本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)，具體為一種500kv電力電纜有限元建模及導(dǎo)體溫度仿真方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在商業(yè)、工業(yè)以及民用等方面對(duì)于電力需求正在逐漸增大?，F(xiàn)今的輸電系統(tǒng)在城市和近距離輸電方面主要依靠電力電纜作為傳輸方法。電力電纜作為輸電線路的一種替代形式，相較于傳統(tǒng)的空氣絕緣輸電線路(如架空輸電線路)具有較高的安全性和可靠性。

2、為了滿足將來(lái)，傳輸容量更大、電壓更高的電纜在城市電力系統(tǒng)建設(shè)中，500超高電壓電纜線路將會(huì)是其中的一個(gè)選擇。500kv電力電纜是一種用于輸送高壓電能的電纜，通常用于長(zhǎng)距離的電力電纜；并且與傳統(tǒng)的電力輸送方式不同，500kv電纜常鋪設(shè)在土壤里，這樣有利于電力系統(tǒng)安全運(yùn)行以及延長(zhǎng)電纜的壽命。

3、在500kv電力電纜的正常運(yùn)行過(guò)程中，確定電纜導(dǎo)體溫度是對(duì)于監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行的十分重要的一個(gè)方面。如果導(dǎo)體的溫度超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)最高溫度，將會(huì)導(dǎo)致絕緣材料老化加速，電纜壽命縮短，不利于電力輸送，更有可能出現(xiàn)重大的安全故障。在傳統(tǒng)的電纜導(dǎo)體溫度監(jiān)測(cè)大多采用傳感設(shè)備獲取導(dǎo)體的溫度，然而這種方法具有一定的延遲性不能很好的反映出電纜導(dǎo)體的溫度情況。

4、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究人員將電力電纜領(lǐng)域與三維建模相結(jié)合，通過(guò)建模的方法能夠及時(shí)的獲知電纜工作狀態(tài)；如現(xiàn)有技術(shù)中，采用有限元建模方式實(shí)現(xiàn)電纜建模，并進(jìn)行導(dǎo)體溫度仿真實(shí)驗(yàn)。其中，有限元建模作為一種工程分析方法，廣泛用于模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的行為。在電力電纜領(lǐng)域，有限元建模被應(yīng)用于分析和優(yōu)化電纜的結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)分布、熱分布和機(jī)械應(yīng)力等。但是在利用有限元方法對(duì)電纜進(jìn)行建模及導(dǎo)體溫度仿真過(guò)程中缺少對(duì)時(shí)空態(tài)勢(shì)演變的研究，尤其是所處地下的深度以及季節(jié)性的變化等因素的影響，因此不能準(zhǔn)確地了解500kv電纜在工作時(shí)的導(dǎo)體溫度變化情況。

5、為此，本發(fā)明提出一種500kv電力電纜有限元建模及導(dǎo)體溫度仿真方法和系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種500kv電力電纜有限元建模及導(dǎo)體溫度仿真方法和系統(tǒng)用于對(duì)埋在土壤里的500kv電纜進(jìn)行研究；其中，本發(fā)明主要內(nèi)容包括：首先，通過(guò)獲取研究相關(guān)的500kv電纜的相關(guān)信息，并將獲取的信息進(jìn)行預(yù)處理以便于后期的有限元建模；其次，采用有限元軟件建立500kv電纜三維有限元模型，通過(guò)該模型進(jìn)行500kv電纜的導(dǎo)體溫度仿真研究；其中，為了準(zhǔn)確地捕捉500kv電纜的導(dǎo)體內(nèi)部和表面準(zhǔn)確捕捉溫度的空間分布；本發(fā)明采用了一種網(wǎng)格劃分方法，該方法通過(guò)500kv電纜三維有限元模型的表面節(jié)點(diǎn)初始化有限元網(wǎng)格，通過(guò)對(duì)有限元網(wǎng)格求解的梯度信息擬合設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)，以此得到對(duì)500kv電纜三維有限元模型最優(yōu)的劃分網(wǎng)格；進(jìn)一步地，為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體溫度仿真目標(biāo)，在仿真過(guò)程中設(shè)置仿真溫度邊界條件；其中，所述仿真溫度邊界條件包括：環(huán)境溫度、對(duì)流邊界和輻射邊界；在設(shè)置過(guò)程中將電纜埋在土里深度和季節(jié)性變化進(jìn)行考慮，能夠提供準(zhǔn)確和可靠的仿真結(jié)果，幫助評(píng)估電纜在各種工作條件下的熱性能；最后，本發(fā)明通過(guò)熱傳導(dǎo)分析方法對(duì)500kv電纜三維有限元模型在仿真過(guò)程中進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，該方法通過(guò)兩個(gè)變量共同作用于導(dǎo)體的溫度分布；在此過(guò)程通過(guò)耦合電磁場(chǎng)分析和熱傳導(dǎo)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確地獲取導(dǎo)體溫度分布。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種500kv電力電纜有限元建模及導(dǎo)體溫度仿真方法；包括：獲取500kv電纜的相關(guān)信息；其中，所述相關(guān)信息包括：詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙和參數(shù)規(guī)格；

