CN115719019A - 一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油浸式变压器绕组温度计算技术领域，尤其涉及一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法。本发明包括：建立变压器物理模型确定空间坐标，由日负荷曲线做电流激励进行电磁仿真，得到变压器内空间坐标下磁密分布函数；根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据；利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布。本发明节省了电磁耦合计算的时间，解决了传统变压器绕组温度模拟方法计算时间长，而导致的难以应用于电力设备数字孪生建设的问题，适用于光纤测温变压器。

Description

一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法

技术领域

本发明属于油浸式变压器绕组温度计算技术领域，尤其涉及一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法。

背景技术

数字孪生融合了众多前沿信息技术，通过虚实交互，实现了物理实体全寿命周期状态的虚拟映射以及行业运营绩效的改善，正成为推动各行业数字化、网络化、智能化发展的强大动力，因此如何实现电力设备数字孪生成为需要解决的问题。

传统的温度场计算模拟方法，先进行瞬态电磁场仿真，得到绕组漏磁密分布。然后计算绕组涡流损耗与直流损耗，代入传热物理场作为热源设置，设置流体属性以及流入条件，对各接触面设置传热边界条件，进行流固传热仿真。以上过程在同一时间进行，即电磁场结果耦合进温度场与流体场，三个物理场进行耦合计算，温度场计算结果如图6a所示，为现有温度场仿真结果。

随着智能变电站的日益增加，内埋光纤测温变压器成为当前智能变电站的主要选择。光纤传感器不受变压器内高磁场环境的影响，可以准确测量出绕组和铁芯表面测点温度。然而传统的变压器绕组温度模拟方法，需要对模型进行电-磁-热-流-固耦合仿真分析，先对模型进行瞬态磁场仿真，计算空间漏磁密分布以及涡流损耗的数值，然后将直流和涡流损耗最为热力学仿真中的热源设置，进行流体与传热耦合仿真计算温度分布，其中所设置的参数、边界条件、激励、材料属性稍有偏差便会导致计算结果不正确。同时，由于耦合了大量的物理场，对于求解多物理场的有限元问题，计算时间也会随着物理场的增加而急剧增长。相对于电力数字孪生的需求，对数据采集接入到电力设备状态的实时模拟，采用传统的绕组温度仿真很难应用到电力设备数字孪生建设中。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法。其目的是为了实现缩短电磁耦合计算的时间，根据现场所测的光纤测温点温度，油温，变压器负荷等监测数据快速模拟出变压器绕组温度场的分布的发明目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，包括以下步骤：

建立变压器物理模型确定空间坐标，由日负荷曲线做电流激励进行电磁仿真，得到变压器内空间坐标下磁密分布函数；

根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据；

利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；

将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布。

更进一步的，所述建立变压器物理模型，确定空间坐标，包括以下步骤：

步骤1.1建模时以光纤测温变压器中心为空间坐标零点，变压器模型的测点坐标与实际光线测温点对应；

步骤1.2在变压器未超容的情况下，解析日负荷曲线，计算光纤测温变压器一日内所承受的电流曲线，实现物理模型对不同负荷时的温度模拟；

步骤1.3设置电流激励为模型中的变量，对所建立的光纤测温变压器模型进行瞬态电磁仿真，得到不同电流激励下，绕组表面磁密随空间位置的分布情况；

步骤1.4将不同电流激励下的磁密分布进行数据拟合，构造不同电流激励下的磁密沿绕组轴向及辐向分布函数库。

更进一步的，所述根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据，具体包括：

将光纤测温点温度作为输入数据，根据对流换热方程反向推导测点位置的热流量，根据直流损耗及涡流损耗公式推导测点磁密，方程如下：

q＝a(T_s-T_w) (1)

P_e＝P_r+P_h (4)

P_R＝I²R_i (5)

式中：q为单位体积的热流量；a为换热系数；T_s,T_w为绕组表面温度和冷却介质温度；P_r,P_h为单位体积下辐向涡流损耗；ξ为电阻率；f为电流工频；b,d为导线宽度和高度；B_r为测点位置磁密；V_i为单位体积；P_e,P_R为涡流损耗和直流损耗；I为绕组电流；R_i为绕组单位体积下的电阻。

