一种基于数字孪生技术的配电变压器中压侧实时监测方法

技术领域

本发明涉及配电系统技术领域，具体涉及一种基于数字孪生技术的配电变压器中压侧实时监测方法。

背景技术

随着供配电系统的不断完善与发展以及分布式能源的广泛部署，配电网在向广大地区提供可靠和高质量的电力供应方面发挥着愈加重要的枢纽作用，这也对配电系统的实时监测提出了更高的要求。在电力供配电系统中，配电变压器是将电压直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分。其中包括：三相电压、三相电流、三相有功(无功)功率、功率因数、频率、有功(无功)电量、油温(湿)度等。这些数据正常与否是配电变压器运行是否良好的重要反映。因此，实时地监测配电变压器运行中的各种参数，依据采集的数据进行统计分析可以及早发现变压器的异常情况，比如温度异常、振动异常等，及时加以控制或解决可以避免变压器因故障停机，减少停电时间。在运行期间通过对数据的分析，可以预测配电变压器的寿命、剩余使用寿命等信息，从而制定更加合理的维护计划，减少维护成本。同时实时监测可以帮助运营人员及时调整变压器的负载，合理分配电力资源，减少能源浪费。

目前，输电基础设施采用的方法和技术主要集中在通过监控和数据采集(SCADA)系统进行监控和在亚秒时间尺度上采用最近的相量测量单元(PMU)来监控电网。智能电表在数据采集、配电管理系统和高级计量基础设施上的应用已经得到了广泛采用，但相量测量单元的安装仍处于早期阶段。考虑到配电系统馈线的运行范围、部署测量配电系统的成本、故障风险和网络中断等可能影响到配电网监测的因素，配电变压器(T/F)已经成为众多研究的焦点。因此亟需考虑提高配电变压器中低压系统的运行数据的可视性，提出可以精确监测、随时部署的配电变压器数字孪生实时监测策略，并根据不同运行场景评估其实际性能。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种可以根据配电变压器低压侧的数学模型，基于数字孪生技术的思想使用低压侧的电压、电流测量值来实时计算配电变压器中压侧的电压和电流，以为及时诊断系统故障提供依据的基于数字孪生技术的配电变压器中压侧实时监测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于数字孪生技术的配电变压器中压侧实时监测方法，包括以下步骤：

步骤1)测量单相配电变压器低压侧的电压、电流和功率值，通过单相配电变压器的数学模型计算单相配电变压器中压侧的电压和电流；

步骤2)基于步骤1)中单相配电变压器中压侧电压和电流的计算基础，对三相配电变压器低压侧的各相进行单独的单相电压和单相电流的测量，并以设定形式集成，模拟计算得到三相配电变压器中压侧各相的电压和电流。

优选的，步骤1)中，将单相配电变压器建模为二端口系统，并在全配电变压器模型的基础将单相配电变压器中所有电阻和电感串联集中在低压侧或高压侧，在保证低压侧或高压侧铁芯不饱和的前提条件下，测量单相配电变压器低压侧的电压和电流，并计算出中压侧的电压、电流值，其中，计算公式如下：

式中，u

优选的，步骤2)中，根据三相配电变压器三相绕组的连接方式，得到三相配电变压器中压侧各相的相电压和线电流，表达式如下：

当三相配电变压器的高压侧和低压侧均采用星型接法，且高压侧和低压侧的相位差相差为0°时，u

当三相配电变压器的中压侧采用三角型接法，低压侧采用星型接法，变压器二次侧的线电压滞后一次侧线电压30°时，

当三相配电变压器的高压侧采用三角型接法，低压侧采用星型接法，变压器二次侧的线电压超前一次侧线电压30°时，

式中：u

优选的，还包括步骤3)，利用统计分析的方法，分别监测正常运行条件下当负载变化、系统存在谐波及不同采样频率条件下三相配电变压器的低压侧波形所映射的中压侧波形，并与步骤2)计算得到的中压侧波形进行对比，以验证数字孪生方法的可行性和准确性。

优选的，还包括步骤4)，监测在系统故障、配电变压器中低压侧非平衡三相负载、抽头变换操作条件下三相配电变压器的低压侧波形所映射的中压侧波形，并与步骤2)计算得到的中压侧波形进行对比，验证对数字孪生技术精度的影响。

优选的，还包括步骤5)，针对数字孪生技术对系统谐波的滤波效应以及导致的谐波失真问题，提出模拟谐波存在时的等效负载变化法。

优选的，步骤5)中，将根据数字孪生技术计算得到的电压和电流波形的傅里叶变换与三相配电变压器中压侧实际的波形进行比较，以模拟谐波存在时负载的变化情况，并在高负载和低负载情况下分别比较数字孪生技术的伯德图与实际三相配电变压器电路的伯德图。

