CN111079345A - 一种特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法 - Google Patents

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兰贞波
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Abstract

本发明公开了一种特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法，其首先根据特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的特征，构建特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的多目标优化函数；然后利用多种群遗传算法对所述多目标优化函数进行求解，以获取所述双层屏蔽结构的优化方案，从而可以确保特高压交流变压器套管内外绝缘配合与电场分布均匀，保证套管的有害局部放电裕度相当，可以为特高压交流变压器套管的双层屏蔽结构确定出尺寸优化设计方案，有效降低所述双层屏蔽结构的设计周期和设计成本，具有广泛的实用性和经济性。

Description

一种特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法
技术领域
本发明涉及特高压交流变压器优化技术领域，尤其涉及一种特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法。
背景技术
特高压交流变压器的套管故障是引起特高压交流变压器发生火灾的重要原因之一，尽管特高压交流变压器的套管发生火灾的概率较低，但一旦因某种原因起火，往往对特高压交流变压器造成较大毁坏，严重时可能引起邻近变压器和其他电气设备损坏，而且，目前主要通过屏蔽结构来、提高特高压交流变压器套管的可靠性。
为了进一步提高特高压交流变压器套管的可靠性，需要对特高压交流变压器套管的屏蔽结构进行优化。通过研究发现，特高压交流变压器套管的屏蔽结构的优化受多个参数的影响，并且中心导体表面、中部屏蔽表面、接地屏蔽表面与护套表面的最大场强在很多情形下表现出相反的变化趋势。另外，套管具体部位的最大场强受不同关键参数配合的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法，其首先建立了多目标优化函数，然后利用多种群遗传算法对上述多目标优化函数进行迭代优化求解，从而对特高压交流变压器套管的中部屏蔽结构、接地屏蔽结构的半径和长度等进行优化，使得特高压交流变压器套管的内外绝缘配合与电场分布均匀，保证特高压交流变压器套管的有害局部放电裕度相当，具有良好的实用性。
为实现本发明的发明目的，本发明所采用的技术方案内容具体如下：
一种特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法，包括如下步骤：
S1：根据特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的特征，构建特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的多目标优化函数；
S2：利用多种群遗传算法对所述多目标优化函数进行求解，以获取所述双层屏蔽结构的优化方案。
作为上述方案的优选，步骤S1包括：
S11：根据特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的特征，确定所述多目标优化函数的决策变量和约束条件；
S12：基于决策变量和约束条件，建立所述多目标优化函数。
作为上述方案的优选，决策变量包括所述双层屏蔽结构的中部屏蔽半径R1、接地屏蔽半径R2、中部屏蔽长度L1和接地屏蔽长度L2；约束条件为：
Figure BDA0002328278060000021
其中R1min和R1max为中部屏蔽半径R1的数值变化范围；R2min和R2min为接地屏蔽半径R2的数值变化范围；L1min和L1max为中部屏蔽长度L1的数值变化范围；L2min和L2max为接地屏蔽长度L2的数值变化范围；△Rmin和△Rmax为接地屏蔽半径R2与中部屏蔽半径R1差值的数值范围；△Lmin和△Lmax为中部屏蔽长度L1和接地屏蔽长度L2差值的数值范围。
作为上述方案的优选，所述多目标优化函数为：
Figure BDA0002328278060000022
其中：f1(x)为套管内部中心导体表面的场强最大值Emax1，f2(x)为套管内部金属屏蔽表面的场强最大值Emax2，f3(x)为套管护套表面的场强最大值Emax3。
作为上述方案的优选，步骤S2包括：
