本发明涉及设备智能化与数字化，尤其涉及一种面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法及系统。
背景技术：
1、有载分接开关是变压器的核心组成部件之一，其能够在保证不中断负载电流的情况下，实现调压的目的，保障分接开关的运行可靠性是实现电力系统正常运行的基础。经验表明，机械故障是有载分接开关的主要故障类型，在开关切换档位的过程中，动静触头多次碰撞产生的振动信号包含了大量的机械状态信息，可用于有载分接开关的状态评估。
2、传统的有载分接开关监测是通过振动传感器采集有载分接开关在动作时的振动信号，再由控制装置根据振动信号判断有载分接开关的运行状态，但是由于振动信号容易受各种随机因素的影响，这将直接导致运行状态判断结果的准确性，导致出现对有载分接开关状态监测不足的现象。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法及系统，克服现有技术对有载分接开关状态监测的不足。
2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，包括以下步骤：
3、步骤s1、采集有载分接开关上振动信号的实时监测数据；
4、步骤s2、基于实时监测数据，构建不同主轴速度下振动信号的有限元仿真模型；
5、步骤s3、采用自由振动方程拟合仿真模型，辨识振动方程未知参数，构建振动信号降阶模型；
6、步骤s4、将已辨识的参数映射到降阶模型，得到孪生模型，还原出在不同主轴转速下的振动信号；
7、步骤s5、搭建用户交互界面，将还原出的振动信号数据以可视化的形式展示给管理人员。
8、进一步地，在步骤s2中，不同主轴速度是通过安装于分接开关主轴上的旋转编码器来获取的。
9、进一步地，在步骤s2中，振动信号分解为n个不同的子振动信号，振动信号可表示为：
10、
11、其中，xi(t)为第i个振动子事件的振动波形；ε(t)为阶跃函数，当t<0时，ε(t)＝0，当t≥0时，ε(t)＝1；ti为第i个振动子事件的起始时刻。
12、进一步地，对于每个振动子事件，选择每个振动子事件波形第一个周期的零点作为起始时刻ti，进而可得到振动信号的拟合方程。
13、进一步地，在步骤s3中，采用自由振动方程拟合仿真模型，具体为：
14、首先，将每个子振动信号简化为弹簧-阻尼-质量系统的响应，而子振动信号的振动方程表示为：
15、
16、
17、其中：ξi为系统的阻尼比；为衰减项；为周期项；ωd,i为周期项的频率，且表示有阻尼振动系统的固有频率，只与系统的本身相关；ωn,i为无阻尼状态下系统的自然频率；
18、其次，设定弹簧初始位移x0,i＝0时，则子振动方程进一步简化为：
19、
20、其中，ξiωn,i为系统阻尼比与自然频率之积；ωd,i为固有频率；为弹簧的初速度；并且ξiωn,i、ωd,i、为未知参数；ξi为系统的阻尼比；为衰减项；
21、最后，根据子振动信号的振动波形图辨识出ξiωn,i、ωd,i和
22、进一步地，对于振动方程中的未知参数ωd,i的辨识方法为：
23、过滤子振动信号xi(t)小于零的极大值点以及由谐波引起的极大值点，获取处理后极大值点对应的时刻ti,j(j＝1,...,m)及幅值ai,j(j＝1,...,m)，m为极大值点的个数；
24、相邻极大值点之间的时间为则xi(t)的周期约为因此可得
25、进一步地，对于振动方程中的未知参数ξiωn,i的辨识方法为：
26、参数ξiωn,i反映了振动波形每周期的衰减程度，xi(t)相邻极大值幅值的衰减比例为一个周期内xi(t)幅值的衰减程度为因此参数
27、进一步地，对于振动方程中的未知参数的辨识方法为：
28、参数反映了振动波形幅值的绝对值大小，由公式来进行估算。
29、进一步地，孪生模型的激励为主轴的转速，响应为顶盖上产生的振动信号，参数为各机械部件的动力学参数。
30、进一步地，在步骤4中，将已辨识的振动方程参数映射到降阶模型，通过降阶模型得到孪生模型，辨识出各子振动信号的质量、刚度、阻尼，还原出在不同主轴转速下顶盖处的振动信号，具体为：
31、通过构建l个不同主轴转速下顶盖振动信号的降阶模型来训练得到振动系统的孪生模型，进而还原出不同主轴转速下顶盖处的振动信号，其中，ξiωn,i、ωd,i由振动系统本身的固有特性决定，因此根据l个仿真结果训练得到的参数ξiωn,i、ωd,i为：
32、
33、
34、ti随主轴转速v变化，建立基于分段线性插值的参数映射模型：
35、
36、ti＝f(v,(ti)k)
37、其中，f(·,·)为分段线性插值函数。
38、本发明还提供了一种面向有载分接开关振动信号的数字孪生体系统，包括：
39、数据采集模块：采集有载分接开关上振动信号的实时监测数据；
