CN113591333B - 一种基于数字孪生的gis设备温度仿真模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，通过对GIS设备的划分；调整划分的可变单元的参数，将不同参数型号下的设备划分为不同的GIS设备孪生个体，并建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型；基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型；并对GIS设备温度仿真模型的温度分布进行迭代校准，至仿真温度与实际测定误差在阈值内，以提高模型仿真的准确率；通过建立的温度仿真模型，能够在提前预知对应型号的GIS设备的准确的温度分布，便于提前对不同型号GIS设备温度进行管理。

Description

一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法

技术领域

本发明涉及电气工程和电数据处理技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型构建方法。

背景技术

数字孪生作为一种新兴技术受到电力系统的极大关注，数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。随着信息电力系统对电力设备提出新的要求，GIS设备的数字化技术是未来发展的重要方向。GIS设备作为电力系统中重要的保护设备，电力系统要求精确获取GIS设备的温度信息，并根据温度信息对GIS设备进行管理。

目前，GIS设备的温度获取需要通过实时获取，因此无法提前对GIS设备温度进行管理。

发明内容

本发明实施例提供一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型构建方法，通过构建一种基于GIS设备的温度仿真模型，便于提前对不同型号GIS设备温度进行管理。

本发明实施例提供一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，所述方法包括：

将GIS设备按照结构划分为固定单元和可变单元；

调整划分的可变单元的参数，将不同参数型号下的GIS设备划分为不同的GIS设备孪生个体，并建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型；

基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型。

优选地，所述固定单元为在不同型号的GIS设备在不同的应用场合中，参数完全相同的结构，包括：断路器、隔离刀、PT和CT单元；

所述可变单元为在相同型号的GIS设备在不同的应用场合中，需要调整参数的结构，包括：母线长度和接线方式。

进一步地，所述调整划分的可变单元的参数，将不同参数型号下的GIS设备划分为不同的GIS设备孪生个体，并建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型，具体包括：

确定所述可变单元中母线长度的类型和接线方式的类型；

分别构建不同的母线长度和不同的接线方式的GIS设备孪生个体；

将所有的GIS设备孪生个体存储为标准三维模型。

作为一种优选方式，所述工作参数具体包括：环境温度、气压和通电电流。

所述GIS设备温度仿真模型包括不同参数型号下的GIS设备在不同的工作参数下的温度分布。

优选地，所述基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型，具体包括：

分别对所述标准三维模型中不同参数型号的GIS设备孪生个体，采用控制变量法依次调整所述工作参数中的环境温度、气压和通电电流，获取每次调整工作参数后的GIS设备孪生个体的内部导体温度及外壳温度；

对每一不同参数型号的GIS设备孪生个体处于不同的工作参数中内部导体温度及外壳温度进行重复测量预设次数，计算每一不同参数型号的GIS设备孪生个体处于不同的工作参数中内部导体温度平均值及外壳温度平均值；

以计算得到的内部导体温度平均值及外壳温度平均值作为内部基准温度和外部基准温度，构建不同参数型号的GIS设备孪生个体分别处于不同的工作参数下的GIS设备温度仿真模型。

进一步地，所述方法还包括：

选择所述标准三维模型中的任一GIS设备孪生个体，设置选择的GIS设备孪生个体的工作参数；测定选择的GIS设备孪生个体在设置的工作参数的内部导体的内部测定温度和外壳的外部测定温度；

计算所述内部测定温度与选择的GIS设备孪生个体在相同的工作参数下的内部基准温度的误差，若误差超过预设的阈值时，以所述内部测定温度更新所述GIS设备温度仿真模型中选择的GIS设备孪生个体相应工作参数下的内部测定温度；并重新测定选择个体的内部测定温度，并重新计算更新后的内部测定温度和重新测定的内部设定温度的误差大小，当重新计算的误差大于所述阈值时，更新内部设定温度，直到获取的误差不大于所述阈值时，完成所述GIS设备温度仿真模型中选择的设备孪生个体的内部基准温度校准；

计算所述外部测定温度与选择的GIS设备孪生个体在相同的工作参数下的外部基准温度的误差，若误差超过所述阈值时，以所述外部测定温度更新所述GIS设备温度仿真模型中选择的GIS设备孪生个体相应工作参数下的外部测定温度；并重新测定选择个体的外部测定温度，并重新计算更新后的外部测定温度和重新测定的外部设定温度的误差大小，当重新计算的误差大于所述阈值时，更新外部设定温度，直到获取的误差不大于所述阈值时，完成所述GIS设备温度仿真模型中选择的GIS设备孪生个体的外部基准温度校准；

