CN110188430A - 交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法 - Google Patents

交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，以达到优化配置均压装置包括如下步骤：运用三维有限元仿真计算软件建立实际尺寸的三维有限元模型，求解分段式复合绝缘子的电场强度分布；划分分段式复合绝缘子均压结构待优化部位；确定分段式复合绝缘子均压环结构优化决策变量和约束条件，建立结构优化目标函数；构造分段式复合绝缘子均压环结构优化设计评价函数；采用模拟退火操作混合差分进化算法，调用有限元分析程序进行求解。本发明有效降低绝缘子和均压环表面场强，并考虑均压环的设计周期和设计成本，具有广泛的实用性和经济性。

Description

交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法
技术领域
本发明属于电力设备绝缘结构设计技术领域，特别是涉及复合绝缘子均压环结构优化设计方法。
背景技术
复合绝缘子是高压输电线路的重要部件，其电压分布、电场分布直接影响自身的长期运行性能和线路的安全可靠性。复合绝缘子表面憎水性使其具有良好的耐污性能，特别是交流330kV复合绝缘子在我国西北地区广泛使用。当绝缘子和金具表面发生电晕放电，会对输电线路电磁环境、绝缘材料性能等造成影响。安装均压环可以降低复合绝缘子和两端金具表面场强，抑制电晕放电。一些憎水性、水迁移性和机械性能优良的配方体系无法满足复合绝缘子长度的要求，因此只能采用分段式复合绝缘子结构，即使用两段较短的复合绝缘子通过金具连接在一起达到一串较长复合绝缘子的绝缘要求。采用分段式复合绝缘子时，在两段复合绝缘子的连接部位需要设置均压环进行均压屏蔽。这一方面使得绝缘子串上均压环的数量增加，设计优化的工作量急剧增大；另一方面中部的均压环距离导线侧和杆塔侧均压环距离变小，互相之间的影响变大，已经不能使用早期的每个均压环单独优化的方式进行设计优化。因此需要采用合理的优化方法对330kV分段式复合绝缘子的均压结构进行优化设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，以达到优化配置均压装置，均匀化绝缘子的分布电压和电场分布，提高绝缘子的外绝缘特性的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，包括以下步骤：
1)、运用ANSYS软件建立实际尺寸的杆塔、复合绝缘子、金具及导线的三维有限元模型，建立复合绝缘子的电场分析程序，该程序以复合绝缘子中均压环的结构参数作为输入变量，输出复合绝缘子各部位电场强度分布；
2)、将复合绝缘子整体结构划分为：导线侧、杆塔侧和分段处三个子结构，并确定待优化子结构的优化顺序；
3)、根据复合绝缘子均压结构子结构的特征，确定第一个子结构的优化决策变量并确定其取值范围，综合考虑关键部位的最大电场强度及经济型，并建立相应的优化目标函数；
4)、将优化目标函数归一化后，采用判断矩阵法，分析多个目标重要性后，构造复合绝缘子均压结构多目标优化设计评价函数；
5)、采用混合差分进化算法对复合绝缘子均压结构多目标优化设计评价函数进行寻优；
6)、按照步骤2)中确定的优化顺序，对下一个待优化结构进行寻优操作，固定第一个子结构参数不变，执行上述步骤3)、4)和5)，直至完成全部子结构的优化，获得优化后交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明基于一种330kV分段式复合绝缘子，由于分段式结构引入的均压环数量增多，本发明除了考虑每个均压环优化过程中的管径、环径和位置因素之外，还考虑了同一相复合绝缘子各个均压环相互之间的影响，为交流330kV分段式复合绝缘子整体均压结构设计和优化确定方案，有效降低绝缘子和均压环表面场强，并考虑均压环的设计周期和设计成本，具有广泛的实用性和经济性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中基于模拟退火操作混合差分进化算法的交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法的流程示意图。
图2为复合绝缘子的电场有限元程序流程示意图。
图3为混合差分进化算法流程示意图。
图4所示的均压环结构评价函数收敛过程示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