更进一步的，所述利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；包括：

按光纤测温变压器测点安装位置，由测点磁密数据修正磁密分布函数，轴向和辐向修正方程如下：

B_i＝f(x_i)+(B_r-f(x_r))(7)

B_j＝g(x_j)+(B_i-g(x_i))(8)

式中：f()为电磁仿真数据所拟合的轴向磁密分布函数；B_i为修正后的轴向磁密数值；B_r为测点位置磁密；x_i为轴向坐标；x_r为测点坐标；g()电磁仿真数据所拟合单个线饼辐向磁密分布函数；B_j为修正后的单个线饼辐向磁密数值；x_j为单个线饼的辐向坐标。

更进一步的，所述将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布，包括：

将计算所得的涡流损耗作为热源进行传热仿真，传热仿真条件包括：

传热边界：选择薄层模块，利用无厚度边界层作为流固传热边界条件，用于流固边界传热系数的计算；

流体性质：按实际油流冷却方式设置，包括流体流向、流速、压力和流体属性；

边界条件：按第一类边界条件设置，即给定边界温度，按环境温度数值设定；

按上述条件进行传热仿真，最后得到绕组温度分布。

更进一步的，所述建立变压器物理模型，是采用铁芯横截面位置建立二维变压器物理模型，物理模型的结构参数选用120000kVA/220kV的三相三柱主变压器，内埋光纤测温传感器；

所述设置电流激励为模型中的变量，对所建立的光纤测温变压器模型进行瞬态电磁仿真，得到不同电流激励下，绕组表面磁密随空间位置的分布情况，是对所应用变压器的日负荷曲线进行解析，得到电流变化曲线，运用COMSOL平台，按最大负荷的10％、50％和80％所对应的不同线圈电流的工况下分别进行瞬态电磁仿真，得到不同负荷下变压器绕组的轴向及辐向的磁密分布结果；电磁仿真步骤如下：

①选择磁场-电流物理场，导入物理模型，设置材料属性；

②磁场物理场设置中，对铁芯域施加单独的安培定律，磁化模型选用B-H曲线；

③磁场物理场设置中，对线圈域施加外电路电流激励，设置电流输入方向；

④设置变压器油外表面阻抗边界条件；

⑤电路物理场设置中，设置电流源，电流值按变量设置，并定义相电流为全局变量；

⑥选择瞬态求解器进行求解；

其中，变压器电磁仿真需要设置外电路激励模拟线圈电流，选择磁场-电流物理场作为整体电磁仿真的架构；

由变压器结构参数建立物理模型并导入，设置相应几何区域的材料属性，完成电磁场计算的初步设置；

由负荷归算一次电流数值，搭建电流源外电路模型模拟线圈电流激励；

利用阻抗边界作为电磁计算的边界条件，边界位置为物理模型中变压器油区域外表面；

利用安培定律作为电磁计算规则，选择瞬态求解器进行求解。

根据导出的轴向磁密和辐向磁密计算结果，可知绕组表面磁密的分布趋势是一致的，轴向上均表现为绕组两端的磁密最大，绕组中间磁密最小；辐向上均表现为铁芯处磁密最小，线圈最外处磁密最大；

所述构造不同电流激励下的磁密沿绕组轴向及辐向分布函数库，是根据实际测点位置构造轴向及辐向分布，当选取一个一次绕组时，实际一次绕组匝数为61匝，按实际6匝为一个线饼，设置测点a,b，构造磁密数据的过程按测点位置输出数据；轴向数据依次导出a1至a10的磁密数据，根据坐标和磁密拟合磁密分布函数，此函数代表在此电流激励下，测点位置处的轴向磁密分布趋势；辐向数据同轴向方法一致，导出不同线饼下的辐向磁密数据拟合函数，此函数代表在此电流激励下，不同线饼的辐向磁密分布趋势；其他绕组的磁密函数构造过程与上述相同。

更进一步的，所述根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据，首先对于测点温度数据处理如下：

将光纤测温点温度作为输入数据，根据对流换热方程反向推导测点位置的热流量，根据直流损耗及涡流损耗公式推导测点磁密，方程如下：

q＝a(T_s-T_w) (1)

P_e＝P_r+P_h (4)

P_R＝I²R_i (5)

