CN115935781A - 直流盆式绝缘子的几何形态优化方法、装置、设备及介质 - Google Patents

直流盆式绝缘子的几何形态优化方法、装置、设备及介质 Download PDF

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CN115935781A
CN115935781A CN202211124687.0A CN202211124687A CN115935781A CN 115935781 A CN115935781 A CN 115935781A CN 202211124687 A CN202211124687 A CN 202211124687A CN 115935781 A CN115935781 A CN 115935781A
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何金良
胡军
梁作栋
庄伟建
李传扬
公多虎
岳云凯
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Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co Ltd
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Abstract

本申请涉及电力技术领域，特别涉及一种直流盆式绝缘子的几何形态优化方法、装置、设备及介质，其中，方法包括：获取待仿真直流盆式绝缘子的几何形态参数和至少一个优化目标；基于至少一个优化目标匹配直流盆式绝缘子的至少一个目标函数，并基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和几何形态参数计算所有目标函数的最优解；基于最优解优化待仿真直流盆式绝缘子的几何形态，并在预设直流电场仿真环境中仿真得到待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态。由此，本申请实施例可以在保证仿真精度的同时，大幅提升直流盆式绝缘子几何形态的优化效率，有效解决直流电场仿真计算量大、仿真效率低等问题。

Description

直流盆式绝缘子的几何形态优化方法、装置、设备及介质
技术领域
本申请涉及电力技术领域，特别涉及一种直流盆式绝缘子的几何形态优化方法、装置、设备及介质。
背景技术
GIS(Gas insulated Switchgear，气体绝缘金属封闭开关设备)及GIL(Gas-insulated Metal-enclosed Transmission Lin，气体绝缘金属封闭输电线路)具有安全性高以及环境友好等诸多特点，已经逐步得到广泛应用；然而，长期工作于高压直流环境下，GIS及GIL设备内部的绝缘子存在电场法向分量，导致工作环境下表面会有电荷的积聚。另外，交流 GIS/GIL设备中当开关断开后，母线上也将会有一定幅值的直流电势存在，这也将使其内部绝缘件表面积聚电荷；这种表面电荷的存在将畸变原有电场，会导致设备中的内部绝缘件闪络电压显著降低。
因此，GIS/GIL主要应用于交流电网中，并未应用于直流输电系统中。随着高压直流输电工程的快速发展、对直流GIS/GIL设备需求的日益迫切，对内部绝缘件在高压直流下的表面电荷积聚特性及控制措施的研究已成为电力科研人员研究的热点问题之一。
相关技术中，针对直流GIS/GIL中内部绝缘件表面电荷积聚问题的研究大部分仍停留在电磁场这一个物理场中。而实际工作状态下，内部绝缘件面临着电、热等多物理场的考验，不同物理场相互之间还存在着诸多制约关系。因此内部绝缘设计工作面临着这三者的重重考验。为了贴合生产实际，在直流盆式绝缘子几何形态优化过程中，需要反复进行复杂物理场的重复运算，大大增加了优化计算成本与计算难度。
发明内容
本申请提供一种直流盆式绝缘子的几何形态优化方法、装置、电子设备及存储介质，可以基于电-热耦合的多物理场仿真方式，并基于等效气体电导率实现直流盆式绝缘子几何形态优化，能够在保证仿真精度的同时，大幅提升直流盆式绝缘子几何形态的优化效率，有效解决直流电场仿真计算量大、仿真效率低等问题。
本申请第一方面实施例提供一种直流盆式绝缘子的几何形态优化方法，包括以下步骤：获取待仿真直流盆式绝缘子的几何形态参数和至少一个优化目标；基于所述至少一个优化目标匹配所述直流盆式绝缘子的至少一个目标函数，并基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和所述几何形态参数计算所有目标函数的最优解；基于所述最优解优化所述待仿真直流盆式绝缘子的几何形态，并在预设直流电场仿真环境中仿真得到所述待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态。
