简介阅读
在工业4.0与新型电力系统建设的双重推动下，电力设备数字化、智能化运维已成为行业焦点。数字孪生作为实现设备全生命周期管理的核心技术，正在逐步应用于变压器状态监测、故障预测与健康管理中。然而，传统的三维多物理场仿真模型计算耗时过长，严重制约了数字孪生的实时性应用。 针对这一难题，重庆大学研究团队在《电工技术学报》2025年第13期发表最新研究成果，提出了一种基于Modelica语言的场路耦合简化模型，结合本征正交分解（POD）降阶技术，实现了油浸式电力变压器温升的高效与高精度计算。 数字孪生通过构建物理设备与虚拟模型之间的实时映射，实现对设备状态的动态感知与智能调控。然而，传统的三维有限元仿真虽
在工业4.0与新型电力系统建设的双重推动下，电力设备数字化、智能化运维已成为行业焦点。数字孪生作为实现设备全生命周期管理的核心技术，正在逐步应用于变压器状态监测、故障预测与健康管理中。然而，传统的三维多物理场仿真模型计算耗时过长，严重制约了数字孪生的实时性应用。
针对这一难题，重庆大学研究团队在《电工技术学报》2025年第13期发表最新研究成果，提出了一种基于Modelica语言的场路耦合简化模型，结合本征正交分解（POD）降阶技术，实现了油浸式电力变压器温升的高效与高精度计算。
数字孪生通过构建物理设备与虚拟模型之间的实时映射，实现对设备状态的动态感知与智能调控。然而，传统的三维有限元仿真虽精度高，但计算耗时常达数小时甚至数天，无法满足实时交互需求。尤其是在变压器绕组温升这类涉及流-热耦合的多物理场问题中，计算复杂度极高。
为进一步提高油浸式电力变压器绕组瞬态温升计算速度以满足实时性要求，研究团队基于 Modelica 语言将换流变压器的三维瞬态温度场模型简化为二维耦合一维的等效模型。相较于传统的模型降阶方法，本文所述模型计算速度更快，更好地满足了数字孪生模型对于时效性的要求。
1、基于 Modelica 的场路耦合模型构建方法
根据油流运动自由度，可将温升计算模型分为油箱部分和散热器部分，油箱部分的模型等效为二维轴对称模型（场模型），散热器部分的模型等效为一维计算模型（路模型）。通过将换流变压器的三维全尺寸模型简化为二维轴对称场模型和一维路模型，显著降低了模型的复杂程度。
为实现场模型与路模型之间的数据传输，基于 Modelica 语言构建换流变压器温升计算的场路耦合模型。整个模型和资源文件通过包的方式进行封装，使用 OpenModelica 平台加载该资源包，通过计算可以获得温度场和流场的瞬态节点数据以及一维模型的各变量数据。
图2 Modelica 模型的实现方法和封装形式
在散热器部分的一维等效模型，针对不同的场特点进行等效，包括流阻模型、散热器模型和水箱模型。在油箱部分的二维等效模型中，分析了瞬态不可压缩流场控制方程和温度场控制方程，为进一步加快计算速度，采用基于奇异值分解的本征正交分解方法对流场和温度场进行降阶处理。
为验证所述模型的适用性，本文使用一台35kV/800kV·A油浸自冷（ONAN）换流变压器缩比样机进行了温升实验。
1）达到稳态时，全阶模型与实验结果温度最大误差为 0.82 K，本文所述模型与实验结果温度最大误差为 1.37 K。该模型适用于油浸式变压器温升计算和绕组热点分析。
2）对于油浸式自冷换流变压器，在温升计算中不考虑包含散热装置的完整油流循环可能会导致计算的绕组热点温升大小和热点位置与实际情况出现较大偏差。
3）本文所述模型通过场路耦合及POD降阶法，有效地减少了计算成本。与全阶三维模型相比，计算速度提升了258.65倍，与全阶场路耦合模型相比，计算速度提升了5.1倍，更好地满足了数字孪生模型对于时效性的要求。
重庆大学电工装备仿真成像团队主要从事电磁成像、电力装备多物理场计算和数字孪生技术研究，团队主要成员如下。
杨帆，团队负责人，教授/博导，国家级青年人才，重庆市学术技术带头人。长期从事电磁成像、电力装备多物理场计算和数字孪生技术研究。主持智能电网国家科技重大专项项目等国家级项目/课题7项，承担国家电网公司、南方电网公司等企业科技项目40余项。获国家和省部级教学成果奖6项，省部和学会科技奖励9项，发表SCI论文150余篇，授权发明专利40余件。
姜慧，团队骨干，副教授/博导，主要从事高电压放电等离子体产生和生物医学应用、电力装备多物理场仿真等研究。主持国家自然科学基金项目等国家级项目/课题4项，承担国网总部科技项目多项。在IEEE Trans. DEI、中国电机工程学报等本领域知名学术期刊发表论文40余篇，授权发明专利多项。以第一作者发表的论文入选“第六届中国科协优秀科技论文”，获中国发明协会发明创业创新二等奖1项。
王鹏博，团队骨干，副研究员/硕导，入选重庆市博士后创新人才支持计划。长期从事多物理场耦合计算方法、太赫兹器件及成像技术、电力装备多场耦合仿真研究，主持国家自然科学基金项目等国家级项目/课题2项，承担国网总部科技项目多项。在Swarm Evol. Comput.、IEEE Trans. Electron Devices等国内外学术期刊上发表SCI论文20余篇，授权发明专利多项。获中国电工技术学会等行业学会二等奖2项。
杨子康，团队骨干，工程师，长期从事电气设备状态在线监测、嵌入式人工智能研究。主持中央高校基本科研业务费项目1项，承担和参与横向科研项目10余项，发表SCI/EI收录期刊论文10余篇。获中国发明协会发明创业创新二等奖1项。
本工作成果发表在2025年第13期《电工技术学报》，论文标题为“油浸式电力变压器温升计算场路耦合和降阶模型研究“。本课题为国家重点研发计划资助项目。
