本發(fā)明涉及一種基于改進(jìn)卷積神經(jīng)算子的變壓器電磁場快速計(jì)算方法，旨在解決傳統(tǒng)仿真方法計(jì)算復(fù)雜且耗時(shí)長，以及卷積神經(jīng)算子(cno)在處理真實(shí)世界中高度非均勻分布物理數(shù)據(jù)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。通過創(chuàng)新地結(jié)合神經(jīng)算子和r樹空間劃分算法處理方法，本方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)對變壓器電磁場的精確仿真，為電力裝備系統(tǒng)快速仿真提供重要支持。

背景技術(shù)：

1、變壓器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其內(nèi)部電磁場的精確仿真對變壓器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。傳統(tǒng)的仿真方法通常使用有限元分析等技術(shù)，但當(dāng)面對真實(shí)世界中高度非均勻分布的物理數(shù)據(jù)時(shí)，這些方法往往面臨挑戰(zhàn)。因此，有必要開發(fā)一種新的方法來有效地進(jìn)行變壓器的電磁場仿真，以提高準(zhǔn)確性和效率?；谏疃葘W(xué)習(xí)的方法，尤其是神經(jīng)算子（neural?operators）模型，通過學(xué)習(xí)復(fù)雜物理場的映射關(guān)系，可以在保證精度的前提下顯著提高計(jì)算效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明涉及一種基于r樹空間劃分和卷積神經(jīng)算子的變壓器電磁場快速計(jì)算方法，旨在解決傳統(tǒng)仿真方法計(jì)算復(fù)雜且耗時(shí)長，以及卷積神經(jīng)算子(cno)在處理真實(shí)世界中高度非均勻分布物理數(shù)據(jù)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。通過創(chuàng)新地結(jié)合神經(jīng)算子和r樹空間劃分算法處理方法，本方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)對變壓器電磁場的精確仿真，為電力裝備系統(tǒng)快速仿真提供重要支持。

2、建立電磁場仿真模型，本發(fā)明首先利用comsol?multiphysics軟件中的變壓器案例建立電磁場仿真模型。利用了對稱簡化計(jì)算，將變壓器模型刪減到四分之一，由于模型左右物理場不同，特別是對于線圈而言，相位差相差了120度，故在對稱簡化時(shí)采取的是上下、前后對稱簡化。該模型采用瞬態(tài)分析方法，考慮了變壓器中的多匝線圈域和磁芯的非線性b-h曲線特；將變壓器分割為1528個(gè)網(wǎng)格單元，并使用有限元方法求解每個(gè)單元的方程組，最終得到整個(gè)系統(tǒng)的方程組；

3、數(shù)據(jù)預(yù)處理，在fem仿真中，設(shè)置恒定頻率f=50hz、交流電壓vac=110kv、初級(jí)電阻rp=100歐姆、初級(jí)線圈匝數(shù)np=1100、次級(jí)線圈匝數(shù)ns=105；設(shè)定rs的取值為1到10歐姆，步長為1歐姆，t的取值為0.001到0.06秒，步長為0.001秒，共取得6000組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集；設(shè)定rs=[5.5,?15.5,?25.5,?35.5,?45.5,?55.5,?65.5,?75.5,?85.5,?95.5]，t的取值為0.001到0.06秒，步長為0.001秒，共取得600組數(shù)據(jù)作為測試集，每組數(shù)據(jù)由1528個(gè)數(shù)組成；

4、模型搭建，r-cno模型具有多層3d卷積層，每層包含不同數(shù)量的通道和特征寬度；為了處理輸入數(shù)據(jù)的非均勻性，模型引入了r樹空間分解算法，對電磁場的幾何空間坐標(biāo)輸入?yún)?shù)進(jìn)行區(qū)域分解，并根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)密度動(dòng)態(tài)調(diào)整子域的網(wǎng)格大小，以最小化插值誤差，實(shí)現(xiàn)非均勻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為均勻網(wǎng)格數(shù)據(jù)；

5、模型訓(xùn)練，r-cno模型的訓(xùn)練采用adam優(yōu)化器，學(xué)習(xí)率為0.001，權(quán)重衰減為10^(-4)，并結(jié)合reducelronplateau學(xué)習(xí)率調(diào)度器進(jìn)行訓(xùn)練。模型的損失函數(shù)包括兩部分：第一部分是網(wǎng)絡(luò)輸出與真實(shí)子域網(wǎng)格之間的偏差，第二部分是正則化項(xiàng)，即網(wǎng)絡(luò)輸出與真實(shí)點(diǎn)云之間的插值誤差。正則化項(xiàng)的權(quán)重為5×10^(-3)。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集包含6000組數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)集包含600組數(shù)據(jù)，用于評(píng)估模型的準(zhǔn)確性；