完成所述GIS设备温度仿真模型中所有的GIS设备孪生个体的校准。

本发明提供的一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，通过将GIS设备按照结构划分为固定单元和可变单元；调整划分的可变单元的参数，将不同参数型号下的GIS设备划分为不同的GIS设备孪生个体，并建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型；基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型；并对GIS设备温度仿真模型的温度分布进行校准，迭代至仿真温度与实际测定的温度分布误差在阈值内，提高模型仿真的准确率；通过建立设备差异化个体的温度仿真模型，能够在GIS设备使用时提前预知对应型号的GIS设备的准确的温度分布，便于提前对不同型号GIS设备温度进行管理。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法的流程示意图。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例提供的一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法的流程示意图，所述方法包括步骤S1~S3：

S1，将GIS设备按照结构划分为固定单元和可变单元；

S2，调整划分的可变单元的参数，将不同参数型号下的GIS设备划分为不同的GIS设备孪生个体，并建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型；

S3，基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型。

在本实施例具体实施时，通过对GIS设备的结构的固定单元和可变单元，建立可变单元型号不同的GIS设备孪生个体，每一GIS设备孪生个体对应不同的不同应用场景下的型号参数，建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型；

基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型；

基于GIS设备孪生个体，结合设备的型号的特征，建立设备差异化个体的温度仿真模型；

通过将不同参数型号下的GIS设备划分为不同的GIS设备孪生个体，并建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型；基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型，建立设备差异化个体的温度仿真模型，能够在GIS设备使用时提前预知对应型号的GIS设备的温度分布，便于提前对不同型号GIS设备温度进行管理。

在本发明提供的又一实施例中，所述固定单元为在不同型号的GIS设备在不同的应用场合中，参数完全相同的结构，包括：断路器、隔离刀、PT和CT单元；

所述可变单元为在相同型号的GIS设备在不同的应用场合中，需要调整参数的结构，包括：母线长度和接线方式。

在本实施例具体实施时，根据GIS设备的应用情况，将GIS设备划分为固定单元和可变单元，固定单元包括断路器、隔离刀、PT和CT单元，在不同场合的应用中，固定单元完全相同；可变单元是同一型号的GIS设备在不同场景应用中可以调整的部分，包括母线长度和接线方式；接线方式确定GIS设备各部件的布局，母线长度确定GIS设备的大小，选定标准母线长度和标准接线方式，建立GIS设备标准三维模型。

通过对GIS设备不同应用情况下的固定单元和可变单元的划分，能够以可变单元不同的GIS设备孪生个体建立温度仿真模型，对GIS设备温度仿真模型GIS设备的温度实现差异化管理，通过GIS设备温度仿真模型获取的GIS设备温度值更加准确。

在本发明提供的又一实施例中，所述步骤S2具体包括：

确定可变单元中母线长度的类型和接线方式的类型，母线接线方式的种类分为主母线和分支母线（三相），母线唯一可变参数为母线长度L（主母线L1，分支母线L2,L3,L4）。确定可变参数N和L；

根据不同的母线长度和不同的接线方式确定不同的GIS设备孪生个体；并建立包含所有GIS设备孪生个体存储为标准三维模型。

在本发明提供的又一实施例中，所述工作参数具体包括：环境温度、气压和通电电流。

所述GIS设备温度仿真模型包括不同参数型号下的GIS设备在不同的工作参数下的温度分布。

在本发明提供的又一实施例中，所述步骤S3具体包括：

分别对所述标准三维模型中不同参数型号的GIS设备孪生个体，采用控制变量法依次调整所述工作参数中的环境温度、气压和通电电流，获取每次调整工作参数后的GIS设备孪生个体的内部导体温度及外壳温度；

对每一不同参数型号的GIS设备孪生个体处于不同的工作参数中内部导体温度及外壳温度进行重复测量预设次数，计算每一不同参数型号的GIS设备孪生个体处于不同的工作参数中内部导体温度平均值及外壳温度平均值；

以计算得到的内部导体温度平均值及外壳温度平均值作为内部基准温度和外部基准温度，构建不同参数型号的GIS设备孪生个体分别处于不同的工作参数下的GIS设备温度仿真模型。

