CN112417686B - 通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，其方法包括：建立开关柜仿真模型；基于仿真模型设定等效热源的仿真参数；基于开关柜仿真模型设定开关温度场动态参数调整模块中对等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数；获取开关温度场动态参数调整模块下的仿真结果数据；将所述仿真结果数据与所对应实验数据进行比较判断；计算仿真结果数据与实验结果差异的比例系数；基于仿真结果数据进行差异最大值判断；基于开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统与开关柜典型热故障对应关系模拟开关柜其他热故障。本发明实施例通过对等效热源和内部环境相结合的仿真降低开关柜热故障分析的实验成本，提高结果的准确性。

Description

通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法

技术领域

本申请涉及开关柜故障仿真技术领域，特别涉及一种通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法。

背景技术

开关柜就是常见的输配电设备，在输配电过程中起着控制或保护的作用。开关柜内部包含了隔离开关、断路器和相关的保护装置，当电力系统出现故障时可以通过其隔离开关断开相互连接的设备，一方面保护了连接的电力设备同时也保护了电力操作人员的安全。由此可见开关柜在电力系统中起着非常重要的作用。开关柜在制造、配送、安装、运行和检修等过程中，不可避免的会造成开关柜内出现各种发热故障。若不及早发现开关柜内部的状态而任其发展至严重程度，最终将导致开关柜内绝缘破坏而引发安全事故，给发电企业带来巨大的经济损失和负面的社会影响。

目前对于开关柜故障的研究，特别是对热故障的分析，主要通过实验模拟的方式。实验模拟的方式虽然准确性高，但所需时间周期长，且成本较高。模拟仿真的方式能够避免高昂的成本以及较长的时间周期，但结果精度差异较大。

发明内容

本申请的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题，提供一种通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，通过对等效热源和内部环境相结合的仿真降低开关柜热故障分析的实验成本，提高结果的准确性。

本申请实施例提供一种通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，所述方法包括：

建立开关柜仿真模型，所述开关柜仿真模型中匹配了开关柜温度场动态参数调整模块和开关柜外壳温度场分布影响参数模块，所述开关温度场动态参数调整模块中设置有对等效热源参数和内部环境参数的调整机制，所述开关柜外壳温度场分布影响参数模块存储有若干个满足预设实验数据阈值的开关柜外壳温度场分布仿真值；

基于开关柜仿真模型设定开关温度场动态参数调整模块中对等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数；

基于所述等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数获取开关温度场动态参数调整模块下的仿真结果数据，所述仿真结果数据包括：开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据；

将所述仿真结果数据与所对应实验数据进行比较判断，若判断所述仿真结果数据低于预设实验数据阈值，则进入下一步，否则调整开关温度场动态参数调整模块中等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数；

触发开关柜外壳温度场分布影响参数模块匹配一个开关柜外壳温度场分布仿真值；

基于开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据、开关柜外壳温度场分布仿真值进行结果差异的梯度排序，并计算仿真结果数据与实验结果差异的比例系数；

基于仿真结果数据进行差异最大值判断，若满足差异最大值则进入下一步，否则基于仿真结果数据与实验结果差异的比例系数设定开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数；

在满足差异最大值时，基于开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据、开关柜外壳温度场分布仿真值进行实验数据差异的均值计算；

判断所述实验数据差异的均值是否满足低于均值阈值，若低于均值阈值则确定开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统，若不满足，则触发调整开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数；

基于开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统与开关柜典型热故障对应关系模拟开关柜其他热故障。

所述建立开关柜仿真模型中，依据实际开关柜结构，等比例构建母线室、断路器室、电缆室、仪表室和小车室五部分，省去微小部件，只保留铜排和绝缘部分的主要部件，分布于母线室、断路器室和电缆室。

在判断所述仿真结果数据不低于预设实验数据阈值时，所述调整开关温度场动态参数调整模块中等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数：每次按照等效热源总功率的±5％调整热源功率；以及每次按照±5％比例调整开关柜内部压强、湿度、初始温度。

所述仿真结果数据与实验结果差异的比例系数为：

其中：a％为开关柜主要部件温度场分布与实验结果差异的百分比、b％为开关柜内部温度场分布与实验结果差异的百分比、c％为开关柜外壳温度场分布与实验结果差异的百分比，A为开关柜主要部件温度场分布的比例系数、B为开关柜内部温度场分布的比例系数、C为开关柜外壳温度场分布的比例系数。