可选地，在基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和所述几何形态参数计算所有目标函数的最优解之前，包括：利用离子动力学方程生成仿真数据；利用岭回归从所述仿真数据中训练得到等效气体电导率的函数表达式，基于所述函数表达式得到所述预设等效气体电导率。
可选地，所述基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和所述几何形态参数计算所有目标函数的最优解，包括：以所述几何形态参数作为可行解，并对所述可行解进行编码得到多个个体，并基于多个个体构建种群；计算每个个体的目标函数值，根据所述每个个体的目标函数值确定所述种群的最优解；根据每次迭代得到的所述种群的最优解中的最优个体，并将所述最优个体解码得到可行解作为所述所有目标函数的最优解。
可选地，在预设直流电场仿真环境中仿真得到所述待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态之前，包括：获取所述待仿真直流盆式绝缘子的仿真设置参数；基于所述仿真设置参数生成所述直流盆式绝缘子的预设直流电场仿真环境。
可选地，所述几何形态参数包括绝缘子轮廓参数和屏蔽结构参数。
可选地，所述至少一个优化目标包括：施加正向直流电场的时刻与电场仿真一致、电荷积聚至稳态过程中的温度分布影响程度小于第一预设程度、电场极性反转瞬间的电场畸变程度小于第二预设程度、极性反转后的稳态时刻电荷消散与积聚再次达到稳态、绝缘子的力学强度达到预设强度中的至少一个。
本申请第二方面实施例提供一种直流盆式绝缘子的几何形态优化装置，包括：获取模块，用于获取待仿真直流盆式绝缘子的几何形态参数和至少一个优化目标；求解模块，用于基于所述至少一个优化目标匹配所述直流盆式绝缘子的至少一个目标函数，并基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和所述几何形态参数计算所有目标函数的最优解；仿真模块，用于基于所述最优解优化所述待仿真直流盆式绝缘子的几何形态，并在预设直流电场仿真环境中仿真得到所述待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态。
可选地，所述直流盆式绝缘子的几何形态优化装置还包括：计算模块，用于利用离子动力学方程生成仿真数据；利用岭回归从所述仿真数据中训练得到等效气体电导率的函数表达式，基于所述函数表达式得到所述预设等效气体电导率。
可选地，所述求解模块进一步用于：以所述几何形态参数作为可行解，并对所述可行解进行编码得到多个个体，并基于多个个体构建种群；计算每个个体的目标函数值，根据所述每个个体的目标函数值确定所述种群的最优解；根据每次迭代得到的所述种群的最优解中的最优个体，并将所述最优个体解码得到可行解作为所述所有目标函数的最优解。
可选地，本申请的直流盆式绝缘子的几何形态优化装置还包括：生成模块，用于获取所述待仿真直流盆式绝缘子的仿真设置参数；基于所述仿真设置参数生成所述直流盆式绝缘子的预设直流电场仿真环境。
可选地，所述几何形态参数包括绝缘子轮廓参数和屏蔽结构参数。
可选地，所述至少一个优化目标包括：施加正向直流电场的时刻与电场仿真一致、电荷积聚至稳态过程中的温度分布影响程度小于第一预设程度、电场极性反转瞬间的电场畸变程度小于第二预设程度、极性反转后的稳态时刻电荷消散与积聚再次达到稳态、绝缘子的力学强度达到预设强度中的至少一个。
本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的直流盆式绝缘子的几何形态优化方法。
本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的直流盆式绝缘子的几何形态优化方法。
由此，本申请至少具有如下有益效果：
本申请实施例可以基于电-热耦合的多物理场仿真方式，并基于等效气体电导率实现直流盆式绝缘子几何形态优化，能够在保证仿真精度的同时，大幅提升直流盆式绝缘子几何形态的优化效率，有效解决直流电场仿真计算量大、仿真效率低等问题。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的一种直流盆式绝缘子的几何形态优化方法的流程图；
图2为根据本申请实施例提供的盆式绝缘子轮廓参数化示意图；
图3为根据本申请实施例提供的极性反转前后绝缘子电场及表面电荷变化示意图；
图4为根据本申请实施例提供的求遗传算法中最优解的流程示意图；
图5为根据本申请实施例提供的等效气体电导率与相关因素的系数矩阵示例图；
图6为根据本申请实施例提供的测试集训练结果示例图；
图7为根据本申请实施例提供的表面电场计算结果示例图；