在本实施例具体实施时，分别对所述标准三维模型中不同参数型号的GIS设备孪生个体建立标准的温度仿真数据库，

选定某一母线长度和某一接线方式的GIS设备孪生个体的一个标准GIS标准设备，进行温升试验：

在标准GIS设备孪生个体的内部导体和外壳上分别设置温度传感器，采用控制变量法依次调整所述工作参数中的环境温度、气压和通电电流，记录在不同的工作参数下工作直至稳定后读取内部导体温度及外壳温度；

具体地：

保持所述标准GIS设备孪生个体的气压和通电电流不变，改变所述标准GIS设备孪生个体的环境温度，记录在不同的环境温度下工作直至稳定后读取内部导体温度及外壳温度；采用相同的环境温度、气压和通电电流重复多次读取内部导体温度及外壳温度，以多次读取的内部导体温度平均值及外壳温度平均值作为所述标准GIS设备孪生个体在该工作参数下的温度标准值，分别获取所述在气压和通电电流不变下，不同环境温度下的温度情况；

保持所述标准GIS设备孪生个体的环境温度和通电电流不变，改变所述标准GIS设备孪生个体的气压，记录在不同的气压下工作直至稳定后读取内部导体温度及外壳温度；采用相同的环境温度、气压和通电电流重复多次读取内部导体温度及外壳温度，以多次读取的内部导体温度平均值及外壳温度平均值作为所述标准GIS设备孪生个体在该工作参数下的温度标准值，分别获取所述在环境温度和通电电流不变下，不同气压下的温度标准值；

保持所述标准GIS设备孪生个体的环境温度和气压不变，改变所述标准GIS设备孪生个体的通电电流，记录在不同的通电电流下工作直至稳定后读取内部导体温度及外壳温度；采用相同的环境温度、气压和通电电流重复多次读取内部导体温度及外壳温度，以多次读取的内部导体温度平均值及外壳温度平均值作为所述标准GIS设备孪生个体在该工作参数下的温度标准值，分别获取所述在环境温度和气压不变下，不同通电电流下的温度标准值；

通过以上步骤获取所述标准GIS设备孪生个体在不同的工作参数下的内部导体温度平均值及外壳温度平均值作为温度标准值；

通过相同步骤获取所述标准三维模型中所有GIS设备孪生个体的内部导体温度平均值及外壳温度平均值；

以计算得到的内部导体温度平均值及外壳温度平均值作为内部基准温度和外部基准温度，构建不同参数型号的GIS设备孪生个体分别处于不同的工作参数下的GIS设备温度仿真模型。

对不同的GIS孪生个体改变工作参数，通过重复多次实验，获取的内部导体温度平均值及外壳温度平均值作为GIS设备温度仿真模型的温度数据库；所述GIS设备温度仿真模型包含不同的GIS设备孪生个体在不同的工作参数下的温度分布；通过GIS设备温度仿真模型能够获取不同GIS设备的温度仿真情况，便于对不同的GIS设备进行温度管理。

在本发明提供的又一实施例中，所述方法还包括：

选择所述标准三维模型中的任一GIS设备孪生个体，设置选择的GIS设备孪生个体的工作参数；测定选择的GIS设备孪生个体在设置的工作参数的内部导体的内部测定温度和外壳的外部测定温度；

计算所述内部测定温度与选择的GIS设备孪生个体在相同的工作参数下的内部基准温度的误差，若误差超过预设的阈值时，以所述内部测定温度更新所述GIS设备温度仿真模型中选择的GIS设备孪生个体相应工作参数下的内部测定温度；并重新测定选择个体的内部测定温度，并重新计算更新后的内部测定温度和重新测定的内部设定温度的误差大小，当重新计算的误差大于所述阈值时，更新内部设定温度，直到获取的误差不大于所述阈值时，完成所述GIS设备温度仿真模型中选择的设备孪生个体的内部基准温度校准；

计算所述外部测定温度与选择的GIS设备孪生个体在相同的工作参数下的外部基准温度的误差，若误差超过所述阈值时，以所述外部测定温度更新所述GIS设备温度仿真模型中选择的GIS设备孪生个体相应工作参数下的外部测定温度；并重新测定选择个体的外部测定温度，并重新计算更新后的外部测定温度和重新测定的外部设定温度的误差大小，当重新计算的误差大于所述阈值时，更新外部设定温度，直到获取的误差不大于所述阈值时，完成所述GIS设备温度仿真模型中选择的GIS设备孪生个体的外部基准温度校准；