4、進(jìn)一步地，對(duì)所述相關(guān)信息進(jìn)行預(yù)處理，得到標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)數(shù)據(jù)；其中，所述預(yù)處理包括：

5、對(duì)所述相關(guān)信息進(jìn)行整理和格式化，得到初始數(shù)據(jù)；統(tǒng)一所述初始數(shù)據(jù)單位，得到第一相關(guān)數(shù)據(jù)；對(duì)所述第一相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失值填充，得到第二相關(guān)數(shù)據(jù)；提取所述第二相關(guān)數(shù)據(jù)的特征，得到第三相關(guān)數(shù)據(jù)；

6、其中，所述第三相關(guān)數(shù)據(jù)包括：導(dǎo)體布置數(shù)據(jù)、絕緣層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和護(hù)套材料數(shù)據(jù)；所述導(dǎo)體布置數(shù)據(jù)包括：導(dǎo)體材料數(shù)據(jù)、截面形狀數(shù)據(jù)、排列數(shù)據(jù)和幾何參數(shù)；所述絕緣層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括：材料類型數(shù)據(jù)、層數(shù)、每層厚度和絕緣參數(shù)；所述護(hù)套材料數(shù)據(jù)包括：護(hù)套材料數(shù)據(jù)、護(hù)套厚度和保護(hù)參數(shù)；

7、對(duì)所述第三相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化，得到所述標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)數(shù)據(jù)；

8、進(jìn)一步地，根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)數(shù)據(jù)采用有限元軟件建立500kv電纜三維有限元模型；

9、進(jìn)一步地，將所述500kv電纜三維有限元模型劃分個(gè)有限元網(wǎng)格；其中，n為大于1的自然數(shù)；其中，所述有限元網(wǎng)格的劃分包括以下步驟：

10、步驟一：在所述500kv電纜三維有限元模型的表面生成節(jié)點(diǎn)；

11、步驟二：根據(jù)所述節(jié)點(diǎn)初始化所述有限元網(wǎng)格；其中，包括：所述有限元網(wǎng)格的數(shù)量、形狀和尺寸；

12、步驟三：計(jì)算所述有限元網(wǎng)格的數(shù)值解；

13、步驟四：根據(jù)網(wǎng)格優(yōu)化目標(biāo)，評(píng)估所述數(shù)值解的梯度信息；其中，所述優(yōu)化目標(biāo)包括：最大化網(wǎng)格精度、最小化計(jì)算成本、最優(yōu)化網(wǎng)格形狀和最優(yōu)化網(wǎng)格數(shù)量；

14、所述最大化網(wǎng)格精度包括增加所述有限元網(wǎng)格的密度；所述最小化計(jì)算成本包括減少非關(guān)鍵所述有限元網(wǎng)格的計(jì)算量；所述最優(yōu)化網(wǎng)格形狀包括：擬合電纜曲線和網(wǎng)格之間具有正交性；所述優(yōu)化網(wǎng)格數(shù)量包括：去除非關(guān)鍵點(diǎn)所述有限元網(wǎng)格。

15、步驟五：根據(jù)所述梯度信息調(diào)整所述有限元網(wǎng)格；

16、步驟六、重復(fù)所述步驟三至所述步驟五，直至所述數(shù)值解達(dá)到所述網(wǎng)格優(yōu)化目標(biāo)的收斂條件。

17、對(duì)多個(gè)所述有限元網(wǎng)格定義仿真溫度邊界條件；

18、進(jìn)一步地，所述500kv電纜三維有限元模型加載所述仿真溫度邊界條件進(jìn)行仿真；所述仿真溫度邊界條件包括：環(huán)境溫度、對(duì)流邊界和輻射邊界；