S21：产生n个初始种群，每个初始种群包括N个个体，并利用二进制对n个初始种群进行编码；
S22：计算每个初始种群中每个个体的适应度值；
S23：进行选择、交叉和变异操作；
S24：引入移民算子，将各种群在进化过程中的最优个体定期的引入到其他种群；
S25：引入精华种群，通过人工选择算子选择出其他种群最优个体放入精华种群加以保存；
S26：重复步骤S23-步骤S25，直到满足收敛条件即迭代次数达到最优个体最少时，则停止迭代，即得到所述双层屏蔽结构的优化方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明公开的特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法，其首先根据特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的特征，构建特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的多目标优化函数；然后利用多种群遗传算法对所述多目标优化函数进行求解，以获取所述双层屏蔽结构的优化方案，从而可以确保特高压交流变压器套管内外绝缘配合与电场分布均匀，保证套管的有害局部放电裕度相当，可以为特高压交流变压器套管的双层屏蔽结构确定出全面的优化设计方案，有效降低所述双层屏蔽结构的设计周期和设计成本，具有广泛的实用性和经济性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的结构示意图；
图2为多目标优化函数的分布图；
图3为双层屏蔽结构的中部屏蔽半径R1和中部屏蔽长度L1的分布图；
图4为双层屏蔽结构的接地屏蔽半径R2和接地屏蔽长度L2的分布图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
本发明公开了一种特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法，其包括如下步骤：
S1：根据特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的特征，构建特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的多目标优化函数；
S2：利用多种群遗传算法对所述多目标优化函数进行求解，以获取所述双层屏蔽结构的优化方案。
作为进一步优选的方案，步骤S1包括：
S11：根据特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的特征，确定所述多目标优化函数的决策变量和约束条件；
S12：基于决策变量和约束条件，建立所述多目标优化函数。
如图1所示，决策变量包括所述双层屏蔽结构的中部屏蔽半径R1、接地屏蔽半径R2、中部屏蔽长度L1和接地屏蔽长度L2；约束条件为：
Figure BDA0002328278060000041
其中R1min和R1max为中部屏蔽半径R1的数值变化范围；R2min和R2min为接地屏蔽半径R2的数值变化范围；L1min和L1max为中部屏蔽长度L1的数值变化范围；L2min和L2max为接地屏蔽长度L2的数值变化范围；△Rmin和△Rmax为接地屏蔽半径R2与中部屏蔽半径R1差值的数值范围；△Lmin和△Lmax为中部屏蔽长度L1和接地屏蔽长度L2差值的数值范围。
作为上述方案的优选，所述多目标优化函数为：
Figure BDA0002328278060000042
其中：f1(x)为套管内部中心导体表面的场强最大值Emax1，f2(x)为套管内部金属屏蔽表面的场强最大值Emax2，f3(x)为套管护套表面的场强最大值Emax3。
作为上述方案的优选，步骤S2包括：
S21：产生n个初始种群，每个初始种群包括N个个体，并利用二进制对n个初始种群进行编码；
S22：计算每个初始种群中每个个体的适应度值；
具体地，适应度值的计算公式为：
Figure BDA0002328278060000051
其中，Cmax为f(x)的最大估计；
S23：进行选择、交叉和变异操作；
S24：引入移民算子，将各种群在进化过程中的最优个体定期的引入到其他种群；
S25：引入精华种群，通过人工选择算子选择出其他种群最优个体放入精华种群加以保存；
S26：重复步骤S23-步骤S25，直到满足收敛条件即迭代次数达到最优个体最少时，则停止迭代，即得到所述双层屏蔽结构的优化方案。
以下为本发明具体的实施例。
(1)如图1所示，以1100kV的气体绝缘特高压交流变压器套管双层屏蔽结构为例，决策变量包括所述双层屏蔽结构的中部屏蔽半径R1、接地屏蔽半径R2、中部屏蔽长度L1和接地屏蔽长度L2，则决策变量的约束条件为
Figure BDA0002328278060000052
