CN110532700B - 一种变压器电场优化前处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器电场优化前处理方法，包括步骤1：采用ANSYS参数化编程命令建立变压器参数有限元模型；步骤2：以降低最大电场强度为优化目标，确定待筛选变量的变化范围；步骤3：根据田口算法，选取每个优化变量的变化值，即影响因子；步骤4：建立正交表，通过MATLAB调用ANSYS读取正交表中参数取值，求解正交矩阵；步骤5：对结果进行分析，剔除影响因素较小的变量，简化后续优化过程。本发明提供的方法，可用于任意电压等级的变压器电场优化之前变量的筛选和处理。
Description
技术领域
本发明涉及变压器设计技术领域，特别是涉及一种变压器电场优化前处理方法。
背景技术
电力变压器作为维护电网安全稳定运行的重要装置，其电气绝缘问题不容忽视。对变压器中的电场分布进行研究、分析和计算是保证变压器绝缘结构合理可靠的关键。
目前，在进行电场优化之前，没有对变量进行筛选的过程，而是直接选择变量通过ANSYS建立模型进行试验，然后根据试验结果确定变量和优化目标的最优值。但是在不确定参数对优化目标是否有显著影响的情况下，选择对优化目标没有影响或者影响较小的参数作为变量，不仅会增加工作量，而且会影响优化结果的准确性。另外，如果每次试验都需要人工手动在ANSYS进行建模、剖分、赋边界条件和提取最大电场强度等过程，一方面优化时间较长，效率较低，另一方面无法保证试验分析的精确性。
发明内容
本发明提供一种基于ANSYS参数化编程命令和田口算法的变压器电场优化前处理方法，该方法在进行优化试验之前可将无关变量剔除，简化了后续的优化过程，并且通MATLAB调用ANSYS实现计算结果的自动提取，提高优化效率，可用于任意电压等级的变压器电场优化之前变量的筛选和处理。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种变压器电场优化前处理方法，所述方法包括：
步骤1：采用ANSYS参数化编程命令(APDL)建立变压器参数有限元模型；
步骤2：以最大电场强度为优化目标，确定待筛选变量的变化范围；
步骤3：根据田口算法，选取每个优化变量的变化值，即影响因子；
步骤4：建立正交表，通过MATLAB调用ANSYS读取正交表中参数取值，求解正交矩阵；
步骤5：对结果进行分析，剔除影响因素较小的变量，简化后续优化过程。
具体的，所述步骤1：采用ANSYS参数化编程命令(APDL)建立变压器参数有限元模型，包括：
根据变压模型参数，基于APDL参数化编程语言编写文本文件，自动完成建模、剖分、赋边界条件和提取最大场强的过程，并将提取结果保存到相应文本文件当中。
具体的，所述步骤2：以最大电场强度为优化目标，确定待筛选变量的变化范围，包括：基于最大电场强度出现的位置，选择可能对其有影响的参数作为优化变量：静电环上下两段圆弧曲率半径R1、R2以及两段圆弧的角度θ1、θ2，静电环上表面到其第一个纸板的距离h，绝缘层厚度s和静电环上段圆弧起始位置w；并根据变压器的结构和尺寸参数的限制，确定每个变量的变化范围。
具体的，所述步骤3：根据田口算法，选取每个优化变量的变化值，即影响因子，包括：
通常确定变量的水平数为3，每个变量各取3个值，进行田口试验设计，
分别表示第i个变量取值范围的下限和上限，/>
表示第i个变量的第j个水平时对应的值，取值方式为：
具体的，所述步骤4：建立正交表，通过MATLAB调用ANSYS读取正交表中参数取值，求解正交矩阵，包括：
田口算法正交矩阵的表示方式为Lk(3i)，其中L表示正交矩阵，k为正交试验的次数，3表示每个变量的影响因子数，i为步骤3中所述变量的个数，MATLAB通过读取正交表中每次试验的变量取值，调用ANSYS自动修改建模参数，完成最大电场强度提取。
具体的，所述步骤5：对结果进行分析，剔除影响因素较小的变量，简化后续优化过程，包括：
根据步骤4得到的分析结果，计算每个变量的变化对最大电场强度的影响率
其中，
为第i个变量在第j个水平下所有结果的平均值，m(E)为正交表中全部结果的平均值，通过对比每个变量的影响率，将影响率较小的变量作为无关变量剔除，筛选影响因素较大的变量进行后续优化，优化过程可得到简化。
