适用于配电开关设备的数字孪生系统诊断方法与流程

1.本发明属电力系统监测技术领域，尤其涉及一种适用于配电开关设备的数字孪生系统诊断方法。


背景技术：

2.配电开关设备是电网中的一种关键设备，保证配电网开关设备的运行可靠性是电力系统正常运转的基础。
3.中国专利文献（cn204407761u）公开一种“基于三维可视化智能平台的变电站状态检修装置”，包括柜体和功能模块，柜体呈中空圆柱体，柜体包括柜体主体、盖板和底板，盖板和底板为圆形，柜体主体呈圆柱形，柜体主体包括截面为圆弧形的侧板和截面为圆弧形的柜门，侧板所呈的圆弧形的圆心角为α，α=95～120
°
，所述柜门所呈的圆弧形的圆心角为β，β=240～265
°
，盖板和底板相对设置，盖板和底板所呈的圆形的圆心之间竖直设置有固定杆，固定杆与盖板和底板固定连接，固定杆为中空圆管，固定杆两端设有柜门连接板，柜门连接板呈扇形，柜门连接板所呈的扇形的顶端与固定杆转动连接，柜门连接板所呈的扇形的圆弧端设有多个弹簧件，柜门通过弹簧件与柜门连接板连接，柜门周边设有抵板，抵板和柜门为一体式结构，柜门在柜门连接板和弹簧件的作用下，凸出柜体周边，并通过抵板与侧板抵靠、定位，柜门的上下两端设有向外凸出的呈弧形的滑条，侧板的上下两端设有向内的与滑条相匹配的滑槽，通过滑条和滑槽的配合，实现了柜门关于固定杆在柜体内的转动连接，固定杆上均匀水平设有多个托台，将开关柜分为多个腔室，托台呈圆形，托台以固定杆为圆心自由转动，托台上安装放置开关柜仪器，抵板与侧板接触部位设有密封橡胶。
4.上述方案配电开关设备在三维可视化方面存在一些不足，根据物理实体建立的数字化模型不充分、不完整，难以实现配电开关设备运行数据的动态实时更新，由于数据滞后性导致仿真结果、预测结果等不够精准。而除上述方案外的其他方案所构建的电力设备孪生系统不具有电、磁、热的有限元仿真功能，也不具有基于设备实时运行参数下的有限元仿真功能，更缺少对电力系统网架结构及继电保护的仿真功能。


技术实现要素：

5.本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种通过web端平台可实现配电开关设备的远程监测、诊断预测、建模仿真以及在分布式能源接入下进行继电保护的仿真，并将仿真结果在本系统中可视化，降低配电开关设备故障率和非计划停机次数，基于实时监测数据和仿真计算数据，在数字孪生模型上可实现对所述配电开关设备的故障诊断和预测的适用于配电开关设备的数字孪生系统诊断方法。
6.为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：适用于配电开关设备的数字孪生系统诊断方法，包括如下步骤：s1：通过采集配电开关设备的状态数据进行数据感知；s2：将采集的配电开关设备状态数据传输至数字孪生管理平台，使数字孪生模型
能够和物理实体同步运行；s3：通过通信接口接收设备的运行数据，基于虚拟现实方法对物理模型进行虚拟化高度真实映射；s4：将采集的配电开关设备状态数据在数字孪生管理平台中进行展示；s5：对配电开关设备进行建模仿真，计算所述设备在不同运行状态下的温度场和电场的分布，形成仿真计算数据，将所述仿真计算数据作为数据库与所述数字孪生模型进行融合；s6：基于配电开关设备的实时监测数据，对比仿真计算数据，对配电开关设备进行诊断预测；s7：依据所述诊断预测结果，数字孪生管理平台对该配电开关设备给出最佳的维护策略。
7.进一步地，所述步骤s1中，采集配电开关设备的状态数据，包括如下步骤：s101：将传感器布置在配电开关设备实体的各个节点，实时采集设备的运行数据；s102：将采集到的数据定义成json格式的数据。
