基于多物理量融合的熔断器熔芯温度软测量方法及系统与流程

本技术涉及快速熔断器智能监测，具体涉及一种基于多物理量融合的熔断器熔芯温度软测量方法及系统。

背景技术：

1、快速熔断器广泛应用于电解、冶金整流以及新能源储能等大电流回路，用于保护晶闸管、二极管等功率半导体器件免受过电流损坏。此类快速熔断器的内部熔体并非单一均匀导体，而是刻有多个并联狭窄缩颈的金属带，工作电流集中流过各缩颈，缩颈处由此成为整个熔断器发热最剧烈、温度最高的核心区域，其温度水平直接决定熔断器的剩余寿命与过热风险。为实现灭弧与绝缘，熔体通常被完全密封在充满石英砂的陶瓷壳体内部，并处于全电位的一次导体上，导致熔芯缩颈处的核心发热点温度既无法直接接触测量，也无法直接引出传感器线缆，只能借助外部可测的物理量进行间接估计。

2、目前对快速熔断器内部热状态的间接监测大致包括以下几类方式。其一是在熔断器壳体或端子等可接近位置布置有限几个温度传感点，依据壳体表面温度结合固定的热阻等值电路或时间-电流特性曲线推断熔体状态。然而壳体表面与内部缩颈之间隔着导热缓慢、热容巨大的石英砂填料，壳温相对于芯温存在明显的衰减、滞后与空间失配，同一壳温读数可能对应完全不同的芯部热状态，上述固定热阻模型在填料强烈衰减滞后的条件下难以给出准确对应关系。其二是通过测量熔体压降与电阻，依据欧姆定律换算出负载电流，其监测对象实质为电流而非温度，无法反映内部真实热状态。其三是采用状态空间模型或集总热参数模型，以电流有效值与环境温度作为输入估计熔体温度，进而推算热机械疲劳程度或剩余寿命，此类方案的输出面向寿命或疲劳指标，且以电流有效值这一标量特征作为输入，未考虑回路电流中谐波分量对各并联缩颈发热分布的影响，也未针对实时的核心发热点温度给出估计。其四是在熔体易熔段附近额外加装测温熔丝进行就近感温，该方式属于接触式或近距离直接测温，仍需在全电位熔体附近布设传感器件，实施难度大且未解决非接触反演的问题。

3、上述现有技术存在的共性问题在于，在电解、冶金整流与储能变流等应用场景下，回路电流往往富含大量谐波并伴随集肤效应，使多个并联缩颈之间的功率损耗分布随谐波频谱不断改变，最热缩颈的位置与量值随电流波形动态迁移，而这种内部发热的空间重分布在壳体有限测点上几乎不留下可直接分辨的痕迹。现有以电流有效值或壳体单点、多点温度为输入的监测方式，均未针对谐波分量对各缩颈损耗分配的影响进行分解与重构，难以表征最热缩颈在缩颈阵列间的动态迁移过程，当核心缩颈已接近熔化临界、寿命被快速消耗时，外部可测信号往往仍显示正常范围，过热预警存在明显滞后甚至失效的问题。

4、学术界虽已出现由可接近表面的观测量反演内部不可测温度或热流的软测量方法，包括利用有限元仿真数据训练神经网络预测不可接近位置温度，以及采用物理信息神经网络求解逆向热传导问题以由表面观测反推内部温度场。然而此类方法所面向的对象普遍隐含内部热源空间分布已知且相对静止的前提条件，从而在外部观测量与内部待估温度之间存在相对稳定的映射关系，这与快速熔断器内部热源因谐波频谱变化而在多个并联缩颈之间持续迁移的情形并不相符，直接套用上述方法难以准确跟踪这种随工况变化的内部热点位置。此外，工业软测量领域已有的注意力机制与迁移学习方法，多用于一般性的特征加权或跨工况参数调整，尚未见到针对不同规格快速熔断器几何尺寸、填料热物性与缩颈布置差异，在标定样本有限条件下实现快速适配的有效方案，使得每一种规格的熔断器往往需要重新积累大量标定数据才能建立可用的监测模型。

