一种电力变压器仿真培训系统的制作方法

1.本发明涉及一种电力变压器仿真培训系统，属于电力系统仿真培训技术领域。


背景技术：

2.电力变压器作为电力系统中的一种关键主设备，在电力系统中占有极其重要的地位，它的运行影响着电力系统的安全性、可靠性和稳定性。加强变压器设备相关运维人员的培训，可以有效防止和减少变压器故障的发生、减少事故容量损失率、提高电网的供电率，对于电力系统的安全稳定运行具有重要的意义。
3.目前，变压器设备相关运维人员的培训多为理论培训、实操培训或三维仿真模拟培训。这些培训方式效率较低、作用单一。无法对变压器的结构、原理以及运行状态进行整体而全面得培训，从而无法有效提升变压器设备相关运维人员的作业技能。
4.数字孪生技术的快速发展为解决上述问题提供了新的思路。数字孪生通过数字化的手段来构建一个数字世界中一模一样的实体，以模拟其在现实环境中的行为，并对过去和现在的行为或流程进行动态呈现，有效反映系统运行情况，从而对抽象的物体进行更加真实和全面的呈现。通过虚实交互反馈、数据融合展示、决策迭代优化等手段，为物理实体提供更加实时、高效、智能的运行或操作服务。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种电力变压器仿真培训系统，将数字孪生技术应用于变压器的仿真培训，在数字空间内映射变压器在实体空间的状况，对变压器的三维外观、内部结构、设备原理、运行状态进行数字孪生体构建，通过虚拟仿真交互和三维仿真培训设计，实现电力变压器的理论知识、设备原理、运行状态等全业务域仿真培训，提升培训的效率和质量。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明提供一种电力变压器仿真培训系统，包括硬件基础设施、仿真支撑平台、仿真培训模块和仿真管理模块；
8.所述硬件基础设施用于为电力变压器仿真培训提供进行计算和通信的硬件设施；
9.所述仿真支撑平台用于为电力变压器仿真培训提供计算过程的运行支撑和数据库；
10.所述仿真培训模块用于创建仿真模型和仿真培训项目，以及进行仿真培训；
11.所述仿真管理模块用于对仿真培训中人员、仿真培训项目、培训过程记录及考核结果进行管理，以及设置培训模式。
12.进一步的，所述硬件基础设施包括主机基础设施、通信基础设施、网络基础设施和虚拟现实基础设施；
13.所述主机基础设施包括服务器；
14.所述通信基础设施包括网络通信所需的配线；
15.所述网络基础设施包括交换机、路由器和防火墙；
16.所述虚拟现实基础设施包括vr一体机和pc仿真机。
17.进一步的，所述仿真支撑平台包括运行支撑模块、数据库、模型管理模块、交互管理模块和开发接口；
18.所述运行支撑模块用于提供三维图形渲染支撑；
19.所述数据库用于对培训过程和考核结果进行记录，以及对人员信息进行存储；
20.所述模型管理模块用于对所创建的仿真模型及模型参数进行管理；
21.所述交互管理模块用于对变压器多维信息进行人机交互和可视化展示；
22.所述开发接口用于系统二次开发扩展。
23.进一步的，所述仿真培训模块具体用于，
24.获取变压器照片资料、规格说明书和实际测量数据；
25.对变压器照片进行处理得到变压器纹理特征；
26.对规格说明书和实际测量数据进行分析，得到变压器的结构参数、材料参数、几何参数以及物理作用关系；所述物理作用关系指变压器组成部件之间的物理联动关系或机械动作关系；
27.结合变压器的结构参数、材料参数、几何参数、物理作用关系及纹理特征，采用建模工具，创建数字孪生变压器三维模型。
28.进一步的，所述仿真培训模块具体用于，
29.基于数字孪生变压器三维模型创建模型控制方程，设置材料物性参数和物理场边界条件，得到数字孪生变压器仿真模型；
30.所述模型控制方程采用流体动力学方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程；
