CN112257347B - 一种变电设备的仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变电设备的仿真系统，包括用户交互平台和仿真计算平台。用户交互平台，具有可视化界面，用于与用户进行交互；仿真计算平台，与用户交互平台连接，其内部集成有多个仿真软件，用于根据用户通过用户交互平台输入的产品设计信息中的各产品参数、以及各仿真需求分别调用与各仿真需求相应的各个仿真软件进行仿真，以形成仿真分析报告，并将仿真分析报告发送给用户交互平台，其中，仿真分析报告包括仿真结果，仿真结果包括多个子仿真结果，各个子仿真结果由各个仿真软件分别得出。能够简化仿真建模操作、降低对仿真软件使用者的使用要求。

Description

一种变电设备的仿真系统

技术领域

本发明属于仿真计算领域，具体涉及一种变电设备的仿真系统。

背景技术

变压器和电抗器等变电设备在设计阶段的方案设计验证是一项对人员技术能力要求较高的工作，首先，需要设计人员具有扎实的理论基础以及丰富的设计经验，而且设计验证过程往往涉及温升、电磁、绝缘、短路等专业交叉，难度较大；其次，不同的设计人员采用的设计思路和建模方法差异较大，难以实现参数的标准化且不利于优化分析；再次，目前主要是依靠经验和特定的目标优化结果进行人工调整，步骤反复多，过程繁琐，使得设计效率低且不易获得满意的结果。

另外，目前可以采用仿真软件来进行仿真验证，但是由于目前相应于温升、电磁、绝缘、短路等方面的仿真软件之间相互独立，使得验证过程中需要建立多种相应的模型，操作繁琐，要求使用者需要具备较强的理论基础、设计经验和建模操作能力才能进行使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种变电设备的仿真系统，能够简化仿真建模操作、降低对仿真软件使用者的使用要求。

本发明实施例提供一种变电设备的仿真系统，包括用户交互平台和仿真计算平台。用户交互平台，具有可视化界面，用于与用户进行交互。仿真计算平台，与用户交互平台连接，其内部集成有多个仿真软件，用于根据用户通过用户交互平台输入的产品设计信息中的各产品参数、以及各仿真需求分别调用与各仿真需求相应的各个仿真软件进行仿真，以形成仿真分析报告，并将所述仿真分析报告发送给用户交互平台，其中，仿真分析报告包括仿真结果，所述仿真结果包括多个子仿真结果，各个子仿真结果由各个仿真软件分别得出。

优选地，仿真系统还包括大数据预测平台。所述大数据预测平台与仿真计算平台连接，用于对仿真计算平台接收的产品设计信息进行分析，以得到产品预测结果，并将所述产品预测结果发送给仿真计算平台，所述仿真计算平台还用于将所述产品预测结果写入所述仿真分析报告。

优选地，仿真软件为计算损耗温升的软件、计算波过程的软件、计算短路强度的软件、综合模块的软件、有限元分析的软件中的任何两个或多个。

优选地，仿真计算平台包括计算单模块、建模模块、软件调用模块、报告生成模块。计算单模块，与用户交互平台连接，用于通过用户交互平台向用户提供空白的计算单，并接收用户填写好的计算单，以获取用户输入的产品设计信息，以及，输出建模模块能够读取的标准化参数列表，其中，计算单包括关于产品参数、产品参数变化范围、仿真需求的填选项，仿真需求的填选项的数量为多个。建模模块，与计算单模块连接，用于根据各仿真需求获取标准化参数列表中相应的参数，并生成能够满足各仿真需求的相应的模型文件。软件调用模块，其内部集成有多个所述仿真软件，并与建模模块连接，用于读取满足各仿真需求的相应的模型文件以生成相应的模型，并调用与各仿真需求相应的仿真软件求解相应模型的仿真结果。报告生成模块，与软件调用模块连接，用于根据所述仿真结果生成仿真分析报告。

优选地，仿真计算平台还包括结果优化模块，所述结果优化模块，分别与建模模块和软件调用模块连接，用于在仿真结果不满足要求时，根据用户输入的产品参数变化范围调整产品参数，以使建模模块生成参数调整后的模型文件。

