一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法技术

本发明专利技术公开了一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，包括构建GIS设备隔离开关

【技术实现步骤摘要】
一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法


[0001]本专利技术涉及一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，属于电力设备状态评估


技术介绍

[0002]数字孪生技术通过基于产品的自我学习、快速迭代和演变，减少产品设计与制造、系统规划的时间，实现了产品性能的持续优化，也因此成为企业产品数字化转型的核心技术。目前数字孪生在航天航空、智慧城市、医疗等领域已成功应用，数字孪生技术在工业界已迎来快速发展期。数字孪生是电力装备智能化、数字化转型的关键技术之一，电力装备领域数的数字孪生可服务于高价值电力装备的优化设计与预测性维护，因此具有重要价值。GIS设备作为电力发电输电、变电的重要气体绝缘组合电器，是高压电网建设中关键设备之一。GIS虽具有占地面积小、易于维护检修、结构紧凑、运行可靠性高等优点，但面临着发热损耗难以全面预见与监测、电流密度过大、涡流损耗大等难题，从而对发电厂与变电站的运行安全造成隐患。由电场导致的其绝缘故障明显高于其他电力设备，而现场较难直接对GIS电场进行监测，因此，构建GIS设备电场数字孪生模型，实时、精确的掌握GIS设备电场分布具有十分重大的意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，以构建出一种高计算效率的电场计算模型。
[0004]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，包括：
[0006]构建GIS设备隔离开关
‑
母线全尺寸模型，基于不影响计算效果和电场不变原则，对导体与触座间以及绝缘子嵌件结构进行简化，形成隔离开关
‑
母线简化模型；
[0007]对所述离开关
‑
母线简化模型的导体截面施加工频交流电流激励，求解在所述工频交流电流激励下的电流密度分布以及磁场强度分布，得到所述工频交流电流激励下的电流密度分布以及磁场强度分布；
[0008]基于本征正交分解法提取所述工频交流电流激励下的电场分布的模态，构建电场计算降阶模型，实现模型降阶。
[0009]进一步的，对所述电场计算降阶模型进行验证，若验证通过，则将所述电场计算降阶模型作为电场数字孪生模型，若验证不通过，则重新提取该激励下的电场分布的模态来重新构建电场计算降阶模型，直至验证通过。
[0010]进一步的，对所述电场计算降阶模型进行验证，包括：
[0011]获取对GIS设备模型的导体截面施加工频交流电流激励后若干时间节点的场阈电位作为样本数据，将样本数据集合成样本矩阵；
[0012]通过样本矩阵对所述电场计算降阶模型施加实测的交流电流，得到计算时间和计算误差；
[0013]通过计算时间和计算误差检验是否满足预定要求。
[0014]进一步的，对导体与触座间以及绝缘子嵌件结构进行简化，包括：
[0015]将绝缘子嵌件的螺丝结构简化为圆柱形，导体简化为圆环柱，与触座间仅有接触环相接触，且满足施加相同的电流后，对于简化后的隔离开关
‑
母线模型与简化前的全尺寸模型相同。
[0016]进一步的，基于本征正交分解法提取所述工频交流电流激励下的电场分布的模态，构建电场计算降阶模型，包括：
[0017]从所述工频交流电流激励下的电场分布中，选出S个时间节点的场阈电位作为样本数据，得到样本集；
[0018]设样本数据的一组标准正交基为{ξ1,ξ2,.....,ξ
s
}，则空间中任意点的场域电位可表示为：截取其前d项，有：以截取前后误差最小为目标函数，根据下式求取所述标准正交基：
[0019][0020]以所述标准正交基对场域电位进行重构，以重构后的场域电位带入求解电位的有限元离散代数方程，得到电场计算降阶模型。
[0021]进一步的，基于本征正交分解法提取所述工频交流电流激励下的电场分布的模态，构建电场计算降阶模型，包括：
[0022]对该激励下的简化模型电场分布，选出若干时间节点的场阈电位作为样本数据，得到样本集，样本集合成样本矩阵；
[0023]将样本矩阵左奇异值矩阵的列向量由大到小排序，截取前预定数量的特征值构成样本集的标准正交基；
[0024]以所述标准正交基对场域电位进行重构，以重构后的场域电位带入求解电位的有限元离散代数方程，得到电场计算降阶模型。
[0025]进一步的，对应于所述计算时间的预定要求为：在秒级时间内计算出电场分布；对应于所述计算误差的预定要求为：电场计算降阶模型的计算结果与实测结果对比误差小于5％。
[0026]进一步的，所述GIS设备隔离开关
‑
母线全尺寸模型包括隔离开关外壳、隔离开关绝缘杆、盆式绝缘子、导体、绝缘子嵌件、触座。
[0027]第二方面，本专利技术提供一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶装置，包括：
[0028]模型简化模块，用于构建GIS设备隔离开关
