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重庆大学 廖瑞金 等:如何实现数字孪生变压器的计算机辅助运维(CAM+)?

作者: 审核人: 发布时间:2024-04-04 浏览量:

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       研究背景与意义      

 

打造数字孪生化电力变压器,是实现电网生产运营数字化赋能的重要途径。但目前变压器数字孪生工作仍多停留在展示与分析层面,对实际运维工作指导有限。我们更期望能够利用计算机技术实现智能辅助运维,即将传统CAD、CAE和CAM的内涵从设计、工程、制造扩展至整个生产运维阶段(Computer Aided Maintenance+,CAM+),实现变压器外部场景的实时更新,内部状态变化过程的预测以及各类故障较为准确的反演乃至定位。

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电力装备计算机辅助运维(CAM+)的内涵与技术架构      
 

计算机辅助运维(CAM+)指用计算机辅助分析装备运行特性,与运行状态密切相关的内部特征量分布规律,并对装备的性能演化规律、缺陷发生发展过程与健康状态进行准确推演,给出运维建议。

本文综述了目前电力装备数字孪生的相关工作,结合变压器场景、性能数字孪生的特点,提出了数字孪生变压器CAM+模式的技术架构,整体仍分为基础支撑层、仿真分析层、模型构建层、数据交互层和功能应用层五层体系,但在基础支撑层中考虑了场景实时更新,在模型构建层考虑了虚实融合的计算和动态推演模型的建立,在功能应用层考虑了多种功能应用以辅助智能运维。

图1 数字孪生变压器CAM+模式的技术架构

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数字孪生变压器CAM+支撑关键技术综述      


基础支撑层主要有三维场景可视化建模技术和高精度传感技术,如图2所示,融合虚实传感器构建变压器数字孪生体,可实现变压器内部多参量分布式传感。

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图2 虚实融合的变压器多参量传感计算        

仿真分析层主要有多物理场耦合模型的建立和多物理场耦合快速计算方法。模型构建层主要有虚实融合的动态推演建模方法,图3为变压器内绝缘聚合度分布动态推演模型的流程框架。

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图3 聚合度分布动态推演模型的流程框架  

数据交互层主要有数据安全传输技术和多源数据融合的协同分析技术等。功能应用层主要有设备状态故障诊断技术和知识图谱技术等。

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变压器CAM+应用实例        


①场景实时更新:基于可变权重的多分辨率哈希编码用于电力装备低成本、实时场景数字孪生建模,在60s内完成±800kV换流变的本体、漂浮物、漏油等场景实时更新,精度在mm级别,如图4所示。

图4 变压器漂浮物、漏油的场景实时更新          
②聚合度分布模拟:考虑电磁-热-流多物理场耦合作用,并计及实际运行负载和环境温度,建立了时间-温度-水分分布的聚合度分布可视化评估方法,如图5所示。

图5 变压器内部水分分布和聚合度分布的可视化评估

                           

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挑战与展望        


数字孪生变压器CAM+的发展和应用落地还面临以下挑战和问题。三维场景建模实时更新性能差,无法支撑外观的可视化评估,不能真正实现场景的数字孪生;高可靠高精度传感无法获得更多传感参量的数据,更不能获得分布式传感信息;多物理场耦合的建模与计算收敛慢、求解效率低;故障演化与动态推演模型建立困难;电力装备仿真软件开发与发展难等等,相关技术需要后续进一步研究。

       

引文信息:

廖瑞金,罗豪,成立,等. 面向数字孪生变压器的计算机辅助运维(CAM+)构架与关键技术[J]. 高电压  技术,2024,50(3):924-940.

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作者及团队介绍  

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            廖瑞金,男,汉族,1963年7月生,四川遂宁人,博士,重庆大学电气工程学院教授,博士生导师,教育部长江学者特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,百千万人才工程国家级人选,教育部跨世纪优秀人才,爱思唯尔2019—2021年高被引学者,教育部能源与交通学部委员,国家自然科学基金创新研究群体带头人,国家重点研发计划项目首席科学家,国务院学位委员会第七届学科评议组成员(电气工程)。研究方向为电力装备多物理场仿真分析与软件开发、电力设备先进数字孪生技术、先进电工材料技术、储能智能监测、智慧综合能源技术、电力装备智能监测与寿命管理。先后获国家科技进步二等奖1项,省部级科技进步一等奖3项、二等奖2项、三等奖3项。作为项目负责人先后主持国家级科研项目10余项,其它省部级、横向科技项目40余项,在国内外著名刊物和国际学术会议上发表论文300余篇,发明专利100余项。                                                                        
 



罗豪,重庆大学博士研究生,主要从事电力装备数字孪生、状态智能评估方面的研究工作。

成立,重庆大学教授,主要从事电力装备数字孪生、寿命评估、无损检测新方法的相关工作。

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杨丽君,重庆大学教授,主要从事大型电力变压器内绝缘老化机理及寿命预测、局部放电在线监测及模式识别、电力设备在线监测及故障诊断,绝缘材料的改性技术及新型绝缘材料的研究。

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赵学童,重庆大学教授,主要研究方向是电介质物理及其应用,新型功能陶瓷材料、有机绝缘/储能材料的制备与应用,变压器、XLPE电缆等电力设备性能检测与评估技术。

郝建,重庆大学教授,主要研究方向是电力设备运行状态的检测评估、仿真分析与故障诊断;新型绝缘材料研发、性能表征及工程应用;新型智能传感技术研发、系统研制及工程应用。


 


l转自:高电压技术  责编:卫李静