所述仿真结果数据与实验结果差异的比例系数设定开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数包括：

每次遵循比例系数按照±3％调整等效热源的仿真参数；

每次遵循比例系数按照±3％调整内部环境的仿真参数。

所述触发调整开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数包括：

采用以差异均值最小为目标函数的遗传算法对等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数进行调整。

相比于现有技术，本实施例基于开关柜典型热故障模拟实验数据，矫正开关柜热故障仿真模型中等效热源和内部环境的仿真参数设定，降低对开关柜热故障模拟分析的成本和周期，提高了分析精度和结果准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为发明实施例中的通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法流程图；

图2是本发明实施例中的开关柜典型热故障实验模拟过程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例所涉及的开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，通过建立开关柜仿真模型，所述开关柜仿真模型中匹配了开关柜温度场动态参数调整模块和开关柜外壳温度场分布影响参数模块，所述开关温度场动态参数调整模块中设置有对等效热源参数和内部环境参数的调整机制，所述开关柜外壳温度场分布影响参数模块存储有若干个满足预设实验数据阈值的开关柜外壳温度场分布仿真值；基于开关柜仿真模型设定开关温度场动态参数调整模块中对等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数；基于所述等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数获取开关温度场动态参数调整模块下的仿真结果数据，所述仿真结果数据包括：开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据；将所述仿真结果数据与所对应实验数据进行比较判断，若判断所述仿真结果数据低于预设实验数据阈值，则进入下一步，否则调整开关温度场动态参数调整模块中等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数；触发开关柜外壳温度场分布影响参数模块匹配一个开关柜外壳温度场分布仿真值；基于开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据、开关柜外壳温度场分布仿真值进行结果差异的梯度排序，并计算仿真结果数据与实验结果差异的比例系数；基于仿真结果数据进行差异最大值判断，若满足差异最大值则进入下一步，否则基于仿真结果数据与实验结果差异的比例系数设定开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数；在满足差异最大值时，基于开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据、开关柜外壳温度场分布仿真值进行实验数据差异的均值计算；判断所述实验数据差异的均值是否满足低于均值阈值，若低于均值阈值则确定开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统，若不满足，则触发调整开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数；基于开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统与开关柜典型热故障对应关系模拟开关柜其他热故障。

具体的，图1示出了本发明实施例中的通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法流程图，包括以下步骤：

S101、建立开关柜仿真模型；

该开关柜仿真模型中匹配了开关柜温度场动态参数调整模块和开关柜外壳温度场分布影响参数模块，所述开关温度场动态参数调整模块中设置有对等效热源参数和内部环境参数的调整机制，所述开关柜外壳温度场分布影响参数模块存储有若干个满足预设实验数据阈值的开关柜外壳温度场分布仿真值，该开关柜外壳温度场分布仿真值的系列值满足本发明实施例仿真环境下的对等效热源参数和内部环境参数的调整机制。该开关柜外壳温度场分布仿真值所对应有实验结果差异的百分比等，通过对等效热源参数和内部环境参数在仿真环境中由于不同阈值继续触发进行重新调整仿真参数，从而结合等效热源和内部环境实现开关柜仿真模型的快速矫正匹配，实现基于等效热源和内部环境下的所对应的模型矫正的快速仿真模拟过程。

所述建立开关柜仿真模型中，依据实际开关柜结构，等比例构建母线室、断路器室、电缆室、仪表室和小车室五部分，省去微小部件，只保留铜排和绝缘部分的主要部件，分布于母线室、断路器室和电缆室。具体实施时，省去固定螺钉、直径小于2cm孔洞和突起、小于2mm缝隙等微小部件，只保留铜排和绝缘部分的主要部件，用长方体、圆柱体等规则体替代，主要部件分布于母线室、断路器室和电缆室，仪表室和小车室为空室。在实际应用中，忽略的微小部分根据时间需求进行确定，主要部件的替代依据实际仿真精度和计算量等要求确定。

在仿真参数的设定中，包括等效热源、内部环境参数、柜体换热系数、外部环境参数四种主要参数设定。等效热源为体热源，在本实施例中确定为2*2*2cm3，等效热源可调节参数为功率；内部环境参数包括开关柜内部压强、湿度、初始温度等主要环境参数；柜体换热系数为柜体与外部环境间的热传系数；外部环境参数包括开关柜外部压强、湿度、初始温度等主要环境参数。柜体换热系数和外部环境参数共同构成开关柜外壳温度场分布影响参数。在实际应用中，开关柜内部和外部环境参数的种类根据仿真环境的实际需求选定。