19、其中，所述環(huán)境溫度根據(jù)所述500kv電纜埋入土壤內(nèi)深度結(jié)合季節(jié)變化因素進(jìn)行定義；

20、所述環(huán)境溫度的公式定義為：其中，tmean表示為土壤的平均溫度；δt表示為季節(jié)性溫度變化的振幅；tseason表示為季節(jié)周期；d表示為所述500kv電纜埋入深度變量；t表示為時(shí)間變量；sin()表示為正弦函數(shù)；

21、所述對(duì)流邊界根據(jù)所述500kv電纜的導(dǎo)體表面的對(duì)流換熱系數(shù)和周圍環(huán)境溫度進(jìn)行定義；

22、其中，所述對(duì)流邊界的公式定義為：qconv＝h*a*(tcsurface-tsoil(d,t))；其中，h表示為導(dǎo)體表面的對(duì)流換熱系數(shù)；a表示為導(dǎo)體表面的表面積；tcsurface表示為導(dǎo)體表面的溫度；

23、所述輻射邊界根據(jù)所述500kv電纜的保護(hù)套和周圍環(huán)境溫度進(jìn)行定義；

24、其中，所述輻射邊界根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律的公式定義為：qrad＝ε*σ*b*((trsurface)4+(tsoil(d,t)+273.15)4)；ε表示為保護(hù)套表面的輻射率，取值范圍為(0,1)；σ表示為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；b表示為保護(hù)套的表面積；trsurface表示為保護(hù)套的表面溫度，單位為開爾文。

25、進(jìn)一步地，在仿真過(guò)程中進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，得到熱傳導(dǎo)分析結(jié)果；其中，所述熱傳導(dǎo)分析過(guò)程包括：獲取生成的所述有限元網(wǎng)格；

26、進(jìn)一步地，計(jì)算所述有限元網(wǎng)格內(nèi)500kv電纜導(dǎo)體的導(dǎo)電率；所述導(dǎo)電率的計(jì)算公式為：其中，μtemp表示為理想溫度下的電纜導(dǎo)電率；α表示為溫度系數(shù)；temp表示為理想溫度；

27、進(jìn)一步地，加載所述500kv電纜的電磁場(chǎng)邊界條件；

28、進(jìn)一步地，計(jì)算所述有限元網(wǎng)格內(nèi)導(dǎo)體的電磁場(chǎng)；其中，所述電磁場(chǎng)的計(jì)算公式為：其中，κ表示為導(dǎo)體材料的導(dǎo)磁率；v表示為磁矢量；j表示為電流密度；λ表示為角頻率；表示為梯度；

29、進(jìn)一步地，判斷所述電磁場(chǎng)是否收斂；當(dāng)所述電磁場(chǎng)未收斂時(shí)，重新計(jì)算所述電磁場(chǎng)；當(dāng)所述電磁場(chǎng)收斂時(shí)，加載所述仿真溫度邊界條件，并計(jì)算溫度場(chǎng)；其中，所述溫度場(chǎng)的計(jì)算公式為：其中，c表示為所述500kv電纜的導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)；q表示為所述500kv電纜的導(dǎo)體內(nèi)部每單位體積產(chǎn)生的熱量；

30、進(jìn)一步地，判斷所述溫度場(chǎng)是否收斂；當(dāng)所述溫度場(chǎng)未收斂時(shí)，重新計(jì)算所述導(dǎo)電率；當(dāng)所述溫度場(chǎng)收斂時(shí)，顯示所述有限元網(wǎng)格的溫度分布。

31、一種500kv電力電纜有限元建模及導(dǎo)體溫度仿真系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)處理單元、幾何建模單元、網(wǎng)格生成單元、仿真單元、熱傳導(dǎo)分析單元、評(píng)估單元和反饋單元；其中，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)500kv的相關(guān)信息，包括：詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙和參數(shù)規(guī)格；所述數(shù)據(jù)處理單元，用于對(duì)所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的資料進(jìn)行預(yù)處理；其中，所述數(shù)據(jù)處理單元包括：對(duì)所述相關(guān)信息進(jìn)行整理和格式化，得到初始數(shù)據(jù)；統(tǒng)一所述初始數(shù)據(jù)單位，得到第一相關(guān)數(shù)據(jù)；對(duì)所述第一相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失值填充，得到第二相關(guān)數(shù)據(jù)；提取所述第二相關(guān)數(shù)據(jù)的特征，得到第三相關(guān)數(shù)據(jù)；