以往线路复合绝缘子的均压特性研究，就是通过逐个调整复合绝缘子均压环的管径、环径和位置来调节绝缘子上的电位、电场分布，使其满足工程控制要求。
本发明的对象是330KV分段式复合绝缘子，为了对分段处连接部位的金具进行屏蔽，在分段处连接部位设置两个小型均压环，相当于在高压侧和低压侧均压环之间又引入了一对均压环，这组均压环与高压侧和低压侧的均压环的距离大大缩短，使得均压环之间的影响变大。所以本发明中除了考虑均压环优化过程中管径、环径和位置因素之外，还考虑了高压输电线路绝缘子的各个均压环相互之间的影响，因此同时对一串复合绝缘子上的所有均压环同时进行设计优化。由于均压环的配置参数较多，每个参数对绝缘子及其自身的电场分布影响均不同，因而需要深入探索各参数对绝缘子电场分布影响的规律，并以此为依据选择合理的均压环配置参数。故而交流330kV线路分段式绝缘子均压装置的优化设计属于多参数、多目标的优化问题。对于这种多目标优化问题，由于优化变量和决策变量之间根本不存在显式的确定关系，本发明运用多目标优化算法和随机类寻优算法进行优化计算。在实际应用中，随着进化代数的增加，个体间的差异会逐渐降低，个体变异的多样性逐步减少，从而收敛到局部极值附近，陷入局部最优解。本发明应用混合差分进化算法对分段式复合绝缘子均压结构进行优化，该算法将模拟退火算子嵌入到差分进化算法的循环中，既保留了差分进化算法较强的搜索能力，又克服了在复杂优化问题的求解上过早收敛而陷入局部解、进化后期收敛慢及求解精度不高的缺点。
运行经验表明，复合绝缘子导线侧护套表面、压接金具与硅橡胶交界处容易发生电蚀损，因而需要同时对压接金具端部和复合绝缘子上的场强进行控制。在正常运行状态下，压接金具端部不能发生电晕放电，其控制目标与均压环一致，也需要在2400V/mm以下。对多条交流330kV输电线路进行调研，分析安全运行10年以上未发生电蚀损的复合绝缘子的电场分布，其导线侧护套表面电场强度一般在400V/mm(电压为有效值时)以下，因而选定400V/mm为330kV线路复合绝缘子硅橡胶护套表面的控制场强。
本发明对复合绝缘子的均压环进行优化时，以均压环的结构尺寸和安装位置作为决策变量，同时考虑在绝缘子分段处增加的两个均压环(均压环a、均压环b)与低压侧和高压测各个均压环之间的相互影响，而均压环自身和绝缘子的电位、电场强度及经济性作为目标函数。调节均压环的结构参数和安装位置，使复合绝缘子上的分布电压、复合绝缘子和均压环上的场强尽量低于或接近控制值。
如图1所示，本发明提供一种交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，包括以下步骤：
1)、运用ANSYS软件建立实际尺寸的杆塔、复合绝缘子、金具及导线的三维有限元模型，建立复合绝缘子的电场分析程序，该程序以复合绝缘子中均压环的结构参数作为输入变量，输出复合绝缘子各部位电场强度分布。
2)、将复合绝缘子整体结构划分为：导线侧、杆塔侧和分段处三个子结构，根据步骤1)获得的复合绝缘子电场强度分布，将待优化均压环划分为多个子结构，确定待优化子结构的优化顺序。复合绝缘子整体结构划分为：导线侧、杆塔侧和分段处三个子结构；优化顺序：杆塔侧和导线侧场强差异较高，导线侧场强一般最大，因此最先优化导线侧，其次杆塔侧场强略高，次优化之，导线侧与杆塔侧中间分段处场强最低，最后考虑优化此部位。
3)、根据复合绝缘子均压结构子结构的特征，确定第一个子结构的优化决策变量并确定其取值范围，综合考虑关键部位的最大电场强度及经济型，并建立相应的优化目标函数。
4)、将优化目标函数归一化后，采用判断矩阵法，分析多个目标重要性后，构造复合绝缘子均压结构多目标优化设计评价函数。
5)、请参阅图3所示，采用混合差分进化算法进行寻优。
混合差分进化算法是差分进化算法和模拟退火算法的合理组合，首先由一组随机产生的初始解开始搜索，通过带有精英保留策略的遗传操作产生新个体，然后对每一个新个体进行独立的模拟退火操作，将操作完成后生成的个体作为混合算法的下一代个体，并进行退温操作，经过若干次迭代后，最终选择种群中最优解作为所求问题的解。
5.1)、设置基本参数，以二进制编码方式初始化种群，计算个体适应度。
设为一个n维向量，即种群中的一个个体，其中编码长度为n，种群大小为P，种群第1代个体按式(1)随机产生：
式中:rand[0，1]随机产生0或者1，个体为随机产生的二进制串。
5.2)、对种群中每个个体，执行变异操作，计算适应度，保留适应适度大的个体到下一代种群。
在种群中随机选取2个不同的个体，将其向量差取绝对值后与待变异的个体进行向量叠加，变异方式如式(2)所示:
式中:是g+1代种群中第i个要变异的个体，是g代种群中的3个互不相同的个体，由于是二进制编码，因此差分向量取绝对值。
5.3)、对种群中每个个体执行交叉操作，计算适应度，保留适应适度大的个体到下一代种群。
在种群中随机选择2个不同的个体，按式(3)产生新一代个体。
式中:rand为[0，1]内均匀分布的随机数，Pc∈[0，1]为交叉概率，i＝1，2，…，P，j＝1，2，…，n。
5.4)、进行模拟退火操作。
模拟退火算法对当前解重复如下过程:产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃，并在此过程中逐步衰减温度值，算法终止时，即得到近似最优解。
在模拟退火算法中，对个体Li按式(4)或者式(5)两种方式产生新个体。
a)方式1。
Li＝(l1，l2，…，lk，…，lm，…，ln)
式中:Li为当前种群中的个体，为新产生的个体，n为个体的编码长度，1＜k＜m＜n。
b)方式2。
设原个体L＝(l1，l2，…，ln)，产生的新个体为a＝(a1，a2，…，an)，随机数p＝rand(0，1)(0和1之间的随机小数)，则产生新个体方式如下
式中:Pm∈[0，1]，新个体
为了对解空间进行充分的搜索，这2种方式都会被使用，在算法运行过程中随机选择其中的一种方式来产生新个体。新个体产生后计算适应度和新旧个体间的适应度增量 并计算概率p＝exp(－△E/T)，按概率p选用或者是舍弃新个体，重复上述过程一定次数后选择新搜索到的适应度高的个体进入下一代。
在算法运行的初期，利用模拟退火算子的突变搜索来减少陷入局部最优的个体，提高种群多样性，使差分进化算法能更好地利用群体差异进行全局搜索；在算法运行末期，模拟退火算子以更大的机率接受好解，使种群朝着最优解的方向进化，从而保证收敛的稳定性。因此通过模拟退火算子和差分进化算法的有机结合，进一步增强了算法的求解能力。
6)、按照步骤2)中确定的优化顺序，对下一个待优化结构进行寻优操作，固定第一个子结构参数不变，执行上述步骤3)、4)和5)，直至完成全部子结构的优化，获得优化后交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构。
根据优化结果，分别绘制出，如图4所示的均压环结构评价函数收敛过程示意图。从图4可以看出，本发明方法的收敛性较好，当迭代次数越多时，其解的变化越小，寻优的结果逐渐趋于稳定，应用此方法计算所得结果有一定适用性。
步骤3)和步骤4)对导线侧、杆塔侧和分段处三个子结构确定决策变量、建立优化目标函数并进行归一化、构造评价函数的步骤具体包括：
一、导线侧数学模型
1)决策变量
通过研究330kV交流线路复合绝缘子的电位、电场分布，确定影响绝缘子串导线侧电场分布的因素主要为大、小均压环的环径、管径和上扛位置，为了代入计算，将各因素参数化，大均压环的环径用D1表示，管径用d1表示，上扛位置用h1表示，小均压环的环径用D2表示，管径用d2表示，上扛位置用h2表示(单位均为mm)。以往的均压环优化研究都不计绝缘子之间的相互影响，本发明中由于采用分段式复合绝缘子，均压环之间的距离大大缩短，考虑到均压环之间的相互影响也变大，故而本发明增加了几个决策变量，对其进行参数化，为了方便表示，此处用a环表示分段处靠近高压侧的均压环，用b环表示分段处靠近低压侧的均压环，a环与高压侧大环之间的距离分别用L1表示，a环与高压侧小环之间的距离分别用L2表示，b环与高压侧大环之间的距离用L3表示，b环与高压侧小环之间的距离分别用L4表示，由于低压侧均压环与高压侧均压环之间的距离过大，在此忽略低压侧均压环对高压侧场强的影响，主要考虑分段处增加的均压环带来的影响。
大均压环罩于复合绝缘子外侧，需要对小均压环进行屏蔽，降低其场强，同时也可以调节复合绝缘子伞裙附近的场强，如果和小均压环之间环径过大，会削弱对小环的屏蔽作用，反之则会导致复合绝缘子上的场强过高。此外，由于均压环需要上扛一定高度，因而和复合绝缘子伞裙之间有一定的电位差，如环的内管壁离绝缘子过近会导致环对绝缘子放电。因此，大环的环径大小需合适，根据上述条件和研究经验限定大均压环环径D1的优化范围：300mm≤D1≤700mm。
大均压环的管径主要影响其表面的电场强度，同时也会对绝缘子上的场强有所影响。目前，国内金具厂家主要采用弯管机制造加工均压环，如管径过大，制造较为困难，且容易是管截面发生形变，由圆形变为椭圆，反而导致环的场强较高。根据研究经验，环的管径在80mm以下即可，结合330kV线路均压环的管径，可限定d1的优化范围：30mm≤d1≤80mm。