图8为根据本申请实施例提供的直流电场中气固界面电荷来源示意图；
图9为根据本申请实施例提供的绝缘子轮廓参数化示意图；
图10为根据本申请实施例提供的采用遗传算法优化的演化过程示例图；
图11为根据本申请实施例提供的演化得到的优化后的盆式绝缘子示意图；
图12为根据本申请实施例提供的优化后与原始形态的性能对比示意图；
图13为根据本申请实施例提供的直流盆式绝缘子的几何形态优化装置的示例图；
图14为根据本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
针对上述背景技术中提到的问题，本申请提供了一种直流盆式绝缘子的几何形态优化方法，在该方法中，本申请实施例可以基于电-热耦合的多物理场仿真方式，并基于等效气体电导率实现直流盆式绝缘子几何形态优化，能够在保证仿真精度的同时，大幅提升直流盆式绝缘子几何形态的优化效率，有效解决直流电场仿真计算量大、仿真效率低等问题。
下面将参考附图描述本申请实施例的直流盆式绝缘子的几何形态优化方法、装置、电子设备及存储介质。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种直流盆式绝缘子的几何形态优化方法的流程示意图。
如图1所示，该直流盆式绝缘子的几何形态优化方法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取待仿真直流盆式绝缘子的几何形态参数和至少一个优化目标。
其中，几何形态参数包括绝缘子轮廓参数和屏蔽结构参数；至少一个优化目标包括：施加正向直流电场的时刻与电场仿真一致、电荷积聚至稳态过程中的温度分布影响程度小于第一预设程度、电场极性反转瞬间的电场畸变程度小于第二预设程度、极性反转后的稳态时刻电荷消散与积聚再次达到稳态、绝缘子的力学强度达到预设强度中的至少一个。
具体而言，如图2所示，本申请实施例可以进行几何形态参数化，本申请实施例的盆式绝缘子的二维轴对称结构可以分为绝缘子轮廓参数化与屏蔽结构参数化两个部分。其中，绝缘子轮廓是优化设计的主要对象，需要设定较高的自由；屏蔽结构是次要设计对象。
因此，本申请实施例可以使用至少一种方式实现对绝缘子轮廓的描述，比如，本申请实施例可以使用一种插值曲线进行描述的方式，通过选择取值范围来限制该插值曲线不出现异常状况；作为另一种可能实现的方式，本申请实施例还可以在考虑到加工可行度情况时，采用规律化的直线与曲线连接来进行描述。
同时，本申请实施例可以使用至少一种方式实现对屏蔽结构的描述，比如，由于本申请实施例的屏蔽结构本质上为带有圆弧面的均压部件，因此可以使用一种直线+圆弧的模式来描述外屏蔽结构，采用可移动的椭圆来描述内屏蔽结构。由于盆式绝缘子涉及生产加工过程，需要考虑生产检验相关的可行性，因此在优化设计得到大致的插值曲线时，需要采用标准圆弧+直线的模式来进一步降低盆式绝缘子轮廓的自由度，从而最终获得适用于生产制造的工程图纸。
在步骤S102中，基于至少一个优化目标匹配直流盆式绝缘子的至少一个目标函数，并基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和几何形态参数计算所有目标函数的最优解。
其中，目标选取可以根据实际情况进行选择，比如，本申请实施例中对于直流绝缘子来说，主要目标可以为尽可能降低全周期的绝缘子表面电场强度，因此本申请实施例可以选择相关函数为目标函数。
具体而言，本申请实施例的目标函数选取和优化算法过程具体如下：
1、目标函数选取
如图3所示，本申请实施例的全周期可以包括：(1)施加正向直流电场的瞬间，此时电荷还未开始积聚，因此该状况与静电场仿真基本一致；(2)电荷积聚至稳态，该过程会受到温度分布的大幅影响，在必要时予以考虑；(3)电场极性反转瞬间，此时正向电场下所积聚的电荷还未消散，因此会造成较大幅度的电场畸变；(4)极性反转后的稳态，此时电荷消散与积聚再次达到稳态。
需要说明的是，除去上述主要目标以外，绝缘子也需要具备充足的力学强度，该强度通过固体力学进行水压试验仿真获得极限应力分布，保证极限应力小于材料力学强度即可。此外，由于表面电荷积聚会给直流工况带来极大的不确定因素，因此优化设计需要尽可能降低表面积聚的电荷密度。
2、优化算法
本申请实施例可以采用一种遗传算法来实现整个优化过程。本申请实施例可以将几何形态参数化数值作为可行解，来进行遗传算法优化。如图4所示，本申请实施例的遗传算法的大致流程如下：一开始，随机产生一个初始种群，然后通过自然选择、基因重组、变异一系列操作产生子代，子代又经过同样的操作产生下一代，如此反复进行迭代若干次(次数称为遗传代数)后，选取最后一代种群中的目标函数最优的个体，将这个最优个体通过解码得到的可行解就是本次遗传算法中的最优解。
