基于数字孪生的高温超导电缆温度场三维建模

Telecom Power Technology
设计应用技术
 2023年11月25日第40卷第22期
45 Telecom Power Technology
Nov. 25, 2023, Vol.40 No.22
张　寒，等：基于数字孪生的 高温超导电缆温度场三维建模
设计的数字孪生技术基础架构中，高温超导电缆温度场工况数据为自管理的基础，数字孪生模型为自管理的核心，三维建模软件为自管理的载体[6]。

将3个组成结构合理连接，形成完整的数字孪生技术架构，可为高温超导电缆温度场三维建模仿真功能的运行提供保障[7]。

本文在高温超导电缆温度场三维建模中设计的电缆参数值，如表1所示。

表1　高温超导电缆参数设定项目参数值电缆长度/km 1正常运行温度/K 70临界温度/K 92导体层层数/层4额定电压/kV 110额定电流/A 3 000临界电流/A
3 800
基于表1设置的参数值，计算电缆的电阻率为
()
1
212L L 0a
L L 0a
ρρρρρρρρρ++⋅=
+++ （1）式中：ρL 1、ρL 2分别表示电缆第一、二导体层对应带材的电阻率；ρ0表示带材处于超导态的电阻率；ρa 表示带材失超时的电阻率。

通过计算得出电缆的电阻率，结合表1的参数，完成基于数字孪生的模型参数
设计。

1.2　建立高温超导电缆温度场三维模型
综合考虑高温超导电缆导体层与骨架之间的并联关系后，在电缆温度场三维建模中，采用2个并联的可变电阻模拟导体层与骨架。

先利用MATLAB 模拟软件设计接口程序并调用，再建立高温超导电缆温度场三维模型，流程如图2所示[8]。

设定相同的采样频率，通过MATLAB 计算程序、电力系统计算机辅助设计（Power Systems Computer Aided Design ，PSCAD ）软件与MATLAB 接口程序采集高温超导电缆电流。

输入设定的基于数字孪生的模型参数，实时监控并分析电缆导体层与骨架的阻值变化，并在此基础上，将电缆导体层与骨架的阻值返送给三维模型，通过模型的运行得出新的电流值、电压值、温度及阻值。

随后经过计算程序的计算分析，如此循环，直至高温超导电缆温度场运行结束。

通过上述流程步骤，完成基于数字孪生的高温超导电缆温度场三维建模。

2　实验分析
2.1　实验准备
为了探究提出的三维建模方法的可行性及应用效果，避免直接投入高温超导电缆工程中使用出现异
物理对象原理+数据
控制器
机理模型+数据驱动模型描述诊断预测决策
数据基础模型核心
软件载体
图1　数字孪生技术基础架构
温度场模型
PSCAD与MATLAB 接口程序
MATLAB 计算程序
波形图
采集电流采集电流采样频率
采样频率
电流电压
温度阻值
导体层和骨架阻值
导体层和骨架阻值
图2　高温超导电缆温度场三维模型建立流程。