CN117807851A - 一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高压直流输电技术领域，公开了一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，包括温升特性检测模型、三维数学模型构建单元、边界条件设置单元、模型更新单元、模型展示单元、模型验证修正单元和暂态温升影响因素分析单元。通过上述方式，本本发明有利于实时直观获知三维温度分布模型的温度分布状态动态变化；本发明将仿真值实测值进行对比，可以获知在不同深度的仿真值和试验值之间的误差值，进而得到修正因子，并修正三维温度分布模型，进而获得修正的三维温度分布模型，有利于进一步提高模型的准确度；本发明可根据影响规律输出针对一定额定入地电流、圆环半径、埋深高度的接地极的选址建议。
Description
技术领域
本发明涉及高压直流输电技术领域，具体涉及一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统。
背景技术
随着能量需求的日益增加，高压直流输电得到快速发展。但由于直流电流长时间通过接地极注入大地，导致跨步电压升高、土壤发热和电极腐蚀等问题。
现有技术中的直流接地极暂态温升分析系统大多采用各种数值算法进行分析，由于周围土壤具有电阻会产生热量导致温度升高，进而土壤参数发生改变，难以有效反映土壤参数随温度的变化过程，无法准确评估直流接地温升特性。
基于此，本发明设计了一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，包括温升特性检测模型、三维数学模型构建单元、边界条件设置单元、模型更新单元、模型展示单元、模型验证修正单元和暂态温升影响因素分析单元。
更进一步的，温升特性检测模型，用于测定电极上温度值，并实时获取温升数据；用于检测土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv。
更进一步的，通过温度传感器测定电极上不同位置的温度值，通过光纤将温度值传输给温度巡检仪，通过温度巡检仪实时获取温升数据。
更进一步的，三维数学模型构建单元，利用有限元方法，根据土壤温升数据以及土壤电、热参数，建立温度场中的三维温度分布模型。
更进一步的，边界条件设置单元，用于设置三维数学模型的第一边界条件、第二边界条件和第三边界条件；
其中，第一边界条件针对不感兴趣的区域进行设置；
第二边界条件针对土壤之间的分界面和土壤与接地极之间的分界面的区域进行设置；
第三边界条件针对接地极产生热量通过土壤表面与空气换热的区域进行设置。
更进一步的，模型更新单元，结合第一边界条件、第二边界条件和第三边界条件，建立三维数学模型的反分析求解模型；
利用遗传算法获取反分析求解模型的真实数据，真实数据代入三维数学模型的参数，得到更新的三维温度分布模型。
更进一步的，模型展示单元，用于动态实时展示温度场中的温度分布。
更进一步的，模型展示单元包括：
采用几何模型建立2D或3D几何模型，得到接地极及周围的土壤模型；
分别对接地电极和土壤进行网格划分；
根据初始温度得到初始土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv，代入三维温度分布模型计算得到温度场中的温度分布；
实时更新土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv，并重新代入三维温度分布模型计算得到更新后的温度场中的温度分布；
展示单元实时展示接地极及周围的土壤模型及温度场中的温度分布状态。
更进一步的，模型验证修正单元，用于利用更新的三维温度分布模型计算待测土壤温度场，得到仿真值，将仿真值实测值进行对比，可以获知在不同深度的仿真值和试验值之间的误差值，进而得到修正因子，并修正三维温度分布模型，进而获得修正的三维温度分布模型，有利于进一步提高模型的准确度。
更进一步的，暂态温升影响因素分析单元，用于分析填充焦炭、土质、土壤的电阻率、土壤热导率和土壤比热容对地面跨步电压和土壤温升的影响规律；并根据影响规律输出针对一定额定入地电流、圆环半径、埋深高度的接地极的选址建议。
有益技术效果：本发明可有效反映土壤参数随温度的变化过程，有利于准确评估直流接地温升特性；
本发明有利于实时直观获知三维温度分布模型的温度分布状态动态变化；
本发明将仿真值实测值进行对比，可以获知在不同深度的仿真值和试验值之间的误差值，进而得到修正因子，并修正三维温度分布模型，进而获得修正的三维温度分布模型，有利于进一步提高模型的准确度；
本发明可根据影响规律输出针对一定额定入地电流、圆环半径、埋深高度的接地极的选址建议。