40、有限元仿真模型构建模块：基于实时监测数据，构建不同主轴速度下振动信号的有限元仿真模型；
41、降阶模型构建模块：利用自由振动方程拟合仿真模型，辨识振动方程的未知参数，构建振动信号的降阶模型；
42、孪生模型构建模块：将已辨识的参数映射到降阶模型，得到孪生模型，以还原出在不同主轴转速下的振动信号；
43、用户交互界面模块，搭建用户交互界面，将还原出的振动信号数据以可视化的形式展示给管理人员。
44、本发明还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
45、处理器和存储器；
46、所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法的步骤。
47、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令是计算机执行所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法的步骤。
48、本发明的有益效果为：本发明基于数字孪生技术结和传感器监测数据、高精度仿真技术，采用大数据及人工智能技术对有载分接开关振动信号进行可靠性建模，提供了对于有载分接开关运行状态的实时感知技术，有助于分接开关全生命周期的科学管理。
49、本发明集成了多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，通过结合传感器数据更新，采用大数据及机器学习建模方式构建了有载分接开关振动信号的数字孪生体，实现了对于有载分接开关顶盖振动信号的实时动态监测，大大降低了有载分接开关状态监测成本，提高了有载分接开关顶盖振动信号监测结果的实时性与精准性。
50、本发明将数据驱动建模方法用于有载分接开关多物理场、多体动力学建模，所建立的模型容易实现、模型易于更新，且具有良好的精度和一定的抗干扰性。
51、本发明建立了有载分接开关三维可视化系统，并将设备的运行状态实时准确的展示给用户，构建了清晰直观的用户界面，增强了数据的交互性，大大提高数据分析的效率，有助于管理人员的运营决策。
1.一种面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，在步骤s2中，不同主轴速度是通过安装于分接开关主轴上的旋转编码器来获取的。
3.根据权利要求1所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，在步骤s2中，振动信号分解为n个不同的子振动信号，振动信号可表示为：
4.根据权利要求3所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，对于每个振动子事件，选择每个振动子事件波形第一个周期的零点作为起始时刻ti，进而可得到振动信号的拟合方程。
5.根据权利要求1所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，在步骤s3中，采用自由振动方程拟合仿真模型，具体为：
6.根据权利要求5所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，对于振动方程中的未知参数ωd,i的辨识方法为：
7.根据权利要求5所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，对于振动方程中的未知参数ξiωn,i的辨识方法为：
8.根据权利要求5所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，对于振动方程中的未知参数的辨识方法为：
9.根据权利要求1所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，孪生模型的激励为主轴的转速，响应为顶盖上产生的振动信号，参数为各机械部件的动力学参数。
10.根据权利要求1所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法，其特征在于，在步骤s4中，将已辨识的振动方程参数映射到降阶模型，通过降阶模型得到孪生模型，辨识出各子振动信号的质量、刚度、阻尼，还原出在不同主轴转速下顶盖处的振动信号，具体为：
11.一种面向有载分接开关振动信号的数字孪生体系统，其特征在于，包括：
12.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令是计算机执行如权利要求1-10任一项所述的面向有载分接开关振动信号的数字孪生体构建方法的步骤。
