一种计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法及系统

摘要

本发明实施例公开了一种计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法及系统，包括：对目标变压器的油、绕组、铁芯部分进行热力学分析，获取目标变压器对应的油参数、绕组参数、铁芯参数，根据热力学分析结果与获取到的参数建立约束方程；以及，根据获取到的参数确定边界条件，基于所述约束方程与边界条件构建所述目标变压器的温度模型；获取所述目标变压器所在空间任一点的温度值；基于获取到的温度值，利用所述目标变压器的温度模型，求解得到所述目标变压器对应的温度场。本发明所提供的温度模型能够仅获取一点温度测量数据的情况下实现变压器自然对流散热下绕组温度空间分布获取，极大提高了对变压器绕组的温度计算、监测效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统变压器温度检测技术领域，尤其涉及一种计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法及系统。

背景技术

随着电力系统的发展，诸如有载调容调压配电变压器被越来越多地应用于电力系统中，但是，由于变压器的应用环境复杂，在出现故障或紧急情况的时候，变压器温度变化反应的变压器故障没有办法及时的感知到，容易造成变压器损坏，出现停电以及造成经济损失，因此为了确保器件安全，需要对变压器温度进行监测；但是现有对变压器温度监测方法需要对空间多点的温度数据进行监测、融合，构建相应的有限元温度场，存在需要测量多维参数、计算复杂、监测效率低下的问题。

数字孪生是解决未来新型电力系统高比例接入随机性、间歇性、波动性特征的分布式能源，以及储能装置、V2G等交互式能源协调控制问题的核心技术手段之一。无论是国家电网还是南方电网2021年都将初步建成数字电网，即利用先进的数字地图与数字孪生技术，率先实现110kV及以上主网的数字孪生，这标志着2021年年底，国家电网和南方电网都将基本实现了《数字孪生电网白皮书》定义单元级数字孪生、系统级数字孪生，未来电网将向着设备级数字孪生的发展，从而真正实现国家电网白皮书定义的数字孪生电网的建设。根据工信部《数字孪生应用白皮书》数字孪生依靠包括仿真、实测、数据分析在内的手段对物理实体状态进行感知、诊断和预测，即相比传统的在线监测，电气设备的数字孪生技术核心特征之一，就是如何基于最少的传感器数据采集和仿真计算实现设备状态的全息获取。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于数字孪生技术的计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法及系统，用于解决现有变压器温度检测方法存在需要测量多维参数、计算复杂、监测效率低下的问题。为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提出一种计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法，包括：

对目标变压器的油、绕组、铁芯部分进行热力学分析，获取目标变压器对应的油参数、绕组参数、铁芯参数，根据热力学分析结果与获取到的参数建立约束方程；以及，根据获取到的参数确定边界条件，基于所述约束方程与边界条件构建所述目标变压器的温度模型；

获取所述目标变压器所在空间任一点的温度值；基于获取到的温度值，利用所述目标变压器的温度模型，求解得到所述目标变压器对应的温度场。

根据一种具体的实施方式，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述油参数包括：油密度、油恒压热容参数、油流速与油压强；所述绕组参数包括：线圈、线圈匝数、线圈每饼的长高、线圈恒压热容、密度；所述铁芯参数包括：铁芯的几何结构、箱体的几何结构。

根据一种具体的实施方式，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述约束方程包括：油的流体控制方程，以及油、绕组、铁芯的热力学方程。

根据一种具体的实施方式，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述油的流体控制方程为：

其中，ρ

根据一种具体的实施方式，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述油、绕组、铁芯的热力学方程为：

其中，

Q＝Q

其中，ρ

根据一种具体的实施方式，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述边界条件，包括：

油的流体控制方程对应的滑移边界条件与墙边界条件；

以及，绕组与铁芯的发热功率之和，以及，在热平衡条件下的边界热通量的耗散。

根据一种具体的实施方式，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述滑移边界条件为所述铁芯的几何结构边界；所述墙边界条件为油与绕组、铁芯几何结构相交的边界。

根据一种具体的实施方式，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述基于获取到的温度值，利用所述目标变压器的温度模型，求解得到所述目标变压器对应的温度场，包括：

将获取到的油参数、绕组参数、铁芯参数代入至所述变压器温度模型，得到待求解模型；

以所述目标变压器所在空间任一点的温度值作为约束点，对所述待求解模型进行求解，得到所述目标变压器对应的温度场。

根据一种具体的实施方式，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述以所述目标变压器所在空间任一点的温度值作为约束点，对所述待求解模型进行求解，包括：

