基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法与流程

本发明涉及开关柜运行状态建模，特别涉及基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法。

背景技术：

1、开关柜运行时，母排、触头及其他导电部件会产生热量，柜内温度还受到空气流动、通风条件和外部环境的影响，因此其电气状态、温度场和气流场之间存在相互作用。

2、现有技术已将数字孪生用于开关柜状态分析，如公开号为cn115347673a的专利申请公开了适用于配电开关设备的数字孪生系统诊断方法，通过采集设备状态数据建立虚拟映射模型，并结合仿真结果进行状态诊断和预测。

3、现有方法通常预先设定各物理场之间的传递关系，并按照固定的边界条件和参数进行计算，在实际运行中，开关柜的负载、开关状态、触头接触状态及通风条件会发生变化，不同变化所影响的物理场并不相同，若仍采用固定的耦合关系和统一的更新方式，便难以根据当前运行状态确定需要重新计算的物理场及需要调整的模型参数，使模型更新与实体开关柜的实际变化不能充分对应。

4、为此，提出基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择。

2、本发明的技术方案是这样实现的：基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，包括以下步骤：

3、s1、根据开关柜的结构参数建立几何模型，并基于所述几何模型建立电磁场子模型、温度场子模型和气流场子模型，将所述电磁场子模型计算得到的导电部件损耗传递至所述温度场子模型，作为温度场求解的热源条件，将所述温度场子模型计算得到的固体表面温度传递至所述气流场子模型，作为气流场求解的热边界条件，并将所述气流场子模型计算得到的对流换热条件传递至所述温度场子模型，形成多物理场耦合模型；

4、s2、获取开关柜在当前建模周期内的实时运行数据，将所述实时运行数据与上一建模周期的运行数据进行比较，得到运行状态变化信息；

5、s3、将所述运行状态变化信息确定为电气状态变化或散热状态变化，其中，发生电气状态变化时，确定需要更新的电磁场子模型、电磁场子模型向温度场子模型传递的导电部件损耗以及与所述电气状态变化对应的电流边界或导电拓扑，发生散热状态变化时，确定需要更新的气流场子模型、气流场子模型向温度场子模型传递的对流换热条件以及与所述散热状态变化对应的气流场边界；

6、s4、对s3中确定的物理场子模型、场间传递数据、模型参数及仿真边界进行更新，未纳入模型参数或仿真边界更新范围的物理场子模型，以上一建模周期求解得到的状态量作为当前建模周期的初始状态量；

7、s5、按照更新后的物理场子模型和场间传递数据求解所述多物理场耦合模型，得到当前建模周期的开关柜数字孪生状态。

8、进一步优选的，所述实时运行数据包括负载电流、开关分合状态、柜内测点温度、环境温度和柜体通风状态数据；

9、负载电流相对于上一建模周期发生变化或开关分合状态发生改变时，将所述运行状态变化信息确定为电气状态变化；环境温度相对于上一建模周期发生变化或柜体通风状态发生改变时，将所述运行状态变化信息确定为散热状态变化；

10、负载电流发生变化时，根据当前建模周期的负载电流调整所述电磁场子模型的电流边界，并重新计算开关柜的导电部件损耗；开关分合状态发生改变时，根据当前开关分合状态调整所述电磁场子模型中对应导电连接关系的通断状态，并按照调整后的导电拓扑重新计算所述导电部件损耗；

11、发生散热状态变化时，根据当前环境温度调整所述气流场子模型的环境温度边界，根据当前柜体通风状态调整所述气流场子模型的进风边界和出风边界中的至少一项，并按照调整后的气流场边界重新求取柜内空气流动状态和对流换热条件。

12、进一步优选的，所述导电部件包括主母线、断路器触头和电缆连接部位中的至少一种，所述导电部件损耗包括导体损耗和接触损耗。

13、进一步优选的，当前建模周期未更新所述电磁场子模型时，采用上一建模周期计算得到的导电部件损耗作为所述温度场子模型的热源条件；当前建模周期未更新所述气流场子模型时，采用上一建模周期计算得到的对流换热条件作为所述温度场子模型的换热边界条件。

