一种换流变压器温度场数字孪生模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种换流变压器温度场数字孪生模型构建方法。构建换流变压器的全尺寸模型并施加边界条件，进一步求解得到不同时刻的温度场分布且形成瞬像矩阵。将独立分布的高斯随机测量矩阵作为观测矩阵，对原瞬像矩阵进行压缩。基于动态模态分解法，提取压缩后的瞬像矩阵的模态，并计算各阶模态的能量比。以基于模态重构后的温度场信息与原温度场信息与误差小于5％且重构时间在秒级作为判据确定最终构建数字孪生模型时所需的模态阶数，不通过则重新选取重构所用的模态阶数，通过则将模态重构出的温度场模型作为温度场数字孪生模型。本发明专利技术能服务于换流变压器温度场数字孪生模型的构建，实现实时精确的掌握换流变运行状态。实现实时精确的掌握换流变运行状态。实现实时精确的掌握换流变运行状态。

【技术实现步骤摘要】
一种换流变压器温度场数字孪生模型构建方法


[0001]本专利技术涉及电力设备状态评估领域，尤其换流变压器数字孪生模型构建领域。

技术介绍

[0002]得益于建模技术、传感器精度及通信效率的蓬勃发展，数字孪生在多个行业的应用迎来了井喷式增长。目前，数字孪生在航天航空、智慧城市、智能制造等领域已成功应用，并取得了显著效益。在电力行业，为电力装备构建多物理场数字孪生模型，积累全生命周期的多物理数据，对于开展电力装备的数字化、智能化发展具有重要意义。换流变压器是高压直流输电线路中的核心设备，研究其运行过程中的温度场分布特性以及热点温升是评估变压器热绝缘寿命的关键步骤，也为换流变压器结构的优化设计提供重要参考。当前的方法包括红外成像、光纤测温等方式都难以直观且全面的反映换流变温度场分布特性。因此，构建换流变温度场数字孪生模型，实时、精确地掌握其温度场分布，反映其运行状态，具有重要的意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种换流变压器温度场数字孪生模型构建方法，以构建出高计算效率的温度场计算模型。
[0004]本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]一种换流变压器温度场数字孪生模型构建方法，包括：
[0006]构建换流变压器的全尺寸模型，对所述全尺寸模型施加边界条件，求解得到不同时刻的温度场分布，形成瞬像矩阵；
[0007]以独立分布的高斯随机测量矩阵作为观测矩阵，对所述瞬像矩阵进行压缩；
[0008]利用动态模态分解法提取压缩后的瞬像矩阵的模态，并计算模态能量比分布；
[0009]基于所提取的模态，选取预定量的、能量比达到预定值的模态，重构原温度场信息，得到温度场计算降阶模型；
[0010]对所述温度场计算降阶模型进行验证，若验证通过，则将所述温度场计算降阶模型作为温度场数字孪生模型，否则重新选择模态重构温度场计算降阶模型，直至验证通过。
[0011]上述方法对瞬像矩阵进行压缩，进一步从压缩的瞬像矩阵中提取模态进行重构，利用温度场计算降阶模型进行温度场分布重构，具有计算量小、计算准确率高、计算效率高的特点。
[0012]进一步的，所述瞬像矩阵为：
[0013][0014]式中，x
i
为第i个时刻的温度场分布，X和X'∈R
m
×
n
，m为瞬像的维度，n为瞬像数目，A为相邻时刻温度场间的线性关系矩阵，温度场采样时间间隔为Δt。
[0015]进一步的，所述以独立分布的高斯随机测量矩阵作为观测矩阵，对所述瞬像矩阵进行压缩，包括：
[0016]生成独立分布的高斯随机测量矩阵C∈R
q
×
m
，其中，m是瞬像的维度，q是压缩后的维度；
[0017]对所述瞬像矩阵进行压缩的过程为：
[0018]Y＝CX，Y'＝CX'
ꢀꢀꢀ
(2)
[0019]其中，Y，Y'∈R
q
×
n
，以Y和Y'代替X和X'实现对瞬像矩阵的压缩。
[0020]进一步的，利用动态模态分解法提取压缩后的瞬像矩阵的模态，包括：
[0021]Y和Y'之间满足线性算子A
Y
，
[0022]Y'＝A
Y
Y
ꢀꢀꢀ
(3)
[0023]对Y进行奇异值分解，且只保留R阶，R＜＜K，K为线性算子A
Y
＝Y'
·
Y
‑1的阶数：
[0024]Y＝U
Y
∑
Y
V
YT
ꢀꢀꢀ
(4)
[0025]式中，U
Y
为Y的左奇异矩阵，V
Y
为Y的右奇异矩阵，∑
Y
为Y的奇异值矩阵；
[0026]求取A
Y
的相似变换矩阵
[0027][0028]存在：
[0029][0030]式中，W
Y
是的特征向量，Λ是的特征值；
[0031]根据式(6)求取A
Y
的特征向量即为压缩后的瞬像矩阵的模态：
[0032][0033]进一步的，所述计算模态能量比分布，包括：
[0034]有Y'＝Φ
Y
W
Y
‑1Σ
Y
V
YT
＝Φ
Y
D
ꢀꢀꢀ
(8)