以所述待求解模型的温度计算值与实际获取到的温度值的不确定度小于或等于阈值为目标，对所述待求解模型进行求解；

通过下式计算所述不确定度：

其中，T(r

本发明的另一方面，提供一种计算变压器自然对流散热下绕组温度场的系统，包括：

获取单元，用于获取所述目标变压器所在空间任一点的温度值，并输出至计算单元；

存储单元，用于存储构建得到的目标变压器的温度模型；其中，通过对目标变压器的油、绕组、铁芯部分进行热力学分析，获取目标变压器对应的油参数、绕组参数、铁芯参数，根据热力学分析结果与获取到的参数建立约束方程；以及，根据获取到的参数确定边界条件，基于所述约束方程与边界条件得到所述目标变压器的温度模型；

计算单元，用于基于获取到的温度值，利用所述目标变压器的温度模型，求解得到所述目标变压器对应的温度场。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明实施例所提供的计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法，通过对目标变压器的油、绕组、铁芯部分进行热力学分析，获取目标变压器对应的油参数、绕组参数、铁芯参数，根据热力学分析结果与获取到的参数建立约束方程；以及，根据获取到的参数确定边界条件，基于所述约束方程与边界条件构建所述目标变压器的温度模型；从而，在获取所述目标变压器所在空间任一点的温度值时，即可利用所述目标变压器的温度模型，求解得到所述目标变压器对应的温度场；本发明实施例所提供的温度模型基于热力学原理构建得到，相应的准确度较高，同时基于本发明实施例所提供的温度模型能够仅获取一点温度测量数据的情况下实现变压器自然对流散热下绕组温度空间分布获取，极大提高了对变压器绕组的温度计算、监测效率。

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。

其中：

图1为一个实施例中计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法流程示意图；

图2为一个实施例中计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法流程示意图；

图3为一个实施例中根据某变压器参数构建的有限元温度场计算模型；

图4为一个实施例中根据某变压器参数计算得到的变压器温度空间分布示意图；

图5为一个实施例中计算变压器自然对流散热下绕组温度场的系统结构框图。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1示出了本发明示例性实施例的计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法，包括：

对目标变压器的油、绕组、铁芯部分进行热力学分析，获取目标变压器对应的油参数、绕组参数、铁芯参数，根据热力学分析结果与获取到的参数建立约束方程；以及，根据获取到的参数确定边界条件，基于所述约束方程与边界条件构建所述目标变压器的温度模型；

获取所述目标变压器所在空间任一点的温度值；基于获取到的温度值，利用所述目标变压器的温度模型，求解得到所述目标变压器对应的温度场。

本实施例所提供的方法，通过对目标变压器的油、绕组、铁芯部分进行热力学分析，获取目标变压器对应的油参数、绕组参数、铁芯参数，根据热力学分析结果与获取到的参数建立约束方程；以及，根据获取到的参数确定边界条件，基于所述约束方程与边界条件构建所述目标变压器的温度模型；其中，所述温度模型基于热力学原理构建得到，相应的准确度较高，同时基于本发明实施例所提供的温度模型能够仅获取一点温度测量数据的情况下实现变压器自然对流散热下绕组温度空间分布获取，极大提高了对变压器绕组的温度计算、监测效率。

实施例2

在一种可能的实现方式中，如图2所示，计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法，具体包括：

S1、获得目标变压器的油材料参数(恒压热容(J/(kg·K))、密度(kg/m^3)、导热系数(W/(m·K))、动力粘度(Pa·s))、绕组参数、铁芯参数；根据变压器铁芯、线圈、箱体的几何结构、线圈匝数、线圈每饼的长高、线圈材料参数(导线和绝缘纸的恒压热容(J/(kg·K))、导线和绝缘纸的密度(kg/m^3)、导线和绝缘纸的导热系数(W/(m·K))，绝缘纸的厚度(mm))、油材料参数(恒压热容(J/(kg·K))、密度(kg/m^3)、导热系数(W/(m·K))、动力粘度(Pa·s))、额定电流建立约束方程与约束条件，得到变压器二维流热强耦合的有限元温度场计算模型(即所述目标变压器的温度模型)；

