基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法、装置及设备与流程

1.本发明涉及电力设备技术领域，特别是涉及一种基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法、装置及设备。


背景技术：

2.为了实现电网安全运行，通常通过在变压器的低压线圈末端引线串联电抗器来增加线圈的电抗、提升变压器的抗短路能力，进而降低电网电压的变化率和短路电流值。对于这种内置电抗器的高阻抗变压器，目前主要采用电路仿真法计算电抗器的电抗参数，然而电路仿真法受电抗器的磁路饱和、集肤效应及端部效应等影响，所得到的电抗参数计算结果往往准确率较低。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法、装置及设备，能够克服电路仿真法难以模拟磁路饱和及端部效应的缺陷，有效提高电抗器电抗参数计算结果的准确性。
4.第一方面，本发明提供一种基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法，包括：
5.基于采集的变压器参数，分别构建变压器内置电抗器的三维有限元模型和外电路模型；其中，所述变压器参数包括变压器结构参数和变压器内置电抗器参数；
6.根据所述三维有限元模型和所述外电路模型建立所述变压器内置电抗器的三维场路耦合模型；
7.对所述三维场路耦合模型的三维求解域进行有限元网格剖分，得到多个有限元区域；
8.通过仿真计算得到各所述有限元区域的磁场信息，根据所述磁场信息计算所述变压器内置电抗器的电抗值。
9.可选的，所述构建所述变压器内置电抗器的三维有限元模型，具体为：
10.根据所述变压器参数分别设置变压器和变压器内置电抗器的三维模型；
11.通过对所述变压器和所述变压器内置电抗器的三维模型进行有限元划分，得到所述变压器内置电抗器的三维有限元模型；
12.分别设置所述变压器以及所述变压器内置电抗器的磁导率参数。
13.可选的，所述通过仿真计算得到各所述有限元区域的磁场信息，具体为：
14.根据所述变压器及所述变压器内置电抗器的电磁参数分别计算各所述有限元区域的磁场强度；其中，所述电磁参数包括电导率、介电常数和磁导率参数；
15.根据各所述有限元区域的磁场强度计算对应的磁场储能。
16.可选的，所述根据所述磁场信息计算所述变压器内置电抗器的电抗值，具体为：
17.根据所述磁场储能和所述变压器内置电抗器的电流参数计算所述变压器内置电抗器的电抗值；其中，所述电流参数是指所述变压器内置电抗器正常运行工况下的电流。
18.可选的，所述根据所述三维有限元模型和所述外电路模型建立所述变压器内置电抗器的三维场路耦合模型，具体为：
19.通过将所述外电路模型中的电感元件与所述三维有限元模型中变压器内置电抗器的线圈进行关联，构建所述变压器内置电抗器的三维场路耦合模型。
20.可选的，所述变压器结构参数包括变压器油箱尺寸和铁芯尺寸；所述变压器内置电抗器参数包括电抗器结构参数和电流参数；其中，所述电抗器结构参数包括电抗器线圈匝数及其几何高度、线圈内径、外径及其几何高度、线圈相间距离以及铁心框厚度和宽度。
21.可选的，所述三维场路耦合模型的三维求解域的尺寸不小于所述变压器内置电抗器外部尺寸的1.5倍。
22.第二方面，本发明还提供一种基于场路耦合的电抗器电抗参数计算装置，包括：
23.第一构建模块，用于基于采集的变压器参数，分别构建变压器内置电抗器的三维有限元模型和外电路模型；其中，所述变压器参数包括变压器结构参数和变压器内置电抗器参数；
24.第二构建模块，用于根据所述三维有限元模型和所述外电路模型建立所述变压器内置电抗器的三维场路耦合模型；
25.网格剖分模块，用于对所述三维场路耦合模型的三维求解域进行有限元网格剖分，得到多个有限元区域；
26.参数计算模块，用于通过仿真计算得到各所述有限元区域的磁场信息，根据所述磁场信息计算所述变压器内置电抗器的电抗值。
27.可选的，所述三维场路耦合模型的三维求解域的尺寸不小于所述变压器内置电抗器外部尺寸的1.5倍。
28.第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括一个或多个处理器；存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法。
29.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
30.本发明提供的基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法既考虑了变压器环境对内置电抗器的影响，同时还通过场路耦合方式研究不同的电流和铁心饱和情况对变压器内置电抗器电抗值的影响，使得计算得到内置电抗器电抗值结果更准确。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明实施例提供的基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法的流程示意图；
