一种基于模态约束的变压器Cauer热参数辨识方法及系统与流程

本发明涉及变压器热参数辨识，尤其涉及一种基于模态约束的变压器cauer热参数辨识方法及系统。

背景技术：

1、电力变压器是输配电系统的核心变电设备，其绕组热点温度直接决定了设备绝缘老化速率、安全运行上限与服役寿命。在工程实践中，普遍采用cauer二阶热路模型等效描述变压器内部热量传导与存储的动态过程，该模型依靠热阻（thermal resistance）、热容（thermal capacitance）参数构建温度动态演化的微分方程组，进而实现绕组热点温度与外壳温度的长期预测及过载能力评估。然而，上述热参数属于模型的内禀物理属性，无法直接测量获取，必须依赖可观测的温升时序数据通过参数辨识方法间接反演得到，因此热参数辨识的精度与合理性直接决定了热路模型的工程实用有效性。

2、现有最相近的技术方案主要分为两类。第一类为无约束二阶指数拟合直接辨识方案，该方案是目前应用最为广泛的基础辨识手段，其核心做法是：采集多工况下绕组热点温度和外壳温度的时序数据，直接采用二阶指数函数对两组温度曲线进行独立拟合，以原始温度数据与拟合曲线之间的数值误差最小化为唯一优化目标，不对拟合过程施加任何来源于cauer热路系统的特征方程约束。热点温度与外壳温度的拟合过程各自独立优化时间常数、幅值系数及稳态温升等全部参数。拟合完成后，提取稳态温升差值直接计算两级热阻，再以原始实测温度为目标，采用无约束非线性最小二乘算法求解热容参数，最终输出单工况下的全套热参数。该方案流程简单、计算门槛低，在稳态温升区间拟合效果较好，多用于传统离线变压器热参数的粗略标定。

3、第二类为无模态匹配单目标最小二乘优化辨识方案。该方案在第一类方案的基础上引入了迭代优化环节，同样首先采用无约束二阶指数拟合获取温度曲线，随后将热阻、热容全部设为待优化变量，以原始实测温度时序误差为单一优化目标，采用常规非线性最小二乘算法进行全局联合寻优，求解全部热参数。该方案通过多次迭代可在一定程度上降低稳态数值误差，但由于拟合阶段与优化阶段均未引入热路系统固有的模态约束，其改进效果仍局限于数值层面的有限修正。

4、然而，上述两类现有方案均存在共同的本质缺陷：全程未引入cauer热路系统的固有特征方程约束，拟合得到的温度解析曲线与热路微分方程组之间存在固有模态失配（modal mismatch）。优化过程仅能补偿数值层面的偏差，而无法消除因模态不匹配所导致的系统性误差，该误差在绕组温度快速上升的暂态阶段尤为显著。此外，由于缺乏物理约束，不同负荷工况下辨识得到的热参数一致性较差，模型泛化能力不足，难以满足变压器全工况热状态精准评估的实际工程需求，亦无法为过载容量核算与绝缘寿命预测提供稳定可靠的模型基础。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种基于模态约束的变压器cauer热参数辨识方法及系统，用以解决现有技术中热路模态约束缺失、暂态温升辨识误差大、多工况参数一致性差的技术问题。

2、在本发明实施例的第一方面，提供了一种基于模态约束的变压器cauer热参数辨识方法，包括：

3、s1，获取变压器在目标工况下的绕组热点时序温度数据与外壳时序温度数据；

4、s2，施加cauer二阶热路系统的特征方程约束，对所述绕组热点时序温度数据和外壳时序温度数据进行二阶指数拟合，强制两条拟合曲线共用同一组系统时间常数，得到模态匹配的标准温升曲线及稳态温升参数；

5、s3，基于所述稳态温升参数，解析计算得到cauer二阶热路模型的两级热阻参数；

6、s4，以所述标准温升曲线为优化目标，将所述两级热阻参数作为已知量，通过有约束非线性优化算法求解得到cauer二阶热路模型的两级热容参数，完成变压器热参数的辨识。