31.所述材料物性参数包括：变压器铁芯、绕组特性和变压器油的物性参数；
32.所述物理场边界条件包括设置变压器油流入口，入口流动速度和气压；设置变压器油流处口和气压；设置其他边界为壁面边界条件；以及设置温度边界温度。
33.进一步的，所述仿真培训模块具体用于，仿真过程中，输入环境温度、油流速度和油热导率参数值，仿真得出变压器油、变压器铁芯和高低压绕组的温度值。
34.进一步的，所述仿真培训模块具体用于，
35.提取变电站运行监控系统提供的变压器运行的历史数据包括变压器有功功率p、无功功率q、电流i、档位、温度和容量；
36.将变压器的历史数据和运行状态输入到创建的变压器运行状态仿真模型进行训练，得到训练好的数字孪生变压器运行状态仿真模型。
37.进一步的，所述仿真培训模块具体用于通过编写脚本创建如下仿真培训项目：
38.变压器外观培训、变压器结构培训、变压器工作原理培训和变压器运行状态培训；
39.所述变压器外观培训用于通过对创建的变压器三维模型进行交互操作，对变压器的外观及组成进行认知培训；
40.所述变压器结构培训用于通过对创建的变压器三维模型进行仿真拆解，对变压器的内部结构及组成进行认知培训；
41.所述变压器工作原理培训用于通过对变压器三维模型中变压器物理作用关系进
行模拟，对变压器的呼吸器和瓦斯继电器的工作原理进行仿真培训；
42.所述变压器运行状态培训用于通过对变压器材料物性参数进行调节，对变压器运行状态进行培训。
43.进一步的，所述仿真管理模块包括人员管理模块、培训管理模块和考核管理模块；
44.所述人员管理模块用于对学员、教员和管理员信息和权限进行管理；
45.所述培训管理模块用于对仿真培训项目内容进行查看、添加和删除，以及对仿真培训过程进行查看、查询和统计；
46.所诉考核管理模块用于对仿真考核记录进行查看、查询、统计和评估。
47.进一步的，所述培训模式包括仿真培训，仿真练习和仿真考核。
48.与现有技术相比，本发明通过对变压器设备外观和内部结构进行三维建模，对工作原理和运行状态进行动态模拟，通过虚拟仿真交互和三维仿真讲解，实现了基于数字孪生技术的电力变压器仿真培训系统，对电力变压器的理论知识、设备原理、运行状态进行全业务域仿真培训，为变压器相关运维人员培训提供了有效的手段。
附图说明
49.图1为本发明提供的电力变压器仿真培训系统架构；
50.图2为本发明中仿真培训模块创建变压器的三维模型实现流程；
51.图3为本发明中仿真培训模块对变压器进行仿真建模实现流程；
52.图4为本发明中变压器运行状态仿真模拟流程。
具体实施方式
53.下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
54.参见图1，本发明提供一种电力变压器仿真培训系统包括：硬件基础设施、仿真支撑平台、变压器数字孪生仿真培训模块和变压器数字孪生仿真管理模块。仿真培训模块、仿真管理模块以仿真支撑平台为基础，实现系统的运行、交互和管理。
55.(一)硬件基础设施
56.硬件基础设施为基于数字孪生技术的电力变压器仿真培训系统提供完备的硬件支撑。主要包括主机基础设施、通信基础设施、网络基础设施和虚拟现实基础设施等。其中，主机基础设施主要指服务器、计算机等；通信基础设施主要指网络通信所需的配线；网络基础设施主要指交换机、路由器、防火墙等网络设备等；虚拟现实基础设施包括vr一体机、pc仿真机等。
57.(二)仿真支撑平台
58.仿真支撑平台为仿真培训系统提供交互式、分布式基础服务支撑，主要包括运行支撑、数据库管理、模型管理、交互管理和开发接口等。其中，运行支撑主要提供三维图形渲染功能，为应用带来直观逼真的视觉体验；数据库管理主要对培训记录、人员信息等提供管理功能；模型管理主要对仿真培训系统所需的变压器三维模型、变电站三维场景模型以及模型贴图数据、模型位置数据、模型状态数据等进行统一管理；交互管理主要支撑自然、有效的交互功能；开发接口支持系统二次开发。