式中：q为单位体积的热流量；a为换热系数；T_s,T_w为绕组表面温度和冷却介质温度；P_r,P_h为单位体积下辐向涡流损耗；ξ为电阻率；f为电流工频；b,d为导线宽度和高度；B_r为测点位置磁密；V_i为单位体积；P_e,P_R为涡流损耗和直流损耗；I为绕组电流；R_i为绕组单位体积下的电阻；

将式(2)(3)(4)(5)(6)代入(1)中，得到：

由上式可知，若已知测点温度T_s，油冷却温度T_w，线圈电流I，根据公式计算出对应测点的磁密B_r，对输入测点温度数据做数据处理，得到测点磁密数据；

其次，修正磁密函数，如下：

按光纤测温变压器测点安装位置，测点磁密数据先修正轴向分布函数计算轴向磁密分布，按照轴向磁密分布结果修正对应线饼的辐向磁密分布，轴向和辐向修正方程如下：

B_i＝f(x_i)+(B_r-f(x_r)) (7)

B_j＝g(x_j)+(B_i-g(x_i)) (8)

式中：f()为电磁仿真数据所拟合的轴向磁密分布函数；B_i为修正后的轴向磁密数值；B_r为测点位置磁密；x_i为轴向坐标；x_r为测点坐标；g()电磁仿真数据所拟合单个线饼辐向磁密分布函数；B_j为修正后的单个线饼辐向磁密数值；x_j为单个线饼的辐向坐标。

一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟装置，包括：

负荷电流归算模块：根据变压器日负荷曲线，归算变压器线圈电流，结果做为电磁计算的激励；

物理建模模块：根据变压器结构参数快速建模，并导入电磁计算和传热计算程序中；

测点磁密解析模块：根据测点温度、油冷却温度、线圈电流计算测点磁密，用于修正磁密分布函数；

联合仿真模块：模块同comsol、ansys常规有限元软件进行联合仿真，导出电磁和传热计算的结果；

磁密分布函数库模块：模块根据不同的变压器、不同的电流激励自动保存相应的电磁计算结果，并由磁密解析模型所导出的磁密数据进行修正，搭建对应变压器的磁密分布函数库；

热源计算模块：模块根据磁密分布函数以及物理模型空间坐标自动计算绕组涡流损耗和直流损耗，导出热源作为传热仿真的激励；

传热计算模型：根据热源数据、传热属性、边界属性进行传热有限元计算，输出绕组温度场计算结果。

一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现任一所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法的步骤。

一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法的步骤。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明根据光纤测温变压器可以直接测量出变压器绕组和铁芯表面测点温度的优势，提出了一种适用于数字孪生背景下变压器绕组温度模拟方法。相对于传统的变压器温度仿真或是变压器温度场有限元模拟，本发明节省了电磁耦合计算的时间，可以根据现场所测的光纤测温点温度，油温，变压器负荷等监测数据快速模拟出变压器绕组温度场的分布，解决了传统变压器绕组温度模拟方法计算时间长，而导致的难以应用于电力设备数字孪生建设的问题。

本发明方法需要内部测点温度作为输入，适用于光纤测温变压器，通过前期大量多次仿真模拟不同电流激励下的空间磁密分布，拟合构造轴向和辐向磁密分布函数，将测点温度作为输入数据，根据对流换热方程反向推导测点的热流量，根据涡流损耗公式计算测点漏磁密，得到不同电流激励下磁密空间分布函数并通过测点磁密修正，并快速计算出变压器内绕组表面磁密分布，节省了变压器电磁仿真计算的时间，直接进行模型的传热计算，适用于电力数字孪生背景下对于变压器温度的快速模拟。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明实施例的物理模型图；

图3a为最大负荷的10％时绕组轴向、辐向磁密分布仿真图；

图3b为最大负荷的50％时绕组轴向、辐向磁密分布仿真图；

图3c为最大负荷的80％时绕组轴向、辐向磁密分布仿真图；

图4为示例绕组的结构及测点位置图；

图5为修正后的磁密分布结果图；

图6a为现有温度场仿真结果图；

图6b为本发明温度场仿真结果图。

图中：铁芯1，变压器油2，高压绕组3，低压绕组4。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1-图6描述本发明一些实施例的技术方案。