5、因此，在熔芯被石英砂密封、处于全电位而无法直接测温的大电流快速熔断器上，如何仅凭壳体有限测点温度与回路电流等外部可测的多物理量，克服填料造成的强衰减与滞后，识别并跟踪因谐波与集肤效应而在多个并联缩颈间不断空间迁移的核心发热点，进而实现实时准确的过热预警，并在不同规格熔断器之间以较少标定样本快速适配，仍是有待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对在熔芯被石英砂密封、处于全电位而无法直接测温的大电流快速熔断器上，如何仅凭外壳有限测点温度与富谐波回路电流等外部可测的多物理量，反演出被填料强烈衰减、滞后并因谐波与集肤效应而在多个并联缩颈间不断空间重分布的熔芯核心发热点温度这一技术问题，本发明提供一种基于多物理量融合的熔断器熔芯温度软测量方法及系统。该方法以外壳分布式温度与谐波电流为输入，经谐波分辨的逐缩颈功率损耗热源重构、电-热耦合神经网络软测量与物理约束病态反演，实时精确估计熔芯核心发热点温度并实现提前过热预警。

2、本发明的一方面，提供一种基于多物理量融合的熔断器熔芯温度软测量方法。所述方法包括以下步骤。

3、步骤s1，在熔断器陶瓷壳体外表面采集多点温度作为外壳分布式温度观测向量，并同步获取一次回路电流的瞬时波形序列，经时频分析得到谐波频谱向量。具体地，在所述陶瓷壳体外表面沿熔体延伸方向及缩颈阵列投影位置布置温度传感阵列，通过电流传感单元与温度采集同步进行，使外壳分布式温度能够反映内部热源沿熔体轴向的分布差异，为后续病态反演提供充分的边界约束信息。

4、进一步地，根据权利要求1所述的方法，所述步骤s1中，在所述陶瓷壳体外表面沿熔体延伸方向及缩颈阵列投影位置布置温度传感阵列，布点数量不少于三点，且至少覆盖靠近端子、壳体中部与壳体几何中心投影三类位置；对所述瞬时波形序列进行离散傅里叶变换（dft）得到各次谐波的幅值与相位以形成所述谐波频谱向量，并进一步计算所述一次回路电流的有效值、总谐波畸变率（thd）与基波频率。优选地，所述时频分析采用离散傅里叶变换（dft）或快速傅里叶变换（fft）实现，所提取的总谐波畸变率与基波频率一并作为表征电流波形特征的辅助量，用于后续为各缩颈动态分配注意力权重。

5、步骤s2，针对熔体上并联排布的多个缩颈，建立各缩颈在各次谐波频率下计及集肤效应的等效交流电阻模型，将所述谐波频谱向量按频率分解，计算每个缩颈在每一次谐波下承担的电流分量及焦耳损耗，逐次谐波叠加得到沿缩颈阵列分布的空间功率损耗向量。具体地，将熔体上并联排布的多个缩颈视为多个并联发热支路，依据缩颈的几何尺寸、材料电导率与结构参数确定各缩颈在各次谐波频率下的等效交流电阻，将所述谐波频谱向量按频率分解后计算每个缩颈在每一次谐波下承担的电流分量及其焦耳损耗，逐次谐波叠加后得到该缩颈的瞬时功率损耗，从而重构出沿缩颈阵列分布的空间功率损耗向量作为热源输入。

6、进一步地，根据权利要求1所述的方法，所述步骤s2的等效交流电阻模型中，集肤效应引起的电阻增量随谐波频率的平方根增长，使高次谐波在缩颈截面上的电流分布趋于边缘化，从而改变各缩颈之间的损耗比例，使所述空间功率损耗向量表征最热缩颈随电流谐波频谱在缩颈阵列间的动态迁移。本发明通过所述计及集肤效应的等效交流电阻模型，实现了对随谐波频谱在缩颈阵列间迁移的内部发热空间分布的直接重构，这是现有以电流有效值等标量特征为输入的方案无法表征的。进一步地，根据权利要求3所述的方法，所述步骤s2中，还将所述一次回路电流的有效值随时间的变化率纳入热源输入，以反映负载突变引起的暂态发热，使热源重构在稳态谐波损耗之外进一步涵盖负载突变时段的暂态发热贡献。

