基于数字孪生的变压器出线装置的可视化系统和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的变压器出线装置的可视化系统和方法，所述系统包括信息支撑层、孪生仿真层、应用管理层和用户交互层；孪生仿真层、应用管理层和用户交互层，所述信息支撑层分别与用户交互层和孪生仿真层连接，孪生仿真层和应用管理层连接，应用管理层和用户交互层连接；本发明专利技术通过出线装置上电压和温度传感器的实测结果，结合数字孪生模型，通过多物理场仿真计算得到了出线装置表面的电场和温度场。解决了传统传感器不能实时连续采集出线装置表面电场和温度场的问题，实现了变压器出线装置电场和温度场的连续呈现和可视化。视化。视化。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的变压器出线装置的可视化系统和方法


[0001]本专利技术属于输变电设备状态监测
，具体涉及基于数字孪生模型的变压器出线装置的多物理场可视化系统。

技术介绍

[0002]变压器出线装置是变压器绕组和外界连接的桥梁之一，在变压器的安全稳定运行中扮演着十分重要的角色。近年来，随着电力系统电压等级的提升，变压器出线装置的绝缘安全问题也逐渐变得越来越突出。如何综合评估出线装置绝缘安全，关键在于电场和温度场的参数采集和呈现。然而一方面电场的直接测量不容易实现，另一方面由于出线装置封闭在金属壳体内部，并不能采用红外测温等方法获得出线装置连续表面的温度情况。因此如何结合电压和温度传感器的实测结果实现电场和温度连续的呈现成为了亟待解决的问题。
[0003]近年来，随着计算机技术的飞速发展，大数据和云计算在电力工业展现了更加广阔的应用价值和前景。数字孪生技术是一种采用数字化方式在虚拟环境中建立和物理实体近似等效的设备模型，实现物理实体设备全生命周期的运行模拟的技术。如何将数字孪生技术应用于变压器出线装置多物理场的可视化成为了亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了基于数字孪生模型的变压器出线装置的多物理场可视化系统和方法，通过变压器出线装置上电压和温度传感器的实测结果，结合数字孪生模型，实现出线装置包括电场和温度场在内的多物理场可视化。
[0005]为达到上述目的，本专利技术所述基于数字孪生模型的变压器出线装置的多物理场可视化系统，包括信息支撑层、孪生仿真层、应用管理层和用户交互层；所述信息支撑层分别与用户交互层和孪生仿真层连接，所述孪生仿真层和应用管理层连接，所述应用管理层和用户交互层连接；
[0006]所述信息支撑层：用于获取并储存出线装置的温度、电压和电流，以及变压器及出线装置运行信息；所述孪生仿真层：用于对变压器出线装置进行三维建模，得到变压器出线装置三维模型，并对出线装置进行电场和温度场多物理场仿真计算，输出电场矩阵、电压矩阵和温度场矩阵；所述应用管理层：用于对孪生仿真层输出的电场矩阵、电压矩阵和温度场矩阵进行后处理和可视化，建立关于电场和温度场的三维云图以及电压的等值面模型，并显示在变压器出线装置三维模型上；所述用户交互层：用于展示和处理变压器出线装置、电场与温度场三维云图和电压等值面模型，进行人机交互。
[0007]进一步的，信息支撑层包括电连接的传感设备和存储器，所述存储器用于存储变压器及出线装置运行信息；所述变压器及出线装置运行信息包括出线装置图纸，铜、变压器油和油浸纸的电场材料参数和温度场材料参数对温度的变化曲线；
[0008]所述传感设备包括温度传感器、电流传感器、电压传感器和温度计，所述温度传感
器、电流传感器、电压传感器和温度计均与存储器连接。
[0009]进一步的，温度传感器有多个，安装在在出线装置表面不同位置，电压传感器有两个个，分别用于测量均压管电压和套管末屏电压，电流传感器用于测量均压管的通过电流。
[0010]一种基于数字孪生的变压器出线装置的可视化方法，包括以下步骤：
[0011]S1、获取变压器及出线装置图纸，铜、变压器油和油浸纸的电场材料参数和温度场材料参数对温度的变化曲线；获取传感器数据，所述传感数据包括出线装置的温度、电压、电流和环境温度；
[0012]S2、根据出线装置图纸对变压器出线装置进行三维建模，得到变压器出线装置三维模型，根据传感器数据对出线装置进行电场和温度场仿真计算，得到温度场矩阵、电场矩阵和温度场矩阵；
[0013]S3、对电场矩阵、电压矩阵和温度场矩阵进行后处理和可视化，得到关于电场和温度场的三维云图以及电压的等值面模型，并显示在变压器出线装置三维模型上；
[0014]S4、展示变压器出线装置、电场与温度场三维云图和电压等值面模型，进行人机交互。
[0015]进一步的，S2包括以下步骤：
[0016]S2.1：对变压器出线装置进行三维建模，得到变压器出线装置三维模型；
[0017]S2.2：对采集的传感器数据进行整理和保存，得到内部温度信息矩阵、电压信息、电流信息和环境温度信息；
[0018]S2.3：调取铜、变压器油和油浸纸的电场材料参数和温度场材料参数对温度的变化曲线，根据环境温度信息查询铜、变压器油和油浸纸的电场材料参数和温度场材料参数；在多物理场仿真软件中对出线装置的材料属性进行设置；
[0019]S2.4：根据电压信息设置边界条件和S2.3设置的材料属性，计算出线装置的电场分布和焦耳热，得到电场矩阵、焦耳热矩阵和电压矩阵；
