CN113360960A - 一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法。首先根据变压器运行工况确定传感装置的分布位置，通过逐步消去法修正传感体系，得到换流变传感网络；采用BIM技术构建换流变几何维度模型，利用倾斜摄影测量技术得到换流变全景模型；将传感数据对换流变模型进行映射。采用肖特基注入作为自由粒子的唯一来源，基于对空间电荷的推导，得到微观粒子下电‑热‑力多场耦合计算模型。最后，基于API分离出BIM模型所包含的信息，将几何信息储存到JSON文件模型区，将材料和属性信息储存到JSON文件信息区；设置统一标识符关联实景模型和多物理场模型，通过相互调用关键信息，实现两种模型的融合，最终得到完整的换流变孪生模型。
Description
技术领域
本发明属于电力设备数字孪生建模方法，尤其涉及换流变内外部实景和多物理场建模领域。
背景技术
电力工业是我国的经济发展命脉，近年来，我国大力发展特高压直流输电工程，而换流变在这里发挥着重要的作用。环流变的工作原理复杂，设备内部多物理场复杂，相互之间会产生较大的影响，且由于换流变电压等级较高、体积较大，使得换流变的检修运维工作缺乏全面性和时效性。数字孪生在电力工业生产中的应用主要有以下两个方面：一是电力装备管理。降低设备运行时的风险，提高设备运行可靠性；二是电力***调度。利用数字孪生实时数据，达到减少资源调动成本，提高能源使用效率为目的。
数字孪生是一种通过平台连接物理实体和数字模型，借助历史、实时数据及算法等模拟物理实体全生命周期的技术，具备双向、持续、开放、互联的特点。它能够综合集成设备内外多种物理信息，在数字虚拟世界中建立一种对物理实体世界的全面映射，实时快速的反映出物理实体当下的运行状况，并根据记录的传感器数据和历史数据，实时分析修正数字模型，做到物理实体的全寿命周期管理。换流变的数字孪生技术就是运用数字孪生的超强时效性和设备健康管理及预测性维护功能，为换流变建立一对一的数字孪生体，其快速响应、实时分析的特点，充分保证了换流变在高电压下工作的安全性。
然而，在电力行业中，数字孪生技术仍处于初级阶段，主要存在的问题是：缺乏电力装备多维度的高保真度孪生模型，完整的数字孪生模型需要包含装备内部各个物理场及运行环境在内的多种因素，其实现难度远大于传统仿真中的物理模型。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法。本发明的技术方案如下：
一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其包括以下步骤：
首先根据变压器运行工况确定传感装置的分布位置，通过逐步消去法修正传感体系，得到换流变传感网络；采用BIM(Building Information Model，建筑信息模型)技术构建换流变几何维度模型，利用倾斜摄影测量技术得到换流变全景模型；将传感数据对换流变模型进行映射；
采用肖特基注入作为自由粒子的唯一来源，基于对空间电荷的推导，得到微观粒子下电-热-力多场耦合计算模型；
最后，基于API分离出BIM模型所包含的信息，将几何信息储存到JSON文件模型区，将材料和属性信息储存到JSON文件信息区；设置统一标识符关联实景模型和多物理场模型，通过相互调用关键信息，实现两种模型的融合，最终得到完整的换流变孪生模型。
进一步的，所述根据变压器运行工况确定传感装置的分布位置，是通过有效独立法确定传感装置的初始布置位置。
进一步的，所述通过逐步消去法修正传感体系，它每次从所有传感器可选位置的剩余中，移除对目标函数贡献最少或较少的一个或多个位置，直到只有所需的可选位置数或最大非对角线元素达到预置值为止，最终得到换流变传感网络；
进一步的，所述采用BIM技术构建换流变几何维度模型，具体包括：
1)根据现场情况，从不同的位置和角度，选取合适的测站位置，经过多次扫描对工作面进行整体覆盖；
2)在墙壁四周张贴标靶纸后，架设三维激光扫描仪对结构每个部分依次进行扫描；
3)在软件中进行点云测站拼接、提取点云数据、坐标系转换、点云去噪与分类、点云输出与格式转换等操作；
4)将*.rcp或*.rcs格式的文件导入软件中，提取关键点坐标，得到实际扫描修正后的结构BIM模型。
进一步的，所述利用倾斜摄影测量技术获得换流变实景数据，具体包括：基于坐标转换实现时空一致性完成实景数据与几何孪生模型的匹配，将监测数据对换流变模型进行映射，得到融合几何与实景的换流变数字孪生模型，其中倾斜摄影测量技术指的是通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取丰富的变压器顶面及侧视的高分辨率纹理。
进一步的，所述采用肖特基注入作为自由粒子的唯一来源，基于对空间电荷的推导，得到微观粒子下电-热-力多场耦合计算模型，具体包括：
在传统耦合方式上考虑空间电荷影响，采用肖特基注入作为自由粒子的唯一来源；基于泊松方程、电流连续性定理和守恒方程等电磁学方法对空间电荷的分布进行进一步推导，即可建立温度-场强-流速下的空间电荷移动路径得到计及微观粒子下电-热-力多场耦合计算模型。