[0035]式中，矩阵D是Y'矩阵中温度场瞬像在DMD模态上投影得到的系数，以矩阵D的行范数作为不同阶DMD模态的能量比。
[0036]进一步的，所述重构原温度场信息，包括：
[0037]以式(12)重构原温度场信息的DMD模态：
[0038]y
i+1
＝Φ
Y
Λ
Yi
B
ꢀꢀꢀ
(12)
[0039]式中，Λ
Y
是对角矩阵，其对角线上元素是A
Y
的特征值，B为DMD模态振幅。
[0040]进一步的，所述选取预定量的、能量比达到预定值的模态，包括：
[0041]以能量比由大到小的顺序对提取的模态进行排序，选取排序前预定数量的模态。
[0042]进一步的，对所述温度场计算降阶模型进行验证，包括：
[0043]验证所述温度场计算降阶模型的计算时间和计算误差，在所述计算时间和计算误差均满足预定要求时，验证通过。
[0044]进一步的，对应于计算时间的预定要求为：在秒级时间内计算出温度场信息；对应于计算误差的预定要求为：所述温度场计算降阶模型重构出的温度场数值与原温度场数值之间的误差小于5％。
[0045]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0046]1、当前的方法包括红外成像、光纤测温等方式难以直观且全面的反映换流变温度场分布特性，本专利技术的换流变压器温度场数字孪生模型构建方法，可以构建出能够直观反映换流变温度场的分布特性。
[0047]2、基于换流变全尺度模型进行温度场数值计算时，我们得到的温度场信息的温度场瞬像矩阵的数据量是巨大的，如果直接对其进行处理往往受到计算资源的限制。本专利技术利用压缩感知的思想，设置测量矩阵，对原有瞬像矩阵进行压缩，可显著提高计算效率。
[0048]3、基于动态模态分解法处理温度场的瞬像矩阵，提取其模态以构建温度场计算降阶模型，降阶模型基于模态的变化趋势可以快速计算出未来时刻的温度场分布，为数字孪生的时效性提供方法基础。
[0049]4、本专利技术设计了验证环节，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温度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
[0050]本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种换流变压器温度场数字孪生模型构建方法，其特征在于，包括：构建换流变压器的全尺寸模型，对所述全尺寸模型施加边界条件，求解得到不同时刻的温度场分布，形成瞬像矩阵；以独立分布的高斯随机测量矩阵作为观测矩阵，对所述瞬像矩阵进行压缩；利用动态模态分解法提取压缩后的瞬像矩阵的模态，并计算模态能量比分布；基于所提取的模态，选取预定量的、能量比达到预定值的模态，重构原温度场信息，得到温度场计算降阶模型；对所述温度场计算降阶模型进行验证，若验证通过，则将所述温度场计算降阶模型作为温度场数字孪生模型，否则重新选择模态重构温度场计算降阶模型，直至验证通过。2.如权利要求1所述的换流变压器温度场数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述瞬像矩阵为：式中，x
i
为第i个时刻的温度场分布，X和X'∈R
m
×
n
，m为瞬像的维度，n为瞬像数目，A为相邻时刻温度场间的线性关系矩阵，温度场采样时间间隔为Δt。3.如权利要求2所述的换流变压器温度场数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述以独立分布的高斯随机测量矩阵作为观测矩阵，对所述瞬像矩阵进行压缩，包括：生成独立分布的高斯随机测量矩阵C∈R
q
×
m
，其中，m是瞬像的维度，q是压缩后的维度；对所述瞬像矩阵进行压缩的过程为：Y＝CX，Y'＝CX'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，Y，Y'∈R
q
×
n
，以Y和Y'代替X和X'实现对瞬像矩阵的压缩。4.如权利要求3所述的换流变压器温度场数字孪生模型构建方法，其特征在于，利用动态模态分解法提取压缩后的瞬像矩阵的模态，包括：Y和Y'之间满足线性算子A
Y
，Y'＝A
Y
Y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)对Y进行奇异值分解，且只保留R阶，R＜＜K，K为线性算子A
Y
＝Y'
·
Y
‑1的阶数：Y＝U
Y
∑
Y
V
YT
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈咏涛，田鹏，江金洋，杨帆，尹心，程晓，吕小红，向菲，陈涛，厉仄平，王晋宇，钱基业，
申请(专利权)人：国家电网有限公司重庆大学，
类型：发明
国别省市：