14、进一步优选的，未纳入模型参数或仿真边界更新范围的物理场子模型接收到其他物理场子模型重新计算得到的场间传递数据时，以重新计算得到的场间传递数据替换上一建模周期的对应数据，并参与当前建模周期的多物理场耦合求解。

15、进一步优选的，得到当前建模周期的开关柜数字孪生状态后，计算柜内测点实际温度与所述温度场子模型中对应位置的计算温度之间的温度差值，并根据所述温度差值校正s3中与当前运行状态变化对应的模型参数，再采用校正后的模型参数求解所述多物理场耦合模型。

16、进一步优选的，所述开关柜数字孪生状态包括开关柜导电部件损耗分布、柜内温度分布和柜内空气流动分布。

17、本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

18、一、本发明根据负载电流、开关分合状态、环境温度及柜体通风状态的变化，分别更新对应的电磁场子模型、气流场子模型、场间传递数据及仿真边界，使模型调整内容与开关柜当前运行状态相对应。

19、二、对于当前建模周期内未发生参数或边界变化的物理场子模型，沿用上一建模周期的状态量、导电部件损耗或对流换热条件，并在接收到新的场间传递数据后继续参与耦合求解，从而减少重复计算。

20、三、本发明利用柜内测点实际温度与模型计算温度之间的差值，对与本次电气状态变化或散热状态变化相关的模型参数进行校正，有利于减小数字孪生模型与实体开关柜之间的状态偏差。

1.基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，所述实时运行数据包括负载电流、开关分合状态、柜内测点温度、环境温度和柜体通风状态数据。

3.根据权利要求2所述的基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，负载电流相对于上一建模周期发生变化或开关分合状态发生改变时，将所述运行状态变化信息确定为电气状态变化；环境温度相对于上一建模周期发生变化或柜体通风状态发生改变时，将所述运行状态变化信息确定为散热状态变化。

4.根据权利要求3所述的基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，负载电流发生变化时，根据当前建模周期的负载电流调整所述电磁场子模型的电流边界，并重新计算开关柜的导电部件损耗；开关分合状态发生改变时，根据当前开关分合状态调整所述电磁场子模型中对应导电连接关系的通断状态，并按照调整后的导电拓扑重新计算所述导电部件损耗。

5.根据权利要求3所述的基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，发生散热状态变化时，根据当前环境温度调整所述气流场子模型的环境温度边界，根据当前柜体通风状态调整所述气流场子模型的进风边界和出风边界中的至少一项，并按照调整后的气流场边界重新求取柜内空气流动状态和对流换热条件。

6.根据权利要求4所述的基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，所述导电部件包括主母线、断路器触头和电缆连接部位中的至少一种，所述导电部件损耗包括导体损耗和接触损耗。

7.根据权利要求1所述的基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，当前建模周期未更新所述电磁场子模型时，采用上一建模周期计算得到的导电部件损耗作为所述温度场子模型的热源条件；当前建模周期未更新所述气流场子模型时，采用上一建模周期计算得到的对流换热条件作为所述温度场子模型的换热边界条件。

8.根据权利要求7所述的基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，未纳入模型参数或仿真边界更新范围的物理场子模型接收到其他物理场子模型重新计算得到的场间传递数据时，以重新计算得到的场间传递数据替换上一建模周期的对应数据，并参与当前建模周期的多物理场耦合求解。

9.根据权利要求1所述的基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，得到当前建模周期的开关柜数字孪生状态后，计算柜内测点实际温度与所述温度场子模型中对应位置的计算温度之间的温度差值，并根据所述温度差值校正s3中与当前运行状态变化对应的模型参数，再采用校正后的模型参数求解所述多物理场耦合模型。

10.根据权利要求1所述的基于多物理场耦合的开关柜数字孪生动态建模方法，其特征在于，所述开关柜数字孪生状态包括开关柜导电部件损耗分布、柜内温度分布和柜内空气流动分布。