完成所述GIS设备温度仿真模型中所有的GIS设备孪生个体的校准。

在本实施例具体实施时，选择所述标准三维模型中的任一GIS设备孪生个体为校准个体，设置选择的校准个体的工作参数，其中，所述校准个体的型号参数应与GIS设备温度仿真模型中其中一个GIS设备孪生个体的型号参数相同；

测定所述校准个体在设置的工作参数的内部导体的内部测定温度和外壳的外部测定温度，其中，设置的工作参数应于所述GIS设备温度仿真模型中与所述校准个体型号参数相同的GIS设备孪生个体的工作参数相同；

需要说明的是，本实施例中的阈值可设置为5%；

计算所述内部测定温度与校准个体在相同的工作参数下的内部基准温度的误差，若误差超过5%时，以所述内部测定温度更新所述GIS设备温度仿真模型中校准个体相应工作参数下的内部测定温度；并重新测定选择个体的内部测定温度，并重新计算更新后的内部测定温度和重新测定的内部设定温度的误差大小，当重新计算的误差大于5%时，更新内部设定温度，直到获取的误差不大于5%时，完成所述GIS设备温度仿真模型中选择的设备孪生个体的内部基准温度校准；

计算所述外部测定温度与校准个体在相同的工作参数下的外部基准温度的误差，若误差超过5%时，以所述外部测定温度更新所述GIS设备温度仿真模型中校准个体相应工作参数下的外部测定温度；并重新测定选择个体的外部测定温度，并重新计算更新后的外部测定温度和重新测定的外部设定温度的误差大小，当重新计算的误差大于5%时，更新外部设定温度，直到获取的误差不大于5%时，完成所述GIS设备温度仿真模型中校准个体的外部基准温度校准；

完成所述GIS设备温度仿真模型中所有的GIS设备孪生个体的校准。

通过对所述GIS设备温度仿真模型中所有的GIS设备孪生个体的校准，保证建立的GIS设备温度仿真模型的温度分布与实际测定的温度分布的误差在阈值范围内，并对GIS设备温度仿真模型的温度分布进行调整，并用调整后的模型进行仿真，迭代至仿真温度与实际测定的温度分布误差在阈值内，通过调整阈值，能够改变GIS设备温度仿真模型的温度分布的精确度，提高模型仿真的准确率。

在本发明提供的又一实施例中，提供一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法的具体实施方式：

步骤1：收集整理GIS设备的型号参数，将可变单元中的布线方式用特征N表示，N取1到X整数，X为该型号GIS设备在实际工程应用中的不同接线布置方式的总类型；将可变单元中的母线长度用特征L表示，具体的主母线为L1，分支母线包括L2，L3和L4。确定可变参数N和L；

步骤2：将不同特征L和N的GIS设备分为不同的GIS设备孪生个体，并可确定标准三维模型。

步骤3：通过试验和运行测试不同接线形式、不同母线长度和GIS设备孪生个体分别运行不同环境温度、不同气压和不同的通电电流下稳定后，得GIS设备孪生个体内部导体温度（传感器测得的温度点）和外壳温度（传感器测得的温度点和红外温度图）数据，通过得到的若干内部导体温度及外壳温度计算得到内部导体温度平均值及外壳温度平均值，构建每一GIS设备孪生个体处于不同的工作参数下的温度分布关系，得到GIS设备温度仿真模型。

步骤4：从GIS设备温度仿真模型布置在系统云端，网域内不同变电站的同型号GIS设备从云端的GIS设备温度仿真模型中相应同型号的GIS设备孪生个体的温度分布，根据个体设备参数获得设备的实际温度分布，与GIS设备温度仿真模型获得的数据进行对比，如果在误差范围内，则将保存GIS设备温度仿真模型中的原数据；如果超过误差范围，则根据获取的实际温度分布更新GIS设备温度仿真模型中的对应的数据，迭代至结果在误差范围内，对GIS设备温度仿真模型中所有数据进行误差校验。