7、步骤s3，构建包含时序状态演化子网络与缩颈空间注意力子网络的电-热耦合神经网络软测量模型，以所述空间功率损耗向量作为热源输入、以所述外壳分布式温度观测向量作为边界约束输入，由所述时序状态演化子网络从当前及历史特征递推内部热点状态，由所述缩颈空间注意力子网络依据所述谐波频谱向量为各缩颈动态分配注意力权重，输出熔芯各缩颈核心发热点的估计温度，并取其中最大值作为熔芯核心发热点温度。具体地，所述时序状态演化子网络以带有记忆单元的循环结构或状态空间结构刻画石英砂填料对内部热点的强衰减与滞后所对应的热惯性，从而补偿正问题敏感度极低所导致的病态性；所述缩颈空间注意力子网络在不同电流波形下自适应地聚焦于当前最热的缩颈，从而跟踪核心发热点在缩颈阵列间的空间迁移。

8、进一步地，根据权利要求1所述的方法，所述电-热耦合神经网络软测量模型包含热源编码子网络、边界编码子网络、时序状态演化子网络与缩颈空间注意力子网络；所述热源编码子网络将所述空间功率损耗向量映射为热源特征，所述边界编码子网络将所述外壳分布式温度观测向量映射为边界特征；所述时序状态演化子网络采用带有记忆单元的循环结构或状态空间结构，从当前及历史的热源特征与边界特征递推出内部热点的当前状态；所述缩颈空间注意力子网络依据所述谐波频谱向量为各缩颈动态分配注意力权重，使模型聚焦于当前最热的缩颈。在模型的训练阶段，训练数据集可来源于对多规格熔断器在不同电流有效值、不同谐波频谱与不同环境温度下的实测或电磁-热耦合仿真样本，标定温度可由埋设于易熔段附近的测温元件或高保真仿真获得，样本规模达到万量级并按训练集、验证集与测试集划分；所述模型可基于通用深度学习框架实现，采用自适应矩估计优化器，批次大小、学习率与训练轮数按验证集损失选取，并配合学习率衰减与早停策略以抑制过拟合。进一步地，根据权利要求5所述的方法，所述电-热耦合神经网络软测量模型还以熔断器结构参数作为条件输入，所述熔断器结构参数包括缩颈数量、缩颈截面尺寸、熔体材料电导率温度系数、填料等效导热系数与壳体特征尺寸，所述熔断器结构参数作为条件向量注入所述各子网络，使同一模型能够以参数化方式覆盖一族规格。

9、进一步地，根据权利要求1所述的方法，在所述电-热耦合神经网络软测量模型的训练阶段，损失函数除各缩颈估计温度与标定温度之间的数据拟合项外，还引入物理一致性约束项：热传导偏微分方程残差项，要求模型输出的内部温度场与由热源、边界条件推导的瞬态热传导方程在配点上近似满足；能量守恒约束项，要求由所述空间功率损耗向量表征的注入功率与经外壳边界耗散的热流在时间窗内近似平衡；空间平滑约束项，抑制相邻缩颈估计温度出现非物理的跳变。本发明通过上述物理一致性约束项，将无穷多可能解压缩至符合电流热效应与热传导规律的物理可行域，改善由外壳观测反演内部热点这一病态问题的解的唯一性与稳定性。进一步地，根据权利要求7所述的方法，所述数据拟合项、热传导偏微分方程残差项、能量守恒约束项与空间平滑约束项以加权方式融合，各约束项的权重在训练中按残差自适应调整，使数据拟合与物理一致性在训练过程中保持动态均衡。

