一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法，属于油浸式三相变压器温度场仿真技术领域。本发明专利技术包括：步骤1.根据变压器实际物理尺寸，构建油浸式三相变压器仿真模型，并对模型进行适当简化。步骤2.建立电磁场仿真模型，采用涡流求解器，仿真获得变压器损耗分布。步骤3.将获得的变压器损耗分布作为流体场的激励源，建立流体场仿真模型，实现电磁场与流体场耦合分析，并获得油浸式三相变压器的温度场分布特性。步骤4.基于Krylov子空间的方法对变压器温度场搭建降阶模型。本发明专利技术实现了物理场快速仿真计算，减少仿真耗时，进一步构建变压器数字孪生模型。进一步构建变压器数字孪生模型。进一步构建变压器数字孪生模型。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法


[0001]本专利技术属于油浸式三相变压器温度场仿真
，尤其涉及一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法，更具体的是一种基于Krylov子空间的变压器温度场数字孪生模型降阶方法。

技术介绍

[0002]数字孪生技术从原本的航天航空领域逐步发展到各个制造业当中，并在智能制造领域表现出良好的应用前景。军、民等多领域对数字孪生技术越来越重视，并且开始逐步探索其核心技术和开发潜力，数字孪生技术作为桥梁连接着物理世界和虚拟世界，以复杂的物理仿真，实时的数据共享与分析，数据处理等为关键技术，构建物理世界与虚拟世界的数字孪生体，并实时显现物理世界的物理状态.，数字孪生体能够高效、精确地模拟物理实体，分析物理实体的状态，对故障提前预警，并辅助操作人员的决策制定。
[0003]变压器作为变电站的重要组成部分，其热特性直接影响设备能否安全可靠运行。变压器运行过程中，绕组和铁芯在漏磁场的作用下均会产生涡流损耗，绕组内部电流与线圈电阻相互作用产生欧姆损耗，这些损耗均转化为热量，并通过变压器油将热量传递至外部环境。随着变压器的等级和容量的增大，其损耗与温度也会逐渐增长。变压器温度升高，会加速绝缘的老化，降低变压器寿命，故应当提高对绕组热点温度测量的准确性，保证其安全稳定运行。当前变压器测温主要在壁面，油温。对绕组热点测温的方法有在绕组内部埋光纤传感器，但无法准确定位热点位置。因此，对变压器进行温度场仿真可以准确计算各点的温度值。目前物理场仿真虽然能准确的模拟处变压器各部分的温度，但是仿真耗时长，计算量大，不适用于构建变压器数字孪生体。
[0004]例如：现有专利号为2021108220457，名称为一种换流变压器温度场模型构建方法，该申请采用动态模态分解法对温度场搭建降阶模型，同样建立在已经计算完毕的全阶模型基础上，但进一步需根据计算获得的离散时刻温度数据样本组成瞬像矩阵，构建瞬像矩阵对离散时刻点的选取要求具备相关性，且样本数量也直接影响计算精度。
[0005]再例如：现有技术中，《计算机工程与应用》2016(052)012：基于Krylov
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schur重启技术的ARNOLDI模型降阶方法，该文章虽然也是采用Krylov子空间与Arnoldi算法实现模型降阶，但该文章提出传统Arnoldi算法在复杂动力系统降阶中存在无法一次性获得稳定的降阶系统的问题。
[0006]因此，针对现有技术中存在的不足之处，对物理场构建降阶模型，在满足误差的范围内通过牺牲部分计算精度来减少计算量，大幅度减少计算时间，可以解决目前物理场计算存在的缺陷。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供了一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法。其目的是为了实现通过降阶模型加快仿真效率，减少仿真耗时，
更好的适用于数字孪生体的搭建的专利技术目的。