7、优选的，步骤s1中，所述获取变压器在目标工况下的绕组热点时序温度数据与外壳时序温度数据，包括：

8、采集多组不同恒定负荷率工况下的原始时序温度数据，每组工况对应固定负荷率，所述原始时序温度数据包含绕组热点原始时序温度数据与外壳原始时序温度数据；

9、对所述原始时序温度数据进行预处理，剔除传感器异常跳变与短时扰动产生的无效噪声点，统一时序采样间隔并完成时序对齐，得到规整的多工况温度时序数据集；

10、按负荷率对所述多工况温度时序数据集进行单工况划分，得到各目标工况下独立的绕组热点时序温度数据与外壳时序温度数据。

11、优选的，步骤s2具体包括：

12、建立cauer二阶热路微分方程组的通解形式：

13、（1）

14、式中，

th(

t)为任意时刻t的绕组热点温度，

tk(

t)为任意时刻t的设备外壳温度，

th,ss为热点稳态温升，

tk,ss为外壳稳态温升，

a1、

a2分别为热点温度二阶指数动态项幅值系数，

b1、

b2分别为外壳温度二阶指数动态项幅值系数，

τ1、

τ2分别为cauer二阶热路系统统一的一阶时间常数和二阶时间常数；

15、基于所述通解形式，强制所述绕组热点温度拟合曲线与外壳温度拟合曲线共用同一组一阶时间常数

τ1与二阶时间常数

τ2，并以原始温度时序数据与拟合曲线的全局误差最小化为目标，采用非线性拟合算法求解拟合参数，输出所述模态匹配的标准温升曲线及所述稳态温升参数。

16、优选的，步骤s3中，基于所述稳态温升参数，解析计算得到cauer二阶热路模型的两级热阻参数，具体包括：

17、提取所述稳态温升参数中的热点稳态温升

th,ss和外壳稳态温升

tk,ss，并获取当前工况下变压器的总发热损耗功率

p；

18、基于稳态热传导平衡关系，通过以下公式解析计算得到两级热阻参数：

19、（2）

20、式中，

r1为绕组至外壳的一级热阻，

r2为外壳至环境的二级热阻。

21、优选的，步骤s4中，以所述标准温升曲线为优化目标，将所述两级热阻参数作为已知量，通过有约束非线性优化算法求解得到cauer二阶热路模型的两级热容参数，具体包括：

22、构建cauer二阶热路完整微分方程组，将所述两级热阻参数作为固定输入参数，并将两级热容参数设为待优化变量；

23、以热路微分方程组仿真输出的时序温度曲线与所述标准温升曲线之间的误差平方和最小化为优化目标，构建优化目标函数；

24、施加热容物理边界约束，采用信任域反射算法迭代求解所述优化目标函数，输出当前工况下最优的两级热容参数。

25、优选的，在完成变压器热参数的辨识之后，所述方法还包括：

26、将所述两级热阻参数和所述两级热容参数代入cauer二阶热路微分方程组，仿真输出完整时序温度曲线；

27、将仿真输出的完整时序温度曲线与所述标准温升曲线开展全局对比，计算全时段温升偏差，并重点校验温度快速上升暂态区间的误差水平；

28、若所述全时段温升偏差满足预设工程阈值，则判定当前工况热参数辨识有效；若所述全时段温升偏差超出所述预设工程阈值，则返回至所述步骤s2的二阶指数拟合操作，重新执行约束拟合与参数辨识流程。

29、优选的，在完成变压器热参数的辨识之后，所述方法还包括：

30、遍历全部不同负荷工况，依次执行步骤s1-s4对应的完整热参数辨识流程，得到各负荷工况对应的完整热参数组，所述完整热参数组包括两级热阻参数和两级热容参数；

31、将各负荷工况对应的完整热参数组与对应负荷率一一关联绑定并存储，构建变压器负荷关联cauer热路参数数据库，以支持在线实时调取匹配热参数进行温度预测。

32、在本发明实施例的第二方面，提供了一种基于模态约束的变压器cauer热参数辨识系统，包括：

33、数据采集模块，用于获取变压器在目标工况下的绕组热点时序温度数据与外壳时序温度数据；

34、模态约束拟合模块，用于施加cauer二阶热路系统的特征方程约束，对所述绕组热点时序温度数据和外壳时序温度数据进行二阶指数拟合，强制两条拟合曲线共用同一组系统时间常数，得到模态匹配的标准温升曲线及稳态温升参数；

35、热阻解析计算模块，用于基于所述稳态温升参数，解析计算得到cauer二阶热路模型的两级热阻参数；

36、热容优化求解模块，用于以所述标准温升曲线为优化目标，将所述两级热阻参数作为已知量，通过有约束非线性优化算法求解得到cauer二阶热路模型的两级热容参数，完成变压器热参数的辨识；

37、模型验证模块，用于将辨识得到的热参数代入热路微分方程组仿真输出温度曲线，与标准温升曲线进行全局对比校验，并在偏差超限时返回重新执行约束拟合与参数辨识流程；

38、参数库构建模块，用于遍历多组负荷工况执行辨识流程，将各工况对应的完整热参数组与负荷工况关联绑定存储，构建变压器负荷关联cauer热路参数数据库。

39、在本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明实施例第一方面所述方法的步骤。

40、在本发明实施例的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例第一方面所述方法的步骤。

41、本发明提供的基于模态约束的变压器cauer热参数辨识方法及系统，通过施加特征方程约束并强制拟合曲线共用系统时间常数，从底层消除模态失配，大幅降低暂态温升辨识误差。以标准温升曲线为优化目标并结合有约束非线性优化算法，确保辨识参数严格符合热传导物理规律，提升多工况参数一致性。采用分步解耦策略将热阻作为已知量并仅对热容进行寻优，有效缩减优化维度，提升收敛速度与计算效率。