该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)通过APDL实现最大电场强度的自动提取，避免了手动建模、剖分和施加边界条件的过程，无需人工记录计算结果，减少了计算时间，提高了数据的可靠性；
(2)田口试验可在优化试验之前将无关变量剔除，为后续的优化提供了方便，简化了优化过程，试验的准确性得到保证；
(3)MATLAB调用ANSYS自动输出试验结果并修改实验参数，每次试验结束后可直接进行下次试验，优化效率得到提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例的变压器模型结构示意图；
图2为本发明的变压器电场优化前处理方法的流程图；
图3为实施例的变压器静电环上下两段圆弧曲率半径相对位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种变压器电场优化前处理方法，该方法在进行优化试验之前可将无关变量剔除，简化了后续的优化过程，并且通MATLAB调用ANSYS实现计算结果的自动提取，提高优化效率，可用于任意电压等级的变压器电场优化之前变量的筛选和处理。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图2为本发明实施例基于ANSYS参数化编程命令和田口算法的变压器电场优化前处理方法的流程图，一种变压器电场优化前处理方法，包括：
步骤1：根据一台500kV变压器模型参数，如图1所示，基于APDL编写txt文本文件，自动完成建模、剖分、赋边界条件和提取最大场强的过程，使计算结果可以自动保存到相应文件当中，其中静电场的边值问题为：
步骤2：分析计算结果，根据最大电场强度出现的位置，选取对电场强度可能有影响的参数：静电环上下两段圆弧曲率半径R1、R2以及两段圆弧的角度θ1、θ2，静电环上表面到其第一个纸板的距离h，绝缘层厚度s和静电环上段圆弧起始位置w。如图3所示，对于R1和R2两段圆弧，圆心坐标分别为(x1，y1)和(x2，y2)，它们之间存在如下关系：
T1、T2分别为静电环上下表面(不含绝缘层)到下端的距离，即纵坐标值，由式(2)可以看出，R2、θ2可由R1和θ1求得，因此，四个优化变量R1、θ1、R2、θ2可简化为R1和θ1两个变量。
根据上述分析对电场强度可能有影响的因素变为：静电环上下两段圆弧曲率半径R1、圆弧的角度θ1、静电环上表面到其第一个纸板的距离h，绝缘层厚度s和静电环上段圆弧起始位置w，由于变压器结构和尺寸的限制，根据经验可以设定变量的优化范围：
步骤3：基于田口算法，选取各变量的水平数为3进行试验设计，
分别表示第i个变量取值范围的下限和上限，
表示第i个变量的第j个水平时对应的值，取值方式为：
影响因子取值结果见表1。
表1优化参数及影响因子取值
| 参数 | R1 | θ1 | h | s | w |
| 影响因子1 | 10 | 52.5 | 12.5 | 2.75 | 42.5 |
| 影响因子2 | 14 | 75 | 15 | 3.5 | 45 |
| 影响因子3 | 18 | 97.5 | 17.5 | 4.25 | 47.5 |
步骤4：根据表3中影响因子取值建立正交矩阵L9(35)，其中9表示试验次数，5为变量的个数，3为各变量的水平数，基于田口算法，建立正交表，结果见表2。
表2L9(35)正交表
| 试验次数 | R1/mm | θ1/mm | h/mm | s/mm | w/mm |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 |
| 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 1 |
| 3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 4 | 2 | 1 | 2 | 3 | 1 |
| 5 | 2 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| 6 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 |
