CN110472318A - 一种基于apdl语言的换流站阀厅金具数值仿真批量化建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于APDL语言的换流站阀厅金具数值仿真批量化建模仿真方法，针对支柱绝缘子、管母、均压环、屏蔽球等典型金具设备，进行参数化、批量化建模；针对各设备金具表面电场的提取，将求解过后的出现最大场强的单元节点内电场的平均值作为最大场强，采用批量化、自动化提取，并自动对结果进行统计分析。一方面减少了外部建模的工作量，降低了兼容性问题发生的可能，另一方面也提高了建模及后处理的效率，避免了长时间的人工操作。该方法有助于更高效的进行阀厅内部金具设备全场域模型的有限元数值仿真，对阀厅金具的设计及校核具有较强的指导意义。

Description

一种基于APDL语言的换流站阀厅金具数值仿真批量化建模仿 真方法

技术领域

本发明属于电磁场数值仿真计算研究领域，尤其是涉及换流站阀厅金具数值仿真模型的建模及后处理问题。

背景技术

换流站阀厅金具作为连接阀厅内各电气设备的桥梁，是确保阀厅内部各设备安全运行的重要设备，并且是确保整个直流输电系统正确运行必不可少的组成部分，正确合理的选择阀厅金具具有重要意义。为了保证阀厅的安全可靠运行，必须严格控制金具表面的电场强度，避免发生电晕放电。因此对阀厅内部金具表面电场计算显得尤为重要。

要获取阀厅内部各金具设备表面较为准确的电场分布情况，必须建立阀厅全模型，充分考虑各个金具设备相互之间的影响。由于阀厅内部金具设备众多，结构复杂，阀厅整体模型的有限元建模存在一定的难度。目前常用的建模手段是用专业建模软件建立相应模型，建模完成后导入ANSYS中进行进一步处理。一方面由于不同软件之间的兼容性等问题，可能会导致导入出错、模型变形、布尔运算等模型后续处理过程报错等一系列问题。另一方面需要逐一各设备进行建模，工作量大，对结构相同或类似的设备需要进行大量重复性工作。同样由于设备众多，结构复杂，造成阀厅内部全场域数值模型的计算结果规模巨大。计算完毕后对单个金具设备计算结果的提取耗时较长。采用传统方法提取各设备结果需要进行长达数小时的人工操作，人力成本太高。

针对上述问题，本发明提出了一种基于APDL语言的换流站阀厅金具数值仿真批量化建模及后处理方法，一方面基于ANSYS的APDL语言平台，实现典型金具设备在ANSYS软件内部的参数化、批量化建模，提高建模效率，降低软件兼容性问题的风险；另一方面针对各设备金具表面电场的提取，将求解过后的出现最大场强的单元节点内电场的平均值作为最大场强，采用批量化、自动化提取，并自动对结果进行统计分析，避免了长时间的人工操作。该方法有助于更高效的进行阀厅内部金具设备全场域模型的有限元数值仿真，对阀厅金具的设计及校核具有较强的指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于APDL语言的换流站阀厅金具数值仿真批量化建模及后处理方法，其特点是基于ANSYS的APDL语言平台，实现换流站阀厅中的球、环、柱等典型金具的参数化、批量化建模，以及对计算结果中诸多金具设备表面电场计算结果的批量化提取，以降低软件兼容性问题的风险，提升建模效率，降低后处理过程中的人力成本。

本发明提供的方法主要分为换流站阀厅金具数值仿真模型批量化建模、数值仿真结果批量化后处理两个主要部分。

一种基于APDL语言的换流站阀厅金具数值仿真批量化建模仿真方法，其特征在于，包括：

步骤1，进行换流站阀厅金具数值仿真模型批量化建模，具体包括：

步骤1.1：建立APDL参数化子模型，基于ANSYS的APDL语言，以参数化的方式编写各实体的子模型，具体包括以下定义：

(1)建立均压环子模型：

a.定义均压环中心点坐标、环径、管径、轴线倾斜角度等参数；

b.基于均压环环径、管径等参数，在坐标原点建立相应的环状实体；

c.将模型沿z轴旋转，旋转角度为预先定义的模型轴线与x轴的夹角参数；

d.将模型沿x轴旋转，旋转角度为预先定义的轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角参数；

e.根据均压环中心点坐标参数将模型平移至相应位置；

(2)建立屏蔽球子模型：

a.定义屏蔽球中心点坐标、球径等参数；

b.基于球径在坐标原点建立球形实体；基于中心点坐标将所建球形实体平移至相应位置；

(3)建立管母、绝缘支柱、套管轴对称实体子模型：

a.定义直径、长度、轴线端点坐标、轴线与x轴的夹角、轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角；

