一种油浸式电力变压器温度场的仿真方法及系统与流程

本发明涉及电力变压器，特别涉及一种油浸式电力变压器温度场的仿真方法及系统。

背景技术：

1、数字孪生技术是将物理系统的运行过程在信息空间中实现映射、重构和演化，实现物理系统的数字化表达、监测和优化。数字孪生技术在电力变压器的设计、运行监测与故障诊断等方面具有广阔应用前景，但现有技术在模型修正、物理实体与数字孪生体的实时交互等方面还存在一定难度，有待提高。

2、电力变压器是电网的关键设备，其运行可靠性直接影响电网安全稳定。现有基于三维模型的变压器仿真不适应数字化需求，难以实现变压器信息的实时采集与更新，导致仿真结果不够精准。油浸式电力变压器内部结构复杂、多场耦合，对其温度场的准确模拟至关重要但难度较大。机理模型可以建立变压器内部物理机理模型，但模型参数难以实时更新；数据驱动模型可以利用历史数据预测变压器未来态，但难以深入理解物理机理。

3、在相关技术中，比如中国专利文献cn114254557a中提供了一种基于数字孪生的变压器在线监测方法，包括，获取变压器的实时运行数据；构建变压器的第一数字孪生模型；构建变压器的第二数字孪生模型；创建服务系统，服务系统接收并预处理变压器的底层监测数据，对数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装，以工具组件、中间件、模块引擎的方式支撑数字孪生内部功能运行与实现，并将数据进行可视化处理，显示变压器的实时状态、运行趋势；更新第一数字孪生模型和第二数字孪生模型的状态参数，进行变压器实体、第一数字孪生模型、第二数字孪生模型的信息交互。但是该方法至少存在如下缺点：由于基于理论模型进行仿真的边界条件和输入参数难以准确表达实际工作状况，因此导致了仿真结果的准确性较低。理论模型可能无法完全捕捉到变压器内部复杂的温度分布和热传导过程，从而影响了最终的仿真精度。

技术实现思路

1、解决的技术问题

2、针对现有技术中存在的油浸式电力变压器温度场仿真精度低的问题，本发明提供了一种油浸式电力变压器温度场的仿真方法及系统，通过精细化建模和多层融合算法等，提高油浸式电力变压器温度场的仿真精度。

3、技术方案

4、本发明的目的通过以下技术方案实现。

5、本说明书实施例的一个方面提供一种油浸式电力变压器温度场的仿真方法，包括：获取包含控制系统数据、用电信息采集系统数据、物联管理平台数据、电网资源业务中台数据和主网采集数据的多源异构数据；利用获取的多源异构数据，采用三维建模技术建立电网的三维模型；根据三维模型的层级，将三维模型的数据存储至对应的三维部件模型库、三维设备模型库和三维场景模型库；通过三维可视化工具管理模型库，建立设备信息与三维模型的关联映射，构建虚拟资产实例；建立基于热传导方程和热源模型的仿真机理模型，进行仿真机理模型的迭代和融合，将优化和融合后的仿真机理模型进行封装和格式转换，通过模型发布接口发布仿真计算服务；通过restful接口封装三维模型数据查询服务，将三维模型数据以服务形式发布，为仿真计算服务提供三维模型数据。

6、进一步地，将三维模型的数据存储至对应的模型库的步骤包括：根据层级对三维模型进行分类，层级包含部件级、设备级和场景级；对部件级的模型，以部件型号为标识存放至三维部件模型库，并形成部件型号索引；对设备级的模型，以设备编码为标识存放至三维设备模型库，并形成设备编码索引；对场景级的可复用模型，以通用型号为标识存放至三维资源模型库，并形成通用型号索引，作为场景编辑的输入模型库；对场景级的不可复用一体化场景模型，以场景名称为标识存放至三维场景模型库，并形成场景名称索引；其中，可复用模型指通用的部件或设备模型。

7、进一步地，通过三维可视化工具管理模型库，建立设备信息与三维模型的关联映射，构建虚拟资产实例的步骤包括：根据三维部件模型、三维设备模型和三维场景模型，利用三维可视化工具，构建三维场景模型；建立存储在三维设备模型库中的设备实体信息和构建的三维场景模型之间的关联映射关系；基于设置的关联映射关系，在三维场景中渲染生成包含设备实体信息的虚拟资产实例；根据虚拟资产实例的特征数据，构建虚拟资产实例的组织结构；利用地理信息数据校准构建的虚拟资产实例的组织结构；将校准后的虚拟资产实例存储至三维场景模型库。

8、进一步地，基于设置的关联映射关系，在三维场景中渲染生成包含设备实体信息的虚拟资产实例的步骤包括：根据构建的三维场景模型中设备的热力学特性和传热规律，建立设备表面热负荷与环境温度和设备负荷之间关系的参数化模型；使用温度计量数据训练参数化模型；输入三维场景模型中设备的实时环境温度和设备负荷数据到经过训练的参数化模型，计算设备的表面温度；将计算得到的表面温度作为三维场景模型的边界条件之一，进行三维场景的温度场解析，得到参数化模型的温度分布；基于解析得到的温度分布，渲染三维场景模型，生成温度属性的虚拟资产实例。