| 7 | 3 | 1 | 3 | 2 | 3 |
| 8 | 3 | 2 | 1 | 3 | 2 |
| 9 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1 |
步骤5：MATLAB读取每次试验数据写入到文本文件中，调用ANSYS读取文本文件，根据每次试验数据完成建模、剖分、赋边界条件的过程，实现最大场强自动提取，求解正交矩阵，试验结果见表3。
表3试验结果
步骤6：基于步骤5中表3试验结果，采用(6)式计算待优化变量对最大电场强度的影响率，结果见表4。表4显示，待优化的5个变量对最大电场强度的影响率分别为25.0％、1.6％、10.8％、50.3％、12.3％，与其他变量相比，圆弧角度θ1对优化目标的影响程度较小，在后续优化试验中，可作为无关变量剔除，而影响程度较大的变量R1、h、s、w可作为变量继续进行试验。
表4优化变量对最大电场强度影响率
| 变量 | EE | 影响率(％) |
| R1/mm | 325162.8862 | 25.0 |
| θ1/mm | 20294.4814 | 1.6 |
| h/mm | 140533.0000 | 10.8 |
| s/mm | 655163.7245 | 50.3 |
| w/mm | 160650.0366 | 12.3 |
| 总和 | 1301804.1290 | 100 |
本发明提供一种变压器电场优化前处理方法，该方法通过APDL实现最大电场强度的自动提取，避免了手动建模、剖分和施加边界条件的过程，无需人工记录计算结果，减少了计算时间，提高了数据的可靠性；该方法中田口试验可在优化试验之前将无关变量剔除，为后续的优化提供了方便，简化了优化过程，试验的准确性得到保证；该方法通过MATLAB调用ANSYS自动输出试验结果并修改实验参数，每次试验结束后可直接进行下次试验，优化效率得到提高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (1)
1.一种变压器电场优化前处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用ANSYS参数化编程命令建立变压器参数有限元模型；
步骤1包括以下步骤：
根据变压模型参数，基于APDL参数化编程语言编写文本文件，自动完成建模、剖分、赋边界条件和提取最大场强的过程，并将提取结果保存到相应文本文件当中；
步骤2：以降低最大电场强度为优化目标，确定待筛选变量的变化范围；
所述步骤2包括以下步骤：
基于最大电场强度出现的位置，选择对其有影响的参数作为优化变量：静电环上下两段圆弧曲率半径R1、R2以及两段圆弧的角度θ1、θ2，静电环上表面到其第一个纸板的距离h，绝缘层厚度s和静电环上段圆弧起始位置w；并根据变压器的结构和尺寸参数的限制，确定每个变量的变化范围；
步骤3：根据田口算法，选取每个优化变量的变化值，即影响因子；
所述步骤3包括以下步骤：
确定变量的水平数为3，每个变量各取3个值，进行田口试验设计，
分别表示第i个变量取值范围的下限和上限，/>
表示第i个变量的第j个水平时对应的值，取值方式为：
步骤4：建立正交表，通过MATLAB调用ANSYS读取正交表中参数取值，求解正交矩阵；
所述步骤4包括以下步骤：
田口算法正交矩阵的表示方式为Lk(3i)，其中L表示正交矩阵，k为正交试验的次数，3表示每个变量的影响因子数，i为步骤3中所述变量的个数，MATLAB通过读取正交表中每次试验的变量取值，调用ANSYS自动修改建模参数，完成最大电场强度提取；
步骤5：对结果进行分析，剔除影响因素较小的变量，简化后续优化过程；
所述步骤5包括以下步骤：
根据步骤4得到的分析结果，计算每个变量的变化对最大电场强度的影响率：
其中，
为第i个变量在第j个水平下所有结果的平均值，m(E)为正交表中全部结果的平均值，通过对比每个变量的影响率，将影响率较小的变量作为无关变量剔除，筛选影响因素较大的变量进行后续优化，优化过程可得到简化。
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