实施例1

本发明提供了一个实施例，是一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法。如图1所示，图1为本发明方法流程图。

本发明提供的适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，包括前处理、数据处理、模拟计算三个部分，具体包括以下步骤：

步骤1.建立变压器物理模型确定空间坐标，由日负荷曲线做电流激励进行电磁仿真，得到变压器内空间坐标下磁密分布函数；

步骤2.根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据；

步骤3.利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；

步骤4.将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布。

计算所得的损耗是指计算轴向辐向磁密损耗，由绕组电流及绕组电阻计算直流损耗，由磁密分布函数确定绕组表面磁密计算涡流损耗用以确定热源。

其中，步骤1是本发明方法的前处理部分，需根据历史运行数据构造绕组磁密分布函数库。步骤2、步骤3为本发明方法的修正处理部分，即根据实际测点数据修正磁密分布函数。

本发明步骤1所述的建立变压器物理模型，确定空间坐标，包括以下步骤：

步骤1.1所用变压器为光纤测温变压器，建模时以变压器中心为空间坐标零点，变压器模型的测点坐标与实际光线测温点对应；

步骤1.2在变压器未超容的情况下，解析日负荷曲线，计算所述变压器一日内所承受的电流曲线，实现物理模型对不同负荷时的温度模拟；

步骤1.3设置电流激励为模型中的变量，对所建立的变压器模型进行瞬态电磁仿真，得到不同电流激励下，绕组表面磁密随空间位置的分布情况；

步骤1.4将不同电流激励下的磁密分布进行数据拟合，构造不同电流激励下的磁密沿绕组轴向及辐向分布函数库。

进一步地，本发明步骤2所述的根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据，具体是：

将光纤测温点温度作为输入数据，根据对流换热方程反向推导测点位置的热流量，根据直流损耗及涡流损耗公式推导测点磁密，方程如下：

q＝a(T_s-T_w) (1)

P_e＝P_r+P_h(4)

P_R＝I²R_i(5)

式中：q为单位体积的热流量；a为换热系数；T_s,T_w为绕组表面温度和冷却介质温度；P_r,P_h为单位体积下辐向涡流损耗；ξ为电阻率；f为电流工频；b,d为导线宽度和高度；B_r为测点位置磁密；V_i为单位体积；P_e,P_R为涡流损耗和直流损耗；I为绕组电流；R_i为绕组单位体积下的电阻。

进一步地，本发明步骤3所述的利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；具体是：

按光纤测温变压器测点安装位置，由测点磁密数据修正磁密分布函数，轴向和辐向修正方程如下：

B_i＝f(x_i)+(B_r-f(x_r))(7)

B_j＝g(x_j)+(B_i-g(x_i))(8)

式中：f()为电磁仿真数据所拟合的轴向磁密分布函数；B_i为修正后的轴向磁密数值；B_r为测点位置磁密；x_i为轴向坐标；x_r为测点坐标；g()电磁仿真数据所拟合单个线饼辐向磁密分布函数；B_j为修正后的单个线饼辐向磁密数值；x_j为单个线饼的辐向坐标。

进一步地，本发明步骤4所述的将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布，包括以下步骤：

步骤4.1此温度场计算中的热源来源于绕组直流电阻热损耗和涡流损耗，按体热源密度设置；

步骤4.2温度场计算模型包含传热与流场的耦合计算，根据传热方程与质量守恒方程设置边界条件；

步骤4.3绕组与铁芯表面设置传热薄层属性，便于计算传热系数。

其中：

绕组温度场仿真计算：确定热源、流固传热系数、流体传热性质及边界条件；

绕组热源：由直流损耗和涡流损耗组成，由绕组电流及绕组电阻计算直流损耗，由磁密分布函数确定绕组表面磁密计算涡流损耗；

流固传热边界：选择薄层模块，利用无厚度边界层作为流固传热边界条件，用于流固边界传热系数的计算；

流体传热性质：按实际油流冷却方式设置，包括流体流向、流速、压力和流体属性；

边界条件：按第一类边界条件设置，即给定边界温度，按环境温度数值设定。

实施例2

本发明又提供了一个实施例，是一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法。本实施例采用二维变压器物理模型对本发明方法进行描述。