优选地，仿真系统还包括数据库，所述数据库，与仿真计算平台连接，用于存储仿真计算平台得到的仿真分析报告。

优选地，数据库还包括产品数据模块，其与大数据预测平台连接，用于存储历史产品数据以供大数据预测平台读取进行分析，历史产品数据包括历史结构数据和历史试验数据，及其两者之间的映射关系。

优选地，大数据预测平台包括预测模块，预测模块与计算单模块和产品数据模块连接，用于根据产品参数获取与之关联性超过预设阈值的历史结构数据和相应的历史试验数据，并根据产品参数与获取的历史结构数据的差值以及相应的历史试验数据，预测产品参数的试验结果。

本发明实施例提供的变电设备的仿真系统，通过集成多个仿真软件，根据用户输入的产品设计信息中的产品参数及仿真需求，调用与仿真需求相应的各个仿真软件进行计算，并输出仿真分析报告，仿真分析报告包括各个仿真软件计算得出的仿真结果。由于本发明中集成了分别应用于温升、电磁、绝缘、短路等方面的多个仿真软件，使得使用者只需输入产品设计信息，则可由仿真系统各个仿真软件对产品的各个部分分别进行仿真验证，自动完成多个仿真需求的分析，避免使用者在使用多个不同仿真软件时均需建立相应的模型，并且还可以根据各个仿真软件得到的仿真结果生成最终的验证结果，从而使得仿真验证操作简单，降低了对仿真软件使用者的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种变电设备的仿真系统的结构图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的变电设备的仿真系统作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种变电设备的仿真系统，适用于变电设备的仿真验证需要使用到多种不同的仿真软件的情况，尤其适用于对变压器或电抗器的仿真，仿真系统包括用户交互平台1和仿真计算平台2。其中，用户交互平台1，具有可视化界面，用于与用户进行交互；仿真计算平台2，与用户交互平台1连接，其内部集成有多个仿真软件，用于根据用户通过用户交互平台1输入的产品设计信息中的各产品参数、以及各仿真需求分别调用与各仿真需求相应的各个仿真软件进行仿真，以形成仿真分析报告，并将仿真分析报告发送给用户交互平台1，其中，仿真分析报告包括仿真结果，仿真结果包括多个子仿真结果，各个子仿真结果由各个仿真软件分别得出。

本实施例中，用户交互平台1可以是计算机、个人数字助理等客户终端。用户先在用户交互平台1输入用户登录信息，用户登陆信息包括用户名、密码和用户权限。登录后，用户再输入需要进行仿真验证的产品设计信息，产品设计信息包括产品参数和产品参数变化范围、仿真需求。对于变压器产品来说，产品参数包括产品结构数据和产品运行要求数据，其中，产品结构数据包括几何尺寸数据(例如变压器线圈尺寸、散热器安装方式、高压线圈和低压线圈的布置方式等)和物理特征数据(指产品材料物理特征，如铜导线的电阻率，变压器油的粘度、比热等)；产品运行要求数据指变压器运行工况的规定(例如在运行中的长时间过负荷情况、过电压情况)。产品参数变化范围仅指产品结构数据的变化范围。此外，用户包含产品设计人员、新产品研发人员、对外提供技术支持人员。其中，产品设计人员主要设计成熟结构产品，仿真验证内容较少，仅对局部改进的方案内容进行验证。新产品研发人员主要是进行新产品开发，对验证工作的需求比较细致，验证内容详细。对外提供技术支持人员主要是前期提供投标资料及技术澄清应用，验证内容比较粗略，通常为用户提供技术能力证明资料。仿真计算平台2内部集成有多个仿真软件，例如，仿真软件为计算损耗温升的软件、计算波过程的软件、计算短路强度的软件、综合模块的软件、有限元分析的软件中的任何两个或多个。仿真计算平台2用于根据用户通过用户交互平台1输入的产品设计信息中的各产品参数、以及各仿真需求分别调用与各仿真需求相应的各个仿真软件进行仿真，以形成仿真分析报告，并将仿真分析报告发送给用户交互平台1，用户交互平台1用于将仿真分析报告展示给用户查看。其中，仿真需求指用户根据实际需求确定待进行的仿真计算，例如，仿真需求包括损耗温升和波过程的仿真，则仿真计算平台2分别调用与损耗温升相应的SARPTON软件、与波过程相应的IMV软件进行仿真计算，形成的仿真分析报告中的仿真结果包括SARPTON软件和IMV软件各自计算得出的仿真结果。