b.基于直径、长度等参数，在xy平面中绘制实体的1/2截面，使轴线底端与坐标原点重合；

c.将截面延轴线扫描一周生成3维模型；

d.将模型沿z轴旋转，旋转角度为预先定义的模型轴线与x轴的夹角参数；

e.将模型沿x轴旋转，旋转角度为预先定义的轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角参数；

f.根据轴线端点坐标参数将模型平移至相应位置；

步骤1.2：模型数据收集，根据步骤1.1中建立的子模型，基于设计图纸或实物，分别收集各典型金具建模的所需的各参数具体数值；包括：

(1)针对均压环等环形实体，收集均压环中心点坐标、环径、管径、轴线倾斜角度参数；

(2)针对屏蔽球等球形实体，收集屏蔽球中心点坐标、球径参数；

(3)针对管母、绝缘支柱、套管轴对称实体，收集直径、长度、轴线端点坐标、轴线与x轴的夹角、轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角；

(4)收集所要建立的各类型实体的数量；

步骤1.3：设备金具批量化建模，采用APDL语言，基于所搜集的数据定义数组，结合参数化建模子程序采用循环的方式对各类型金具进行批量建模；具体实现方法如下：

(1)根据环形、球形、管型金具设备的数量，分别定义相应大小的数值数组，储存所需建立的实体坐标、尺寸参数；

(2)采用*do循环，分别循环调用三类金具设备的子模型，实现典型金具设备的参数化、批量化建模；

步骤1.4：模型整合、布尔操作及网格划分，将无法采用参数化建模的非典型金具设备进行外部软件建模，并通过保存为通用文件格式或通过软件接口将非典型金具设备模型导入ANSYS中，与批量化建模的模型进行组合；在此基础上进行布尔操作以及网格划分；

步骤2，换流站阀厅金具数值仿真结果批量化后处理，具体步骤如下：

步骤2.1：参数设置，对于批量化后处理所需的参数进行设置，包括：

(1)对所需提取结果的金具设备指定组件名；

(2)设置最大场强限值，作为后续金具表面最大场强计算结果分析的判据；

步骤2.2：初始化，根据金具设备的数量预先定义储存参数名的1维字符数组(组件名数组)，并将各金具设备的组件名称储存于该数组中；定义储存最大场强及状态标签的2维数组数组(最大场强数组)，第一列用于储存最大场强的数组，第二列用于储存状态标签；

步骤2.3：批量化提取各设备金具电场计算结果，基于APDL语言，采用*do循环实现以下步骤：

(1)采用步骤2.2中定义的组件名数组选择金具设备；

(2)提取所选金具设备在不同角度下的电场分布云图，并输出为图片格式；

(3)将金具设备最大场强出现单元节点中电场值的平均值作为该金具的最大场强值，并储存入金具设备表面最大场强的数组中；

(4)提取所选金具设备表面最大场强的数组，储存于步骤2中定义的最大场强数组的第一列中；

步骤2.4：结果统计及分析，具体包括：

(1)循环对比最大场强数组中第1列的最大场强与预先设置的最大场强控制值；若数组中某一行中的最大场强超出最大场强控制值，则将相应行的状态标签置1；

(2)使用*write命令并排输出组件名数组和最大场强数组至同一文本文件中，使各设备金具的组件名与相应的最大场强以及状态标签对应；

(3)统计最大场强数组中，状态标签为1的行数，作为最大场强超标金具的数量，输出至文本文件中；并根据行数筛选出相应的组件名，输出至同一文件中。

本发明一方面减少了外部建模的工作量，降低了兼容性问题发生的可能，另一方面也提高了建模及后处理的效率，避免了长时间的人工操作。该方法有助于更高效的进行阀厅内部金具设备全场域模型的有限元数值仿真，对阀厅金具的设计及校核具有较强的指导意义。