59.(三)仿真培训模块
60.仿真培训模块实现变压器数字孪生仿真模拟和变压器数字孪生仿真培训交互。仿真培训模块提供变压器外观、结构、设备原理、运行状态仿真培训，构建全三维、沉浸化、交互式的变压器仿真模拟环境，通过变压器数据融合和仿真培训实现变压器数字孪生仿真，通过场景漫游、智能引导、设备认知、原理展示、设备操作、流程模拟等功能，提供仿真学习和仿真考核闭环培训模式，实现多角度、多维度、丰富互动体验。
61.(四)仿真管理模块
62.仿真管理模块提供整个仿真培训系统数据、记录和信息的全周期统一管理，提供人员信息管理、培训项目管理、培训过程管理、考核评价管理等功能。
63.作为一种优选的实施方式，仿真培训模块具体用于创建变压器的数字孪生三维模型。具体创建过程如图2所示，
64.获取变压器照片资料、规格说明书和实际测量数据；
65.对变压器照片进行处理得到变压器纹理特征；
66.对规格说明书和实际测量数据进行分析，得到变压器的结构参数、材料参数、几何参数以及物理作用关系，准确表达设备结构、尺寸。其中，物理作用关系指变压器组成部件之间的物理联动关系或机械动作关系。
67.结合变压器的结构参数、材料参数、几何参数、物理作用关系及纹理特征，采用cae、3dmax等建模软件，创建数字孪生变压器三维模型。
68.作为一种优选的实施方式，仿真培训模块具体用于对变压器三维模型进行仿真建模，创建数字孪生变压器仿真模型，主要包括：创建模型控制方程、定义材料参数和设定物理场边界条件等。
69.1)创建模型控制方程
70.根据变压器仿真培训的主要内容，对变压器的温度场和流场进行仿真建模。采用流体动力学方程描述油浸式变压器中温度场以及流场分布情况。流体动力学方程主要包括质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。具体的方程形式如下：
71.▽
·
(ρu)＝0
72.ρ(u
·
▽
)u＝
▽
·
[
‑
pi μ(
▽
u (
▽
u)
t
)] f
[0073]
ρc
p
u
·
▽
t
‑▽
·
(k
▽
t)＝q
[0074]
上式中，ρ为密度，u为流体的速度矢量，p为压力，i为单位矩阵，μ为流体的动力粘度，f为动量守恒方程的动量源项，如重力、电磁力等体积力，c
p
为比热容，t为温度，k为热导率，q为能量守恒方程的能量源项，如铁芯、绕组产生的热量等。
[0075]
2)定义材料参数
[0076]
为了求解变压器多物理场，需要对仿真模型中的变压器材料进行物性参数定义。其中物性参数包括变压器铁芯、绕组特性、变压器油的物性参数等。
[0077]
通过引入变压器油物性参数随温度变化的关系，能够更加准确的计算变压器多物理场特性。
[0078]
变压器油物性参数随温度变化的关系根据变压器设备厂家提供的设备试验数据得出。这些数据能反映变压器油流速度对油浸式变压器温度场分布的影响，根据这些数据可以计算不同油流速度、不同油热导率条件下铁芯、高低压绕组的温度值。
[0079]
3)设定物理场边界条件
[0080]
为了求解仿真模型，需要施加边界条件进行计算。边界条件设置如表1所示，表中，t表示温度，u表示流动速度，p表示压力，ab,bc,cd,de,ef,fg,gh为仿真模型中的不同边界点。仿真中边界ef设置为变压器油流入口，流动速度设置为u0，并施加一个大气压1atm(101325pa)。cd设置为变压器油流出口，施加一个大气压1atm(101325pa)。其他边界设置为壁面边界条件，壁面无滑移流动速度u＝0。对于温度边界，外部的边界均设置为300k。
[0081]
表1边界条件参数
[0082]
边界abbccddeeffgght300k300k300k300k300k300k300ku00u0u000p
‑‑
1atm
