[發明專利]一種基于數字孿生和閉環尋優的變壓器狀態感知方法

在審

• 申請號: 202310326575.1
• 申請日: 2023-03-28
• 公開（公告）號: CN116413541A
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 郭煥輝;王志強;王濤;周晉濤;王之飛;李德金;張波;吳延明;韓丙光;張兆斌;李棟倫;徐立千;高林;張敏
• 申請（專利權）人: 國網山東省電力公司德州供電公司
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00;G06F30/27;G06N3/0499;G06F119/08;G06F119/14;G06F119/04;G06F119/06;G06F119/02;G06F113/04
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 李桂存

本發明提供了一種基于數字孿生和閉環尋優的變壓器狀態感知方法，包括以下步驟：采集變壓器電氣應力，通過采集的變壓器電氣應力計算變壓器初始損耗，根據變壓器初始損耗和變壓器結構參數，建立溫度模型，進行變壓器內部空間溫度測算，得到變壓器芯溫和外殼溫度；采集變壓器外殼溫度，計算采集的變壓器外殼溫度與計算得到的外殼溫度的溫差，調整損耗模型和溫度模型的參數，直至溫差小于百分之二；輸出變壓器熱阻、熱點溫度；通過熱阻、熱點溫度判斷變壓器老化狀態和剩余壽命，實現變壓器的精準運維和壽命周期管理。本發明具有實時性強，精度高，能夠實現參數自適應更新的特性，能夠實現精準運維和壽命周期可靠性管理。

技術領域

本發明涉及一種基于數字孿生和閉環尋優的變壓器狀態感知方法，屬于電力變壓器技術領域。

背景技術

數字孿生技術是最早由美國NASA航天局提出的概念，主要被用于模擬在太空中可能遇到的境況。而后，被廣泛使用于各類工業系統中，以實時掌握物理實體的運行狀態和模擬極端情況下的結果。該技術通過挖掘、分析大量實時、歷史數據，映射實體的實時動作、行為和狀態。由該技術建立的飛行器虛擬模型，通過傳感器技術實現了虛擬和現實的同步，有利于及時了解目標的運行情況、健康狀態、載荷能力等數據，極大地增強了決斷有效性。

在電網數字化轉型的大背景和趨勢下，數據呈現出維數多、量大、冗雜的特點。同時，新加入的傳感器也越來越豐富，跨越多個物理場，包括電場、熱場以及機械應力場等。這些傳感器和數字采集系統的加入，使得對電網設備的數字孿生成為可能。數據模型和物理模型的基本關系如圖4所示。

電力變壓器是電力系統從發電到用電中最重要的環節之一，承擔著電能電壓等級變化的重要任務，廣泛存在于電網的各個電壓等級。變壓器的安全可靠性一直都是保證供電可靠性的基礎。現有技術方案僅針對變壓器的狀態估計進行基于特征量的估計，但對于變壓器老化過程中具體參量的選擇不夠準確，且參數無法隨老化的進行實時更新。導致狀態估計的不準確，不利于精準運維的周期把控和熱管理。關于損耗計算模型，存在實驗波形過于理想化(標準正弦)和參數擬合效率低的問題，同時，參數無法與設備老化程度建立聯系。關于溫度計算模型，存在層結構過多，且結構之間存在氣隙，熱阻、熱容參數無法準確評估等問題。

發明內容

本發明目的是提供了一種基于數字孿生和閉環尋優的變壓器狀態感知方法，能夠結合便于采集到的變壓器外部信息，通過經典的損耗模型和熱模型，實現對把變壓器內部及外部空間溫度分布的評估。

本發明為實現上述目的，通過以下技術方案實現：

步驟1：采集變壓器電氣應力，所述電氣應力包括工頻電壓、電流、頻率、峰值磁感應強度。

步驟2：通過采集的變壓器電氣應力計算變壓器初始損耗，具體計算公式如下：

Pv＝k×f^a×B^b

式中：Pv表示變壓器初始損耗，f是頻率，B是峰值磁感應強度，k、a、b表示斯坦梅茨系數。

步驟3：根據變壓器初始損耗和變壓器結構參數，初始化變壓器磁芯、繞組的熱阻和熱容，建立溫度模型，進行變壓器內部空間溫度測算，得到變壓器芯溫和外殼溫度。

步驟4：采集變壓器外殼溫度，通過極限學習機網絡模型計算采集的變壓器外殼溫度與計算得到的外殼溫度的溫差，如果溫差小于百分之二則繼續步驟5；如果溫差大于百分之二則根據整體誤差選擇ELM參數，調諧初始損耗計算中的參數k、a、b，并調諧溫度模型的參數，直至計算得到的變壓器外殼溫度與采集的變壓器外殼溫度溫差小于百分之二。

步驟5：輸出變壓器熱阻、熱點溫度；通過熱阻、熱點溫度判斷變壓器老化狀態和剩余壽命，實現變壓器的精準運維和壽命周期管理。

優選的，所述溫度模型具體公式如下：