附图说明

图1是阀厅金具数值仿真模型组合建模方法流程示意图。

图2是基于APDL的阀厅典型金具数值仿真模型批量化建模结果。

图3是通过组合得到的换流站阀厅整体模型。

图4是批量化后处理得到的800kV出线侧管母以及屏蔽球电场分布云图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

首先介绍一下本发明的方法原理。

一种基于APDL语言的换流站阀厅金具数值仿真批量化建模仿真方法，其特征在于，包括：

步骤1，进行换流站阀厅金具数值仿真模型批量化建模，具体包括：

步骤1.1：建立APDL参数化子模型，基于ANSYS的APDL语言，以参数化的方式编写各实体的子模型，具体包括以下定义：

(1)建立均压环子模型：

a.定义均压环中心点坐标、环径、管径、轴线倾斜角度等参数；

b.基于均压环环径、管径等参数，在坐标原点建立相应的环状实体；

c.将模型沿z轴旋转，旋转角度为预先定义的模型轴线与x轴的夹角参数；

d.将模型沿x轴旋转，旋转角度为预先定义的轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角参数；

e.根据均压环中心点坐标参数将模型平移至相应位置；

(2)建立屏蔽球子模型：

a.定义屏蔽球中心点坐标、球径等参数；

b.基于球径在坐标原点建立球形实体；基于中心点坐标将所建球形实体平移至相应位置；

(3)建立管母、绝缘支柱、套管轴对称实体子模型：

a.定义直径、长度、轴线端点坐标、轴线与x轴的夹角、轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角；

b.基于直径、长度等参数，在xy平面中绘制实体的1/2截面，使轴线底端与坐标原点重合；

c.将截面延轴线扫描一周生成3维模型；

d.将模型沿z轴旋转，旋转角度为预先定义的模型轴线与x轴的夹角参数；

e.将模型沿x轴旋转，旋转角度为预先定义的轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角参数；

f.根据轴线端点坐标参数将模型平移至相应位置；

步骤1.2：模型数据收集，根据步骤1.1中建立的子模型，基于设计图纸或实物，分别收集各典型金具建模的所需的各参数具体数值；包括：

(1)针对均压环等环形实体，收集均压环中心点坐标、环径、管径、轴线倾斜角度参数；

(2)针对屏蔽球等球形实体，收集屏蔽球中心点坐标、球径参数；

(3)针对管母、绝缘支柱、套管轴对称实体，收集直径、长度、轴线端点坐标、轴线与x轴的夹角、轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角；

(4)收集所要建立的各类型实体的数量；

步骤1.3：设备金具批量化建模，采用APDL语言，基于所搜集的数据定义数组，结合参数化建模子程序采用循环的方式对各类型金具进行批量建模；具体实现方法如下：

(1)根据环形、球形、管型金具设备的数量，分别定义相应大小的数值数组，储存所需建立的实体坐标、尺寸参数；

(2)采用*do循环，分别循环调用三类金具设备的子模型，实现典型金具设备的参数化、批量化建模；

步骤1.4：模型整合、布尔操作及网格划分，将无法采用参数化建模的非典型金具设备进行外部软件建模，并通过保存为通用文件格式或通过软件接口将非典型金具设备模型导入ANSYS中，与批量化建模的模型进行组合；在此基础上进行布尔操作以及网格划分；

步骤2，换流站阀厅金具数值仿真结果批量化后处理，具体步骤如下：

步骤2.1：参数设置，对于批量化后处理所需的参数进行设置，包括：

(1)对所需提取结果的金具设备指定组件名；

(2)设置最大场强限值，作为后续金具表面最大场强计算结果分析的判据；

步骤2.2：初始化，根据金具设备的数量预先定义储存参数名的1维字符数组(组件名数组)，并将各金具设备的组件名称储存于该数组中；定义储存最大场强及状态标签的2维数组数组(最大场强数组)，第一列用于储存最大场强的数组，第二列用于储存状态标签；