8.进一步地，所述步骤s2中，状态数据传输至数字孪生管理平台包括如下步骤：s201：传感器数据传输到后台服务器采用mqtt协议；确定mqtt主题，后台服务器订阅此主题；s202：单片机将定义好的json格式数据发布到s201所述主题；s203：后台服务器接收到数据，将数据存储到数据库中；s204：后台服务器采用http协议将数据实时传输到数字孪生管理平台。
9.进一步地，所述步骤s3数字孪生模型的建立包括如下步骤：s301：建立配电开关设备的几何模型；s302，建立配电开关设备的物理模型,使用有限元分析软件描述其物理属性；s303：建立配电开关设备的行为模型，实现配电开关设备运行动作的实时映射。
10.进一步地，所述步骤s4中配电开关设备状态数据在数字孪生管理平台进行展示包括如下步骤：s401：后台服务器将存储到数据库的设备运行数据以http协议传输到数字孪生管理平台；s402：数字孪生管理平台处理、分析数据，将分析结果以图或表形式进行展示。
11.进一步地，所述步骤s5中，对配电开关设备进行建模仿真包括温度场仿真、电场仿真、磁场仿真、气流场仿真以及在分布式能源接入下故障类型与保护方案的仿真。
12.进一步地，对配电开关设备进行温度场仿真、电场仿真、磁场仿真与气流场仿真包括如下步骤：s501a：在所述步骤s203中后台服务器分别建立不同仿真数据库表；s501b：在仿真软件中建立配电开关设备仿真模型；s501c：设置仿真模型的热导率、密度、比热容、电阻率以及发射率参数；s501d：对仿真模型进行网格划分；s501e：若用户进行温度场仿真，所述步骤s1采集温度场仿真所需实时运行数据通过传输层传入后台，并存储到温度场仿真数据表，同时在用户计算机本地备份该数据；
s501f：用户求解仿真模型时，温度场仿真数据表中数据作为模型仿真初始条件，对该配电开关设备未来一段时间温度进行仿真预测，其仿真结果以图片格式保存至本地；s501g：配电开关设备数字孪生系统读取本地仿真结果图片并展示。
13.进一步地，配电开关设备在分布式能源接入下，故障类型与保护方案的仿真包括如下步骤：s502a：采用双电源系统，两侧电流互感器采集的三相电流作差值处理，并对各相差值取绝对值，取最大一相作为电气量与设定的整定值比较；s502b：当发生区外短路故障时，工作电流或故障电流流经两侧电流互感器的电流同方向，其差值的绝对值很小，远小于整定值，断路器不会动作；s502c：当区内发生短路故障时，流经两侧电流互感器的电流反方向，其差值的绝对值大于整定值，判断为区内有故障点，断开两侧断路器并输出信号至自动重合闸模块。
14.进一步地，所述步骤s6中对配电开关设备进行诊断预测包括如下步骤：s601：基于实时监测数据和仿真计算数据，在数字孪生模型上实现对所述配电开关设备的运行状态监测；s602：将实时监测数据和仿真计算数据与正常运行时数据进行匹配对比，以判断配电开关设备的运行状态，并根据匹配对比结果对该配电开关设备进行故障监测预警。
15.进一步地，所述步骤s7中数字孪生管理平台中的智能决策包括如下步骤：s701：当配电开关设备出现故障，数字孪生管理平台进行报警，提醒维护人员对该设备进行检修维护；s702：维护人员维护完后，若该配电开关设备有几何尺寸的变动，维修人员在数字孪生管理平台输入变动数据，数字孪生模型自动优化，使其和设备物理实体保持一致。
16.本发明可通过web端平台可实现配电开关设备的远程监测、诊断预测、建模仿真以及在分布式能源接入下进行继电保护的仿真，并将仿真结果在本系统中可视化，降低配电开关设备故障率和非计划停机次数。本发明针对配电开关设备状态监测实时性差，监测数据利用性差等问题，设计了一种适用于配电开关设备的数字孪生系统，该系统实现了配电开关设备的远程监测、诊断预测以及建模仿真功能，通过web端平台实现配电开关设备运行状态实时监测、利用设备实时运行状态数据对设备进行仿真预测，并将仿真结果在本系统中可视化，降低了配电开关设备的故障率和非计划停机次数。根据智能诊断结果远程指导维护人员进行维护，对提高配电开关设备维护效率、减轻维护人员劳动强度、降低维护成本和保障具有重要意义。