可选地，变电设备的仿真系统还包括大数据预测平台3。大数据预测平台3与仿真计算平台2连接，用于对仿真计算平台2接收的产品设计信息进行分析，以得到产品预测结果，并将产品预测结果发送给仿真计算平台2，仿真计算平台2还用于将产品预测结果写入仿真分析报告。需要说明的是，大数据预测平台3主要用于预测批量定型产品的改进设计的预测结果。

可选地，仿真计算平台2包括计算单模块21、建模模块22、软件调用模块23、报告生成模块24。

计算单模块21，与用户交互平台1连接，用于通过用户交互平台1向用户提供空白的计算单，并接收用户填写好的计算单，以获取用户输入的产品设计信息，以及，输出建模模块22能够读取的标准化参数列表，其中，计算单包括关于产品参数、产品参数变化范围、仿真需求的填选项，仿真需求的填选项的数量为多个。

本实施例中，计算单包括产品设计方案的理论计算过程、产品参数、产品参数变化范围、仿真需求等方面内容，其中，用户可在空白的计算单中填写所设计的产品参数、产品参数变化范围，并根据实际需求在计算单上选择多个仿真需求选项。计算单模块21接收用户填写好的计算单，从而获取到用户输入的产品设计信息，并输出标准化参数列表，标准化参数列表包括标准化的参数名称及参数表达式，以便于后续的建模模块22进行读取，计算单模块21输出的标准化参数列表，实现了参数的标准化，为仿真计算平台2的自动化处理提供标准化数据。

建模模块22，与计算单模块21连接，用于根据各仿真需求获取标准化参数列表中相应的参数，并生成能够满足各仿真需求的相应的模型文件。

本实施例中，若用户的仿真需求包括损耗温升、波过程，则建模模块22获取计算单模块21输出的标准化参数列表中的电磁计算参数进行处理，编辑生成SARPTON软件进行仿真分析时需要的模型文件A，以及编辑生成IMV软件进行仿真分析时需要的模型文件B。若用户的仿真需求有N个，则建模模块22生成N个仿真软件进行仿真时需要的N个相应的模型文件。

软件调用模块23，其内部集成有多个仿真软件，并与建模模块22连接，用于读取满足各仿真需求的相应的模型文件以生成相应的模型，并调用与各仿真需求相应的仿真软件求解相应模型的仿真结果。

本实施例中，软件调用模块23存储有一个仿真软件库，仿真软件库中包括有各种现有的仿真软件，例如，计算损耗温升的SARPTON、计算波过程的IMV、计算短路强度的EDINST、综合模块TDS，商业有限元仿真软件ANSYS、COMSOL Multiphysics等。软件调用模块23读取模型文件A生成SARPTON软件可识别的模型A1，并将模型A1添加到SARPTON软件的模型库。软件调用模块23还读取模型文件B生成IMV软件可识别的模型B1，并将模型B1添加到IMV软件的模型库。继而软件调用模块23通过调用Windows API中的FindWindow()函数，获得己启动分析计算软件(SARPTON、IMV)的窗口句柄(Handle)，最后通过调用Windows API中的SetParent()函数，将已启动的SARPTON、IMV软件窗口分别嵌入至一个视图(tabview)中；调用Windows API中的FindWindow()函数，查找SARPTON、IMV软件导入模型按钮句柄(Handle)，然后通过调用Windows API中的SendMessage()函数,发送SARPTON、IMV模型库数据路径，实现自动导入模型A1和B1，从而求解模型A1和模型B1的仿真结果。可选地，软件调用模块23还用于将生成的模型A1和B1发送至用户交互平台1，以供用户查看并确认。在用户查看模型后若确认要修改，则用户可以重新修改填写至计算单中的内容。