[0020]S2.5：用S1获取的温度和焦耳热矩阵设置温度边界条件，对温度场进行求解，得到温度场矩阵；
[0021]从温度场矩阵提取温度传感器对应坐标处的温度组成仿真温度信息矩阵，将仿真温度信息矩阵和内部温度信息矩阵作差并求相对误差，并判断相对误差和阈值的大小关系：
[0022]当相对误差小于等于设定的阈值时，输出S2.4得到的电场矩阵和电压矩阵以及S2.5得到的温度场矩阵；
[0023]当相对误差大于设定的阈值时，调取电场材料属性和温度场材料属性随温度的变化曲线，根据温度场矩阵中的温度从曲线上查询对应的电场材料属性和温度场材料属性，跳转至S2.3，用查询到的电场材料属性和温度场材料属性对材料属性进行重新设置，直到相对误差小于等于设定的阈值。
[0024]进一步的，S3中，通过三维画图软件对电压矩阵、电场矩阵和温度场矩阵进行绘图，电压矩阵绘制成等值面三维模型，电场矩阵和温度场矩阵绘制成云图三维模型。
[0025]进一步的，S3中，三维云图中，颜色越深表示矩阵中的值越大。
[0026]进一步的，S4中，人机交互包括下载温度传感器、电压传感器和电流传感器历史数据。
[0027]进一步的，S4中，人机交互包括通过拖拽改变视角并任意设置截面得到不同截面的电场、电压和温度信息。
[0028]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0029]本专利技术通过变压器出线装置上电压和温度传感器的实测结果，结合数字孪生模型，通过多物理场仿真计算得到了出线装置表面的电场和温度场。解决了传统传感器不能实时连续采集出线装置表面电场和温度场的问题，实现了变压器出线装置电场和温度场的连续呈现和可视化，能够直观的展示变压器运行过程中的电场和温度场分布，监测人员可以通过系统输出的可视化结果对电场和温度场进行直观的感知，当观察到电场和温度场相较于正常运行状态下显著偏高时，可及时安排检修工作。
[0030]进一步的，本专利技术提高了多物理场仿真计算的精度。本专利技术通过仿真计算值和传感量求差，更新材料参数反复迭代计算，直至相对误差小于设定阈值，排除了材料参数随温度的非线性变化对多物理场仿真计算的干扰，大大提高了多物理场仿真计算的可靠性。
[0031]本专利技术所述的系统，利用获取并储存出线装置的温度、电压和电流，以及变压器及出线装置运行信息；利本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生的变压器出线装置的可视化系统，其特征在于，包括信息支撑层、孪生仿真层、应用管理层和用户交互层；所述信息支撑层分别与用户交互层和孪生仿真层连接，所述孪生仿真层和应用管理层连接，所述应用管理层和用户交互层连接；所述信息支撑层：用于获取并储存出线装置的温度、电压和电流，以及变压器及出线装置运行信息；所述孪生仿真层：用于对变压器出线装置进行三维建模，得到变压器出线装置三维模型，并对出线装置进行电场和温度场多物理场仿真计算，输出电场矩阵、电压矩阵和温度场矩阵；所述应用管理层：用于对孪生仿真层输出的电场矩阵、电压矩阵和温度场矩阵进行后处理和可视化，建立关于电场和温度场的三维云图以及电压的等值面模型，并显示在变压器出线装置三维模型上；所述用户交互层：用于展示和处理变压器出线装置、电场与温度场三维云图和电压等值面模型，进行人机交互。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的变压器出线装置的可视化系统，其特征在于，所述信息支撑层包括电连接的传感设备和存储器，所述存储器用于存储变压器及出线装置运行信息；所述变压器及出线装置运行信息包括出线装置图纸，铜、变压器油和油浸纸的电场材料参数和温度场材料参数对温度的变化曲线；所述传感设备包括温度传感器、电流传感器、电压传感器和温度计，所述温度传感器、电流传感器、电压传感器和温度计均与存储器连接。3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的变压器出线装置的可视化系统，其特征在于，所述温度传感器有多个，安装在在出线装置表面不同位置，电压传感器有两个个，分别用于测量均压管电压和套管末屏电压，电流传感器用于测量均压管的通过电流。4.一种基于数字孪生的变压器出线装置的可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取变压器及出线装置图纸，铜、变压器油和油浸纸的电场材料参数和温度场材料参数对温度的变化曲线；获取传感器数据，所述传感数据包括出线装置的温度、电压、电流和环境温度；S2、根据出线装置图纸对变压器出线装置进行三维建模，得到变压器出线装置三维模型，根据传感器数据对出线装置进行电场和温度场仿真计算，得到温度场矩阵、电场矩阵和温度场矩阵；S3、对电场矩阵、电压矩阵和温度场矩阵进行后处理和可视化，得到关于电场和温度场的三维云图以及电压的等值面模型，并显示在变压器出线装置三维模型上；S4、展示变压器出线...

【专利技术属性】
技术研发人员：张璐，王文森，丁彬，师一卿，江涛，孙蕾，韩彦华，牛博，吴经锋，吴昊，李良书，李晓昂，张乔根，沙致远，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：