S2、测量实际中变压器绕组附近空间任一点的温度，并在二维流热强耦合的温度场计算模型将此点的温度值作为约束点；

S3、根据以所述待求解模型的温度计算值与实际获取到的温度值的不确定度小于或等于阈值为目标，对所述待求解模型进行求解；

通过下式计算所述不确定度：

其中，T(r

在一种可能的实现方式中，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述S1中所述的油参数包括：油材料参数(恒压热容(J/(kg·K))、密度(kg/m^3)、导热系数(W/(m·K))、动力粘度(Pa·s))、油流速与油压强；所述绕组参数包括：线圈、线圈匝数、线圈每饼的长高、线圈材料参数(导线和绝缘纸的恒压热容(J/(kg·K))、导线和绝缘纸的密度(kg/m^3)、导线和绝缘纸的导热系数(W/(m·K))，绝缘纸的厚度(mm))；所述铁芯参数包括：铁芯的几何结构、箱体的几何结构。

在一种可能的实现方式中，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述S1中建立的约束方程包括：油的流体控制方程，以及油、绕组、铁芯的热力学方程。

在一种可能的实现方式中，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述油的流体控制方程为：

其中，ρ

在一种可能的实现方式中，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述油、绕组、铁芯部分的热力学方程为：

其中

Q＝Q

其中，ρ

在一种可能的实现方式中，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述边界条件，包括：油的流体控制方程对应的滑移边界条件与墙边界条件；以及，绕组与铁芯的发热功率之和，以及，在热平衡条件下的边界热通量的耗散。所述滑移边界条件为所述铁芯的几何结构边界；所述墙边界条件为油与绕组、铁芯几何结构相交的边界。

具体的，采用上述方法，根据某变压器铁芯、线圈、箱体的几何结构、线圈匝数、线圈材料参数、油材料参数、额定电流所建立的变压器二维流热强耦合的有限元温度场计算模型如图3所示，其中，ABCF是铁芯部分：

上述约束方程对应的边界条件具体为：

油部分的流体控制方程CD、DE、EF为滑移边界条件，其他高压、中压、低压和铁芯与油的边界是无滑移的墙边界条件。

油、绕组、铁芯部分的热力学方程：

高压、中压、低压和铁芯的发热功率之和为P

在一种可能的实现方式中，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述步骤S2具体包括：

测量实际中变压器绕组附近空间任一点的温度T

在一种可能的实现方式中，上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法中，所述步骤S3具体包括：

在二维流热强耦合的温度场计算模型即在求解方程(1)、(2)和(3)时，使得计算值T(r

此时计算得到的T(r,z)即为变压器自然对流散热下绕组温度空间分布。

具体的，采用本发明实施例所提供的计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法，根据某变压器铁芯、线圈、箱体的几何结构、线圈匝数、线圈材料参数、油材料参数、额定电流所建立的变压器二维流热强耦合的有限元温度场计算模型如图3所示，相应的变压器自然对流散热下绕组温度空间分布如图4所示。

实施例3

本发明的另一方面，提供一种计算变压器自然对流散热下绕组温度场的系统，包括：

获取单元，用于获取所述目标变压器所在空间任一点的温度值，并输出至计算单元；

存储单元，用于存储构建得到的目标变压器的温度模型；其中，通过对目标变压器的油、绕组、铁芯部分进行热力学分析，获取目标变压器对应的油参数、绕组参数、铁芯参数，根据热力学分析结果与获取到的参数建立约束方程；以及，根据获取到的参数确定边界条件，基于所述约束方程与边界条件得到所述目标变压器的温度模型；

计算单元，用于基于获取到的温度值，利用所述目标变压器的温度模型，求解得到所述目标变压器对应的温度场。

具体的，如图5所示，所述存储单元与计算单元可以由电子设备提供，其中，所述电子设备可以为终端、平板电脑、计算机等中的一种，本实施例不作限定。所述获取单元可以为设置在空间任一点的温度传感器。

具体的，上述电子设备包括处理器、网络接口和存储器，所述处理器、所述网络接口和所述存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法。

本发明的另一方面，还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有程序指令，所述程序指令被至少一个处理器执行时，用于实现上述计算变压器自然对流散热下绕组温度场的方法。

在本发明的实施例中，处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。处理器读取存储介质中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

存储介质可以是存储器，例如可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。

其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，简称PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，简称EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，简称EEPROM)或闪存。

易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，简称SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，简称DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，简称SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，简称DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(EnhancedSDRAM，简称ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，简称SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，简称DRRAM)。

本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

应该理解到，本发明所揭露的系统，可通过其它的方式实现。例如所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，模块之间的通信连接可以是通过一些接口，服务器或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个处理单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。