特高压交流变压器套管双层屏蔽结构的优化设计方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911325470.4 (22)申请日 2019.12.20 (71)申请人 国网电力科学研究院武汉南瑞有限 责任公司 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 143号 申请人 南瑞集团有限公司西安交通大学 国网浙江省电力有限公司 国网内蒙古东部电力有限公司 国家电网有限公司 (72)发明人 邓建刚宋友聂宇兰贞波 柯磊徐卓林彭宗仁 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 张惠玲 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.

2、01) G06F 30/10(2020.01) G06N 3/12(2006.01) G06F 111/06(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 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

3、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。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 111079345 A 2020.04.28 CN 111079345 A 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

4、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： 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

5、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： 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

6、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。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111079345 A 2 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 0001 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

7、的优化设计方法。 背景技术 0002 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。 0003 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

8、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 0004 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。 0005 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： 0006 一种特高压交流变压器套管

9、双层屏蔽结构的优化设计方法， 包括如下步骤： 0007 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； 0008 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。 0009 作为上述方案的优选， 步骤S1包括： 0010 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； 0011 S12： 基于决策变量和约束条件， 建立所述多目标优化函数。 0012 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

10、半径R2、 中部屏蔽长度L1和接地屏蔽长度L2； 约束条件为： 说明书 1/5 页 3 CN 111079345 A 3 0013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。 0014 作为上述方案的优选， 所述多目标优化函数为： 0015其中： f1(x)

11、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。 0016 作为上述方案的优选， 步骤S2包括： 0017 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； 0018 S22： 计算每个初始种群中每个个体的适应度值； 0019 S23： 进行选择、 交叉和变异操作； 0020 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； 0021 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

12、加 以保存； 0022 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。 0023 与现有技术相比， 本发明的有益效果在于： 0024 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

13、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。 0025 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 0026 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； 说明书 2/5 页 4 CN 111079345 A 4 0027 图2为多目标优化函数的分布图； 0028 图3为双层屏蔽结构的中部屏蔽半径R1和中部屏蔽

14、长度L1的分布图； 0029 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 0030 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： 0031 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： 0032 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； 0033 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

15、方案。 0034 作为进一步优选的方案， 步骤S1包括： 0035 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； 0036 S12： 基于决策变量和约束条件， 建立所述多目标优化函数。 0037 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： 0038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L2ma

16、x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。 0039 作为上述方案的优选， 所述多目标优化函数为： 0040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。 0041 作为上述方案的优选， 步骤S2包括： 0042 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； 0043 S22：

17、 计算每个初始种群中每个个体的适应度值； 说明书 3/5 页 5 CN 111079345 A 5 0044具体地， 适应度值的计算公式为：其中， Cmax为f (x)的最大估计； 0045 S23： 进行选择、 交叉和变异操作； 0046 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； 0047 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； 0048 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。 0049 以下为本发明具体的实

18、施例。 0050 (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 0051 0052 (2)构造多目标优化函数， 则所述多目标优化函数为： 0053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。 0054 (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。

19、 0055 (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： 0056其中， Cmax为f(x)的最大估计； 0057 (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： 0058 0059 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。 0060 (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； 0061 (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

20、加 以保存； 说明书 4/5 页 6 CN 111079345 A 6 0062 (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。 0063 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Ema

21、x1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。 0064 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： 0065 0066 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。 说明书 5/5 页 7 CN 111079345 A 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 8 CN 111079345 A 8 图4 说明书附图 2/2 页 9 CN 111079345 A 9