32、其中，所述第三相關(guān)數(shù)據(jù)包括：導(dǎo)體布置數(shù)據(jù)、絕緣層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和護(hù)套材料數(shù)據(jù)；所述導(dǎo)體布置數(shù)據(jù)包括：導(dǎo)體材料數(shù)據(jù)、截面形狀數(shù)據(jù)、排列數(shù)據(jù)和幾何參數(shù)；所述絕緣層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括：材料類型數(shù)據(jù)、層數(shù)、每層厚度和絕緣參數(shù)；所述護(hù)套材料數(shù)據(jù)包括：護(hù)套材料數(shù)據(jù)、護(hù)套厚度和保護(hù)參數(shù)；

33、對(duì)所述第三相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化，得到所述標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)數(shù)據(jù)。

34、所述幾何建模單元，用于建立500kv電纜三維有限元模型；

35、所述網(wǎng)格生成單元，用于規(guī)劃有限元網(wǎng)格；其中，所述有限元網(wǎng)格的規(guī)劃步驟包括：

36、步驟一：在所述500kv電纜三維有限元模型的表面生成節(jié)點(diǎn)；

37、步驟二：根據(jù)所述節(jié)點(diǎn)初始化所述有限元網(wǎng)格；其中，包括：所述有限元網(wǎng)格的數(shù)量、形狀和尺寸；

38、步驟三：計(jì)算所述有限元網(wǎng)格的數(shù)值解；

39、步驟四：根據(jù)網(wǎng)格優(yōu)化目標(biāo)，評(píng)估所述數(shù)值解的梯度信息；其中，所述優(yōu)化目標(biāo)包括：最大化網(wǎng)格精度、最小化計(jì)算成本、最優(yōu)化網(wǎng)格形狀和最優(yōu)化網(wǎng)格數(shù)量；

40、步驟五：根據(jù)所述梯度信息調(diào)整所述有限元網(wǎng)格；

41、步驟六、重復(fù)所述步驟三至所述步驟五，直至所述數(shù)值解達(dá)到所述網(wǎng)格優(yōu)化目標(biāo)的收斂條件。

42、所述仿真單元，用于進(jìn)行導(dǎo)體溫度仿真；其中，所述仿真單元還包括在仿真過(guò)程中定義仿真溫度邊界條件；其中，所述仿真溫度邊界條件包括：環(huán)境溫度、對(duì)流邊界和輻射邊界；

43、其中，所述環(huán)境溫度根據(jù)所述500kv電纜埋入土壤內(nèi)深度結(jié)合季節(jié)變化因素進(jìn)行定義；

44、所述環(huán)境溫度的公式定義為：其中，tmean表示為土壤的平均溫度；δt表示為季節(jié)性溫度變化的振幅；tseason表示為季節(jié)周期；d表示為所述500kv電纜埋入深度變量；t表示為時(shí)間變量；sin()表示為正弦函數(shù)；

45、所述對(duì)流邊界根據(jù)所述500kv電纜的導(dǎo)體表面的對(duì)流換熱系數(shù)和周圍環(huán)境溫度進(jìn)行定義；其中，所述對(duì)流邊界的公式定義為：qconv＝h*a*(tcsurface-tsoil(d,t))；其中，h表示為導(dǎo)體表面的對(duì)流換熱系數(shù)；a表示為導(dǎo)體表面的表面積；tcsurface表示為導(dǎo)體表面的溫度；

46、所述輻射邊界根據(jù)所述500kv電纜的保護(hù)套和周圍環(huán)境溫度進(jìn)行定義；

47、其中，所述輻射邊界根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律的公式定義為：qrad＝ε*σ*b*((trsurface)4+(tsoil(d,t)+273.15)4)；ε表示為保護(hù)套表面的輻射率，取值范圍為(0,1)；σ表示為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；b表示為保護(hù)套的表面積；trsurface表示為保護(hù)套的表面溫度，單位為開爾文。