在本申请实施例中，基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和几何形态参数计算所有目标函数的最优解，包括：以几何形态参数作为可行解，并对可行解进行编码得到多个个体，并基于多个个体构建种群；计算每个个体的目标函数值，根据每个个体的目标函数值确定种群的最优解；根据每次迭代得到的种群的最优解中的最优个体，并将最优个体解码得到可行解作为所有目标函数的最优解。
可以理解的是，本申请实施例的一个编码后的可行解称为一个个体，许多个个体组成一个种群；每个个体对应一个目标函数值，一个种群对应一组目标函数值，这组目标函数值中的最优值(通常为最大值或最小值)对应的个体就是这一代种群中的最优个体。
在本申请实施例中，在基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和几何形态参数计算所有目标函数的最优解之前，包括：利用离子动力学方程生成仿真数据；利用岭回归从仿真数据中训练得到等效气体电导率的函数表达式，基于函数表达式得到预设等效气体电导率。
可以理解的是，由于基于遗传算的优化计算需要涉及到大量生产的子代几何模型的计算，每次计算都需要占用大量的计算资源。为提升优化计算效率，采用等效气体电导率来替代直流电场中气体侧的离子动力学方程。为保证计算精度，先采用离子动力学方程生成大量的仿真数据，再利用岭回归从大量数据中训练得到等效气体电导率的函数表达式。
具体而言，由于气体电导率在仿真模型中仅影响到表面电荷积聚，为了简化数据集，仅采集绝缘子表面的数据。经过筛选，等效气体电导率受到电场强度影响较大，也受到曲线曲率(2维结构)、电场强度梯度的影响。分析得到相关系数如图5所示。通过岭回归训练利用电场强度、曲线曲率以及电场强度梯度来预测等效气体电导率。测试结果对比如图 6所示，可见除部分离群点之前，预测效果较好。提取出等效气体电导率的函数表达式后，直接替代离子动力学方程即可。对比计算结果如图7所示，可见传统方法与本专利方法计算结果基本一致。对比计算时间，原始方法进行一次计算需要268s，采用等效气体电导率，计算时间降低至35s，缩短了近87％的计算时间，大幅加快了大规模优化计算的效率。
在步骤S103中，基于最优解优化待仿真直流盆式绝缘子的几何形态，并在预设直流电场仿真环境中仿真得到待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态。
可以理解的是，通过上述步骤S101和S102中对几何形态参数化、目标函数选取和优化算法的完善后，本申请实施例可以进行优化计算。其中，优化计算由可采用遗传算法、粒子群算法等优化计算方法，以对于过程中产生的每一个对象进行直流电场仿真。
具体而言，直流电场中需要考虑表面及体电荷对于电场分布的影响，这些电荷分布来源于电导现象，在温度作用下，材料电导率会随温度呈现出变化趋势，从而产生不均匀的电导分布与不均匀的电场分布，最终导致空间电荷与表面电荷的积聚。
在本申请实施例中，在预设直流电场仿真环境中仿真得到待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态之前，包括：获取待仿真直流盆式绝缘子的仿真设置参数；基于仿真设置参数生成直流盆式绝缘子的预设直流电场仿真环境。
具体而言，本申请实施例电场设置和温度场设置的具体过程如下：
1、电场设置
本申请实施例的空间电荷密度ρ与电势可以由泊松方程可得到：
其中，ε为固体介质介电常数。由于空间电荷密度不可突变，其随时间的变换的关系与电流密度存在算式如下：
由麦克斯韦方程与欧姆定律可以获得电场强度、电流密度以及电势之间的关系如下：
其中，γ为绝缘材料的电导率。综合上述四个式子，可推导出关于空间电荷密度ρ的偏微分方程如下：
当上述方程中空间电荷密度随时间的导数为0时，电荷积聚过程进入稳态。
如图8所示，表面电荷具有三个来源：(1)气体侧的吸附作用，由固体介质表面的电场法向分量引起气体中正负离子的定向运动，标记为电流密度Jgn；(2)介质侧体传导作用，由固体介质表面的电场法向分量引起介质中电子的定向运动，标记为电流密度Jin(3)介质表面传导作用，由固体介质表面电场的切向分量引起介质表面载流子的定向运动，标记为电流密度Js。综合考虑上述三种作用，可以得到表面电荷密度σ关于时间t变化的方程：
其中，介质侧体传导电流Jin可以通过欧姆定律，根据表面电场强度法向分量En与固体介质体电导率σiV计算得到：
Jin＝σiVEn
与上式类似，介质表面传导电流Js可根据表面电场强度切向分量Et与固体介质表面电导率σiS计算得到：
Js＝σiSEt
气体侧吸附作用产生的电流Jgn与电场强度存在较为复杂的关系，需要从气体中正负离子的活动与定性运动的角度考虑，考虑迁移与扩散作用可以得到算式如下：