报告生成模块24，与软件调用模块23连接，用于根据仿真结果生成仿真分析报告。

本实施例中，报告生成模块24用于将软件调用模块23求解的仿真结果生成仿真分析报告，具体地，仿真分析报告包括图文报告，即仿真分析报告包括图片(如曲线图)、表数据、文字等方式描述的仿真结果。采用图文报告形式使得用户查阅仿真结果更为直观。

可选地，仿真计算平台2还包括结果优化模块25。结果优化模块25，分别与建模模块22和软件调用模块23连接，用于在仿真结果不满足要求时，根据用户输入的产品参数变化范围调整产品参数，以使建模模块22生成参数调整后的模型文件。

本实施例中，结果优化模块25用于在仿真结果不满足要求(如与客户签订的合同中的协议要求)时，根据用户输入的产品参数变化范围调整参数，以使建模模块22生成参数调整后的模型文件，继而由软件调用模块23继续求解参数调整后的仿真结果。结果优化过程需要反复迭代多次计算才能获取满足要求的参数。在符合协议规定的情况下，确定产品性能最优，成本最低的产品参数。通过仿真计算平台2进行自动结果优化，从而提高效率，减少人工优化的出错率，减少重复性工作。

可选地，变电设备的仿真系统还包括数据库4。数据库4，与用户交互平台1连接，用于存储产品的国家及行业标准，以及用户的登录信息。数据库4还与仿真计算平台2连接，用于存储仿真计算平台2得到的仿真分析报告。

可选地，数据库4还包括产品数据模块42，产品数据模块42与大数据预测平台3连接，用于存储历史产品数据以供大数据预测平台3读取进行分析，历史产品数据包括历史结构数据和历史试验数据，及其两者之间的映射关系。具体地，数据库4还包括用户数据模块41、案例库模块43以及知识库模块44，用户数据模块41用于存储用户通过用户交互平台1输入的登录信息。案例库模块43用于存储仿真计算平台2的产品参数及相应的仿真分析报告。知识库模块44用于存储产品的国家及行业标准，企业产品设计原则等知识信息，以供用户查阅。

可选地，大数据预测平台3包括预测模块31。预测模块31与计算单模块21和产品数据模块连接，用于根据产品参数获取与之关联性超过预设阈值的历史结构数据和相应的历史试验数据，并根据产品参数与获取的历史结构数据的差值以及相应的历史试验数据，预测产品参数的试验结果。

本实施例中，变压器企业经过数十年生产过程，已经积累了大量的产品历史数据。但是面对海量的产品历史数据，若需快速准确的分析出数据之间的关联关系，进行有效运用，使数据产生价值，依靠目前人工分析对比，是无法实现的。本实施例中的大数据预测平台用于对变压器产品的历史数据的统计分析，通过对变压器材料、结构及其它特征数据进行分析，采用机器学习方法，预测变压器研发方案性能参数(通过历史数据预测产品试验数据，是作为与软件仿真验证并行的一种方法，可以与仿真结果进行比较。在有些参数仿真结果不够精确的情况下，采用数据预测方法有可能比仿真计算结果更接近试验结果)。在变压器生产实践中，有些参数由于目前工程算法或仿真软件的准确度限制无法获取理想的计算结果，其计算结果与试验数据往往会出现较大偏差。但通过相同类型、相近结构尺寸的产品试验数据对比分析，却往往能够预测出比较准确的试验结果，因此，大数据分析预测基于数据算法的基本思维，通过数据分析、数据挖掘来提高参数计算精度，将其作与为仿真计算并行的一种方法。对于一些影响因素较多的参数，例如温升、杂散损耗等性能参数，通过对产品结构尺寸、试验数据等多维度参数，进行线性相关，非线性相关分析，加入数据算法，对参数进行预测，取得了比较好的效果。需要说明的是，大数据预测平台的预测结果仅适用于已批量生产的成熟结构产品的改进设计验证，不适应于新品设计验证。若仿真结果与产品预测结果存在差别时，使用者可采用仿真结果。