[0008]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0009]一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1：建立油浸式三相变压器仿真物理模型，后续物理场仿真均基于所述简化仿真物理模型完成计算，具体是根据变压器实际物理尺寸，构建1:1仿真模型；由于实际变压器内部结构复杂，而本专利技术涉及的场仿真仅与铁芯绕组构件有关，因此对模型进行简化，根据磁场不变准则将绕组等效成圆环；
[0011]步骤2：基于步骤1中所述简化仿真物理模型，选用Maxwell3D分析模块构建电磁场仿真模型，采用涡流求解器，获得变压器损耗分布；
[0012]步骤3：将获得的变压器损耗分布作为流体场的激励，建立流体场仿真模型，实现电磁场与流体场耦合分析，获得油浸式三相变压器的温度场分布特性；基于变压器电磁
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流体场仿真计算获得温度分布，将计算结果导出至MATLABSimulink平台完成后续温度场降阶模型搭建；
[0013]步骤4：基于Krylov子空间的方法对变压器温度场搭建降阶模型进行降阶并验证。
[0014]更进一步的，所述根据磁场不变准则将绕组等效成圆环，具体是根据变压器容量、电压参数，推算出变压器的几何尺寸，建立变压器仿真模型，根据磁场不变准则，对绕组进行简化，用圆环代替绕组。
[0015]更进一步的，所述构建的电磁场仿真模型为电磁
‑
流体多物理场耦合仿真模型，包括如下步骤：
[0016]步骤(1)添加铁芯、绕组参数、磁导率，构建外部等效电路作为激励源，选择涡流求解器，通过电路与磁场耦合仿真，获得变压器的损耗分布；
[0017]步骤(2)将电磁场仿真模型以及求解结果导入到流体场中，在流体场中构建流体区域命名出入口以及边界，对电磁
‑
流体多物理场耦合仿真模型进行分部网格抛分，获得良好的网格；
[0018]步骤(3)在流体场检查电磁场仿真模型是否符合标准，网格质量是否良好，并选择能量场和湍流场作为求解模型，把绕组作为流体场的激励源，建立材料库设定绕组以及变压器油的参数；
[0019]步骤(4)设计边界条件，换热面，以及流体流速；
[0020]步骤(5)对电磁
‑
流体多物理场耦合仿真模型进行求解。
[0021]更进一步的，所述基于Krylov子空间的方法对获得的油浸式三相变压器温度场搭建降阶模型，在MATLABsimulink平台计算降阶模型，与电磁
‑
流体场仿真结果进行对比，验证模型误差，包括以下步骤：
[0022]步骤41.利用Fluent中的功能命令HBMAT，使Fluent以Harwell
‑
boeing格式输出整体矩阵，通过编程还原为满矩阵；运用命令流分别从ANSYS的FULL文件中提取热传导矩阵和热容矩阵，保存在输出文件中；在Matlab中利用读取文件命令，从输出文件中得到热传导矩阵和载荷列阵及热容矩阵，从而得到温度场稳态方程，如式(1)所示：
[0023][0024]式中：u(t)为输入变量，y(t)为输出变量，E、A、B、C均为实矩阵，x(t)为状态变量，为对状态变量求一阶导数，上述即状态方程。
[0025]对系统进行拉氏变换，获得传递函数H
(s)
＝C(sE
‑
A)
‑1B，在s0处对传递函数进行Taylor展开，如式(2)所示：
[0026][0027]上式中：由第二项开始依次定义C((A
‑
s0E)
‑1E)
n
(A
‑
s0E)
‑1B＝M
n
,n＝1,2,...,i为系统的第n阶矩，H(s)为传递函数在s0处的泰勒级数展开式；
[0028]步骤42.一个r维Krylov子空间K
r
由1个正定矩阵A和1个向量b组成，即由一组基向量组成定义子空间表达式如下：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：建立油浸式三相变压器仿真物理模型，后续物理场仿真均基于简化仿真物理模型完成计算，具体是根据变压器实际物理尺寸，构建1:1仿真模型；由于实际变压器内部结构复杂，而本发明涉及的场仿真仅与铁芯绕组构件有关，因此对模型进行简化，根据磁场不变准则将绕组等效成圆环；步骤2：基于步骤1中所述简化仿真物理模型，选用Maxwell3D分析模块构建电磁场仿真模型，采用涡流求解器，获得变压器损耗分布；步骤3：将获得的变压器损耗分布作为流体场的激励，建立流体场仿真模型，实现电磁场与流体场耦合分析，获得油浸式三相变压器的温度场分布特性；基于变压器电磁