步骤2.3：批量化提取各设备金具电场计算结果，基于APDL语言，采用*do循环实现以下步骤：

(1)采用步骤2.2中定义的组件名数组选择金具设备；

(2)提取所选金具设备在不同角度下的电场分布云图，并输出为图片格式；

(3)将金具设备最大场强出现单元节点中电场值的平均值作为该金具的最大场强值，并储存入金具设备表面最大场强的数组中；

(4)提取所选金具设备表面最大场强的数组，储存于步骤2中定义的最大场强数组的第一列中；

步骤2.4：结果统计及分析，具体包括：

(1)循环对比最大场强数组中第1列的最大场强与预先设置的最大场强控制值；若数组中某一行中的最大场强超出最大场强控制值，则将相应行的状态标签置1；

(2)使用*write命令并排输出组件名数组和最大场强数组至同一文本文件中，使各设备金具的组件名与相应的最大场强以及状态标签对应；

(3)统计最大场强数组中，状态标签为1的行数，作为最大场强超标金具的数量，输出至文本文件中；并根据行数筛选出相应的组件名，输出至同一文件中。

实施例

以某±800kV换流站高端阀厅为例，采用本方法建立相应的有限元模型。

(1)在第一部分的步骤1中，分别基于ANSYS的APDL语言，编写均压环、屏蔽球、绝缘支柱、管母、套管等金具设备的建模子程序。

(2)在第一部分的步骤2中，分别收集各金具设备建模的关键数据，包括：

均压环：管径、环径、中心点坐标、轴线与x轴的夹角、轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角；

屏蔽球：球径、中心点坐标；

管母：管径、长度、端点坐标，轴线与x轴的夹角、轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角；

套管：内径、外径、长度、端点坐标，轴线与x轴的夹角、轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角；

各类型实体的数量。

(3)在第一部分的步骤3中，结合参数化建模子程序采用循环的方式对各类型金具进行批量建模。建模毕后的模型如图2所示。

(4)在第一部分的步骤4中，将无法采用参数化建模的非典型金具设备进行Pro/E软件建模，通过Pro/E与ANSYS的接口导入ANSYS中与批量化建模的模型组合，在此基础上进行布尔操作以及网格划分。布尔操作之后的模型如图3所示。

(5)针对剖分后的模型进行加载和计算。

(6)在第二部分的步骤1中，对于批量化后处理所需的参数进行设置。分别针对换流变Y侧出线金具、换流变D侧出线金具、800kV直流出线金具、400kV直流出线金具、各阀塔、各阀塔避雷器、各均压环、各屏蔽球、各管母等进行组件命名。定义最大场强限制值elim为12kV/cm。

(7)在第二部分的步骤2中，定义组件名数组nc，并将各设备金具的组件名称储存于该数组中；定义最大场强数组emax。

(8)在第二部分的步骤3中，采用*do循环对各设备金具进行批量后处理，输出相应电场分布云图，将金具设备最大场强出现单元节点中电场值的平均值作为该金具的最大场强值，并将各设备金具的表面最大场强储存于emax的第一列中。其中提出得到的800kV出线侧管母以及屏蔽球电场分布云图如图4所示。

(9)在第二部分的步骤4中，循环对比emax第1列中的最大场强与最大场强控制值elim。若emax中第i行的数据emax(i,1)>elim，则emax(i,2)＝1。

(10)在第二部分的步骤4中，使用*write命令并排输出数组nc和emax至文本文件emax.txt中。

(11)在第二部分的步骤4中，统计emax中，状态标签为1的行数。输出至文本文件eexceed.txt中。根据行数筛选出相应的组件名，输出至同一文件。

需要注意的是,公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明,但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内,各种替换和修改都是可能的。因此,本发明不应局限于实施例所公开的内容,本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (1)