10、进一步地，根据权利要求6所述的方法，将所述电-热耦合神经网络软测量模型中表征热传导与集肤效应规律的层设为规律不变的共享层，将表征具体规格几何与热物性的层设为规格相关的自适应层；在源规格熔断器上以充分样本预训练整个模型后，面向目标规格熔断器时冻结所述共享层，仅利用目标规格标定样本对所述自适应层及所述熔断器结构参数条件输入的嵌入进行微调；并结合所述时序状态演化子网络对未来短时热点温度的外推，在所述熔芯核心发热点温度尚未超过所述预设阈值但按当前趋势将在预警提前时间内越限时，提前触发所述过热预警信号。具体地，考虑到不同规格快速熔断器的几何尺寸、填料热物性与缩颈布置各异，所述小样本迁移使软测量模型在跨规格迁移时无需重新逐一建模标定即可快速适配，目标规格所需标定样本可减少至源规格样本量的一小部分。

11、步骤s4，将所述熔芯核心发热点温度与预设阈值比较，当超过所述预设阈值时触发过热预警信号。具体地，将步骤s3输出的熔芯核心发热点温度与预设阈值进行比较，当估计温度超过所述预设阈值，或所述估计温度的上升速率超过预设速率阈值时，触发过热预警信号；结合所述时序状态演化子网络对未来短时热点温度的外推，在估计温度尚未越限但按当前趋势将在预警提前时间内越限时提前发出预警，从而提升过热预警的提前量与准确性。

12、本发明的另一方面，提供一种基于多物理量融合的熔断器熔芯温度软测量系统，包括集成于熔断器基座的温度传感阵列、电流传感单元和边缘计算模块；所述温度传感阵列布置于熔断器陶瓷壳体外表面，用于采集外壳多点温度作为外壳分布式温度观测向量；所述电流传感单元用于同步获取一次回路电流的瞬时波形序列，经时频分析得到谐波频谱向量；所述边缘计算模块被配置为：针对熔体上并联排布的多个缩颈，建立各缩颈在各次谐波频率下计及集肤效应的等效交流电阻模型，将所述谐波频谱向量按频率分解，计算每个缩颈在每一次谐波下承担的电流分量及焦耳损耗，逐次谐波叠加得到沿缩颈阵列分布的空间功率损耗向量；构建包含时序状态演化子网络与缩颈空间注意力子网络的电-热耦合神经网络软测量模型，以所述空间功率损耗向量作为热源输入、以所述外壳分布式温度观测向量作为边界约束输入，由所述时序状态演化子网络从当前及历史特征递推内部热点状态，由所述缩颈空间注意力子网络依据所述谐波频谱向量为各缩颈动态分配注意力权重，输出熔芯各缩颈核心发热点的估计温度，并取其中最大值作为熔芯核心发热点温度；将所述熔芯核心发热点温度与预设阈值比较，当超过所述预设阈值时触发过热预警信号。具体地，所述温度传感阵列的功能与所述方法步骤s1中外壳分布式温度观测向量的采集相对应，所述电流传感单元的功能与所述方法步骤s1中瞬时波形序列的获取及谐波频谱向量的时频分析相对应，所述边缘计算模块的功能与所述方法步骤s2至步骤s4中的热源重构、软测量模型推理及过热预警触发相对应，从而在熔断器基座本地实时输出熔芯核心发热点估计温度及过热预警信号。

13、本发明无需破坏熔断器结构或直接接触处于全电位的熔芯，即可从外壳有限测点温度与富谐波电流出发，反演出被石英砂填料强烈衰减、滞后并在多个并联缩颈间随谐波动态迁移的熔芯核心发热点温度。借助谐波分辨的逐缩颈功率损耗热源重构与缩颈空间注意力，将随谐波迁移的内部发热点作为直接估计目标加以建模，克服了外壳有限测点难以分辨内部发热空间重分布的困难；借助时序状态演化子网络与热传导偏微分方程残差、能量守恒及空间平滑等物理一致性约束，抑制了填料强衰减滞后失配所导致的反演病态性，提升了估计结果的唯一性与稳定性；借助共享层与自适应层分离的小样本迁移学习，使模型在跨规格熔断器之间无需逐一重新建模标定即可快速适配；并借助对未来短时热点温度的外推提前触发预警，提升了大电流电解、冶金整流与储能变流场景下快速熔断器过热预警的提前量与准确性。