大均压环的上扛位置过低或过高时，低场强区均离小环较远，屏蔽作用较差，且环的位置过高会缩短与杆塔间的空气间隙，过长的支架也会导致受力情况较差，因此h1的优化范围：0mm≤h1≤250mm。
小均压环位于绝缘子硅橡胶与金具交界面附近，主要对屏蔽该处的场强，环径过大或位置过高会导致界面处场强过高，而管径则主要影响其表面电场分布，因而其三个参数也需在合理范围之内：
80mm≤D2≤150mm
10mm≤d2≤60mm
0mm≤h2≤50mm
本发明研究的330kV分段式复合绝缘子，中部两个均压环位于中部连接金具处，故a环与高压侧大环距离范围为1000mm≤L1≤1450mm，a环与高压侧小环距离范围为1150mm≤L2≤1450mm，b环与高压侧大环距离范围为1375mm≤L3≤1825mm，b环与高压侧小环距离范围为1525mm≤L4≤1825mm。
为了便于分析，上述10个决策变量用x＝(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10)表示，其中：x1＝D1，x2＝d1，x3＝h1，x4＝D2，x5＝d2，x6＝h2，x7＝L1，x8＝L2，x9＝L3，x10＝L4；
由上述分析可得决策变量x的取值范围Ω为：
{x|300≤x1≤700，30≤x2≤80，0≤x3≤250，80≤x4≤150，10≤x5≤60，0≤x6≤50，1000≤x7≤1450，1150≤x8≤1450，1375≤x9≤18251525≤x10≤1825}
2)目标函数及其归一化
要较全面反映分段式复合绝缘子导线侧的电场分布，主要需要确定四个目标函数，包括大环表面大场强E1m，小环表面大场强E2m，复合绝缘子硅橡胶附近大场强E3m，硅橡胶与金具交界面处大场强E4m(单位均为V/mm)。根据工程要求，上述四个场强均有相应的设计控制值，其中，E1m需在2400V/mm(峰值电压时)以下，由于小环在大环的屏蔽中，因而E2m表面场强低于大环，通常在2400V/mm(峰值电压时)以下，E3m需在566V/mm(相当于电压有效值时的400V/mm)以下，E4m较为特殊，在小环的屏蔽下金具上的场强不会很高，一般在2400V/mm(峰值电压时)以下，但其电场分布会影响到硅橡胶，因而其控制值在566V/mm(峰值电压时)。除此以外，从经济成本和制造方面考虑，还需要两个均压环的管径和环径尽量小，因此总共可以得到八个目标函数，即(E1，E2，E3，E4，D1，D2，d1，d2)＝F(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10)。将以上四个电场目标函数与各自的控制值相除，从而得到归一化后的新目标函数：
3)评价函数的构造由上述分析可知，330kV线路绝缘子导线侧均压装置优化数学模型中的优化目标共有8个，各目标在定义域中的最小值是不易求得的，因而需要应用多目标规划来构造评价函数。由于8个目标函数对于反映绝缘子的电场分布、安全运行和经济性的重要程度不同，因此，在构造评价函数之前，需要确定每个目标函数在评价函数中的权重系数。在工程设计中，一般运用判断矩阵法区分目标函数间的重要程度。在8个目标函数中，大均压环表面的大场强直接决定其电晕特性，如场强过高发生电晕会影响工程的环保评价，因而f1(x)最重要；其次，复合绝缘子伞裙上的电场分布影响其长期运行性能，场强过高会导致其老化或劣化过快，因而f3(x)和f4(x)次重要；小环表面场强主要影响其电晕特性和附近伞裙上的电场分布，f2(x)第三重要；大环和小环的环径重要性低于场强的限制，而小环的环径重要性又弱于大环，因而f5(x)和f6(x)分别第四和第五重要，大环和小环的管径重要性又弱于环径，因而f7(x)和f8(x)第六第七重要。根据以上所分析的各目标函数的重要性，应用判断矩阵法，构造8个目标函数优化问题的判断矩阵：
矩阵中i行j列上的元素αij即为目标fi相对于fj的判断系数，则目标fi在求解中的重要程度αi可用其几何平均值求出
权系数即可求得
根据上式矩阵和公式，求得权系数ω1、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6。本发明中应用平方和加权法构造交流330kV线路分段式复合绝缘子均压装置的评价函数
二、杆塔侧数学模型
1)决策变量
绝缘子杆塔侧的电位较低，环和杆塔的电位均为零，因而其电场分布优于导线侧。研究经验表明，复合绝缘子杆塔侧不需要安装大均压环，采用一个小的均压环即可。影响绝缘子杆塔侧电场分布的因素主要为杆塔侧均压环的环径、管径和上扛位置(环中心平面距金具断面距离)。将均压环的各结构尺寸参数化，环径用D3表示，管径用d3表示，上扛位置用h3表示(单位均为mm)。对于低压侧，分段处均压环仍然有着不可忽略的作用，分段处a环与低压侧均压环之间的距离用L5表示，b环与低压侧均压环之间的距离用L6。其参数需在以下范围之内：