大数据预测平台对损耗温升进行预测的方法示例如下，方法包括：

步骤S1，获取并存储历史温升试验值及其相应的产品结构数据、产品结构数据相应的计算值。

具体地，从其他系统(如PLM、设计协同平台、MES等)收集温升相关的产品设计参数及产品结构数据(如线材、电密等)、计算过程数据(如单位散热密度、绝缘温差等)、计算值(根据产品设计参数及产品结构数据、温升算法获得的计算值，如绕组温升、绕组热点温升、油顶层温升等的计算值)、试验值(如加载损耗、油顶层温升等)、生产信息(如过程检测数据)、材料及供应商信息等。例如，获取并存储以上数据的个数为2000个。

步骤S2，主成分降维。

具体地，主成分降维的基本原理是设法将原来变量重新组合成一组新的相互无关的几个综合变量，同时根据实际需要从中可以取出几个较少的总和变量尽可能多地反映原来变量的信息。例如，对步骤S1中获取并存储的数据进行变量归类，获得2000个数据对应的变量的个数为100个(即原来变量的个数为100个)，经过重新组合成一组新的相互无关的综合变量的个数为50个，同时根据损耗温升的实际需求从50个综合变量中取出如下16个总和变量：单位散热密度、水平油道布置信息、垂直油道的大小、撑条布置密度、线材类型、绝缘厚度、绝缘材料厂家信息、线圈形式、挡油板结构及布置方式、绝缘油属性及厂家信息、散热器数据及厂家信息、风机数据及厂家信息、设计方温升计算信息、温升实验结果及过程信息、损耗实验数据、绝缘件及线圈制造过程质检信息等相关参数。以上16个总和变量对应的数据的个数可能为1000个。

步骤S3，根据聚类分析、分类分析的数据挖掘方法获取基础数据样本。

具体地，采用快速聚类(K-means)获得数据样本。以计算单中用户输入的产品参数为原点，采用k-最邻近分类法，数据空间欧氏距离的平方(Squared Euclidean distance)为测量尺度，在步骤S2中1000个数据的数据空间中获取离计算单中用户输入的产品最近的一类数据样本，作为预测基础样本数据。

步骤S4，参数预测。

具体地，获取步骤S3中预测基础样本数据相应的计算值和试验值，计算所述计算值和试验值的相对偏差并进行归一化数据处理，以获得标准化的计算误差，所述标准化的计算误差用于构建计算误差的正态分布模型(所述正态分布模型为一条曲线)，基于所述正态分布模型对实际的参数值误差进行预测，经过转换后输出的预测结果的表现形式为：参数预测结果+产品参数合格的概率，如损耗温升预测结果为65K，其合格的概率95％。即采用大数据预测平台预测的损耗温升的试验结果为65K，且损耗温升小于65K的概率为95％。当进行其他参数的试验结果预测时，执行步骤S2-步骤S4。

本发明实施例提供的变电设备的仿真系统，通过集成多个仿真软件，根据用户输入的产品设计信息中的产品参数及仿真需求，调用与仿真需求相应的各个仿真软件进行计算，并输出仿真分析报告。将计算单与仿真软件无缝对接，实现计算单的参数数据与仿真软件数据的共享，采用参数化建模技术、分析自动化技术等实现使得使用者只需输入产品设计信息，则可由仿真系统自动完成多个仿真需求的分析，避免使用者在使用多个不同仿真软件时均需建立相应的模型，从而使得仿真验证操作简单，且降低对仿真软件使用者的要求。仿真系统中包括大数据预测平台，用于预测成熟结构产品的试验结果，进一步为使用者提供产品设计的验证参考。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种变电设备的仿真系统，其特征在于，包括用户交互平台和仿真计算平台，

用户交互平台，具有可视化界面，用于与用户进行交互；

仿真计算平台，与用户交互平台连接，其内部集成有多个仿真软件，用于根据用户通过用户交互平台输入的产品设计信息中的各产品参数、以及各仿真需求分别调用与各仿真需求相应的各个仿真软件进行仿真，以形成仿真分析报告，并将所述仿真分析报告发送给用户交互平台，