优选的，还包括步骤6)，基于三相配电变压器中压侧的实际波形和根据低压侧数字孪生技术计算得到的波形之间的平均误差和点误差来对配电变压器中压侧实时监测策略的准确性进行评估。

优选的，步骤6)中，取电压和电流波形十个连续周期中第一次和最后一次的过零点之间的时间的平均值，并通过电压电流波形类似的计算形式来计算和比较各自的频率，比较过程中，使用根据数字孪生技术计算得到的波形和实际波形之间的平均误差和点误差进行度量。

优选的，步骤6)中，设定x

首先，将数字孪生技术计算得到的波形和实时测量的实际波形的平均误差定义为：

式中，N为模拟测试时间间隔为0.4s的采样点；RMS为计算其均方根得到的有效值；

数字孪生技术计算得到的波形和实时测量的实际波形的均方根进行归一化之后的最大点误差的计算公式为：

此误差评估指标通过提取每个场景所有模拟量的平均值、最大值和最小值来确定统计度量，以确保统计数据的有效性并实际地反映系统的操作情况。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明针对配电变压器中压侧提出了一种数字孪生技术监测电压、电流波形的方法，同时可以捕获波形的谐波含量，其具有很高的计算精度，可以为及时诊断绝大部分系统故障提供数据支持。

2、本发明通过在不同情景下，将配电变压器低压侧的电压、电流波形在特定采样频率下的采样值进行数字孪生计算所得到的中压侧电压、电流和有功无功功率波形与实际的配电变压器中压侧模型参数的波形精度进行比较，来检测数字孪生技术的可行性和准确性，以保证数字孪生技术得到的数据的准确性。

附图说明

图1为本发明基于数字孪生技术的配电变压器中压侧实时监测方法的流程图；

图2为本发明基于数字孪生技术的配电变压器中压侧实时监测方法中配电变压器的原始电路拓扑图；

图3为本发明基于数字孪生技术的配电变压器中压侧实时监测方法中将所有电阻和电抗串联集中在配电变压器一侧的电路拓扑图；

图4为本发明基于数字孪生技术的配电变压器中压侧实时监测方法中基于配电变压器低压侧波形进行配电变压器中压侧波形计算的数字孪生拓扑结构图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如附图1所示，一种基于数字孪生技术的配电变压器中压侧实时监测方法，包括以下步骤：

步骤1)测量单相配电变压器低压侧的电压、电流和功率值，通过单相配电变压器的数学模型计算单相配电变压器中压侧的电压和电流；

将单相配电变压器建模为二端口系统(如附图2所示)，根据电路复杂程度可以分为π型或T型，电阻、电抗集中/分裂型，并在全配电变压器模型的基础将单相配电变压器中所有电阻和电感串联集中在低压侧或高压侧(如附图3所示)，在保证低压侧或高压侧铁芯不饱和的前提条件下，通过测量仪器直接测量单相配电变压器低压侧的电压和电流，并计算出中压侧的电压、电流值，其中，计算公式如下：

式中，u

实际操作中，即在单相配电变压器的低压侧连接一个交流电压电流传感器，该交流电压电流传感器获取物理量的模拟形式，测量装置再将模拟信号转换为数字信号。基于配电变压器低压侧波形进行配电变压器中压侧波形计算的数字孪生拓扑结构如图4所示。采样频率为f

配电变压器中分接开关的动作可以通过数字孪生进行电气监控，从而调整中压侧的电压、电流的计算数值。同理，可以通过低压侧测量得到的电压、电流谐波含量，利用计算公式计算配电变压器中压侧电压或电流中的谐波含量，此部分将在步骤6中详细解释。

步骤2)基于步骤1)中单相配电变压器中压侧电压和电流的计算基础，对三相配电变压器低压侧的各相进行单独的单相电压和单相电流的测量，并以设定形式集成，模拟计算得到三相配电变压器中压侧各相的电压和电流。

建立在单相配电变压器中数字孪生监测方法的基础之上，从三相配电变压器低压侧单独进行单相的电压和电流测量，通过适当形式的集成来模拟配电变压器，根据三相配电变压器三相绕组的连接方式，得到三相配电变压器中压侧各相的相电压和线电流，表达式如下：

当三相配电变压器的高压侧和低压侧均采用星型接法，且高压侧和低压侧的相位差相差为0°时，u

当三相配电变压器的中压侧采用三角型接法，低压侧采用星型接法，变压器二次侧的线电压滞后一次侧线电压30°时，

当三相配电变压器的高压侧采用三角型接法，低压侧采用星型接法，变压器二次侧的线电压超前一次侧线电压30°时，

式中：u

具体的，配电变压器接地不会改变三相绕组的相电压和线电流的表达式，由于采用高压侧采用三角形接法，低压侧采用星型接法连接方式的配电变压器无法通过数字孪生来计算中压侧电流的三次谐波。