100mm≤D3≤150mm
40mm≤d3≤60mm
0mm≤h3≤150mm
1525mm≤L5≤1825mm
1150mm≤L6≤1450mm
为了便于分析，上述5个决策变量用x＝(x1，x2，x3，x4，x5)表示，其中：x1＝D3，x2＝d3，x3＝h3，x4＝L5，x5＝h6
由上述分析可得决策变量x的取值范围Ω为：
{x|100≤x1≤150，40≤x2≤60，0≤x3≤1501525≤x4≤1825，1150≤x5≤1450}
2)目标函数及其归一化
与导线侧类似，要较全面反映复合绝缘子杆塔侧的电场分布，主要需要确定三个目标函数，包括小环表面大场强E1m，复合绝缘子硅橡胶附近大场强E2m，硅橡胶与金具交界面处大场强E3m(单位均为V/mm)。其中，E1m需在2400V/mm(峰值电压下)以下，E2m和E3m需在566V/mm(相当于电压有效值时的400V/mm)以下。除此以外，从经济成本和制造方面考虑，还需要中环的环径D3和管径d3尽量小，因此总共可以得到五个目标函数，即(E1，E2，E3，D3，d3)＝F(x1，x2，x3，x4，x5)，将以上五个电场目标函数与各自的控制值相除，从而得到归一化后的新目标函数：
3)评价函数的构造由上述分析可知，330kV线路分段式绝缘子杆塔侧均压装置优化数学模型中的优化目标共有5个。在5个目标函数中，复合绝缘子伞裙上的电场分布影响其长期运行性能，场强过高会导致其老化或劣化过快，因而f2(x)和f3(x)重要；由于自身和周围电位都较低，因而中均压环表面的场强也较低，比较容易控制，因而f1(x)次重要；中环的环径和管径属于附加控制条件，因而f4(x)和f5(x)同样第三重要。根据以上所分析的各目标函数的重要性，应用判断矩阵法，构造5个目标函数优化问题的判断矩阵：
根据判断矩阵B，可得各目标的权系数：ω1，ω2，ω3，ω4，ω5
同理应用平方和加权法构造交流330kV线路复合绝缘子均压装置的评价函数
三、复合绝缘子分段处a环数学模型
1)决策变量
330kV分段式复合绝缘子杆中部连接处电位较低，因此复合绝缘子分段处均压环设置采用一个小的均压环即可。影响其电场分布的因素主要为环的环径、管径和上扛位置(环中心平面距金具断面距离)。将环的各结构尺寸参数化，环径用D4表示，管径用d4表示，上扛位置用h4表示(单位均为mm)。由于分段处a环与低压侧高压侧均压环距离均不是很大，故而两端对其都有一定影响，高压侧大环与a环距离用L7表示，高压侧小环与a环距离用L8表示，低压侧小环与a环距离用L9表示，其参数需在以下范围之内：
100mm≤D4≤150mm
40mm≤d4≤60mm
0mm≤h4≤150mm
1000mm≤L7≤1450mm
1150mm≤L8≤1450mm
1525mm≤L9≤1825mm
为了便于分析，上述3个决策变量用x＝(x1，x2，x3，x4，x5，x6)表示，其中：x1＝D4，x2＝d4，x3＝h4，x4＝L7，x5＝L8，x6＝L9
由上述分析可得决策变量x的取值范围Ω为：
{x|100≤x1≤150，40≤x2≤60，0≤x3≤150，1000≤x7≤1450，1150≤x8≤1450，1525≤x9≤1825}
2)目标函数及其归一化
与导线侧类似，要较全面反映复合绝缘子杆塔侧的电场分布，主要需要确定三个目标函数，包括a环表面大场强E1m，复合绝缘子硅橡胶附近大场强E2m，硅橡胶与金具交界面处大场强E3m(单位均为V/mm)。其中，E1m需在2400V/mm(电压为峰值时)以下，E2m和E3m需在566V/mm(相当于电压有效值时的400V/mm)以下。除此以外，从经济成本和制造方面考虑，还需要中环的环径D4和管径d4尽量小，因此总共可以得到五个目标函数。将以上五个电场目标函数与各自的控制值相除，从而得到归一化后的新目标函数：
3)评价函数的构造由上述分析可知，330kV线路绝缘子杆塔侧均压装置优化数学模型中的优化目标共有5个。在5个目标函数中，复合绝缘子伞裙上的电场分布影响其长期运行性能，场强过高会导致其老化或劣化过快，因而f2(x)和f3(x)重要；由于自身和周围电位都较低，因而中均压环表面的场强也较低，比较容易控制，因而f1(x)次重要；中环的环径和管径属于附加控制条件，因而f4(x)和f5(x)同样第三重要。根据以上所分析的各目标函数的重要性，应用判断矩阵法，构造5个目标函数优化问题的判断矩阵：