式中，e为基本电荷，En为固体介质表面电场强度法向分量，n+、n-为气体中的正离子与负离子密度，b+、b-为正离子与负离子在电场作用下的迁移系数，D+、D-为正离子与负离子在不均匀密度作用下的扩散系数。选用的迁移系数和扩散系数为： b+＝b-＝4.8×10-6m2/(V·s)，D+＝D-＝1.2×10-7m2/s。
气体中的正离子与负离子密度可由如下方程组表示：
其中，为自然离子对生成率，kr为离子复合系数。取kr＝1.74×10-7/cm3·s。
高压电极与接地外壳均设置为狄利克雷条件，即设置为固定的电势值：
其中，U为高压直流源所施加的电压，可以根据实际情况选取。
正负离子密度计算时所需的边界条件与电极表面的电场方向相关。在电场由气体指向金属电极时，正离子密度与负离子密度的边界条件如下：
在电场由金属电极指向气体时，正离子密度与负离子密度的边界条件如下：
2、温度场设置
温度梯度的形成需要考虑热量传递，传递过程包含热传导、热对流以及热辐射三种方式。由于实际运行中央电极最高温度仅为105℃，热辐射的影响较小，可以忽略。本申请实施例的基本的热传导方程为：
其中，T为温度，k为介质热导率，c为介质比热容，ρ为介质密度。不同介质的温度界面条件为：
T1＝T2
其中，T1为介质1的温度，T2为介质2的温度。
由于GIS/GIL为封闭金属管道，其中不存在外部气体的强制流动，绝缘气体中自然对流成为主要热交换方式。需要考虑高压电极与绝缘气体的交换热量Q1，固体绝缘材料与绝缘气体间的交换热量Q2，接地外壳与外部空气间的交换热量Q3。由热对流公式得出：
其中，h1、h2、h3分别为高压电极与绝缘气体的传热系数、绝缘材料与绝缘气体的传热系数、接地外壳与绝缘气体的传热系数，A1、A2、A3分别为高压电极与绝缘气体的界面面积、绝缘材料与绝缘气体的界面面积、接地外壳与绝缘气体的界面面积，Th、TEP、Tg、Ta分别为高压电极、绝缘材料、接地外壳、绝缘气体的温度。自然对流产生的热传导系数可由下述公式得出：
Nu＝C(GrPr)n
其中，h为自然对流产生的传热系数，k为气体导热系数，Nu为努塞尔常数，Gr为格拉斯霍夫常数，Pr为普朗特常数，C、L、n为与整体几何结构相关的系数。选取GrPr≈2×104，C＝0.54，n＝0.25，L＝(l1×l2×2)/(l1+l2)，其中l1、l2分别为的绝缘件的长度和宽度(或等效周长)。
温度对于电场的影响主要来源于温度T与绝缘材料电导率σ的关联关系，对试验数据拟合得到的公式形式如下：
下面将通过一个实施例对本申请实施例的直流盆式绝缘子的几何形态优化方法进行阐述，具体如下：
本申请的一个实施例可以使用一种±320kV的直流盆式绝缘子，对绝缘子的轮廓进行参数化描述可以如图9所示，为使得设计出的轮廓适用于工业化生产，采用直流与曲线连接的形式，曲线与直线间通过端点重合与延长线相切的配合关系进行约束；其中，直流长度、曲线曲率半径为自变量，目标函数选取为全周期的绝缘子的最大表面电场强度，优化目标为使得该目标函数值尽可能减小，采用遗传算法优化20代。
演化过程可以如图10所示，得到的优化后的盆式绝缘子可以如图11所示，优化后与原始形态的性能对比可以如图12所示；由此可见，优化后的形状在电源极性反转前后的最大电场强度均远低于原始形态，取得了优良的优化效果。
根据本申请实施例提出的直流盆式绝缘子的几何形态优化方法，可以基于电-热耦合的多物理场仿真方式，并基于等效气体电导率实现直流盆式绝缘子几何形态优化，能够在保证仿真精度的同时，大幅提升直流盆式绝缘子几何形态的优化效率，有效解决直流电场仿真计算量大、仿真效率低等问题。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的直流盆式绝缘子的几何形态优化装置。
图13是本申请实施例的直流盆式绝缘子的几何形态优化装置的方框示意图。
如图13所示，该直流盆式绝缘子的几何形态优化装置10包括：获取模块100、求解模块200及仿真模块300。
其中，获取模块100用于获取待仿真直流盆式绝缘子的几何形态参数和至少一个优化目标；求解模块200用于基于至少一个优化目标匹配直流盆式绝缘子的至少一个目标函数，并基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和几何形态参数计算所有目标函数的最优解；仿真模块300用于基于最优解优化待仿真直流盆式绝缘子的几何形态，并在预设直流电场仿真环境中仿真得到待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态。
在本申请实施例中，求解模块200进一步用于：以几何形态参数作为可行解，并对可行解进行编码得到多个个体，并基于多个个体构建种群；计算每个个体的目标函数值，根据每个个体的目标函数值确定种群的最优解；根据每次迭代得到的种群的最优解中的最优个体，并将最优个体解码得到可行解作为所有目标函数的最优解。