本发明提供的一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，通过将GIS设备按照结构划分为固定单元和可变单元；调整划分的可变单元的参数，将不同参数型号下的GIS设备划分为不同的GIS设备孪生个体，并建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型；基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型；并对GIS设备温度仿真模型的温度分布进行校准，迭代至仿真温度与实际测定的温度分布误差在阈值内，提高模型仿真的准确率；通过建立设备差异化个体的温度仿真模型，能够在GIS设备使用时提前预知对应型号的GIS设备的准确的温度分布，便于提前对不同型号GIS设备温度进行管理。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，其特征在于，所述方法包括：

将GIS设备按照结构划分为固定单元和可变单元；

所述可变单元为在相同型号的GIS设备在不同的应用场合中，需要调整参数的结构，包括：母线长度和接线方式；

调整划分的可变单元的参数，将不同参数型号下的GIS设备划分为不同的GIS设备孪生个体，并建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型；

基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型。

2.如权利要求1所述的基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，其特征在于，所述固定单元为在不同型号的GIS设备在不同的应用场合中，参数完全相同的结构，包括：断路器、隔离刀、PT和CT单元。

3.如权利要求2所述的基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，其特征在于，所述调整划分的可变单元的参数，将不同参数型号下的GIS设备划分为不同的GIS设备孪生个体，并建立所有GIS设备孪生个体的标准三维模型，具体包括：

确定所述可变单元中母线长度的类型和接线方式的类型；

分别构建不同的母线长度和不同的接线方式的GIS设备孪生个体；

将所有的GIS设备孪生个体存储为标准三维模型。

4.如权利要求3所述的基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，其特征在于，所述工作参数具体包括：环境温度、气压和通电电流；

所述GIS设备温度仿真模型包括不同参数型号下的GIS设备在不同的工作参数下的温度分布。

5.如权利要求4所述的基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，其特征在于，所述基于划分的标准三维模型，获取标准三维模型中的不同的GIS设备孪生个体分别在不同的工作参数下的温度数据，构建GIS设备温度仿真模型，具体包括：

分别对所述标准三维模型中不同参数型号的GIS设备孪生个体，采用控制变量法依次调整所述工作参数中的环境温度、气压和通电电流，获取每次调整工作参数后的GIS设备孪生个体的内部导体温度及外壳温度；

对每一不同参数型号的GIS设备孪生个体处于不同的工作参数中内部导体温度及外壳温度进行重复测量预设次数，计算每一不同参数型号的GIS设备孪生个体处于不同的工作参数中内部导体温度平均值及外壳温度平均值；

以计算得到的内部导体温度平均值及外壳温度平均值作为内部基准温度和外部基准温度，构建不同参数型号的GIS设备孪生个体分别处于不同的工作参数下的GIS设备温度仿真模型。

6.如权利要求5所述的基于数字孪生的GIS设备温度仿真模型的构建方法，其特征在于，所述方法还包括：

选择所述标准三维模型中的任一GIS设备孪生个体，设置选择的GIS设备孪生个体的工作参数；测定选择的GIS设备孪生个体在设置的工作参数的内部导体的内部测定温度和外壳的外部测定温度；

计算所述内部测定温度与选择的GIS设备孪生个体在相同的工作参数下的内部基准温度的误差，若误差超过预设的阈值时，以所述内部测定温度更新所述GIS设备温度仿真模型中选择的GIS设备孪生个体相应工作参数下的内部测定温度；并重新测定选择个体的内部测定温度，并重新计算更新后的内部测定温度和重新测定的内部设定温度的误差大小，当重新计算的误差大于所述阈值时，更新内部设定温度，直到获取的误差不大于所述阈值时，完成所述GIS设备温度仿真模型中选择的设备孪生个体的内部基准温度校准；

计算所述外部测定温度与选择的GIS设备孪生个体在相同的工作参数下的外部基准温度的误差，若误差超过所述阈值时，以所述外部测定温度更新所述GIS设备温度仿真模型中选择的GIS设备孪生个体相应工作参数下的外部测定温度；并重新测定选择个体的外部测定温度，并重新计算更新后的外部测定温度和重新测定的外部设定温度的误差大小，当重新计算的误差大于所述阈值时，更新外部设定温度，直到获取的误差不大于所述阈值时，完成所述GIS设备温度仿真模型中选择的GIS设备孪生个体的外部基准温度校准；

完成所述GIS设备温度仿真模型中所有的GIS设备孪生个体的校准。

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