将泊松方程(1-1)和已知边界电压条件转化为等价的变分形式(1-2)，运用到计算模型中转化为矩阵形式(1-3)。由泊松方程的变分原理可知含有边界条件的方程(1-1)的解就是方程(1-3)取最小值的函数。得到最终表达式平衡方程(1-4)，用于计算模型内各点电势；
其中，
为空间电荷各点电位值，[K]为总系数矩阵(也即总刚度矩阵)，[f]为局部矩阵总体合成的结果。
[K][Φ]＝[f] (1-4)
进一步的，得到电-热-力多场耦合计算模型后，还包括以下步骤：对换流变单一部件进行简化并利用多维度数据传递技术及不同网格尺度异构映射将分区部件装配至换流变整体数字孪生模型。
进一步的，所述基于API分离出BIM模型所包含的信息，将几何信息储存到JSON文件模型区，将材料和属性信息储存到JSON文件信息区，具体包括：
基于API(Application Programming Interface，应用程序编程接口)分离出BIM模型的几何信息、材料信息、属性信息，并将几何信息转换为OBJ格式文件，存储到JSON文件的模型区，将材料信息和属性信息存储到JSON文件的信息区，实现模型信息的分离及调用。
进一步的，所述设置统一标识符关联实景模型和多物理场模型，通过相互调用关键信息，实现两种模型的融合，最终得到完整的换流变孪生模型，具体包括：
设置统一标识符关联三种信息，利用objLoader通过API提取JSON文件模型区的几何信息，供三维实景建模调用，构建出几何与实景维度的孪生模型；通过API提取JSON文件的几何信息、材料、属性信息形成多物理维度的孪生模型；最后，基于统一标识符关联两类孪生模型的数据，实现两种模型融合得到最终的孪生模型。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)提出融合几何实景维度、多物理场维度的换流变数字孪生模型实现方法及数据映射方法，实现出面向换流变设计和运维需求的可数字化交付的换流变数字孪生模型。
(2)提出支撑状态数据孪生的多物理场维度孪生模型构建方法及基于多维度数据传递方法、不同网格尺度异构映射方法，实现换流变部件-整体孪生模型的组态建模。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法流程图。
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
如图1所示，一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其包括步骤：
1)根据变压器运行工况确定传感装置的分布位置，通过逐步消去法修正传感体系，得到换流变传感网络；采用BIM技术构建换流变几何维度模型，利用倾斜摄影测量技术得到换流变全景模型；进一步将传感数据对换流变模型进行映射；
2)考虑到换流变耦合特性较强，计及空间电荷的情况下，采用肖特基注入作为自由粒子的唯一来源，基于对空间电荷的推导，得到微观粒子下电-热-力多场耦合计算模型；
3)基于API分离出BIM模型所包含的信息，将几何信息储存到JSON文件模型区，将材料和属性信息储存到JSON文件信息区；设置统一标识符关联实景模型和多物理场模型，通过相互调用关键信息，实现两种模型的融合，最终得到完整的换流变孪生模型。
优选的，通过有效独立法确定传感装置的初始布置位置，然后通过逐步消除法修正多场传感网络体系，得到换流变传感网络方案；基于BIM技术构建换流变(包含本体、套管、出线装置及散热器)几何维度孪生模型；
优选的，利用倾斜摄影测量技术获得换流变实景数据，并基于坐标转换实现时空一致性完成实景数据与几何孪生模型的匹配，进一步将监测数据对换流变模型进行映射，得到融合几何与实景的换流变数字孪生模型；
优选的，换流变的耦合特性强，在传统耦合方式上考虑空间电荷影响，采用肖特基注入作为自由粒子的唯一来源。基于泊松方程、电流连续性定理和守恒方程等电磁学方法对空间电荷的分布进行进一步推导，即可建立温度-场强-流速下的空间电荷移动路径得到计及微观粒子下电-热-力多场耦合计算模型；
优选的，对换流变单一部件进行简化并利用多维度数据传递技术及不同网格尺度异构映射将分区部件装配至换流变整体数字孪生模型；
优选的，基于API分离出BIM模型的几何信息、材料信息、属性信息，并将几何信息转换为OBJ格式文件，存储到JSON文件的模型区，将材料信息和属性信息存储到JSON文件的信息区，至此可实现模型信息的分离及调用；
优选的，设置统一标识符关联三种信息，利用objLoader通过API提取JSON文件模型区的几何信息，供三维实景建模调用，构建出几何与实景维度的孪生模型。通过API提取JSON文件的几何信息、材料、属性信息形成多物理维度的孪生模型。最后，基于统一标识符关联两类孪生模型的数据，实现两种模型融合得到最终的孪生模型。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先根据变压器运行工况确定传感装置的分布位置，通过逐步消去法修正传感体系，得到换流变传感网络；采用BIM建筑信息模型技术构建换流变几何维度模型，利用倾斜摄影测量技术得到换流变全景模型；将传感数据对换流变模型进行映射；