在本申请实施例中，本申请实施例的直流盆式绝缘子的几何形态优化装置10还包括：计算模块和生成模块。
其中，计算模块用于利用离子动力学方程生成仿真数据；利用岭回归从仿真数据中训练得到等效气体电导率的函数表达式，基于函数表达式得到预设等效气体电导率；生成模块用于获取待仿真直流盆式绝缘子的仿真设置参数；基于仿真设置参数生成直流盆式绝缘子的预设直流电场仿真环境。
在本申请实施例中，几何形态参数包括绝缘子轮廓参数和屏蔽结构参数。
在本申请实施例中，至少一个优化目标包括：施加正向直流电场的时刻与电场仿真一致、电荷积聚至稳态过程中的温度分布影响程度小于第一预设程度、电场极性反转瞬间的电场畸变程度小于第二预设程度、极性反转后的稳态时刻电荷消散与积聚再次达到稳态、绝缘子的力学强度达到预设强度中的至少一个。
需要说明的是，前述对直流盆式绝缘子的几何形态优化方法实施例的解释说明也适用于该实施例的直流盆式绝缘子的几何形态优化装置，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的直流盆式绝缘子的几何形态优化装置，可以基于电-热耦合的多物理场仿真方式，并基于等效气体电导率实现直流盆式绝缘子几何形态优化，能够在保证仿真精度的同时，大幅提升直流盆式绝缘子几何形态的优化效率，有效解决直流电场仿真计算量大、仿真效率低等问题。
图14为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：
存储器1401、处理器1402及存储在存储器1401上并可在处理器1402上运行的计算机程序。
处理器1402执行程序时实现上述实施例中提供的直流盆式绝缘子的几何形态优化方法。
进一步地，电子设备还包括：
通信接口1403，用于存储器1401和处理器1402之间的通信。
存储器1401，用于存放可在处理器1402上运行的计算机程序。
存储器1401可能包含高速RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)存储器，也可能还包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器。
如果存储器1401、处理器1402和通信接口1403独立实现，则通信接口1403、存储器1401和处理器1402可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是ISA(IndustryStandard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(Peripheral Component，外部设备互连)总线或EISA(Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准体系结构)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图14中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选的，在具体实现上，如果存储器1401、处理器1402及通信接口1403，集成在一块芯片上实现，则存储器1401、处理器1402及通信接口1403可以通过内部接口完成相互间的通信。
处理器1402可能是一个CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，或者是ASIC (Application Specific Integrated Circuit，特定集成电路)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的直流盆式绝缘子的几何形态优化方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列，现场可编程门阵列等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

Claims (14)

1.一种直流盆式绝缘子的几何形态优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待仿真直流盆式绝缘子的几何形态参数和至少一个优化目标；
基于所述至少一个优化目标匹配所述直流盆式绝缘子的至少一个目标函数，并基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和所述几何形态参数计算所有目标函数的最优解；
基于所述最优解优化所述待仿真直流盆式绝缘子的几何形态，并在预设直流电场仿真环境中仿真得到所述待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和所述几何形态参数计算所有目标函数的最优解之前，包括：