根据判断矩阵C，可得各目标的权系数：ω1，ω2，ω3，ω4，ω5
同理应用平方和加权法构造交流330kV线路复合绝缘子均压装置的评价函数
同理，b环的优化过程同a环，其决策变量数与之一样，目标函数也一样，处理过程同上，在此不做过多说明。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (9)

1.交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、运用ANSYS软件建立实际尺寸的杆塔、复合绝缘子、金具及导线的三维有限元模型，建立复合绝缘子的电场分析程序，该程序以复合绝缘子中均压环的结构参数作为输入变量，输出复合绝缘子各部位电场强度分布；
2)、将复合绝缘子整体结构划分为：导线侧、杆塔侧和分段处三个子结构，并确定待优化子结构的优化顺序；
3)、根据复合绝缘子均压结构子结构的特征，确定第一个子结构的优化决策变量并确定其取值范围，综合考虑关键部位的最大电场强度及经济型，并建立相应的优化目标函数；
4)、将优化目标函数归一化后，采用判断矩阵法，分析多个目标重要性后，构造复合绝缘子均压结构多目标优化设计评价函数；
5)、采用混合差分进化算法对复合绝缘子均压结构多目标优化设计评价函数进行寻优；
6)、按照步骤2)中确定的优化顺序，对下一个待优化结构进行寻优操作，固定第一个子结构参数不变，执行上述步骤3)、4)和5)，直至完成全部子结构的优化，获得优化后交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构。
2.根据权利要求1所述的交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，其特征在于，步骤5)具体包括：
首先由一组随机产生的初始解开始搜索，通过带有精英保留策略的遗传操作产生新个体，然后对每一个新个体进行独立的模拟退火操作，将操作完成后生成的个体作为混合算法的下一代个体，并进行退温操作，经过若干次迭代后，最终选择种群中最优解作为所求问题的解。
3.根据权利要求1所述的交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，其特征在于，步骤5)具体包括：
5.1)、设置基本参数，以二进制编码方式初始化种群，计算个体适应度；
设为一个n维向量，即种群中的一个个体，其中编码长度为n，种群大小为P，种群第1代个体按式(1)随机产生：
式中:rand[0，1]随机产生0或者1，个体为随机产生的二进制串；
5.2)、对种群中每个个体，执行变异操作，计算适应度，保留适应适度大的个体到下一代种群；
在种群中随机选取2个不同的个体，将其向量差取绝对值后与待变异的个体进行向量叠加，变异方式如式(2)所示:
式中：是g+1代种群中第i个要变异的个体，是g代种群中的3个互不相同的个体；
5.3)、对种群中每个个体执行交叉操作，计算适应度，保留适应适度大的个体到下一代种群；
在种群中随机选择2个不同的个体，按式(3)产生新一代个体；
式中:rand为[0，1]内均匀分布的随机数，Pc∈[0，1]为交叉概率，i＝1，2，…，P，j＝1，2，…，n；
5.4)、进行模拟退火操作；
模拟退火算法对当前解重复如下过程:产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃，并在此过程中逐步衰减温度值，算法终止时，即得到近似最优解。
4.根据权利要求3所述的交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，其特征在于，
在模拟退火算法中，对个体Li按式(4)或者式(5)两种方式产生新个体；
a)、方式1：
Li＝(l1，l2，…，lk，…，lm，…，ln)
式中:Li为当前种群中的个体，为新产生的个体，n为个体的编码长度，1＜k＜m＜n；
b)、方式2：
设原个体L＝(l1，l2，…，ln)，产生的新个体为a＝(a1，a2，…，an)，随机数p＝rand(0，1)，则产生新个体方式如下：
式中:Pm∈[0，1]，新个体
5.根据权利要求1所述的交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，其特征在于，330KV分段式复合绝缘子的分段处连接部位设置两个小型均压环，对分段处连接部位的金具进行屏蔽。
6.根据权利要求1所述的交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，其特征在于，步骤3)和步骤4)对导线侧子结构确定决策变量、建立优化目标函数并进行归一化、构造评价函数的步骤具体包括：