48、所述熱傳導(dǎo)分析單元，用于仿真過(guò)程中對(duì)熱傳導(dǎo)進(jìn)行分析；其中，所述熱傳導(dǎo)分析過(guò)程包括：獲取生成的所述有限元網(wǎng)格；

49、進(jìn)一步地，計(jì)算所述有限元網(wǎng)格內(nèi)500kv電纜導(dǎo)體的導(dǎo)電率；所述導(dǎo)電率的計(jì)算公式為：其中，μtemp表示為理想溫度下的電纜導(dǎo)電率；α表示為溫度系數(shù)；temp表示為理想溫度；

50、進(jìn)一步地，加載所述500kv電纜的電磁場(chǎng)邊界條件；

51、進(jìn)一步地，計(jì)算所述有限元網(wǎng)格內(nèi)導(dǎo)體的電磁場(chǎng)；

52、其中，所述電磁場(chǎng)的計(jì)算公式為：其中，κ表示為導(dǎo)體材料的導(dǎo)磁率；v表示為磁矢量；j表示為電流密度；λ表示為角頻率；表示為梯度；

53、進(jìn)一步地，判斷所述電磁場(chǎng)是否收斂；當(dāng)所述電磁場(chǎng)未收斂時(shí)，重新計(jì)算所述電磁場(chǎng)；當(dāng)所述電磁場(chǎng)收斂時(shí)，加載所述仿真溫度邊界條件，并計(jì)算溫度場(chǎng)；其中，所述溫度場(chǎng)的計(jì)算公式為：其中，c表示為所述500kv電纜的導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)；q表示為所述500kv電纜的導(dǎo)體內(nèi)部每單位體積產(chǎn)生的熱量；

54、進(jìn)一步地，判斷所述溫度場(chǎng)是否收斂；當(dāng)所述溫度場(chǎng)未收斂時(shí)，重新計(jì)算所述導(dǎo)電率；當(dāng)所述溫度場(chǎng)收斂時(shí)，顯示所述有限元網(wǎng)格的溫度分布。

55、所述評(píng)估單元，用于對(duì)所述熱傳導(dǎo)分析單元的分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估；

56、所述反饋單元，用于相關(guān)工作人員反饋評(píng)估結(jié)果。

57、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

58、1、本發(fā)明提出一種500kv電纜在有限元建模過(guò)程中的網(wǎng)格劃分方法，該方法根據(jù)500kv電纜三維有限元模型的表面節(jié)點(diǎn)隨機(jī)初始化有限元網(wǎng)格，通過(guò)計(jì)算有限元網(wǎng)格的數(shù)值解，并根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)評(píng)估相關(guān)的梯度信息，以此調(diào)整有限元網(wǎng)格的數(shù)量，形狀和尺寸；這種方法能夠在導(dǎo)體表面和內(nèi)部細(xì)微區(qū)域更精確地捕捉溫度變化；通過(guò)增加網(wǎng)格密度，特別是在關(guān)鍵區(qū)域(如電纜接頭處或復(fù)雜幾何形狀的區(qū)域)，可以更準(zhǔn)確地模擬導(dǎo)體的溫度分布。

59、2、本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)500kv電纜在土里的導(dǎo)體溫度仿真，提出一種仿真溫度邊界條件；其中，所述仿真溫度邊界條件包括：環(huán)境溫度、對(duì)流邊界和輻射邊界；在設(shè)置過(guò)程中將電纜埋在土里深度和季節(jié)性變化作為邊界條件因素，能夠顯著提高仿真的現(xiàn)實(shí)性和準(zhǔn)確性，使仿真結(jié)果更具可信度。

60、3、本發(fā)明提出一種導(dǎo)體溫度仿真分析方法，該方法通過(guò)分析500kv電纜三維有限元模型的有限元網(wǎng)格內(nèi)導(dǎo)體的負(fù)載電流和環(huán)境溫度對(duì)導(dǎo)體溫度仿真的影響，通過(guò)兩個(gè)變量共同作用于導(dǎo)體的溫度分布；并且為了準(zhǔn)確地獲取導(dǎo)體溫度分布，在此過(guò)程通過(guò)耦合電磁場(chǎng)分析和熱傳導(dǎo)分析；這種綜合的導(dǎo)體溫度仿真分析方法能夠有效地提高仿真的準(zhǔn)確性和現(xiàn)實(shí)性，為電力系統(tǒng)工程和設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)支持和決策依據(jù)。