步骤3)利用统计分析的方法，分别监测正常运行条件下当负载变化、系统存在谐波及不同采样频率条件下三相配电变压器的低压侧波形所映射的中压侧波形，并与步骤2)计算得到的中压侧波形进行对比，以验证数字孪生方法的可行性和准确性。

测试所用配电变压器拓扑包括三相交流电压源、中低压配电变压器的负载阻抗，所有电阻和电抗串联集中在配电变压器的一侧。通过将配电变压器低压侧的电压、电流波形在特定采样频率下的采样值进行数字孪生计算得到的中压侧电压、电流和有功无功功率波形与实际的配电变压器中压侧模型参数的波形精度进行比较，来检测数字孪生技术的可行性。第一组测试是根据正常运行条件下负载变化(恒载、增载、减载、负载阶跃变化)、系统谐波是否存在、不同采样频率的情景下，监测三相配电变压器的低压侧波形所映射的中压侧波形。利用统计分析的方法，对每个场景进行大约17000次随机的初始和最终条件的测试/模拟，以确保评估指标在±1％误差的99％置信区间内统计的有效性。

步骤4)监测在系统故障、配电变压器中低压侧非平衡三相负载、抽头变换操作条件下三相配电变压器的低压侧波形所映射的中压侧波形，并与步骤2)计算得到的中压侧波形进行对比，验证对数字孪生技术精度的影响。

作为步骤3)的补充环节，检测配电变压器数字孪生技术在系统故障、中/低压侧非平衡三相负载、抽头变换操作等情况下的准确性。需要评估的场景有如下：线对地和线对线的系统故障、输入到配电变压器低压侧的三相不对称电压、连接到配电变压器低压侧的不对称负载和分解动作以及配电变压器的Y接口是否接地等。该集合共包括72种场景，在不使用统计度量的情况下比较数字孪生和实际中压侧波形的特征相似性，所有测试都将在谐波存在的情况下进行，从而可以提前预知所提监测方法的最坏情况。

步骤5)针对数字孪生技术对系统谐波的滤波效应以及导致的谐波失真问题，提出模拟谐波存在时的等效负载变化法。

步骤5)旨在评估提取中压侧数字孪生数据的配电变压器电路模型的滤波效果。实际的配电变压器模型本质上是可以滤除高次谐波的低通滤波器，为了准确评估电网中压等级的谐波失真，将根据数字孪生技术计算得到的电压和电流波形的傅里叶变换与三相配电变压器中压侧实际的波形进行比较，以模拟谐波存在时负载的变化情况，并在高负载和低负载情况下分别比较数字孪生技术的伯德图与实际三相配电变压器电路的伯德图。

步骤6)基于三相配电变压器中压侧的实际波形和根据低压侧数字孪生技术计算得到的波形之间的平均误差和点误差来对配电变压器中压侧实时监测策略的准确性进行评估。

步骤6)建立了场景模拟中数字孪生与实际配电变压器中压侧电压、电流、有功无功功率和频率的波形误差的评估指标，对于频率，取电压和电流波形十个连续周期中第一次和最后一次的过零点之间的时间的平均值，并通过电压电流波形类似的计算形式来计算和比较各自的频率，比较过程中，使用根据数字孪生技术计算得到的波形和实际波形之间的平均误差和点误差进行度量。

设定x

首先，将数字孪生技术计算得到的波形和实时测量的实际波形的平均误差定义为：

式中，N为模拟测试时间间隔为0.4s的采样点；RMS为计算其均方根得到的有效值；

数字孪生技术计算得到的波形和实时测量的实际波形的均方根进行归一化之后的最大点误差的计算公式为：

此误差评估指标通过提取每个场景所有模拟量的平均值、最大值和最小值来确定统计度量，以确保统计数据的有效性并实际地反映系统的操作情况。

综上，本发明针对配电变压器中压侧提出了一种数字孪生技术监测电压、电流波形的方法，同时可以捕获波形的谐波含量，其具有很高的计算精度，可以为及时诊断绝大部分系统故障提供数据支持。本发明通过在不同情景下，将配电变压器低压侧的电压、电流波形在特定采样频率下的采样值进行数字孪生计算所得到的中压侧电压、电流和有功无功功率波形与实际的配电变压器中压侧模型参数的波形精度进行比较，来检测数字孪生技术的可行性和准确性，以保证数字孪生技术得到的数据的准确性。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。