如图1所示，一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，适用于光纤测温变压器，包括前处理、数据处理、模拟计算三个部分，该方法具体包括以下步骤：

步骤1.建立变压器物理模型，根据日负荷曲线构造不同电流激励下的磁密分布函数；

步骤2.根据光纤测温点温度及油温，根据传热方程反向解析测点磁密数据；

步骤3.测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；

步骤4.将损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布。

步骤1是该方法的前处理部分，步骤2、步骤3为该方法的修正处理部分，步骤4为该方法的模拟计算部分；

本发明所述前处理部分包括：

(1)构建模型。

本物理模型的结构参数选用120000kVA/220kV的三相三柱主变压器，内埋光纤测温传感器，箱体长6150mm，高2880mm，宽2120mm，铁芯直径790mm，铁芯上轭长5270mm，上轭高度400mm，铁芯窗高2050mm，高、低压绕组高1785mm，低压绕组线圈内径850mm，外径1012mm，匝数61，高压绕组线圈内径131mm，外径1480mm，匝数771。采用铁芯横截面位置建立二维变压器物理模型，如图2所示，为本发明实施例的物理模型图。

(2)设置不同电流激励下的瞬态电磁仿真。

对所应用变压器的日负荷曲线进行解析，得到电流变化曲线，运用COMSOL平台，按最大负荷的10％、50％和80％所对应的不同线圈电流的工况下分别进行瞬态电磁仿真，可得到不同负荷下变压器绕组的轴向及辐向的磁密分布结果。如图3a、图3b及图3c所示，图3a为最大负荷的10％时绕组轴向、辐向磁密分布仿真图，图3b为最大负荷的50％时绕组轴向、辐向磁密分布仿真图，图3c为最大负荷的80％时绕组轴向、辐向磁密分布仿真图。具体包括以下步骤：

①选择磁场-电流物理场，导入物理模型，设置材料属性；

②磁场物理场设置中，对铁芯域施加单独的安培定律，磁化模型选用B-H曲线；

③磁场物理场设置中，对线圈域施加电流(外电路)激励，设置电流输入方向；

④设置变压器油外表面阻抗边界条件；

⑤电路物理场设置中，设置电流源，电流值按变量设置，并定义相电流为全局变量，方便修改电流参数；

⑥选择瞬态求解器进行求解。

其中，变压器电磁仿真需要设置外电路激励模拟线圈电流，选择磁场-电流物理场作为整体电磁仿真的架构；

由变压器结构参数建立物理模型并导入，设置相应几何区域的材料属性，完成电磁场计算的初步设置；

由负荷归算一次电流数值，搭建电流源外电路模型模拟线圈电流激励；

利用阻抗边界作为电磁计算的边界条件，边界位置为物理模型中变压器油区域外表面；

利用安培定律作为电磁计算规则，选择瞬态求解器进行求解。

按上述设置进行不同电流下的电磁仿真计算，将轴向磁密和辐向磁密计算结果导出，图3a、图3b及图3c为仿真结果。可以看出，不同电流激励下，绕组表面磁密的分布趋势是一致的，轴向上均表现为绕组两端的磁密最大，绕组中间磁密最小。辐向上均表现为铁芯处磁密最小，线圈最外处磁密最大。

(3)构造磁密分布函数。

此过程需根据实际测点位置构造轴向及辐向分布，为使本发明的发明目的、特征、优点能够更加明显和易懂，本过程以一个一次绕组为例，详细说明构造磁密函数的过程，如图4所示，为示例绕组的结构及测点位置图。

如图4所示，实际一次绕组匝数为61匝，为方便说明，按实际6匝为一个线饼举例。以图中测点a,b为例，构造磁密数据的过程应按测点位置输出数据。轴向数据如图4中向下的两个细箭头所指方向，依次导出a1至a10的磁密数据，根据坐标和磁密拟合磁密分布函数，此函数代表在此电流激励下，测点位置处的轴向磁密分布趋势。辐向数据如图中粗的横向箭头所示，同轴向方法一致，导出不同线饼下的辐向磁密数据拟合函数，此函数代表在此电流激励下，不同线饼的辐向磁密分布趋势。其他绕组的磁密函数构造过程与上述相同。此过程为本发明方法中的核心部分，需要前期设置不同的电流激励进行大量的电磁仿真构建出足够全面的函数库，缩短误差的范围。

