數(shù)字孿生技術(shù)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一，是指現(xiàn)實空間全要素在數(shù)字虛擬空間中全面、準(zhǔn)確的映射，在航空航天、建筑建設(shè)、城市管理、健康醫(yī)療等領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用。發(fā)展數(shù)字孿生變壓器對支撐高端電力裝備智能化、數(shù)字化、可視化運維具有重要意義。

構(gòu)建數(shù)字孿生體需要海量高精度、高可靠的分布式傳感器，但對于變壓器等電力裝備而言，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在強電磁場、傳感器安裝困難、特征參量形成的機(jī)理不明等因素，導(dǎo)致其數(shù)字孿生化進(jìn)程很慢，還面臨許多挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有變壓器數(shù)字孿生工作已基本完成了數(shù)字孿生的形似部分（多物理場仿真和展示），但如何實現(xiàn)數(shù)字孿生的神似部分（性能可視化評估+輔助運維），獲得更多狀態(tài)參量的傳感數(shù)據(jù)以構(gòu)建具有生命力的數(shù)字孿生體還有待深入研究。為此，輸變電裝備技術(shù)全國重點實驗室（重慶大學(xué)）等單位的羅豪、成立等，開展了虛實融合的變壓器內(nèi)絕緣狀態(tài)孿生方法研究。

圖1 虛實融合的變壓器內(nèi)絕緣狀態(tài)孿生概念

他們參考航空航天領(lǐng)域結(jié)合虛實傳感以豐富傳感數(shù)據(jù)的思想，根據(jù)虛擬仿真可有效彌補現(xiàn)場實體傳感器不足的痛點問題，增加傳感器的種類和數(shù)量，提出了虛實融合的變壓器內(nèi)絕緣狀態(tài)孿生概念，以內(nèi)絕緣老化壽命最為關(guān)心的參量為例開展計算研究。

圖2 虛實融合的變壓器內(nèi)絕緣狀態(tài)孿生方法實現(xiàn)框架

研究者根據(jù)變壓器內(nèi)部油紙絕緣材料的多場耦合特性和有限元仿真獲得內(nèi)部穩(wěn)態(tài)的溫度場分布；其次，考慮溫度分布影響，結(jié)合實體油中水分傳感數(shù)據(jù)建立固體絕緣中水分分布推演模型；然后，改進(jìn)水分平移因子建立時間-溫度-水分分布聯(lián)合老化作用的聚合度分布動態(tài)推演模型以計算任意時刻變壓器內(nèi)部的聚合度分布；最后，考慮到推演計算獲得的水分、聚合度分布數(shù)據(jù)是離散的，采用Delaunay三角網(wǎng)來實現(xiàn)變壓器內(nèi)部聚合度分布的可視化。

圖3 虛實融合推演的聚合度分布與實際退役變壓器測量的聚合度分布的對比

結(jié)果表明，水分分布主要集中在紙板和底部固體絕緣處，第48年含水量最高值約為3.2%；聚合度分布規(guī)律與CIGRE報告基本相符，最低值位于低壓繞組熱點溫度區(qū)域，第48年為252.15，驗證了該方法的有效性和合理性。

該工作融合虛實傳感數(shù)據(jù)實現(xiàn)了變壓器內(nèi)部水分、聚合度等老化狀態(tài)參量的分布式監(jiān)測，大幅提升了運維效率，為支撐數(shù)字孿生變壓器的智能輔助運維提供了新的解決方案。

本工作成果發(fā)表在2024年第23期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“虛實融合的變壓器內(nèi)絕緣狀態(tài)孿生方法”。本課題得到國家重點研發(fā)計劃的支持。