利用离子动力学方程生成仿真数据；
利用岭回归从所述仿真数据中训练得到等效气体电导率的函数表达式，基于所述函数表达式得到所述预设等效气体电导率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和所述几何形态参数计算所有目标函数的最优解，包括：
以所述几何形态参数作为可行解，并对所述可行解进行编码得到多个个体，并基于多个个体构建种群；
计算每个个体的目标函数值，根据所述每个个体的目标函数值确定所述种群的最优解；
根据每次迭代得到的所述种群的最优解中的最优个体，并将所述最优个体解码得到可行解作为所述所有目标函数的最优解。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在预设直流电场仿真环境中仿真得到所述待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态之前，包括：
获取所述待仿真直流盆式绝缘子的仿真设置参数；
基于所述仿真设置参数生成所述直流盆式绝缘子的预设直流电场仿真环境。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述几何形态参数包括绝缘子轮廓参数和屏蔽结构参数。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个优化目标包括：施加正向直流电场的时刻与电场仿真一致、电荷积聚至稳态过程中的温度分布影响程度小于第一预设程度、电场极性反转瞬间的电场畸变程度小于第二预设程度、极性反转后的稳态时刻电荷消散与积聚再次达到稳态、绝缘子的力学强度达到预设强度中的至少一个。
7.一种直流盆式绝缘子的几何形态优化装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待仿真直流盆式绝缘子的几何形态参数和至少一个优化目标；
求解模块，用于基于所述至少一个优化目标匹配所述直流盆式绝缘子的至少一个目标函数，并基于预设等效气体电导率优化后的优化后的算法和所述几何形态参数计算所有目标函数的最优解；
仿真模块，用于基于所述最优解优化所述待仿真直流盆式绝缘子的几何形态，并在预设直流电场仿真环境中仿真得到所述待仿真直流盆式绝缘子优化后的几何形态。
8.根据权利要求7的装置，其特征在于，还包括：
计算模块，用于利用离子动力学方程生成仿真数据；利用岭回归从所述仿真数据中训练得到等效气体电导率的函数表达式，基于所述函数表达式得到所述预设等效气体电导率。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述求解模块进一步用于：
以所述几何形态参数作为可行解，并对所述可行解进行编码得到多个个体，并基于多个个体构建种群；计算每个个体的目标函数值，根据所述每个个体的目标函数值确定所述种群的最优解；根据每次迭代得到的所述种群的最优解中的最优个体，并将所述最优个体解码得到可行解作为所述所有目标函数的最优解。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：
生成模块，用于获取所述待仿真直流盆式绝缘子的仿真设置参数；基于所述仿真设置参数生成所述直流盆式绝缘子的预设直流电场仿真环境。
11.根据权利要求7-10任意一项所述的装置，其特征在于，所述几何形态参数包括绝缘子轮廓参数和屏蔽结构参数。
12.根据权利要求7-10任意一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个优化目标包括：施加正向直流电场的时刻与电场仿真一致、电荷积聚至稳态过程中的温度分布影响程度小于第一预设程度、电场极性反转瞬间的电场畸变程度小于第二预设程度、极性反转后的稳态时刻电荷消散与积聚再次达到稳态、绝缘子的力学强度达到预设强度中的至少一个。
13.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-6任一项所述的直流盆式绝缘子的几何形态优化方法。
14.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-6任一项所述的直流盆式绝缘子的几何形态优化方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116859191A (zh) * 2023-06-21 2023-10-10 武汉大学 直流盆式绝缘子电场控制阈值计算系统和方法

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