本发明所述修正处理部分，包括：

(1)处理测点温度数据。

将光纤测温点温度作为输入数据，根据对流换热方程反向推导测点位置的热流量，根据直流损耗及涡流损耗公式推导测点磁密，方程如下：

q＝a(T_s-T_w) (1)

P_e＝P_r+P_h (4)

P_R＝I²R_i (5)

式中：_q为单位体积的热流量；a为换热系数；T_s,T_w为绕组表面温度和冷却介质温度；P_r,P_h为单位体积下辐向涡流损耗；ξ为电阻率；f为电流工频；b,d为导线宽度和高度；B_r为测点位置磁密；V_i为单位体积；P_e,P_R为涡流损耗和直流损耗；I为绕组电流；R_i为绕组单位体积下的电阻。

将式(2)(3)(4)(5)(6)代入(1)中，得到：

由上式可以看出，若已知测点温度T_s，油冷却温度T_w，线圈电流I，根据此公式便可计算出对应测点的磁密B_r，利用此公式，对输入测点温度数据做数据处理，得到测点磁密数据。

(2)修正磁密函数。

按光纤测温变压器测点安装位置，测点磁密数据先修正轴向分布函数计算轴向磁密分布，然后按照轴向磁密分布结果修正对应线饼的辐向磁密分布。轴向和辐向修正方程如下：

B_i＝f(x_i)+(B_r-f(x_r))(7)

B_j＝g(x_j)+(B_i-g(x_i))(8)

式中：f()为电磁仿真数据所拟合的轴向磁密分布函数；B_i为修正后的轴向磁密数值；B_r为测点位置磁密；x_i为轴向坐标；x_r为测点坐标；g()电磁仿真数据所拟合单个线饼辐向磁密分布函数；B_j为修正后的单个线饼辐向磁密数值；x_j为单个线饼的辐向坐标。

磁密修正的结果如图5所示，为修正后的磁密分布结果图。

本发明所述的模拟计算部分，用最大负荷50％的电流作为激励，分别用传统温度场模拟方法和本发明的模拟方法做对比，突出本发明的优越性。

本发明的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度模拟方法，省略掉传统模拟方法中的电磁耦合计算，通过前期的大量仿真数据拟合磁密分布函数，解析测点温度得到测点磁密，构造绕组表面磁密分布数据。直接进行温度场仿真计算，可以快速的计算出绕组表面温度分布，可以应用电力设备数字孪生建设，达到数据采集接入-电力设备状态实时模拟的效果。步骤如下：

①对所修正后的磁密分布函数按坐标位置输出磁密，计算涡流损耗；

②由直流损耗方程和涡流损耗方程计算热源密度，代入传热场作为热源；

③设置流体属性和传热边界条件进行传热计算。

如图6b所示，为本发明温度场仿真结果图，对比图6a和图6b的结果可以看出，相比传统的温度模拟方法，本发明的温度模拟方法节省了大量时间，温度计算的结果相比传统模拟计算方法，计算结果误差在5％以下。

实施例3

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟装置，包括：

负荷电流归算模块：根据变压器铭牌参数、电网节点参数以及变压器日负荷曲线，归算变压器线圈电流，结果做为电磁计算的激励；

物理建模模块：根据变压器结构参数快速建模，并导入电磁计算和传热计算程序中；

测点磁密解析模块：根据测点温度、油冷却温度、线圈电流计算测点磁密，用于修正磁密分布函数；

联合仿真模块：模块同comsol、ansys常规有限元软件进行联合仿真，导出电磁和传热计算的结果；

磁密分布函数库模块：模块根据不同的变压器、不同的电流激励自动保存相应的电磁计算结果，并由磁密解析模型所导出的磁密数据进行修正，搭建对应变压器的磁密分布函数库；

热源计算模块：模块根据磁密分布函数以及物理模型空间坐标自动计算绕组涡流损耗和直流损耗，导出热源作为传热仿真的激励；

传热计算模型：根据热源数据、传热属性、边界属性进行传热有限元计算，输出绕组温度场计算结果。

实施例4

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1或2所述的任意一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法的步骤。

实施例5

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1或2所述的任意一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：包括以下步骤：

