一种多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法与流程

1.本发明属于高压开关柜技术领域，尤其涉及一种多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法。


背景技术：

2.随着发展的进程，对电力的需求量越来越大，无论是工业还是城镇居民都加重了我国的电力符合。为了解决如此较大的电力需求量，国家采用了高电压的电力输送方式,以满足我国的发展和人民生活水平提高的需要。在高电压电力输送的过程中离不开高压开关柜，其中高压开关柜是我国普遍应用的产品之一。高压开关柜在电力输送的中占有很重要的地位，如果在运行的过程中出现故障，将会影响电力的输送，造成重大的经济损失。
3.为分析高压开关柜的特性，需要对高压开关柜进行模型，为后续的实验或故障等分析提供基础，但是现有的高压开关柜并的建模并没有结合多物理场进行建模，使得建立的开关柜模型实验的结果并不完善，因此，需要一种多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法，从而解决了现有有的高压开关柜并建立的模型不准确的缺点。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法，包括以下步骤：
6.对未分解的高压开关柜的三维点云数据进行采集，并同时采集高压开关柜柜体的色彩、纹理以及材料信息；
7.对高压开关柜实体进行分解，分别对分解后的电气设备的三维点云数据进行采集，并同时采集高压开关柜柜体的色彩、纹理以及材料信息；
8.对未分解和分解后的三维点云数据进行预处理，得到参考云点，分别建立相应的元件三维模型；
9.根据分解后的电气设备的连接关系，对元件三维模型之间进行关联得到关联数据；
10.根据电气设备在高压开关柜的位置以及关联数据，采用立体匹配算法对元件模型进行关联计算生成基础三维模型；
11.根据采集的高压开关柜柜体和电气设备的色彩、纹理以及材料信息对所述基础三维模型进行完善，得到高压开关柜的三维实景模型。
12.优选地，还包括：对所述三维实景模型建立开关柜内电压、电流监测点，并将电压、电流监测点与监测点位置的名称进行关联，使得改变电压、电流监测点的电压或电流后，数据同步显示。
13.优选地，还包括：对所述三维实景模型建立温度监测点，并将温度监测点与监测点
位置的名称进行关联，使得改变温度监测点的温度后，数据同步显示。
14.优选地，所述三维点云数据的采集采用三维激光扫描器进行扫描。
15.优选地，所述预处理为采用k近邻搜索算法对所述三维点云数据进行简化。
16.优选地，还包括：对所述三维实景模型进行人工调整。
17.优选地，所述基础三维模型包括高压开关柜的外部结构、内部结构、电气设备的连接配合以及运行关系。
18.优选地，还包括数据设置模块，所述数据设置模块用于对所述三维实景模型设置的所有数据进行设置，所述三维实景模型设置的所有数据包括静态数据和动态数据，其中，静态数据包括三维实景模型中高压开关柜的具有物理结构的参数，动态数据为检测得到电压、电流、功率以及温度的数据。
19.优选地，将高压开关柜的三维实景模型进行微调使符合comsol的数据导入格式，然后导入comsol进行物理场耦合仿真模型建立。comsol具有声振耦合、热声耦合、热力耦合等多物理场耦合仿真功能，通过结合三维实景模型，使得整个高压开关柜数字化模型更为准确。
20.与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
21.1、本发明所提供的多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法，通过对未分解的高压开关柜的三维点云数据进行采集，并同时采集高压开关柜柜体的色彩、纹理以及材料信息；对高压开关柜实体进行分解，分别对分解后的电气设备的三维点云数据进行采集，并同时采集高压开关柜柜体的色彩、纹理以及材料信息；对未分解和分解后的三维点云数据进行预处理，得到参考云点，分别建立相应的元件三维模型；根据分解后的电气设备的连接关系，对元件三维模型之间进行关联得到关联数据；根据电气设备在高压开关柜的位置以及关联数据，采用立体匹配算法对元件模型进行关联计算生成基础三维模型；根据采集的高压开关柜柜体和电气设备的色彩、纹理以及材料信息对所述基础三维模型进行完善，得到高压开关柜的三维实景模型。本发明通过分别对开关柜各电气设备进行三维扫描，数据关联以及调整等建立的三维实景模型，使得高压开关柜数字模型更为准确，解决了现有开关柜模型不准确的缺点。