采用肖特基注入作为自由粒子的唯一来源，基于对空间电荷的推导，得到微观粒子下电-热-力多场耦合计算模型；
最后，基于API分离出BIM模型所包含的信息，将几何信息储存到JSON文件模型区，将材料和属性信息储存到JSON文件信息区；设置统一标识符关联实景模型和多物理场模型，通过相互调用关键信息，实现两种模型的融合，最终得到完整的换流变孪生模型。
2.根据权利要求1所述的一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述根据变压器运行工况确定传感装置的分布位置，是通过有效独立法确定传感装置的初始布置位置。
3.根据权利要求2所述的一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述通过逐步消去法修正传感体系，它每次从所有传感器可选位置的剩余中，移除对目标函数贡献最少或较少的一个或多个位置，直到只有所需的可选位置数或最大非对角线元素达到预置值为止，得到换流变传感网络。
4.根据权利要求3所述的一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述采用BIM技术构建换流变几何维度模型，具体包括：
1)根据现场情况，从不同的位置和角度，选取合适的测站位置，经过多次扫描对工作面进行整体覆盖；
2)在墙壁四周张贴标靶纸后，架设三维激光扫描仪对结构每个部分依次进行扫描；
3)在软件中进行点云测站拼接、提取点云数据、坐标系转换、点云去噪与分类、点云输出与格式转换等操作；
4)将*.rcp或*.rcs格式的文件导入软件中，提取关键点坐标，得到实际扫描修正后的结构BIM模型。
5.根据权利要求4所述的一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述利用倾斜摄影测量技术获得换流变实景数据，具体包括：基于坐标转换实现时空一致性完成实景数据与几何维度模型的匹配，将监测数据对换流变模型进行映射，得到融合几何与实景的换流变数字孪生模型，其中倾斜摄影测量技术指的是通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取丰富的变压器顶面及侧视的高分辨率纹理。
6.根据权利要求5所述的一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述采用肖特基注入作为自由粒子的唯一来源，基于对空间电荷的推导，得到微观粒子下电-热-力多场耦合计算模型，具体包括：
在传统耦合方式上考虑空间电荷影响，采用肖特基注入作为自由粒子的唯一来源；基于泊松方程、电流连续性定理和守恒方程等电磁学方法对空间电荷的分布进行进一步推导，即可建立温度-场强-流速下的空间电荷移动路径得到计及微观粒子下电-热-力多场耦合计算模型。
将泊松方程(1-1)和已知边界电压条件转化为等价的变分形式(1-2)，运用到计算模型中转化为矩阵形式(1-3)。由泊松方程的变分原理可知含有边界条件的方程(1-1)的解就是方程(1-3)取最小值的函数。得到最终表达式平衡方程(1-4)，用于计算模型内各点电势；
其中，
为空间电荷各点电位值，[K]为总系数矩阵(也即总刚度矩阵)，[f]为局部矩阵总体合成的结果；
[K][Φ]＝[f] (1-4)。
7.根据权利要求6所述的一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其特征在于，得到电-热-力多场耦合计算模型后，还包括以下步骤：对换流变单一部件进行简化并利用多维度数据传递技术及不同网格尺度异构映射将分区部件装配至换流变整体数字孪生模型。
8.根据权利要求7所述的一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述基于API分离出BIM模型所包含的信息，将几何信息储存到JSON文件模型区，将材料和属性信息储存到JSON文件信息区，具体包括：
基于API应用程序编程接口分离出BIM模型的几何信息、材料信息、属性信息，并将几何信息转换为OBJ格式文件，存储到JSON文件的模型区，将材料信息和属性信息存储到JSON文件的信息区，实现模型信息的分离及调用。
9.根据权利要求8所述的一种计及空间电荷的换流变数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述设置统一标识符关联实景模型和多物理场模型，通过相互调用关键信息，实现两种模型的融合，最终得到完整的换流变孪生模型，具体包括：
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