建立变压器物理模型确定空间坐标，由日负荷曲线做电流激励进行电磁仿真，得到变压器内空间坐标下磁密分布函数；

根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据；

利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；

将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布。

2.根据权利要求1所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述建立变压器物理模型确定空间坐标，包括以下步骤：

步骤1.1建模时以光纤测温变压器中心为空间坐标零点，变压器模型的测点坐标与实际光线测温点对应；

步骤1.2在变压器未超容的情况下，解析日负荷曲线，计算光纤测温变压器一日内所承受的电流曲线，实现物理模型对不同负荷时的温度模拟；

步骤1.3设置电流激励为模型中的变量，对所建立的光纤测温变压器模型进行瞬态电磁仿真，得到不同电流激励下，绕组表面磁密随空间位置的分布情况；

步骤1.4将不同电流激励下的磁密分布进行数据拟合，构造不同电流激励下的磁密沿绕组轴向及辐向分布函数库。

3.根据权利要求1所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据，具体包括：

将光纤测温点温度作为输入数据，根据对流换热方程反向推导测点位置的热流量，根据直流损耗及涡流损耗公式推导测点磁密，方程如下：

q＝a(T_s-T_w) (1)

P_e＝P_r+P_h (4)

P_R＝I²R_i (5)

式中：q为单位体积的热流量；a为换热系数；T_s,T_w为绕组表面温度和冷却介质温度；P_r,P_h为单位体积下辐向涡流损耗；ξ为电阻率；f为电流工频；b,d为导线宽度和高度；B_r为测点位置磁密；V_i为单位体积；P_e,P_R为涡流损耗和直流损耗；I为绕组电流；R_i为绕组单位体积下的电阻。

4.根据权利要求1所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述利用测点磁密数据修正磁密分布函数，输入绕组空间坐标，分别计算绕组轴向和辐向的磁密分布，并计算涡流损耗；包括：

按光纤测温变压器测点安装位置，由测点磁密数据修正磁密分布函数，轴向和辐向修正方程如下：

B_i＝f(x_i)+(B_r-f(x_r)) (7)

B_j＝g(x_j)+(B_i-g(x_i)) (8)

式中：f()为电磁仿真数据所拟合的轴向磁密分布函数；B_i为修正后的轴向磁密数值；B_r为测点位置磁密；x_i为轴向坐标；x_r为测点坐标；g()电磁仿真数据所拟合单个线饼辐向磁密分布函数；B_j为修正后的单个线饼辐向磁密数值；x_j为单个线饼的辐向坐标。

5.根据权利要求1所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述将计算所得的损耗作为热源进行传热仿真，得到绕组温度分布，包括：

将计算所得的涡流损耗作为热源进行传热仿真，传热仿真条件包括：

传热边界：选择薄层模块，利用无厚度边界层作为流固传热边界条件，用于流固边界传热系数的计算；

流体性质：按实际油流冷却方式设置，包括流体流向、流速、压力和流体属性；

边界条件：按第一类边界条件设置，即给定边界温度，按环境温度数值设定；

按上述条件进行传热仿真，最后得到绕组温度分布。

6.根据权利要求2所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述建立变压器物理模型，是采用铁芯横截面位置建立二维变压器物理模型，物理模型的结构参数选用120000kVA/220kV的三相三柱主变压器，内埋光纤测温传感器；

所述设置电流激励为模型中的变量，对所建立的光纤测温变压器模型进行瞬态电磁仿真，得到不同电流激励下，绕组表面磁密随空间位置的分布情况，是对所应用变压器的日负荷曲线进行解析，得到电流变化曲线，运用COMSOL平台，按最大负荷的10％、50％和80％所对应的不同线圈电流的工况下分别进行瞬态电磁仿真，得到不同负荷下变压器绕组的轴向及辐向的磁密分布结果；电磁仿真包括：

变压器电磁仿真需要设置外电路激励模拟线圈电流，选择磁场-电流物理场作为整体电磁仿真的架构；

由变压器结构参数建立物理模型并导入，设置相应几何区域的材料属性，完成电磁场计算的初步设置；

由负荷归算一次电流数值，搭建电流源外电路模型模拟线圈电流激励；

利用阻抗边界作为电磁计算的边界条件，边界位置为物理模型中变压器油区域外表面；

利用安培定律作为电磁计算规则，选择瞬态求解器进行求解；

根据导出的轴向磁密和辐向磁密计算结果，可知绕组表面磁密的分布趋势是一致的，轴向上均表现为绕组两端的磁密最大，绕组中间磁密最小；辐向上均表现为铁芯处磁密最小，线圈最外处磁密最大；

