交基对场域电位进行重构，包括：
[0082]
基于前述截取后的正交基p＝[ξ1,ξ2,...,ξ
d
]∈r
n
×
d
对场域电位进行重构，得到：
[0083][0084]
则基于截取后的标准正交基有：
[0085]
重构样本数据(即重构场域电位)后的截断误差为：
[0086][0087]
该误差需控制在5％以内。
[0088]
进一步的，将替代ψ带入求解电位的有限元离散代数方程，便可得到降 阶后的求解电位的有限元离散代数方程，原求解电位的有限元离散代数方程就 由n阶变为了d阶，且d＜＜n，从而完成模型降阶。
[0089]
实施例四
[0090]
本实施例公开了实施例一中的步骤c的一种实现方法。
[0091]
对三种激励下的主绝缘电场分布，选出s个时间节点的场阈电位作为样本 数据，得到样本集{ψ1,ψ2,.....,ψ
s
}，其中，向量ψ
i
为第iδt时刻场域节点电位组 成的列向量n为场域剖分后的节点个数。样本集合成样本矩阵 y＝[ψ1,ψ2,.....,ψ
s
]∈r
n
×
s
。
[0092]
将样本矩阵左奇异值矩阵u的列向量由大到小排序，u＝[u1,u2,.....,u
n
]∈r
n
×
n
， 截取前d个特征值构成样本集的标准正交基向量ξ
i
＝u
i
(i＝1、2、...d)。
[0093]
以截取的标准正交基p＝[ξ1,ξ2,...,ξ
d
]∈r
n
×
d
对场域电位进行重构，得到 以重构后的场域电位(代替重构前的场域电位)带 入求解电位的有限元离散代数方程。便可得到降阶后的求解电位的有限元离散 代数方程，原求解电位的有限元离散代数方程就由n阶变为了d阶，且d＜＜n， 从而完成模型降阶。
[0094]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中 披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何 新的组合。