(2)构造多目标优化函数，则所述多目标优化函数为：
Figure BDA0002328278060000053
其中：f1(x)为套管内部中心导体表面的场强最大值Emax1，f2(x)为套管内部金属屏蔽表面的场强最大值Emax2，f3(x)为套管护套表面的场强最大值Emax3。
(3)产生n个初始种群，每个初始种群包括125个个体，并利用二进制对n个初始种群进行编码。
(4)计算每个初始种群中每个个体的适应度值，具体计算时，每个个体的适应度值的计算公式为：
Figure BDA0002328278060000054
其中，Cmax为f(x)的最大估计；
(5)进行选择、交叉和变异操作，具体地，本发明中采用经典的轮盘赌选择方法，采用单点交叉和位点变异，而且，应用轮盘赌法选择第i个种群的单一个体k的概率Pik为：
Figure BDA0002328278060000061
其中：Fik为通过适应度函数获取的第i个种群的单一个体k的适应度值。
(6)引入移民算子，将各种群在进化过程中的最优个体定期的引入到其他种群；
(7)引入精华种群，通过人工选择算子选择出其他种群最优个体放入精华种群加以保存；
(8)重复步骤S23-步骤S25，直到满足收敛条件即迭代次数达到最优个体最少时，则停止迭代，即得到所述双层屏蔽结构的优化方案，由此可以得到，迭代次数为30次，最优种群个数为0.8，交叉因为为0.7，多目标优化函数的分布图、双层屏蔽结构的中部屏蔽半径R1和中部屏蔽长度L1的分布图以及双层屏蔽结构的接地屏蔽半径R2和接地屏蔽长度L2的分布图分别如图2、图3以及图4所示。
由此可以确定，通过遗传优化迭代，最优化种群的目标函数基本比较接近，套管内部中心导体表面的场强最大值Emax1处于19kV/mm至20kV/mm之间，套管内部金属屏蔽表面的场强最大值Emax2处于12kV/mm至17kV/mm之间，套管护套表面的场强最大值Emax3不超过1.9kV/mm，均符合裕度要求。
而且，考虑到金属屏蔽的制造难度较大，精度控制相对困难，其对金属屏蔽表面电场控制保留更多裕度，因此，针对1100kV的气体绝缘特高压交流变压器套管而言，其双层屏蔽结构的设计尺寸如下：
Figure BDA0002328278060000062
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的特征，构建特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的多目标优化函数；
S2：利用多种群遗传算法对所述多目标优化函数进行求解，以获取所述双层屏蔽结构的优化方案。
2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11：根据特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的特征，确定所述多目标优化函数的决策变量和约束条件；
S12：基于决策变量和约束条件，建立所述多目标优化函数。
3.根据权利要求2所述的优化设计方法，其特征在于，决策变量包括所述双层屏蔽结构的中部屏蔽半径R1、接地屏蔽半径R2、中部屏蔽长度L1和接地屏蔽长度L2；约束条件为：
Figure FDA0002328278050000011
其中R1min和R1max为中部屏蔽半径R1的数值变化范围；R2min和R2min为接地屏蔽半径R2的数值变化范围；L1min和L1max为中部屏蔽长度L1的数值变化范围；L2min和L2max为接地屏蔽长度L2的数值变化范围；△Rmin和△Rmax为接地屏蔽半径R2与中部屏蔽半径R1差值的数值范围；△Lmin和△Lmax为中部屏蔽长度L1和接地屏蔽长度L2差值的数值范围。
4.根据权利要求3所述的优化设计方法，其特征在于，所述多目标优化函数为：
Figure FDA0002328278050000012
其中：f1(x)为套管内部中心导体表面的场强最大值Emax1，f2(x)为套管内部金属屏蔽表面的场强最大值Emax2，f3(x)为套管护套表面的场强最大值Emax3。
5.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21：产生n个初始种群，每个初始种群包括N个个体，并利用二进制对n个初始种群进行编码；
S22：计算每个初始种群中每个个体的适应度值；
S23：进行选择、交叉和变异操作；
S24：引入移民算子，将各种群在进化过程中的最优个体定期的引入到其他种群；
S25：引入精华种群，通过人工选择算子选择出其他种群最优个体放入精华种群加以保存；
S26：重复步骤S23-步骤S25，直到满足收敛条件即迭代次数达到最优个体最少时，则停止迭代，即得到所述双层屏蔽结构的优化方案。
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