‑
1atm
‑‑
[0083]
仿真过程中，通过输入环境温度、油流速度、油热导率等参数值，仿真得出变压器油、变压器铁芯和高低压绕组的温度值。
[0084]
数字孪生变压器仿真建模具体过程如图3所示，具体如下：
[0085]
(1)选择仿真的维度，比如温度特性仿真；
[0086]
(2)选择物理场，比如电磁、油流等物理场，这些物理场是影响变压器运行温度的因素；
[0087]
(3)耦合接口方式，对不同的因素根据不同影响因子进行融合计算；
[0088]
(4)建立模型环境，对变压器的运行环境和状态进行建模，比如大气温度、运行负荷等；
[0089]
(5)构建几何图形，在多物理场仿真软件里建立变压器几何图形；
[0090]
(6)制定材料属性；
[0091]
(7)定义物理场边界条件；
[0092]
(8)创建网格，对上述构建的几个图形进行范围定义；
[0093]
(9)运行仿真，运行建立的仿真模型；
[0094]
(10)仿真结果，得出所需的仿真数值。
[0095]
作为一种优选的实施方式，仿真培训模块具体用于对变压器运行状态进行仿真模拟，构建数字孪生变压器运行状态仿真模型，具体参见图4。
[0096]
通过变电站运行监控系统提供的数据接口采集变压器的历史数据和运行数据，主要包括变压器有功功率p、无功功率q、电流i、档位、温度和容量等。
[0097]
将变压器的历史数据和运行状态输入到所搭建的变压器运行状态仿真模型进行训练，得到数字孪生变压器运行状态仿真模型。
[0098]
实际培训中，输入变压器有功功率p、无功功率q、电流i、档位、温度和容量等数据，即可得到较为可靠的运行状态仿真结果。
[0099]
作为一种优选的实施方式，仿真培训模块具体用于编写变压器仿真培训脚本，通过多媒体软件，利用文字、图片、音频、视频、三维模型、三维动画等素材制作变压器仿真培训内容。变压器仿真培训内容包括：变压器外观培训、变压器结构培训、变压器工作原理培训和变压器运行状态培训。培训内容包括：变压器外观培训、变压器结构培训、变压器工作原理培训、变压器运行状态培训。
[0100]
变压器外观培训：通过三维模型的交互操作，认知变压器的外观及组成部分。
[0101]
变压器结构培训：通过对变压器三维模型的仿真拆解，学习变压器的内部结构及组成部分。
[0102]
变压器工作原理培训：通过变压器的物理作用关系的三维模拟，对变压器的呼吸器、瓦斯继电器等工作原理进行仿真培训。
[0103]
变压器运行状态培训：通过在仿真界面上对变压器参数的调节，系统可视化展示变压器的运行状态，实现的变压器运行状态的培训。
[0104]
作为一种优选的实施方式，将所构建的变压器三维模型、仿真模型、仿真数据、仿真培训内容导入到数字孪生仿真支撑平台进行集成，并对系统的交互方式进行设计，实现变压器多维信息的实时交互和可视化展示，以变压器的三维模型为基础展示可视化培训内容和可视化仿真数据。
[0105]
作为一种优选的实施方式，仿真管理模块具体用于实现人员管理、培训管理、考核管理这三项主要的仿真培训管理功能；并开发预留接口，随时进行系统扩充仿真内容。仿真管理模块具体功能如下表2所示，
[0106]
表2仿真管理模块功能
[0107][0108]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0109]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0110]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0111]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0112]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。