所述构造不同电流激励下的磁密沿绕组轴向及辐向分布函数库，是根据实际测点位置构造轴向及辐向分布，当选取一个一次绕组时，实际一次绕组匝数为61匝，按实际6匝为一个线饼，设置测点a,b，构造磁密数据的过程按测点位置输出数据；轴向数据依次导出a1至a10的磁密数据，根据坐标和磁密拟合磁密分布函数，此函数代表在此电流激励下，测点位置处的轴向磁密分布趋势；辐向数据同轴向方法一致，导出不同线饼下的辐向磁密数据拟合函数，此函数代表在此电流激励下，不同线饼的辐向磁密分布趋势；其他绕组的磁密函数构造过程与上述相同。

7.根据权利要求1所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法，其特征是：所述根据光纤测温点温度及油温、根据传热方程反向解析测点磁密数据，首先对于测点温度数据处理如下：

将光纤测温点温度作为输入数据，根据对流换热方程反向推导测点位置的热流量，根据直流损耗及涡流损耗公式推导测点磁密，方程如下：

q＝a(T_s-T_w) (1)

P_e＝P_r+P_h (4)

P_R＝I²R_i (5)

式中：q为单位体积的热流量；a为换热系数；T_s,T_w为绕组表面温度和冷却介质温度；P_r,P_h为单位体积下辐向涡流损耗；ξ为电阻率；f为电流工频；b,d为导线宽度和高度；B_r为测点位置磁密；V_i为单位体积；P_e,P_R为涡流损耗和直流损耗；I为绕组电流；R_i为绕组单位体积下的电阻；

将式(2)(3)(4)(5)(6)代入(1)中，得到：

由上式可知，若已知测点温度T_s，油冷却温度T_w，线圈电流I，根据公式计算出对应测点的磁密B_r，对输入测点温度数据做数据处理，得到测点磁密数据；

其次，修正磁密函数，如下：

按光纤测温变压器测点安装位置，测点磁密数据先修正轴向分布函数计算轴向磁密分布，按照轴向磁密分布结果修正对应线饼的辐向磁密分布，轴向和辐向修正方程如下：

B_i＝f(x_i)+(B_r-f(x_r)) (7)

B_j＝g(x_j)+(B_i-g(x_i)) (8)

式中：f()为电磁仿真数据所拟合的轴向磁密分布函数；B_i为修正后的轴向磁密数值；B_r为测点位置磁密；x_i为轴向坐标；x_r为测点坐标；g()电磁仿真数据所拟合单个线饼辐向磁密分布函数；B_j为修正后的单个线饼辐向磁密数值；x_j为单个线饼的辐向坐标。

8.一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟装置，其特征是：包括：

负荷电流归算模块：根据变压器日负荷曲线，归算变压器线圈电流，结果做为电磁计算的激励；

物理建模模块：根据变压器结构参数快速建模，并导入电磁计算和传热计算程序中；

测点磁密解析模块：根据测点温度、油冷却温度、线圈电流计算测点磁密，用于修正磁密分布函数；

联合仿真模块：模块同comsol、ansys常规有限元软件进行联合仿真，导出电磁和传热计算的结果；

磁密分布函数库模块：模块根据不同的变压器、不同的电流激励自动保存相应的电磁计算结果，并由磁密解析模型所导出的磁密数据进行修正，搭建对应变压器的磁密分布函数库；

热源计算模块：模块根据磁密分布函数以及物理模型空间坐标自动计算绕组涡流损耗和直流损耗，导出热源作为传热仿真的激励；

传热计算模型：根据热源数据、传热属性、边界属性进行传热有限元计算，输出绕组温度场计算结果。

9.一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8中任一权利要求所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法的步骤。

10.一种计算机存储介质，其特征是：所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8中任一权利要求所述的一种适用于数字孪生背景下的变压器绕组温度场模拟方法的步骤。

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