电力装备多物理场数值计算发展现状

随着我国加快构建新型电力系统、助力实现“碳达峰、碳中和”战略的实施,全行业对电网的数字化转型和安全运行提出了更高要求。基于多物理场仿真技术实现电力装备运行状态的实时监测和故障预警,提高电力装备的数字化程度,实现电网核心设备的数字化、智能化运维是当前电网安全运行亟待解决的关键问题。本文首先简要回顾数值计算的发展历程,包括数值计算方法、语言和工程领域发展应用情况;在电气工程领域,除了应用于传统电力系统分析和电机设计分析的数值计算,以多物理场耦合数值计算为核心的计算高电压学可为传统的高电压试验研究提供重要的补充和支撑,已成为电力装备的研究热点。然后针对变压器、电抗器、套管等典型电力装备运行中常见的热故障、绝缘故障和机械故障,整理分析了各类故障所涉及的工程背景、计算分析内容、多物理场耦合模型、计算关键问题和关键材料特性,并指出目前多物理场数值计算面临材料非线性、多场耦合准确性和快速计算方法等方面的难题。此外,汇总了包括典型商业软件和开源软件在内的电力装备多物理场仿真计算平台,进一步指出目前国内高压电力装备计算正面临软件卡脖子的严峻形势。最后,从高压电力装备中如放电等复杂的多物理场过程、新型电工材料研究、高性能计算方法和数字孪生应用的角度,提出电力装备多物理场数值仿真的研究思路和发展方向。