17.本发明数据传输使用mqtt协议和http协议；在web端可实现配电开关设备的三维可视化；利用数字孪生技术，可使配电开关设备孪生模型和物理实体同步运行，借助数字孪生实时性强的优势，可将配电开关设备实时运行状态数据作为该系统仿真模块中数据源，对设备进行仿真预测；基于配电开关设备的实时运行数据，可对配电开关设备的电磁热进行有限元仿真分析；在分布式能源接入下，可进行继电保护的仿真；基于实时监测数据和仿真计算数据，在数字孪生模型上可实现对所述配电开关设备的故障诊断和预测。
附图说明
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局
限于下列内容的表述。
19.图1为本发明数字孪生系统诊断方法流程框图；图2为本发明状态数据传输至数字孪生管理平台流程框图；图3为本发明数字孪生模型构成示意图；图4为本发明状态数据在数字孪生管理平台展示示意图；图5为本发明建模仿真模块数字孪生管理平台展示示意图；图6为本发明分布式能源接入下故障保护方案电路原理图；图7为本发明图6状态下仿真结果示意图；图8为本发明分布式能源接入下区内发生短路故障时故障保护方案电路原理图；图9为本发明图8状态下仿真结果示意图；图10为本发明图8状态下仿真结果示意图。
具体实施方式
20.如图所示，适用于配电开关设备的数字孪生系统诊断方法，包括如下步骤：s1：数据感知负责采集配电开关设备的状态数据。
21.s2：数据传输是该系统的中枢，将采集的配电开关设备状态数据传输至数字孪生管理平台中，使数字孪生模型能够和物理实体同步运行。
22.s3：配电开关设备几何模型、物理模型、行为模型的组装，通过通信接口接收设备的运行数据，基于虚拟现实方法对物理模型进行虚拟化的高度真实映射。
23.s4：将采集的配电开关设备状态数据在数字孪生管理平台中进行直观的展示，以便更好的了解设备的运行状态。
24.s5：对配电开关设备进行建模仿真，计算所述设备在不同运行状态下的温度场和电场的分布，形成仿真计算数据，将所述仿真计算数据作为数据库与所述数字孪生模型进行融合。
25.s6：基于配电开关设备的实时监测数据，对比仿真计算数据，对配电开关设备进行诊断预测。
26.s7：依据所述诊断预测结果，数字孪生管理平台对该配电开关设备给出最佳的维护策略。
27.所述s1中采集配电开关设备的状态数据，包括如下步骤：s101：将传感器布置在配电开关设备实体的各个节点，实时采集设备的运行数据。
28.s102：将采集到的数据定义成json格式的数据。
29.所述s2中状态数据传输至数字孪生管理平台包括如下步骤：s201：传感器数据传输到后台服务器采用mqtt协议。确定mqtt主题为oc/devices/sys/properties/reportdata，后台服务器订阅此主题。
30.s202：单片机将定义好的json格式数据发布到此主题。
31.s203：后台服务器接收到数据，将数据存储到mongdb数据库中。
32.s204：后台服务器采用http协议将数据实时传输到数字孪生管理平台。
33.所述s3数字孪生模型的建立包括如下步骤：s301：建立配电开关设备的几何模型，包括但不限于配电开关设备的长宽高等尺
寸，体现出配电开关设备内外部件的形状、尺寸和对应位置关系。可使用常见的revit、catia、solidworks等三维建模软件建立配电开关设备的几何模型。
34.s302：建立配电开关设备的物理模型，对应配电开关设备实体的物理属性﹐如应变、应力、损伤等﹐是对配电开关设备物理状态的实时映射,使用有限元分析软件如ansys、comsol描述其物理属性。