S102、基于开关柜仿真模型设定开关温度场动态参数调整模块中对等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数；

需要说明的是，这里等效热源可调节参数为功率；这里内部环境参数包括开关柜内部压强、湿度、初始温度等主要环境参数。

S103、基于所述等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数获取开关温度场动态参数调整模块下的仿真结果数据；

需要说明的是，这里仿真结果数据包括：开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据。

S104、将所述仿真结果数据与所对应实验数据进行比较判断；

这里若判断所述仿真结果数据低于预设实验数据阈值，则进入下一步S105，否则调整开关温度场动态参数调整模块中等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数进入S102。

具体实施过程中，在判断所述开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据不低于预设实验数据阈值时，所述调整仿真模型中等效热源的仿真参数包括：每次按照等效热源总功率的±5％调整热源功率；在判断所述开关柜内部温度场分布的仿真结果数据不低于预设实验数据阈值时，所述调整仿真模型中内部环境的仿真参数包括：每次按照±5％比例调整开关柜内部压强、湿度、初始温度。在本实施例中设定的预设实验数据阈值为与实验数据差异低于20％。在实际应用中，设定预设实验数据阈值、调比例等依据实际需求设定。

S105、触发开关柜外壳温度场分布影响参数模块匹配一个开关柜外壳温度场分布仿真值；

在确定开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据和开关柜内部温度场分布的仿真结果数据同时满足相应条件时，触发相应的仿真值匹配，实现对开关柜主要部件温度场分布和开关柜内部温度场分布的相应仿真模拟精度矫正过程，使得开关柜具有相应的开关局典型热故障模拟实验数据作为支撑进行分析达到相应的分析结果。

S106、基于开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据、开关柜外壳温度场分布仿真值进行结果差异的梯度排序，并计算仿真结果数据与实验结果差异的比例系数；

这里仿真结果数据与实验结果差异的比例系数为：

在本实施例中，a％为开关柜主要部件温度场分布与实验结果差异的百分比、b％为开关柜内部温度场分布与实验结果差异的百分比、c％为开关柜外壳温度场分布与实验结果差异的百分比，A为开关柜主要部件温度场分布的比例系数、B为开关柜内部温度场分布的比例系数、C为开关柜外壳温度场分布的比例系数。

S107、基于仿真结果数据进行差异最大值判断；

若满足差异最大值则进入下一步S108，否则基于仿真结果数据与实验结果差异的比例系数设定开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数即重新进入S102进行相应处理过程，即调整开关温度场动态参数调整模块中等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数，具体的，基于开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据与实验结果差异的比例系数设定等效热源的仿真参数以及基于内部环境的仿真参数与实验结果差异的比例系数设定内部环境的仿真参数。

这里基于仿真结果数据与实验结果差异的比例系数设定开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数包括：每次遵循比例系数按照±3％调整等效热源的仿真参数；以及每次遵循比例系数按照±3％调整内部环境的仿真参数。在本实施例中，设定为仿真结果与实验数据差异最大值低于10％。

S108、在满足差异最大值时，基于开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据、开关柜外壳温度场分布仿真值进行实验数据差异的均值计算；

需要说明的是，不同位置温度场分布与实验数据差异的均值计算中，均值计算公式为：

S109、判断所述实验数据差异的均值是否满足低于均值阈值；

若低于均值阈值则确定开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统进入S110，若不满足，则触发调整开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数即重新进入S102进行相应处理过程。

这里均值阈值为仿真结果与实验数据差异最大值低于5％，在实际应用中，设定均值阈值依据实际需求设定。

需要说明的是，这里采用以差异均值最小为目标函数的遗传算法对等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数进行调整。

S110、确定开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统；

这里确定开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系数，为总结开关柜典型热故障等效热源、内部环境参数、柜体换热系数、外部环境参数、及加权系数与开关柜典型热故障对应关系。

S111、基于开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统与开关柜典型热故障对应关系模拟开关柜其他热故障。

开关柜其他类型热故障仿真模拟，依据总结的开关柜典型热故障等效热源、内部环境参数、柜体换热系数、外部环境参数、及加权系数与开关柜典型热故障对应关系，按规律设定等效热源、内部环境参数、柜体换热系数、外部环境参数模拟开关柜其他热故障。