22.2、本发明所提供的多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法，三维点云数据的采集采用三维激光扫描器进行扫描。三维激光扫描仪进行采集的数据使得模型更为准确。
23.3、本发明所提供的多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法，还将高压开关柜的三维实景模型进行微调使符合comsol的数据导入格式，然后导入comsol进行物理场耦合仿真模型建立。comsol具有声振耦合、热声耦合、热力耦合等多物理场耦合仿真功能，通过结合三维实景模型，使得整个高压开关柜数字化模型更为准确
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明一种多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法的流程图。
具体实施方式
26.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
27.图1示出了本发明所提供的多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法包括以下步骤：
28.s1、对未分解的高压开关柜的三维点云数据进行采集，并同时采集高压开关柜柜体的色彩、纹理以及材料信息；
29.s2、对高压开关柜实体进行分解，分别对分解后的电气设备的三维点云数据进行采集，并同时采集高压开关柜柜体的色彩、纹理以及材料信息；
30.s3、对未分解和分解后的三维点云数据进行预处理，得到参考云点，分别建立相应的元件三维模型；
31.s4、根据分解后的电气设备的连接关系，对元件三维模型之间进行关联得到关联数据；
32.s5、根据电气设备在高压开关柜的位置以及关联数据，采用立体匹配算法对元件模型进行关联计算生成基础三维模型；
33.s6、根据采集的高压开关柜柜体和电气设备的色彩、纹理以及材料信息对所述基础三维模型进行完善，得到高压开关柜的三维实景模型。
34.上述的多物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法，通过对未分解的高压开关柜的三维点云数据进行采集，并同时采集高压开关柜柜体的色彩、纹理以及材料信息；对高压开关柜实体进行分解，分别对分解后的电气设备的三维点云数据进行采集，并同时采集高压开关柜柜体的色彩、纹理以及材料信息；对未分解和分解后的三维点云数据进行预处理，得到参考云点，分别建立相应的元件三维模型；根据分解后的电气设备的连接关系，对元件三维模型之间进行关联得到关联数据；根据电气设备在高压开关柜的位置以及关联数据，采用立体匹配算法对元件模型进行关联计算生成基础三维模型；根据采集的高压开关柜柜体和电气设备的色彩、纹理以及材料信息对所述基础三维模型进行完善，得到高压开关柜的三维实景模型，从而建立了更准确的高压开关柜数字模型，解决了现有开关柜模型不准确的缺点。
35.其中一个实施例，还包括：s7、根据监测需要对所述三维实景模型建立开关柜内电压、电流监测点，并将电压、电流监测点与监测点位置的名称进行关联，使得改变电压、电流监测点的电压或电流后，数据同步显示，同时，监测的数据存储至数据库中，方便后续查看和研究高压开关柜的特性。
36.具体的，电压监测点包括对控制电源、动力电源等的检测。
37.其中一个实施例，还包括：s8、根据监测需要对所述三维实景模型建立温度监测点，并将温度监测点与监测点位置的名称进行关联，使得改变温度监测点的温度后，数据同步显示，同时，监测的数据存储至数据库中，方便后续查看和研究高压开关柜的特性。
38.其中一个实施例，所述三维点云数据的采集采用三维激光扫描器进行扫描。
39.具体的，采用riscanpro三维激光扫描仪进行扫描，扫描后的三维点云数据obj文
件通过riscanpro预处理后得到纹理网格模型，纹理网格模型通过i-sitestudio进行重新建模，i-sitestudio能够对不同来源的扫描数据进行处理，当更换三维激光扫描仪或者直接采用现有模型时，能够更方便数据区里，以及处理后输出的模型数据也较为丰富，更适合进行三维数字建模。在i-site studio可以进行色彩完善，但是由于i-sitestudio不支持纹理，因此，通过riscanpro模型进行贴纹理。通过切片工具将点云数据进行细致的分割，以做到精细化提取点云数据所表达的空间位置信息。