33.图2是本发明实施例提供的基于场路耦合的电抗器电抗参数计算装置的结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.如图1所示，本发明一个实施例提供一种基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法，包括下述步骤。
36.s1：基于采集的变压器参数，分别构建变压器内置电抗器的三维有限元模型和外电路模型；其中，所述变压器参数包括变压器结构参数和变压器内置电抗器参数。
37.具体地，变压器结构参数包括变压器油箱尺寸和铁芯尺寸，变压器内置电抗器参数则包括电抗器结构参数和电流参数；其中，所述电抗器结构参数包括电抗器线圈匝数及其几何高度，线圈内径、外径及其几何高度，线圈相间距离、铁心框厚度和宽度以及铁心框材料和饱和磁密；所述电流参数则包括变压器内置电抗器正常运行工况下的电流的有效值及频率。
38.s2：根据所述三维有限元模型和所述外电路模型建立所述变压器内置电抗器的三维场路耦合模型。
39.s3：对所述三维场路耦合模型的三维求解域进行有限元网格剖分，得到多个有限元区域。
40.s4：通过仿真计算得到各所述有限元区域的磁场信息，根据所述磁场信息计算所述变压器内置电抗器的电抗值。
41.具体地，可开展三维静磁场有限元仿真计算，得到三维求解域中每个有限元区域的磁场信息，再根据所求解的磁场信息进一步计算得到变压器内置电抗器的电抗值。
42.在一个实施例中，所述三维场路耦合模型的三维求解域的尺寸不小于所述变压器内置电抗器外部尺寸的1.5倍。通过设置三维求解域的尺寸可有效避免因求解域选用不当而导致电抗器电抗值计算结果出现较大误差的问题。
43.在本实施例中，首先可基于变压器参数在有限元软件中绘制变压器和变压器内置电抗器各部件的三维几何模型，通过对三维几何模型进行有限元划分，得到变压器内置电抗器的三维有限元模型，同时分别设置所述变压器以及所述变压器内置电抗器的磁导率参数。
44.需要说明的是，所绘制的变压器和变压器内置电抗器各部件的三维几何模型具体包括变压器油箱、变压器铁心，内置电抗器的线圈、旁轭、上部铁轭以及下部铁轭的三维几何模型。通过在三维仿真模型中考虑变压器油箱及变压器铁心，可避免现有技术中存在的仅考虑变压器内置电抗器而出现较大计算误差的问题。
45.需要说明的是，所设置的磁导率参数具体包括：变压器油和绝缘件的相对磁导率μ1、变压器油箱的相对磁导率μ2、变压器铁心的相对磁导率μ3和内置电抗器线圈的相对磁导率μ4。
46.具体地，可设置真空磁导率为μ0＝4π
×
10-7
h/m，其中，μ1＝μ0，μ2＝300μ0,μ3＝2000μ0,μ4＝μ0。
47.在一个实施例中，所述构建变压器内置电抗器的外电路模型，具体可通过在电路
编辑器中，将电流源和电感元器件串联成三角形电路；其中，电感元件与三维有限元模型中变压器内置电抗器的线圈关联，电感元件的电感值可通过三维有限元模型仿真计算得到；电流源与三维有限元模型中变压器内置电抗器线圈的激励源关联，即：电流源的电流与激励源的电流相等，具体地，额定电流的有效值表示为in，频率为f，每一个电流源的电流值可设置为额定电流有效值in的50％、80％、100％或110％，每一个电流源的相位则分别设置为-120
°
、0和120
°
。
48.通过将外电路模型中的电感元件与三维有限元模型中的线圈关联，可实现三维有限元模型和外电路模型关联；通过在外电路模型的电流源中电流的激励下，可得到变压器内置电抗器的三维场路耦合模型。
49.进一步地，变压器内置电抗器的三维场路耦合模型的三维求解域进行有限元网格剖分，此时三维求解域将形成n个有限元区域ve，再对应开展三维静磁场有限元仿真计算。
50.在本实施例中，可根据变压器及变压器内置电抗器的电磁参数分别计算各有限元区域的磁场强度；其中，所述电磁参数包括电导率、介电常数和磁导率参数。
51.具体地，可通过下述公式计算各有限元区域的磁场强度he：
[0052][0053]
式中，ε为介质的介电常数；其中，变压器油和绝缘件的介电常数分别为2
×
10-11
f/m和4
×
10-11
f/m，变压器油箱、变压器铁心和线圈的介电常数均为无穷大。
[0054]
σ为介质的电导率；其中，变压器油的电导率为5
×
10-12
s/m，变压器油箱和变压器铁心的电导率为1
×
107s/m，线圈的电导率为5.7
×
107s/m。
[0055]
ω为角频率，ω＝2πf；μ为介质的磁导率，包括变压器油和绝缘件的相对磁导率μ1、变压器油箱的相对磁导率μ2、变压器铁心相对磁导率μ3和线圈的相对磁导率μ4。