参见图2所示，在步骤S104、S107、S109中，实验数据来源与搭建实验平台对开关柜典型热故障模拟实验，实验平台所用开关柜与仿真模型开关柜型号一致。开关柜典型热故障实验模拟过程包括：K1开关柜热故障模拟实验平台搭建；K2开关柜典型热故障实验模拟；K3开关柜典型热故障实验数据记录和分析。

进一步，K3开关柜典型热故障实验数据记录和分析，包括：K3-1开关柜热故障主要部件温度场分布；K3-2开关柜热故障内部温度场分布；K3-3开关柜热故障外壳温度场分布。

进一步，步骤S104、S107、S109中，实验数据包括搭建实验平台的开关柜型号、开关柜内部环境参数、开关柜外部环境参数、典型故障类型、K3-1开关柜热故障主要部件温度场分布；K3-2开关柜热故障内部温度场分布；K3-3开关柜热故障外壳温度场分布等。

本实施例基于开关柜典型热故障模拟实验数据，矫正开关柜热故障仿真模型中等效热源和内部环境的仿真参数设定，降低对开关柜热故障模拟分析的成本和周期，提高了分析精度和结果准确度。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，其特征在于，所述方法包括：

建立开关柜仿真模型，所述开关柜仿真模型中匹配了开关柜温度场动态参数调整模块和开关柜外壳温度场分布影响参数模块，所述开关温度场动态参数调整模块中设置有对等效热源参数和内部环境参数的调整机制，所述开关柜外壳温度场分布影响参数模块存储有若干个满足预设实验数据阈值的开关柜外壳温度场分布仿真值；

基于开关柜仿真模型设定开关温度场动态参数调整模块中对等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数；

基于所述等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数获取开关温度场动态参数调整模块下的仿真结果数据，所述仿真结果数据包括：开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据；

将所述仿真结果数据与所对应实验数据进行比较判断，若判断所述仿真结果数据低于预设实验数据阈值，则进入下一步，否则调整开关温度场动态参数调整模块中等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数；

触发开关柜外壳温度场分布影响参数模块匹配一个开关柜外壳温度场分布仿真值；

基于开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据、开关柜外壳温度场分布仿真值进行结果差异的梯度排序，并计算仿真结果数据与实验结果差异的比例系数；

基于仿真结果数据进行差异最大值判断，若满足差异最大值则进入下一步，否则基于仿真结果数据与实验结果差异的比例系数设定开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数；

在满足差异最大值时，基于开关柜主要部件温度场分布的仿真结果数据、开关柜内部温度场分布的仿真结果数据、开关柜外壳温度场分布仿真值进行实验数据差异的均值计算；

判断所述实验数据差异的均值是否满足低于均值阈值，若低于均值阈值则确定开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统，若不满足，则触发调整开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数；

基于开关柜典型热故障仿真的仿真参数对应关系和加权系统与开关柜典型热故障对应关系模拟开关柜其他热故障。

2.如权利要求1所述的通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，其特征在于，所述建立开关柜仿真模型中，依据实际开关柜结构，等比例构建母线室、断路器室、电缆室、仪表室和小车室五部分，省去微小部件，只保留铜排和绝缘部分的主要部件，分布于母线室、断路器室和电缆室。

3.如权利要求2所述的通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，其特征在于，在判断所述仿真结果数据不低于预设实验数据阈值时，所述调整开关温度场动态参数调整模块中等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数：每次按照等效热源总功率的±5％调整热源功率；以及每次按照±5％比例调整开关柜内部压强、湿度、初始温度。

4.如权利要求3所述的通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，其特征在于，所述仿真结果数据与实验结果差异的比例系数为：

其中：a％为开关柜主要部件温度场分布与实验结果差异的百分比、b％为开关柜内部温度场分布与实验结果差异的百分比、c％为开关柜外壳温度场分布与实验结果差异的百分比，A为开关柜主要部件温度场分布的比例系数、B为开关柜内部温度场分布的比例系数、C为开关柜外壳温度场分布的比例系数。

5.如权利要求4所述的通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，其特征在于，所述仿真结果数据与实验结果差异的比例系数设定开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数包括：

每次遵循比例系数按照±3％调整等效热源的仿真参数；

每次遵循比例系数按照±3％调整内部环境的仿真参数。

6.如权利要求5所述的通过开关柜温度场分布矫正热故障仿真的方法，其特征在于，所述触发调整开关柜温度场动态参数调整模块中的仿真参数包括：

采用以差异均值最小为目标函数的遗传算法对等效热源的仿真参数和内部环境的仿真参数进行调整。