‑
流体场仿真计算获得温度分布，将计算结果导出至MATLAB Simulink平台完成后续温度场降阶模型搭建；步骤4：基于Krylov子空间的方法对变压器温度场搭建降阶模型进行降阶并验证。2.根据权利要求1所述的一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法，其特征是：所述根据磁场不变准则将绕组等效成圆环，具体是根据变压器容量、电压参数，推算出变压器的几何尺寸，建立变压器仿真模型，根据磁场不变准则，对绕组进行简化，用圆环代替绕组。3.根据权利要求1所述的一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法，其特征是：所述构建的电磁场仿真模型为电磁
‑
流体多物理场耦合仿真模型，包括如下步骤：步骤(1)添加铁芯、绕组参数、磁导率，构建外部等效电路作为激励源，选择涡流求解器，通过电路与磁场耦合仿真，获得变压器的损耗分布；步骤(2)将电磁场仿真模型以及求解结果导入到流体场中，在流体场中构建流体区域命名出入口以及边界，对电磁
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流体多物理场耦合仿真模型进行分部网格抛分，获得良好的网格；步骤(3)在流体场检查电磁场仿真模型是否符合标准，网格质量是否良好，并选择能量场和湍流场作为求解模型，把绕组作为流体场的激励源，建立材料库设定绕组以及变压器油的参数；步骤(4)设计边界条件，换热面，以及流体流速；步骤(5)对电磁
‑
流体多物理场耦合仿真模型进行求解。4.根据权利要求1所述的一种基于Krylov子空间的变压器温度场模型降阶方法，其特征是：所述基于Krylov子空间的方法对获得的油浸式三相变压器温度场搭建降阶模型，在MATLAB simulink平台计算降阶模型，与电磁
‑
流体场仿真结果进行对比，验证模型误差，包括以下步骤：步骤41.利用Fluent中的功能命令HBMAT，使Fluent以Harwell
‑
boeing格式输出整体矩阵，通过编程还原为满矩阵；运用命令流分别从ANSYS的FULL文件中提取热传导矩阵和热容矩阵，并保存在相应的输出文件中；在Matlab中利用读取文件命令，从输出文件中得到热传导矩阵和载荷列阵及热容矩阵，从而得到温度场的稳态方程，如式(1)所示：
式中：u(t)为输入变量，y(t)为输出变量，E、A、B、C均为实矩阵，x(t)为状态变量，为对状态变量求一阶导数，上述即状态方程；对系统进行拉氏变换，获得传递函数H
(s)
＝C(sE
‑
A)
‑1B，在s0处对传递函数进行Taylor展开，如式(2)所示：上式中：由第二项开始依次定义C((A
‑
s0E)
‑1E)
n
(A
‑
s0E)
‑1B＝M
n
,n＝1,2,...,i为系统的第n阶矩，H(s)为传递函数在s0处的泰勒级数展开式；步骤42.一个r维Krylov子空间K
r
由1个正定矩阵A和1个向量b组成，即由一组基向量组成定义子空间表达式如下：K
r
(A,b)＝span{b,Ab,......A
r
‑1b}；对于归一化系统构造以下两个子空间，如式(3)所示：...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡博，杨超，李桐，王亮，雷振江，谢可，邱镇，刘劲松，范维，张亮，张彬，刘佳鑫，廖逍，王兴涛，宋纯贺，董雪情，段方维，崔世界，
申请(专利权)人：沈阳工程学院国家电网有限公司国网信息通信产业集团有限公司中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：