1.一种基于APDL语言的换流站阀厅金具数值仿真批量化建模仿真方法，其特征在于，包括：

步骤1，进行换流站阀厅金具数值仿真模型批量化建模，具体包括：

步骤1.1：建立APDL参数化子模型，基于ANSYS的APDL语言，以参数化的方式编写各实体的子模型，具体包括以下定义：

(1)建立均压环子模型：

a.定义均压环中心点坐标、环径、管径、轴线倾斜角度等参数；

b.基于均压环环径、管径等参数，在坐标原点建立相应的环状实体；

c.将模型沿z轴旋转，旋转角度为预先定义的模型轴线与x轴的夹角参数；

d.将模型沿x轴旋转，旋转角度为预先定义的轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角参数；

e.根据均压环中心点坐标参数将模型平移至相应位置；

(2)建立屏蔽球子模型：

a.定义屏蔽球中心点坐标、球径等参数；

b.基于球径在坐标原点建立球形实体；基于中心点坐标将所建球形实体平移至相应位置；

(3)建立管母、绝缘支柱、套管轴对称实体子模型：

a.定义直径、长度、轴线端点坐标、轴线与x轴的夹角、轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角；

b.基于直径、长度等参数，在xy平面中绘制实体的1/2截面，使轴线底端与坐标原点重合；

c.将截面延轴线扫描一周生成3维模型；

d.将模型沿z轴旋转，旋转角度为预先定义的模型轴线与x轴的夹角参数；

e.将模型沿x轴旋转，旋转角度为预先定义的轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角参数；

f.根据轴线端点坐标参数将模型平移至相应位置；

步骤1.2：模型数据收集，根据步骤1.1中建立的子模型，基于设计图纸或实物，分别收集各典型金具建模的所需的各参数具体数值；包括：

(1)针对均压环等环形实体，收集均压环中心点坐标、环径、管径、轴线倾斜角度参数；

(2)针对屏蔽球等球形实体，收集屏蔽球中心点坐标、球径参数；

(3)针对管母、绝缘支柱、套管轴对称实体，收集直径、长度、轴线端点坐标、轴线与x轴的夹角、轴线在xz平面上的投影相对于y轴的夹角；

(4)收集所要建立的各类型实体的数量；

步骤1.3：设备金具批量化建模，采用APDL语言，基于所搜集的数据定义数组，结合参数化建模子程序采用循环的方式对各类型金具进行批量建模；具体实现方法如下：

(1)根据环形、球形、管型金具设备的数量，分别定义相应大小的数值数组，储存所需建立的实体坐标、尺寸参数；

(2)采用*do循环，分别循环调用三类金具设备的子模型，实现典型金具设备的参数化、批量化建模；

步骤1.4：模型整合、布尔操作及网格划分，将无法采用参数化建模的非典型金具设备进行外部软件建模，并通过保存为通用文件格式或通过软件接口将非典型金具设备模型导入ANSYS中，与批量化建模的模型进行组合；在此基础上进行布尔操作以及网格划分；

步骤2，换流站阀厅金具数值仿真结果批量化后处理，具体步骤如下：

步骤2.1：参数设置，对于批量化后处理所需的参数进行设置，包括：

(1)对所需提取结果的金具设备指定组件名；

(2)设置最大场强限值，作为后续金具表面最大场强计算结果分析的判据；

步骤2.2：初始化，根据金具设备的数量预先定义储存参数名的1维字符数组(组件名数组)，并将各金具设备的组件名称储存于该数组中；定义储存最大场强及状态标签的2维数组数组(最大场强数组)，第一列用于储存最大场强的数组，第二列用于储存状态标签；

步骤2.3：批量化提取各设备金具电场计算结果，基于APDL语言，采用*do循环实现以下步骤：

(1)采用步骤2.2中定义的组件名数组选择金具设备；

(2)提取所选金具设备在不同角度下的电场分布云图，并输出为图片格式；

(3)将金具设备最大场强出现单元节点中电场值的平均值作为该金具的最大场强值，并储存入金具设备表面最大场强的数组中；

(4)提取所选金具设备表面最大场强的数组，储存于步骤2中定义的最大场强数组的第一列中；

步骤2.4：结果统计及分析，具体包括：

(1)循环对比最大场强数组中第1列的最大场强与预先设置的最大场强控制值；若数组中某一行中的最大场强超出最大场强控制值，则将相应行的状态标签置1；

(2)使用*write命令并排输出组件名数组和最大场强数组至同一文本文件中，使各设备金具的组件名与相应的最大场强以及状态标签对应；

(3)统计最大场强数组中，状态标签为1的行数，作为最大场强超标金具的数量，输出至文本文件中；并根据行数筛选出相应的组件名，输出至同一文件中。