1)决策变量
大均压环的环径用D1表示，管径用d1表示，上扛位置用h1表示，小均压环的环径用D2表示，管径用d2表示，上扛位置用h2表示，单位均为mm；用a环表示分段处靠近高压侧的均压环，用b环表示分段处靠近低压侧的均压环，a环与高压侧大环之间的距离分别用L1表示，a环与高压侧小环之间的距离分别用L2表示，b环与高压侧大环之间的距离用L3表示，b环与高压侧小环之间的距离分别用L4表示；
D1的优化范围：300mm≤D1≤700mm；
d1的优化范围：30mm≤d1≤80mm；
h1的优化范围：0mm≤h1≤250mm；
D2的优化范围：80mm≤D2≤150mm；
d2的优化范围：10mm≤d2≤60mm；
h2的优化范围：0mm≤h2≤50mm；
a环与高压侧大环距离范围为1000mm≤L1≤1450mm，a环与高压侧小环距离范围为1150mm≤L2≤1450mm，b环与高压侧大环距离范围为1375mm≤L3≤1825mm，b环与高压侧小环距离范围为1525mm≤L4≤1825mm；
上述10个决策变量用x＝(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10)表示，其中：x1＝D1，x2＝d1，x3＝h1，x4＝D2，x5＝d2，x6＝h2，x7＝L1，x8＝L2，x9＝L3，x10＝L4；
由上述分析得决策变量x的取值范围Ω为：
{x|300≤x1≤700，30≤x2≤80，0≤x3≤250，80≤x4≤150，10≤x5≤60，0≤x6≤50，1000≤x7≤1450，1150≤x8≤1450，1375≤x9≤18251525≤x10≤1825}
2)目标函数及其归一化
为了全面反映分段式复合绝缘子导线侧的电场分布，确定四个目标函数，包括：大环表面大场强E1m，小环表面大场强E2m，复合绝缘子硅橡胶附近大场强E3m，硅橡胶与金具交界面处大场强E4m，单位均为V/mm；E1m需在2400V/mm以下，由于小环在大环的屏蔽中，E2m表面场强低于大环，在2400V/mm以下，E3m需在566V/mm以下，E4m在2400V/mm以下；从经济成本和制造方面考虑，需要两个均压环的管径和环径尽量小，因此总共可以得到八个目标函数：(E1，E2，E3，E4，D1，D2，d1，d2)＝F(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10)；将以上四个电场目标函数与各自的控制值相除，从而得到归一化后的新目标函数：
3)在8个目标函数中，大均压环表面的大场强直接决定其电晕特性，f1(x)最重要；其次，复合绝缘子伞裙上的电场分布影响其长期运行性能，场强过高会导致其老化或劣化过快，f3(x)和f4(x)次重要；小环表面场强主要影响其电晕特性和附近伞裙上的电场分布，f2(x)第三重要；大环和小环的环径重要性低于场强的限制，而小环的环径重要性又弱于大环，f5(x)和f6(x)分别第四和第五重要，大环和小环的管径重要性又弱于环径，f7(x)和f8(x)第六第七重要；根据以上所分析的各目标函数的重要性，应用判断矩阵法，构造8个目标函数优化问题的判断矩阵：
矩阵中i行j列上的元素αij即为目标fi相对于fj的判断系数，则目标fi在求解中的重要程度αi可用其几何平均值求出：
权系数即可求得
根据上式矩阵和公式，求得权系数ω1、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6；应用平方和加权法构造交流330kV线路分段式复合绝缘子均压装置的评价函数
7.根据权利要求1所述的交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，其特征在于，步骤3)和步骤4)对杆塔侧子结构确定决策变量、建立优化目标函数并进行归一化、构造评价函数的步骤具体包括：
1)决策变量
复合绝缘子杆塔侧不需要安装大均压环，采用一个小的均压环；影响绝缘子杆塔侧电场分布的因素主要为杆塔侧均压环的环径、管径和上扛位置；将均压环的各结构尺寸参数化，环径用D3表示，管径用d3表示，上扛位置用h3表示，单位均为mm；对于低压侧，分段处a环与低压侧均压环之间的距离用L5表示，b环与低压侧均压环之间的距离用L6；其参数在以下范围之内：
100mm≤D3≤150mm；
40mm≤d3≤60mm；
0mm≤h3≤150mm；
1525mm≤L5≤1825mm；
1150mm≤L6≤1450mm；