35.s303：建立配电开关设备的行为模型，包括配电开关设备对内外部环境和系统指令的动作响应，实现了配电开关设备运行动作的实时映射。
36.所述s4中配电开关设备状态数据在数字孪生管理平台的显示包括如下步骤：s401：后台服务器将存储到数据库的设备运行数据以http协议传输到数字孪生管理平台。
37.s402：数字孪生管理平台处理、分析数据，将分析结果以图或表形式进行展示。如图3所示。
38.所述s5中对配电开关设备进行建模仿真模块包括对配电开关设备进行温度场仿真、电场仿真、磁场仿真以及气流场仿真，同时对配电开关设备在分布式能源接入下，故障类型与保护方案的仿真。
39.所述配电开关设备配电开关设备进行温度场仿真、电场仿真、磁场仿真以及气流场仿真包括如下步骤：s501a：在所述s203中后台服务器分别建立不同仿真数据库表，包括温度场仿真数据表、电场仿真数据表、磁场仿真数据表以及气流场仿真数据表。
40.s501b：在仿真软件comsol中建立配电开关设备仿真模型，配电开关设备内部结构复杂，所以在模型建立过程中，一般对复杂部位可进行适当简化分析。
41.s501c：设置参数。在comsol中设置仿真模型的热导率、密度、比热容、电阻率以及发射率等参数。
42.s501d：网格划分。对仿真模型进行网格划分，保证仿真的精确度。
43.s501e：所述配电开关设备数字孪生系统仿真模块中，包括温度场仿真模块、电场仿真模块、磁场仿真模块以及气流场仿真模块。若用户进入温度场仿真模块，所述s1数据感知层采集到的温度场仿真所需实时运行数据通过传输层传入后台，并存储到温度场仿真数据表，同时在用户计算机本地备份该数据。
44.s501f：在仿真软件comsol中，用户求解该仿真模型时，温度场仿真数据表中数据将作为模型仿真初始条件，对该配电开关设备未来一段时间温度进行仿真预测。其仿真结果将以图片格式保存至本地。
45.s501g：配电开关设备数字孪生系统读取本地仿真结果图片并展示。如图4所示为开关柜在所述配电开关设备数字孪生系统温度场仿真模块中结果展示，所述电场仿真模块、磁场仿真模块以及气流场仿真模块过程同温度场仿真模块。
46.所述配电开关设备在分布式能源接入下，故障类型与保护方案的仿真包括如下步骤：s502a：采用双电源系统，两侧电流互感器采集的三相电流作差值处理，并对各相差值取绝对值，取最大一相作为电气量与设定的整定值比较。
47.s502b：当发生区外短路故障时，工作电流或故障电流流经两侧电流互感器的电流
同方向，其差值的绝对值很小，远小于整定值，断路器不会动作。对其进行仿真，结果如图7所示。
48.s502c：当区内发生短路故障时，流经两侧电流互感器的电流反方向，其差值的绝对值大于整定值，判断为区内有故障点，断开两侧断路器并输出信号至自动重合闸模块。其仿真结果如图9和图10所示。
49.所述s6中对配电开关设备进行诊断预测包括如下步骤：s601：基于实时监测数据和仿真计算数据，在数字孪生模型上实现对所述配电开关设备的运行状态监测。
50.s602：将实时监测数据和仿真计算数据与正常运行时数据进行匹配对比，以判断配电开关设备的运行状态，并根据匹配对比结果对该配电开关设备进行故障监测预警。
51.所述s7中数字孪生管理平台中的智能决策包括如下步骤：s701：当配电开关设备出现故障，数字孪生管理平台进行报警，提醒维护人员对该设备进行检修维护。
52.s702：维护人员维护完后，若该配电开关设备有几何尺寸的变动，维修人员在数字孪生管理平台输入变动数据，数字孪生模型自动优化，使其和设备物理实体保持一致。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。