基于数字孪生的变压器局部放电定位方法

技术领域

本发明属于变压器故障检测领域，尤其涉及一种基于数字孪生的变压器局部放电定位方法。

背景技术

当下对于变压器局部放电位置的确定的方法主要包括特高频法和超声波检测法。

特高频法是针对局部放电激发的300MHz以上电磁波进行分析，其优点在于可以对局部放电位置进行定位，且检测频带很高，可以有效避开环境中的电磁干扰，但其对于检测硬件要求较高。超声波检测法是通过在变压器本体上安装超声波传感器，收集变压器内部发生局部放电时产生的超声信号来进行分析，该方法最大的优点是现场电磁干扰不会对超声波信号产生干扰，在空间定位时较为方便，缺点是超声波的传播受介质性质的影响较大，会使其测量灵敏度降低。以上两种方法在进行变压器局部放电检测定位时，均需要在变压器器身上装设多个传感器，多个传感器要实现信号的同步测量，基于局部放电信号到达各个传感器的时间建立空间方程，从而确定局部放电位置，由于多个信号需要时间同步导致装置接线安装复杂。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了如下方案：一种基于数字孪生的变压器局部放电定位方法，包括以下步骤：

基于数字孪生技术建立变压器数字孪生模型；

根据所述变压器数字孪生模型进行局部放电模拟，分析局部放电时的超声波分布，获得超声波分布数据；

建立对比数据库，将所述超声波分布数据存入到对比数据库中；

测量局部放电变压器的超声波信号，获得超声波测量数据，将所述超声波测量数据与超声波分布数据进行比较，根据超声波波形相似度得到局部放电位置。

优选地，所述获得超声波分布数据的方法包括：通过声波方程得到声波在变压器内部的传播规律，并生成变压器油箱上测点声压数据，根据所述传播规律和测点声压数据得到超声波分布数据。

优选地，所述声波方程包括连续性方程、运动方程和能量方程；

所述连续性方程为：

式中，ρ表示液相密度，u、v、w分别表示x、y、z轴方向上的速度分量。

优选地，所述运动方程为：

式中，u表示液相粘度，f

优选地，所述能量方程为：

式中，K

优选地，所述获得超声波测量数据的方法包括：通过F-P传感器采集局部放电产生的超声波，超声波作用在光纤薄膜上使薄膜振动，通过计算得到振动数据，基于所述振动数据得到超声波测量数据。

优选地，所述振动数据通过振动方程得到，所述振动方程为：

式中，η表示偏移量，σ表示薄膜的面密度，

优选地，所述相似度的计算公式为：

式中，x(n)表示数据库中已有数据，y(n)表示实际对应测量点位测得的数据。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明建立变压器局部放电数字孪生模型，通过数字孪生模型获取变压器内任一点发生局部放电后在变压器器身表面的超声分布规律以及相应的特高频分布规律，建立相应的数据库，后通过检测点源收集到局放信号与数据库内已有的波形图进行对比，从而实现定位，解决了现有技术中多个信号需要时间同步导致装置接线安装复杂的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的变压器局部放电定位方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

如图1所示，本发明所提供了一种基于数字孪生的变压器局部放电定位方法，包括以下步骤：

基于数字孪生建立数据库，通过对在变压器内部的不同位置模拟各种局部放电。使用此数字孪生模型分析超声波传播。在变压器油箱上和变压器绕组内布置光纤，形成外部和内部联合的局部放电检测系统。

在变压器内部发生局部放电时，会产生振荡衰减的超声波。因此局部放电的电信号可以利用超声信号进行分析。

描述声音在流体中传播的方程称为声波方程，包括公式(1)连续性方程，公式(2)-(4)运动方程，公式(5)能量方程，

其中ρ是液相密度，单位是kg/m

其中u是液相粘度；f

其中K

以上三组公式描述了声波在变压器内部的传播规律，根据这些公式可以生成变压器油箱上各测点声压的数据。

在此基础上，采用非本征光纤法珀(F-P)传感器沿变压器绕组布置，局部放电产生的超声波作用在光纤薄膜上会使薄膜振动，导致F-P腔长发生变化(F-P腔即一种无源光学谐振腔)，从而导致干涉光的相位差发生变化以实现声波对光信号的动态。公式(6)给出了变压器绕组中光纤薄膜在局部放电超声信号作用下的振动方程。

式中薄膜上某一点相对于静止平衡状态的偏移量为η；σ为薄膜的面密度，其中

基于该原理，可以基于变压器绕组中光纤采集局部放电信号，也可以仿真生成变压器绕组内光纤声压的数据。

当变压器中发生真正的局部放电时，可以将变压器外壳上多个传感器测量到的超声波信号和变压器绕组中光纤测得的超声信号进行结合并与数据库中来自相同检测位置的信号进行比较。按照式(7)计算相似度D，与测量结果相似度最高的数据库波形对应的局部放电位置即为局部放电位置。

实施例二

以某型号变压器为例，基于数字孪生技术建立变压器数字孪生模型，仿真26个不用点位局部放电对应的器身表面超声波分布数据，获得超声波分布数据的方法包括：通过声波方程得到声波在变压器内部的传播规律，并生成变压器油箱上测点声压数据，根据所述传播规律和测点声压数据得到超声波分布数据。所述声波方程包括连续性方程、运动方程和能量方程；

连续性方程为：

式中，ρ表示液相密度，u、v、w分别表示x、y、z轴方向上的速度分量。

运动方程为：

式中，u表示液相粘度，f

能量方程为：

式中，K

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。