上述5个决策变量用x＝(x1，x2，x3，x4，x5)表示，其中：x1＝D3，x2＝d3，x3＝h3，x4＝L5，x5＝h6；
由上述分析得决策变量x的取值范围Ω为：
{x|100≤x1≤150，40≤x2≤60，0≤x3≤1501525≤x4≤1825，1150≤x5≤1450}
2)目标函数及其归一化
为了全面反映复合绝缘子杆塔侧的电场分布，确定三个目标函数，包括：小环表面大场强E1m，复合绝缘子硅橡胶附近大场强E2m，硅橡胶与金具交界面处大场强E3m，单位均为V/mm；其中，E1m在2400V/mm以下，E2m和E3m在566V/mm以下；从经济成本和制造方面考虑，中环的环径D3和管径d3尽量小，总共得到五个目标函数，即(E1，E2，E3，D3，d3)＝F(x1，x2，x3，x4，x5)，将以上五个电场目标函数与各自的控制值相除，从而得到归一化后的新目标函数：
3)评价函数的构造
330kV线路分段式绝缘子杆塔侧均压装置优化数学模型中的优化目标共有5个；在5个目标函数中，复合绝缘子伞裙上的电场分布影响其长期运行性能，场强过高会导致其老化或劣化过快，f2(x)和f3(x)重要；由于自身和周围电位都较低，因而中均压环表面的场强也较低，比较容易控制，f1(x)次重要；中环的环径和管径属于附加控制条件，f4(x)和f5(x)同样第三重要；应用判断矩阵法，构造5个目标函数优化问题的判断矩阵：
根据判断矩阵B，得各目标的权系数：ω1，ω2，ω3，ω4，ω5；
应用平方和加权法构造交流330kV线路复合绝缘子均压装置的评价函数
8.根据权利要求1所述的交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，其特征在于，步骤3)和步骤4)对复合绝缘子分段处a环子结构确定决策变量、建立优化目标函数并进行归一化、构造评价函数的步骤具体包括：
1)决策变量
330kV分段式复合绝缘子杆中部连接处电位较低，因此复合绝缘子分段处均压环设置采用一个小的均压环；影响其电场分布的因素主要为环的环径、管径和上扛位置；将环的各结构尺寸参数化，环径用D4表示，管径用d4表示，上扛位置用h4表示，单位均为mm；高压侧大环与a环距离用L7表示，高压侧小环与a环距离用L8表示，低压侧小环与a环距离用L9表示，其参数控制在以下范围之内：
100mm≤D4≤150mm；
40mm≤d4≤60mm；
0mm≤h4≤150mm；
1000mm≤L7≤1450mm；
1150mm≤L8≤1450mm；
1525mm≤L9≤1825mm；
上述3个决策变量用x＝(x1，x2，x3，x4，x5，x6)表示，其中：x1＝D4，x2＝d4，x3＝h4，x4＝L7，x5＝L8，x6＝L9；
由上述分析得决策变量x的取值范围Ω为：
{x|100≤x1≤150，40≤x2≤60，0≤x3≤150，1000≤x7≤1450，1150≤x8≤1450，1525≤x9≤1825}
2)目标函数及其归一化
为了全面反映复合绝缘子杆塔侧的电场分布，确定三个目标函数：包括a环表面大场强E1m，复合绝缘子硅橡胶附近大场强E2m，硅橡胶与金具交界面处大场强E3m，单位均为V/mm；其中，E1m在2400V/mm以下，E2m和E3m在566V/mm以下；从经济成本和制造方面考虑，中环的环径D4和管径d4尽量小，因此总共得到五个目标函数；将以上五个电场目标函数与各自的控制值相除，从而得到归一化后的新目标函数：
3)评价函数的构造
330kV线路绝缘子杆塔侧均压装置优化数学模型中的优化目标共有5个；在5个目标函数中，复合绝缘子伞裙上的电场分布影响其长期运行性能，场强过高会导致其老化或劣化过快，f2(x)和f3(x)重要；由于自身和周围电位都较低，因而中均压环表面的场强也较低，比较容易控制，f1(x)次重要；中环的环径和管径属于附加控制条件，f4(x)和f5(x)同样第三重要；根据以上所分析的各目标函数的重要性，应用判断矩阵法，构造5个目标函数优化问题的判断矩阵：
根据判断矩阵C，可得各目标的权系数：ω1，ω2，ω3，ω4，ω5；
应用平方和加权法构造交流330kV线路复合绝缘子均压装置的评价函数
9.根据权利要求8所述的交流330kV悬垂塔分段式复合绝缘子均压结构优化设计方法，其特征在于，采用对复合绝缘子分段处a环子结构确定决策变量、建立优化目标函数并进行归一化、构造评价函数的步骤相同的步骤对复合绝缘子分段处b环子结构确定决策变量、建立优化目标函数并进行归一化、构造评价函数。
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