40.其中一个实施例，所述预处理为采用k近邻搜索算法对所述三维点云数据进行简化，能够提高工作效率，以及准确率。
41.此外，预处理还包括对三维点云数据进行校准，
42.其中一个实施例，还包括：对所述三维实景模型进行人工调整，三维扫描的三维点云数据建立的三维模型在实际上会可以会些差别，而可以通过认为的调整参数模型，使得三维实景模型更完善。
43.具体的，利用三维激光扫描仪对被测物体进行数据采集时，往往会产生较多的外噪声飞点。将严重影响后期点云的处理和曲面重建的精度，所以必须要及时有效的去除这些噪声。通过观察发现，这些噪声具有无规律且悬浮在主体点云外呈现孤立，稀疏状态的特点，而基于密度滤波的方法适用于将此类噪声进行去除。基于密度滤波的方法先对点云数据进行密度聚类分析，再根据密度聚类结果实现被测目标与噪声点的分离。实验结果表明，基于密度滤波的方法能准确的识别并剔除体外噪声数据。
44.其中一个实施例，所述基础三维模型包括高压开关柜的外部结构、内部结构、电气设备的连接配合以及运行关系。
45.其中一个实施例，物理场耦合的高压开关柜数字化建模方法还包括数据设置模块，数据设置模块用于对所述三维实景模型设置的所有数据进行设置，所述三维实景模型设置的所有数据包括静态数据和动态数据，其中，静态数据包括三维实景模型中高压开关柜的具有物理结构的参数，动态数据为检测得到电压、电流、功率以及温度等数据。
46.通过数据设置模块调节动态数据，能够对高压开关柜的三维实景模型的各种状态进行模拟，从而方便后续对数据的处理以及观察。
47.相应的，还包括数据输出模块，所述数据输出模块用于对三维实景模型进行调整或检测电压、电流或温度时发生改变的数据进行输出，并显示。
48.此外，还可以包括控制模块，通过控制模块对数据输出模块输出的数据进行处理，例如，通过网络学习算法等对故障模拟的数据进行判断故障等。
49.其中一个实施例，还包括步骤s9、将高压开关柜的三维实景模型进行微调使符合comsol的数据导入格式，然后导入comsol进行物理场耦合仿真模型建立。comsol具有声振耦合、热声耦合、热力耦合等多物理场耦合仿真功能，通过结合三维实景模型，使得整个高压开关柜数字化模型更为准确。
50.其中一个实施例，步骤s2中，高压开关柜分解为：电缆室、仪表室、断路器室、母线室和小母线室。
51.其中一个实施例，步骤s4中，根据分解后的电气设备的连接关系，对元件三维模型之间进行关联得到关联数据包括：
52.根据高压开关柜的分解对各元件三维模型进行命名，根据电器设备的连接顺序，
分布对每个元件三维模型的电源、电信号连接口、电缆进行编号，且每个电信号连接口的电气方向进行标记。通过对电源、电信号连接口的编号以及电信号连接口的电气方向标记，使得对元件三维模型整合更为方便。
53.其中一个实施例，步骤s9、根据三维实景模型建立多物理场耦合仿真模型；具体包括以下步骤：
54.s91、在三维实景模型外设置包含三维实景模型的正方体，正方体为外部空气区域。
55.s92、选着需要的物理场模块和耦合方式，对三维实景模型进行多物理场耦合。
56.s93、设置物理场模块的模型求解边界条件。
57.其中，物理场模块包括：电场数学模型、磁场数字模型、热场数字模型、流场数字模型、力场数字模型以及声场数字模型。
58.电场数学模型的控制方程为：
[0059][0060]
式(1)中，为哈密顿算符，d为电位移矢量，e为电场强度矢量，ρ为电荷密度，ε为相对介电常数。
[0061]
电场数学模型的边界条件包括电场强度、电位移以及模型上的导体表面的电位：
[0062][0063]
式(1)中，en为电介质的分界面的变界面的单位法向量，e1、e2为两个电场强度矢量，d1、d2为两个电场对应的电位移矢量，v为常数，ρs为面电荷。
[0064]
磁场数字模型的控制方程为：
[0065][0066]
式(3)中，a为矢量磁位，μ为磁导率，js为电流密度。
[0067]
s94、计算步骤s92和s93各物理场的场量分布。
[0068]
s95、对各物理场进行优化，得到多物理耦合的高压开关柜数字化模型。
[0069]
具体为，利用对各物理场参数的独立优化目标函数进行平方的方法来消去理想参数增大或减小引起的不同。
[0070]
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。