6、結(jié)果反處理，經(jīng)過模型訓(xùn)練后，將測試數(shù)據(jù)集中的變壓器二次負(fù)載電阻和仿真時(shí)間、三維點(diǎn)云輸入到訓(xùn)練好的模型中，即可得到電磁場的仿真結(jié)果；再采用k折交叉驗(yàn)證法進(jìn)行精度評(píng)估后所篩選出的最優(yōu)模型；最后，對仿真結(jié)果進(jìn)行反處理操作，將r-cno模型輸出的電磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，以恢復(fù)到原始comsol仿真生成的1528個(gè)網(wǎng)格單元上；在插值完成后進(jìn)行均值平滑操作，確定該網(wǎng)格單元周圍的相鄰單元格，計(jì)算相鄰單元格的數(shù)據(jù)均值，并將該均值作為當(dāng)前網(wǎng)格單元的值，即可獲得變壓器磁場的最終仿真結(jié)果；

7、結(jié)果分析，將插值后的r-cno模型預(yù)測電磁場分布圖與comsol?multiphysics仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。評(píng)估模型在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和非均勻數(shù)據(jù)環(huán)境下的仿真精度和計(jì)算效率，分析模型的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.一種基于改進(jìn)卷積神經(jīng)算子的變壓器電磁場快速計(jì)算方法，用于實(shí)現(xiàn)對電力變壓器三維電磁場的快速仿真代理模型的建立，其實(shí)現(xiàn)過程主要包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1，其中r-cno模型包括以下特征：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2，其中變壓器的三維電磁場分布由以下方程組確定：

4.根據(jù)權(quán)利要求3，其中r-cno模型在訓(xùn)練和推理過程中利用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對變壓器復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和非均勻數(shù)據(jù)的高效處理。

5.?根據(jù)權(quán)利要求4，其中r-cno模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集由comsol?multiphysics仿真生成，之后通過r樹分解和動(dòng)態(tài)調(diào)整子域網(wǎng)格技術(shù)，來優(yōu)化cno模型在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和非均勻數(shù)據(jù)環(huán)境下的仿真效果。

6.?根據(jù)權(quán)利要求5，其中cno模型的輸出包括變壓器在不同二次負(fù)載電阻?rs和仿真時(shí)間?t下的電磁場分布圖，用于工程優(yōu)化和性能預(yù)測。

7.根據(jù)權(quán)利要求6，其中cno模型通過降低數(shù)據(jù)維度和優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜電磁場問題中的快速學(xué)習(xí)和精確預(yù)測。

8.根據(jù)權(quán)利要求1，cno模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為4個(gè)三維卷積層，每層模態(tài)數(shù)為8，每層特征寬度為20。

9.?根據(jù)權(quán)利要求8，其中cno模型的優(yōu)化器采用adam算法，學(xué)習(xí)率為0.001，權(quán)重衰減為0.0004，并結(jié)合reducelronplateau學(xué)習(xí)率調(diào)度器進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練輪數(shù)為?500?輪，批大小為20。

10.根據(jù)權(quán)利要求9，r-cno模型的損失函數(shù)的構(gòu)成包含兩部分：

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于r-cno的變壓器電磁場仿真代理模型，其特征在于，所述r-cno模型是采用k折交叉驗(yàn)證法進(jìn)行精度評(píng)估后所篩選出的最優(yōu)模型。

12.根據(jù)權(quán)利要求11任意一項(xiàng)所述的基于r-cno的三相變壓器電磁場仿真代理模型，其特征在于，所述反處理操作包括：先利用所述三維特征向量對所述測試結(jié)果進(jìn)行反變換后，再加上所述均值，即可獲得三相變壓器磁場的仿真結(jié)果。

13.根據(jù)權(quán)利要求12，其中r-cno模型通過在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和非均勻數(shù)據(jù)環(huán)境下進(jìn)行測試和驗(yàn)證，展示了在變壓器三維電磁場快速仿真中的顯著優(yōu)勢和實(shí)用性。

技術(shù)總結(jié)
本研究提出了一種基于改進(jìn)卷積神經(jīng)算子的變壓器電磁場快速計(jì)算方法。首先，使用數(shù)值仿真軟件構(gòu)建變壓器的有限元模型，通過有限元求解獲得不同負(fù)載電阻和仿真時(shí)間下的電磁場分布，制作數(shù)據(jù)集并劃分為訓(xùn)練集和測試集；訓(xùn)練數(shù)據(jù)集通過R樹將問題域迭代劃分為多個(gè)子域，并在各子域上自適應(yīng)地使用不同大小的網(wǎng)格進(jìn)行插值；插值后的變壓器電阻及仿真時(shí)間用于卷積神經(jīng)算子的訓(xùn)練；損失函數(shù)考慮了網(wǎng)絡(luò)輸出與子域網(wǎng)格的偏差和與點(diǎn)云間的插值誤差，通過訓(xùn)練得到滿足誤差預(yù)期的模型；最后，通過反向插值將網(wǎng)絡(luò)輸出的子域網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為仿真結(jié)果。該模型顯著提升了仿真速度，適用于處理非均勻點(diǎn)云數(shù)據(jù)且仿真精度高，滿足三維電磁場的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算需求。

技術(shù)研發(fā)人員：胡緯豪,黃美發(fā),鐘艷如
受保護(hù)的技術(shù)使用者：桂林電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21