[0056]
进一步地，根据各有限元区域的磁场强度he计算对应的磁场储能。
[0057]
具体地，可通过下述公式计算三维求解域中变压器内置电抗器绕组的磁场储能wm：
[0058][0059]
进一步地，根据所述磁场储能和变压器内置电抗器的电流参数计算变压器内置电抗器的电抗值。
[0060]
具体地，可通过下述公式计算变压器内置电抗器的电抗值x
l
：
[0061]
x
l
＝2πf(2wm/i
n2
)
[0062]
本发明上述实施例提供的基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法既考虑了变压器环境对内置电抗器的影响，同时还通过场路耦合方式研究不同电流和变压器铁心饱和情况对变压器内置电抗器电抗值的影响，使得计算得到内置电抗器电抗值结果准确性更高。
[0063]
第二方面，请参照图2，本发明另一实施例还提供一种基于场路耦合的电抗器电抗参数计算装置，包括第一构建模块101、第二构建模块102、网格剖分模块103和参数计算模块104。
[0064]
第一构建模块101用于基于采集的变压器参数，分别构建变压器内置电抗器的三维有限元模型和外电路模型；其中，所述变压器参数包括变压器结构参数和变压器内置电抗器参数。
[0065]
第二构建模块102用于根据所述三维有限元模型和所述外电路模型建立所述变压器内置电抗器的三维场路耦合模型。
[0066]
网格剖分模块103用于对所述三维场路耦合模型的三维求解域进行有限元网格剖分，得到多个有限元区域。
[0067]
参数计算模块104用于通过仿真计算得到各所述有限元区域的磁场信息，根据所述磁场信息计算所述变压器内置电抗器的电抗值。
[0068]
上述装置内的各模块之间信息交互、执行过程等内容，由于与本发明基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
[0069]
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备可以包括：一个或多个处理器、以及存储器。存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序。当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一实施例所述的基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0070]
处理器用于控制该电子设备的整体操作，以完成上述基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(static random access memory，sram)，电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，eprom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，prom)，只读存储器(read-only memory，rom)，磁存储器、快闪存储器、磁盘或光盘。
[0071]
在一个示例性实施例中，电子设备可以被一个或多个应用专用集成电路(application specific 1ntegrated circuit，as1c)、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device，dspd)、可编程逻辑器件(programmable logicdevice，pld)、现场可编程门阵列(field programmable gatearray，fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0072]
在另一个示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由电子设备的处理器执行以完成上述基于场路耦合的电抗器电抗参数计算方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0073]
可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。本发明中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此
外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0074]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0075]
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。