书名：面向数字孪生的油浸式变压器多物理场耦合建模与仿真
书号：978-7-5239-0525-8
定价：46元
作者：荆澜涛
出版时间：2025-12-25
出版社：中国电力出版社
页码： 132    字数(千字)：115
开本：特16开    版次：1    印次：1

品牌介绍

中国电力出版社成立于 1951 年，作为中国成立最早的中央科技出版社之一，曾隶属于水利电力部、能源部、电力工业部、国家电力公司，现为国家电网公司所属的科技出版社，在电气技术专业出版领域享有极高的声誉。该社作为以图书出版为主体，音像、电子出版物、期刊、网络出版共同发展的大型出版企业，以强大的出版资源和高素质的专业队伍，致力于向读者提供包括电力工程、电气工程、建筑工程、电子技术、信息技术、外语、大中专教材、家教等学科门类齐全的权威出版物，也竭力为广大师生提供精品教材，是教育部和北京市教委规划教材的出版基地之一。

产品特色

作者承担的中科院沈阳计算技术研究所项目成果。内容上依托数字孪生技术，从油浸式变压器多物理场数学模型及真实数据出发，提出了模型降阶方法，提高了计算效率，并通过实例验证了方法的可行性和优越性。

内容介绍

本书围绕电力系统数字化转型需求,系统研究了数字孪生技术在油浸式变压器状态监测中的应用。全书首先阐述数字孪生技术的概念特征及其在电气设备监测中的价值;其次深入分析变压器电磁-结构-温度-流场的多物理场耦合机理,建立各物理场控制方程;进而提出基于有限元和本征正交分解的降阶建模方法,实现计算效率与精度的平衡;最后结合220kV变压器案例,构建温度场数字孪生模型实现热点温度预测,并融合油中溶解气体数据改进LightGBM 算法提升故障诊断准确性。本书特点在于理论联系实际,形成了从机理分析到建模优化的完整技术路线,集成了有限元仿真与机器学习方法,具有一定 的创新性和实用价值,可为变压器智能运维提供技术支持。
本书适用于本书可作为相关领域工程技术人员、科学技术研究人员参考书。

前言

随着全球能源结构的转型和电力系统的智能化发展,数字化转型已成为电力行业不可逆转的趋势。电力系统作为现代能源体系的核心,其安全、稳定、高效地运行对社会经济发展至关重要。在这一背景下,数字孪生技术作为一种新兴的数字化工具,通过构建物理实体的虚拟映射,实现了对电力设备的实时监测、故障预测和优化控制,为电力行业的智能化升级提供了强有力的技术支持。油浸式变压器作为电力系统中不可或缺的设备,承担着电压转换和电能传输的重要任务,其运行状态直接关系到电网的稳定性和可靠性。然而,油浸式变压器在长期运行过程中,受电磁、热、流体等多物理场耦合作用的影响,容易出现绕组振动、温度升高等问题,进而引发绝缘老化、油质劣化等故障。传统的运维方式主要依赖定期检修和离线试验,难以实现对变压器内部状态的实时监测和精准预测。因此,如何利用数字孪生技术构建油浸式变压器的多物理场耦合模型,实现对其运行状态的全生命周期管理,成为当前电力行业研究的热点问题。本书以油浸式变压器为研究对象,结合数字孪生技术和多物理场耦合理论,提出了一种面向数字孪生应用的油浸式变压器多物理场耦合建模方法。通过构建油浸式变压器的数字孪生模型,实现了对其振动特性和热特性的实时仿真与预测,为变压器的健康监测和智能运维提供了科学依据。具体而言,本文的研究内容主要包括下述几个方面。 (1)数字化建设与数字孪生技术:从电力行业数字化转型的背景出发,阐述了数字孪生技术的概念、特征及其在电力系统中的应用价值。数字孪生技术通过虚实结合的方式,为电力设备的运行状态监测和故障预测提供了全新的技术路径。 (2)油浸式变压器的多物理场耦合机理:详细分析了油浸式变压器的工作原理、结构特点及其在运行过程中涉及的电磁场-结构场-温度场-流场的多物理场耦合问题。通过建立各物理场的控制方程,揭示了变压器内部振动和温度分布的形成机制。 (3)数字孪生模型的构建与仿真计算:基于有限元方法和本征正交分解(POD)技术,提出了油浸式变压器多物理场耦合的有限元降阶建模方法。通过仿真计算和实验验证,证明了降阶模型在保证计算精度的同时,显著提高了计算效率,满足了数字孪生模型对实时性的要求。 (4)数字孪生在变压器健康监测中的应用:结合实际运行数据,构建了220kV油浸式变压器的温度场数字孪生模型,实现了对变压器热点温度和油温的实时监测与预测。同时,基于油中溶解气体分析 (DGA)数据,提出了改进的LightGBM 算法,用于变压器故障诊断,进一步提升了状态监测的准确性和可靠性。 本书的研究不仅为油浸式变压器的数字孪生建模提供了理论支持和技术方法,还为电力设备的智能化运维和数字化转型提供了实践参考。通过数字孪生技术的应用,电力企业可以实现对变压器运行状态的精准感知和智能决策,从而提高设备的运行效率、延长使用寿命,并为构建新型电力系统奠定基础。未来,随着物联网、大数据、人工智能等技术的深度融合,数字孪生技术在电力行业的应用将更加广泛和深入。本书的研究成果为电力设备的数字化、智能化发展提供了有益的探索,同时也为相关领域的研究者提供了新的思路和方法。

目录

前言
第1章 概述
11 数字化建设
12 油浸式变压器
13 数字孪生模型
14 数字孪生技术在输变电设备领域的应用
15 面向数字孪生应用的油浸式变压器多物理场耦合方法概述
小结
第2章 变压器数字孪生建模及多物理场数学模型
21 变压器数字孪生实现架构
22 油浸式变压器振动特性与热特性
23 油浸式变压器绕组漏磁场
24 油浸式变压器绕组轴向振动
25 油浸式变压器绕组产热及油流传热
小结
第3章 变压器多物理场耦合有限元建模及仿真计算
31 变压器基本参数及几何模型
32 有限元数值计算方法及 ANSYS软件介绍
33 电磁—振动耦合场有限元数值建模
34 变压器电磁振动耦合场有限元仿真
35 电磁流体温度耦合场有限元数值建模
36 变压器电磁流体温度耦合场有限元仿真
小结
第4章 基于POD的变压器多物理场有限元降阶建模及数值计算
41 本征正交分解方法原理
42 变压器降阶建模搭建方法
43 数值计算模型
44 阶数对计算精度的影响
45 降阶模型与全阶模型的计算时间
小结
第5章 220kV油浸式变压器温度场数字孪生建模
51 计算模型的建立与求解条件设置
52 温度场数字孪生模型仿真验证
小结
第6章 基于数字孪生的油浸式变压器健康监测
61 变压器常见内部故障与产气特征
62 数据驱动模型
63 基于GCLightGBM 混合集成模型的变压器状态监测
64 变压器状态监测试验分析
小结
参考文献