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母线全尺寸模型，基于不影响计算效果和电场不变原则，对导体与触座间以及绝缘子嵌件结构进行简化，形成隔离开关
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母线简化模型；
[0029]电流激励施加模块，用于对所述离开关
‑
母线简化模型的导体截面施加工频交流电流激励，求解在所述工频交流电流激励下的电流密度分布以及磁场强度分布，得到所述工频交流电流激励下的电流密度分布以及磁场强度分布；
[0030]模型降阶模块，用于基于本征正交分解法提取所述工频交流电流激励下的电场分布的模态，构建电场计算降阶模型，实现模型降阶。
[0031]第三方面，本专利技术提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任一项所述方法的步骤。
[0032]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：
[0033]1、本专利技术提供一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，利用保持电场不变的原则，对GIS设备隔离开关
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母线全尺寸模型的绝缘子嵌件和导体与触座间结构进行了等效，可显著减少计算时的网格，提高计算效率；
[0034]2、本专利技术对GIS隔离开关
‑
母线的导体截面施加工频交流电流计算其电场分布后，然后才进行本征正交分解算法的所需的瞬像提取，该步骤提高了所提取模态的全面性，解决了当前基于本征正交分解算法进行模型降阶时所提取的模态不能表征场分布的全部信息的问题；
[0035]3、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电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
[0036]图1是本专利技术实施例提供的一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法的流程图；
[0037]图2是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，其特征在于，包括：构建GIS设备隔离开关
‑
母线全尺寸模型，基于不影响计算效果和电场不变原则，对导体与触座间以及绝缘子嵌件结构进行简化，形成隔离开关
‑
母线简化模型；对所述离开关
‑
母线简化模型的导体截面施加工频交流电流激励，求解在所述工频交流电流激励下的电流密度分布以及磁场强度分布，得到所述工频交流电流激励下的电流密度分布以及磁场强度分布；基于本征正交分解法提取所述工频交流电流激励下的电场分布的模态，构建电场计算降阶模型，实现模型降阶。2.根据权利要求1所述的用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，其特征在于，对所述电场计算降阶模型进行验证，若验证通过，则将所述电场计算降阶模型作为电场数字孪生模型，若验证不通过，则重新提取该激励下的电场分布的模态来重新构建电场计算降阶模型，直至验证通过。3.根据权利要求2所述的用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，其特征在于，对所述电场计算降阶模型进行验证，包括：获取对GIS设备模型的导体截面施加工频交流电流激励后若干时间节点的场阈电位作为样本数据，将样本数据集合成样本矩阵；通过样本矩阵对所述电场计算降阶模型施加实测的交流电流，得到计算时间和计算误差；通过计算时间和计算误差检验是否满足预定要求。4.根据权利要求1所述的用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，其特征在于，对导体与触座间以及绝缘子嵌件结构进行简化，包括：将绝缘子嵌件的螺丝结构简化为圆柱形，导体简化为圆环柱，与触座间仅有接触环相接触，且满足施加相同的电流后，对于简化后的隔离开关
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母线模型与简化前的全尺寸模型相同。5.根据权利要求1所述的用于计算电场分布的GIS设备数字孪生模型降阶方法，其特征在于，基于本征正交分解法提取所述工频交流电流激励下的电场分布的模态，构建电场计算降阶模型，包括：从所述工频交流电流激励下的电场分布中，选出S个时间节点的场阈电位作为样本数据，得到样本集；设样本数据的一组标准正交基为{ξ1,ξ2,.....,ξ
s
}，则空间中任意点的场域电位可表...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鹏，吴益明，陆云才，蔚超，李晓涵，李建生，黄强，王同磊，王胜权，石琦，梁家碧，马勇，
申请(专利权)人：江苏省电力试验研究院有限公司国网江苏省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：