其中，仿真分析报告包括仿真结果，所述仿真结果包括多个子仿真结果，各个子仿真结果由各个仿真软件分别得出；

所述仿真计算平台包括计算单模块、建模模块、软件调用模块、报告生成模块，

计算单模块，与用户交互平台连接，用于通过用户交互平台向用户提供空白的计算单，并接收用户填写好的计算单，以获取用户输入的产品设计信息，以及，输出建模模块能够读取的标准化参数列表，其中，计算单包括关于产品参数、产品参数变化范围、仿真需求的填选项，仿真需求的填选项的数量为多个，

建模模块，与计算单模块连接，用于根据各仿真需求获取标准化参数列表中相应的参数，并生成能够满足各仿真需求的相应的模型文件；

软件调用模块，其内部集成有多个所述仿真软件，并与建模模块连接，用于读取满足各仿真需求的相应的模型文件以生成相应的模型，并调用与各仿真需求相应的仿真软件求解相应模型的仿真结果；

报告生成模块，与软件调用模块连接，用于根据所述仿真结果生成仿真分析报告；

所述仿真软件包括计算损耗温升的软件和计算波过程的软件，

所述仿真需求包括损耗温升和波过程的仿真，所述计算损耗温升的软件为SARPTON软件，所述计算波过程的软件为IMV软件，

建模模块获取计算单模块输出的标准化参数列表中的电磁计算参数进行处理，编辑生成SARPTON软件进行仿真分析时需要的模型文件A，以及编辑生成IMV软件进行仿真分析时需要的模型文件B，

软件调用模块读取模型文件A生成SARPTON软件可识别的模型A1，并将模型A1添加到SARPTON软件的模型库；以及，读取模型文件B生成IMV软件可识别的模型B1，并将模型B1添加到IMV软件的模型库，软件调用模块还调用Windows API中的FindWindow()函数，获得己启动分析计算软件SARPTON和IMV的窗口句柄，最后通过调用Windows API中的SetParent()函数，将已启动的SARPTON、IMV软件窗口分别嵌入至一个视图中；调用Windows API中的FindWindow()函数，查找SARPTON、IMV软件导入模型按钮句柄，然后通过调用Windows API中的SendMessage()函数，发送SARPTON和IMV的模型库数据路径，以实现自动导入模型A1和B1，从而求解出模型A1和模型B1的仿真结果。

2.根据权利要求1所述的变电设备的仿真系统，其特征在于，还包括大数据预测平台，

所述大数据预测平台与仿真计算平台连接，用于对仿真计算平台接收的产品设计信息进行分析，以得到产品预测结果，并将所述产品预测结果发送给仿真计算平台，

所述仿真计算平台还用于将所述产品预测结果写入所述仿真分析报告。

3.根据权利要求2所述的变电设备的仿真系统，其特征在于，仿真软件还包括计算短路强度的软件、综合模块的软件、有限元分析的软件中的任何两个或多个。

4.根据权利要求1-3任一项所述的变电设备的仿真系统，其特征在于，仿真计算平台还包括结果优化模块，

所述结果优化模块，分别与建模模块和软件调用模块连接，用于在仿真结果不满足要求时，根据用户输入的产品参数变化范围调整产品参数，以使建模模块生成参数调整后的模型文件。

5.根据权利要求4所述的变电设备的仿真系统，其特征在于，还包括数据库，

所述数据库，与仿真计算平台连接，用于存储仿真计算平台得到的仿真分析报告。

6.根据权利要求5所述的变电设备的仿真系统，其特征在于，数据库还包括产品数据模块，其与大数据预测平台连接，用于存储历史产品数据以供大数据预测平台读取进行分析，历史产品数据包括历史结构数据和历史试验数据，及其两者之间的映射关系。

7.根据权利要求6所述的变电设备的仿真系统，其特征在于，大数据预测平台包括预测模块，

预测模块与计算单模块和产品数据模块连接，用于根据产品参数获取与之关联性超过预设阈值的历史结构数据和相应的历史试验数据，并根据产品参数与获取的历史结构数据的差值以及相应的历史试验数据，预测产品参数的试验结果。