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。显而易见地，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他的附图。
图1为本发明的一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统的原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1，请参阅说明书附图1，一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，包括温升特性检测模型、三维数学模型构建单元、边界条件设置单元、模型更新单元、模型展示单元、模型验证修正单元、暂态温升影响因素分析单元；
1、温升特性检测模型，用于测定电极上温度值，并实时获取温升数据；用于检测土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv；
具体的，通过温度传感器测定电极上不同位置的温度值，通过光纤将温度值传输给温度巡检仪，通过温度巡检仪实时获取温升数据；
2、三维数学模型构建单元，利用有限元方法，根据土壤温升数据以及土壤电、热参数，建立温度场中的三维温度分布模型；
本发明可有效反映土壤参数随温度的变化过程，有利于准确评估直流接地温升特性；
3、边界条件设置单元，用于设置三维数学模型的第一边界条件、第二边界条件和第三边界条件；
其中，第一边界条件针对不感兴趣的区域进行设置；
第二边界条件针对土壤之间的分界面和土壤与接地极之间的分界面的区域进行设置；
第三边界条件针对接地极产生热量通过土壤表面与空气换热的区域进行设置；
4、模型更新单元，结合第一边界条件、第二边界条件和第三边界条件，建立三维数学模型的反分析求解模型；
利用遗传算法获取反分析求解模型的真实数据，真实数据代入三维数学模型的参数，得到更新的三维温度分布模型；
5、模型展示单元，用于动态实时展示温度场中的温度分布；
具体的，包括：
5.1采用几何模型建立2D或3D几何模型，得到接地极及周围的土壤模型；
5.2分别对接地电极和土壤进行网格划分；
5.3根据初始温度得到初始土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv，代入三维温度分布模型计算得到温度场中的温度分布；
5.4实时更新土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv，并重新代入三维温度分布模型计算得到更新后的温度场中的温度分布；
5.5展示单元实时展示接地极及周围的土壤模型及温度场中的温度分布状态；
6、模型验证修正单元，用于利用更新的三维温度分布模型计算待测土壤温度场，得到仿真值，将仿真值实测值进行对比，可以获知在不同深度的仿真值和试验值之间的误差值，进而得到修正因子，并修正三维温度分布模型，进而获得修正的三维温度分布模型，有利于进一步提高模型的准确度；
7、暂态温升影响因素分析单元，用于分析填充焦炭、土质、土壤的电阻率、土壤热导率和土壤比热容对地面跨步电压和土壤温升的影响规律；并根据影响规律输出针对一定额定入地电流、圆环半径、埋深高度的接地极的选址建议。
实施例2：一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析方法，包括以下步骤：
一、温升特性检测模型测定电极上温度值，并实时获取温升数据；用于检测土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv；
具体的，通过温度传感器测定电极上不同位置的温度值，通过光纤将温度值传输给温度巡检仪，通过温度巡检仪实时获取温升数据；
二、三维数学模型构建单元根据土壤温升数据以及土壤电、热参数，建立温度场中的三维温度分布模型；
三、边界条件设置单元设置三维数学模型的第一边界条件、第二边界条件和第三边界条件；
其中，第一边界条件针对不感兴趣的区域进行设置；
第二边界条件针对土壤之间的分界面和土壤与接地极之间的分界面的区域进行设置；
第三边界条件针对接地极产生热量通过土壤表面与空气换热的区域进行设置；
四、模型更新单元结合第一边界条件、第二边界条件和第三边界条件，建立三维数学模型的反分析求解模型；
利用遗传算法获取反分析求解模型的真实数据，真实数据代入三维数学模型的参数，得到更新的三维温度分布模型；
五、模型展示单元动态实时展示温度场中的温度分布；
具体的，包括：采用几何模型建立2D或3D几何模型，得到接地极及周围的土壤模型；
分别对接地电极和土壤进行网格划分；
根据初始温度得到初始土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv，代入三维温度分布模型计算得到温度场中的温度分布；