9、进一步地，构建仿真机理模型的步骤包括：提取三维模型的几何特征和材料特性作为仿真机理模型的输入；根据提取的几何特征在三维模型的传热部位、界面部位和热源部位设置计算网格；在计算网格的节点设置热传导方程和热源模型；连接各节点的热传导方程和热源模型，构建仿真机理模型；利用模型响应面法对仿真机理模型进行拟合。

10、进一步地，仿真机理模型的评估的步骤包括：收集电网中实测的温度场数据作为仿真机理模型的测试集；基于测试集，对各仿真机理模型进行验证，计算仿真机理模型预测的温度场分布与实测温度场分布之间的误差，并根据预设的误差阈值，判断预测的温度场分布是否符合实测分布，生成验证结果；采用统计分析方法，评估不同的仿真机理模型在不同场景下的稳定性和一致性，获得模型的可靠性指标；根据验证结果和可靠性指标，确定在不同场景下性能最优的仿真机理模型；输出不同场景下性能最优的仿真机理模型，进行后续的模型迭代和模型融合。

11、进一步地，采用统计分析方法，评估不同的仿真机理模型在不同场景下的稳定性和一致性，获得模型的可靠性指标的步骤包括：获取多个仿真机理模型在测试集不同场景下的预测误差作为输入数据；基于预测误差的先验分布，采用贝叶斯统计方法构建第一置信区间，并根据置信度确定第一置信区间的可靠性；根据第一置信区间的可靠性，设置第二置信区间的可靠性标准；根据第二置信区间的可靠性标准，采用bootstrap或jackknife方法对预测误差进行重采样，构建第二置信区间；根据第二置信区间的范围大小，生成仿真机理模型的可靠性指标。

12、进一步地，仿真机理模型的迭代的步骤包括：获取包含多种场景的实测温度场分布数据作为训练数据；基于不同的场景特征，采用机器学习算法训练多个仿真机理子模型；在传热部位的每个阈值范围配置一个温度传感器，获取预设时间间隔的温度测量数据；利用温度测量数据调节仿真机理子模型中的热传导参数；利用在线获取的数据对调节热传导参数后的仿真机理子模型进行增量训练。

13、进一步地，仿真机理模型的融合的步骤包括：在测试集上评估各仿真机理子模型的精度，获取仿真机理子模型的测试精度；采用加权融合，根据测试精度设定仿真机理子模型的第一权重；采用贝叶斯算法调整第一权重，获得第二权重；利用第二权重，采用堆叠融合，建立回归模型，形成包含多层仿真机理子模型的多层结构；通过递归的加权融合和堆叠融合将多层仿真机理子模型的输出进行融合，输出最终的仿真机理模型。

14、本说明书实施例的另一个方面还提供一种油浸式电力变压器温度场的仿真系统，包括：数据采集模块，采集多源异构数据；三维建模模块，构建电网设施的三维模型，并根据模型的层级将三维模型分类存储至对应模型库；虚拟资产生成模块，通过关联映射三维模型和设备信息，在三维场景中渲染生成含物理属性的虚拟资产实例；仿真机理建模模块，构建计算设备热工特性的仿真机理模型；模型评估模块，根据实测温度场数据，采用统计分析方法对构建的仿真机理模型进行验证和评估；模型优化模块，根据评估结果，通过机器学习算法训练多个仿真机理子模型，并通过迭代训练和参数调优对子模型进行优化；模型融合模块，根据仿真机理子模型的测试精度，采用多层融合算法递归地融合优化后的仿真机理子模型，生成仿真机理模型；数据查询服务模块，通过restful接口封装三维模型数据查询服务，将三维模型数据以服务形式发布，为仿真计算服务提供三维模型数据。

15、有益效果

16、相比于现有技术，本发明的优点在于：

17、（1）基于热传导方程和热源模型的仿真机理模型能够考虑传热规律和热源对温度场的影响。通过模型迭代、模型融合和模型评估等步骤，优化仿真机理模型，提高其准确性和稳定性，提高了模型对电力变压器温度场的仿真精度；

18、（2）利用三维可视化工具管理模型库，将设备信息与三维模型进行关联映射，构建虚拟资产实例。这样用户可以在三维场景中进行直观的可视化操作，观察温度场分布等信息，并通过地理信息数据对虚拟资产实例的组织结构进行校准，提高模型的仿真精度；

19、（3）将三维模型数据以服务形式发布，为仿真计算服务提供三维模型数据，提高仿真计算的效率和灵活性。利用统计分析方法对仿真机理模型进行评估，获得模型的可靠性指标，为用户提供选择最优模型和应用场景的依据。同时，可以使用机器学习算法对仿真机理模型进行训练和调整，根据实测数据进行模型的增量训练，进一步提高模型的仿真精度。