实时更新土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv，并重新代入三维温度分布模型计算得到更新后的温度场中的温度分布；
展示单元实时展示接地极及周围的土壤模型及温度场中的温度分布状态；
本发明有利于实时直观获知三维温度分布模型的温度分布状态动态变化；
六、模型验证修正单元，用于利用更新的三维温度分布模型计算待测土壤温度场，得到仿真值，将仿真值实测值进行对比，可以获知在不同深度的仿真值和试验值之间的误差值，进而得到修正因子，并修正三维温度分布模型，进而获得修正的三维温度分布模型，有利于进一步提高模型的准确度；
七、暂态温升影响因素分析单元，用于分析填充焦炭、土质、土壤的电阻率、土壤热导率和土壤比热容对地面跨步电压和土壤温升的影响规律；并根据影响规律输出针对一定额定入地电流、圆环半径、埋深高度的接地极的选址建议。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，包括温升特性检测模型、三维数学模型构建单元、边界条件设置单元、模型更新单元、模型展示单元、模型验证修正单元和暂态温升影响因素分析单元。
2.根据权利要求1所述的基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，温升特性检测模型，用于测定电极上温度值，并实时获取温升数据；用于检测土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv。
3.根据权利要求2所述的基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，通过温度传感器测定电极上不同位置的温度值，通过光纤将温度值传输给温度巡检仪，通过温度巡检仪实时获取温升数据。
4.根据权利要求3所述的基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，三维数学模型构建单元，利用有限元方法，根据土壤温升数据以及土壤电、热参数，建立温度场中的三维温度分布模型。
5.根据权利要求4所述的基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，边界条件设置单元，用于设置三维数学模型的第一边界条件、第二边界条件和第三边界条件；
其中，第一边界条件针对不感兴趣的区域进行设置；
第二边界条件针对土壤之间的分界面和土壤与接地极之间的分界面的区域进行设置；
第三边界条件针对接地极产生热量通过土壤表面与空气换热的区域进行设置。
6.根据权利要求5所述的基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，模型更新单元，结合第一边界条件、第二边界条件和第三边界条件，建立三维数学模型的反分析求解模型；
利用遗传算法获取反分析求解模型的真实数据，真实数据代入三维数学模型的参数，得到更新的三维温度分布模型。
7.根据权利要求6所述的基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，模型展示单元，用于动态实时展示温度场中的温度分布。
8.根据权利要求7所述的基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，模型展示单元包括：
8.1采用几何模型建立2D或3D几何模型，得到接地极及周围的土壤模型；
8.2分别对接地电极和土壤进行网格划分；
8.3根据初始温度得到初始土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv，代入三维温度分布模型计算得到温度场中的温度分布；
8.4实时更新土壤电阻率ρ、热导系数k和热容量Cv，并重新代入三维温度分布模型计算得到更新后的温度场中的温度分布；
8.5展示单元实时展示接地极及周围的土壤模型及温度场中的温度分布状态。
9.根据权利要求8所述的基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，模型验证修正单元，用于利用更新的三维温度分布模型计算待测土壤温度场，得到仿真值，将仿真值实测值进行对比，可以获知在不同深度的仿真值和试验值之间的误差值，进而得到修正因子，并修正三维温度分布模型，进而获得修正的三维温度分布模型。
10.根据权利要求9所述的基于有限元法的直流接地极暂态温升分析系统，其特征在于，暂态温升影响因素分析单元，用于分析填充焦炭、土质、土壤的电阻率、土壤热导率和土壤比热容对地面跨步电压和土壤温升的影响规律；并根据影响规律输出针对一定额定入地电流、圆环半径、埋深高度的接地极的选址建议。
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