变压器升高座及套管均压罩优化方法及系统

1.本发明属于变压器优化设计技术领域，具体涉及变压器升高座及套管均压罩优化方法及系统。


背景技术：

2.高压套管是变压器的重要组成部分，承担着引出、固定变压器内部高、低压引线的作用。调研发现，套管在变压器中故障率较高，电力系统内已发生多起套管的故障异常，对电网的安全运行造成了严重的影响。套管故障大多由绝缘结构在工作中不断劣化或出现结构缺陷所致，如局部放电导致绝缘老化或绝缘击穿。而套管易发生局部放电或绝缘击穿的结构除了套管内部的电容芯子外，套管端部与变压器升高座内部连接部位是最薄弱的一处，该部位电场属于极不均匀电场，最容易出现绝缘击穿问题，因此通常设置均压罩均匀电场分布。均压罩结构的合理性是均压罩均匀电场分布的关键，也是结构设计中一项复杂的技术问题。
3.另一方面，套管均压罩位于变压器升高座中，升高座的结构尺寸也影响均压罩的场强分布。对于高电压等级，升高座结构尺寸和质量通常设置较大，如通过与均压罩结构进行联合设计，更好匹配均压罩的结构设计，有利于升高座设计的轻量化、小型化。尤其在如今竞争激烈的市场中，轻量化、小型化带来的低成本升高座，更具备市场竞争力。
4.现有减小均压罩表面最大场强的方法主要包括两种。一是在均压罩表面覆盖高电气性能的绝缘材料，例如绝缘纸浆、固体绝缘材料等，二是通过控制变量法，研究均压罩弧面所在半径等的结构尺寸对于均压罩表面最大场强的影响，进而实现均压罩结构的优化。前者对于均压罩涂敷的工艺要求较高，实施起来难度较大，后者优化时需要多次仿真，工作量大，而且得到的结构尺寸不一定是最优尺寸。此外，对于升高座的优化都是通过先确定均压罩结构，再通过计算得到升高座的尺寸，缺乏均压罩与升高座的交互性设计，导致各结构尺寸的匹配性低。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供变压器升高座及套管均压罩优化方法及系统，对均压罩与升高座进行交互性设计，使得各结构尺寸匹配性达到最优，能够获得最佳参数的变压器升高座和套管均压罩结构。
6.为了实现以上目的，本发明采用了以下方案：
7.《方法》
8.本发明提供变压器升高座及套管均压罩优化方法，包括以下步骤：
9.步骤1，调用粒子群算法产生初始种群；
10.步骤2，调用ansys apdl程序建立套管有限元全模型，并将个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数；选择升高座半径、均压罩上圆弧、上半弧、中圆弧、下半弧、下圆弧的半径以及均压罩直径和长度为约束参数；
11.步骤3，静电场计算；包括：对各结构材料属性的添加、边界条件及电势的给定、网格剖分以及均压罩表面场强提取；
12.步骤4，调用粒子群算法优化种群；将均压罩表面最大场强作为适应度值；采用分段动态调整的更新方法，惯性权重设置为在正态区间[0.8-0.9]，扰动区间为[0.9-1.0]；
[0013]
步骤5，对变压器升高座及套管均压罩的最优化参数进行取整并输出。
[0014]
优选地，本发明提供的变压器升高座及套管均压罩优化方法，在步骤1中，对粒子种群数量为s的种群进行初始化，随机确定每个粒子的初始位置和初始速度，初始位置指1组升高座及均压罩结构参数组合，初始速度根据各结构参数的取值范围决定，并设置最大迭代次数。
[0015]
优选地，本发明提供的变压器升高座及套管均压罩优化方法，在步骤2中，通过改变约束参数值进而实现对整个模型的调整，个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数是通过调用粒子群算法产生的初始种群，完成初始模型建立。
[0016]
优选地，本发明提供的变压器升高座及套管均压罩优化方法，在步骤4中，调用粒子群算法优化种群的具体方法为：
[0017]
1)均压罩表面最大场强作为适应度值；
[0018]
2)寻找个体极值和群体极值；
[0019]
3)速度和位置更新；
[0020]
4)有限元计算，取得适应度值；
[0021]
5)个体极值和群体极值更新；
[0022]
6)是否满足终止条件；
[0023]
7)若满足则进入步骤(5)对变压器升高座及套管均压罩的最优化参数进行取整并输出；
[0024]
8)若不满足，进入步骤3)速度和位置更新，继续计算。
[0025]
优选地，本发明提供的变压器升高座及套管均压罩优化方法，在步骤4中，粒子的位置和速度根据如下公式进行更新：
[0026][0027][0028]
式中，ω为惯性权重，c1、c2为学习因子，r1、r2为[0,1]范围内的均匀随机数；
[0029]
惯性权重采用线性递减权重法，公式为：
[0030][0031]
式中，ω
max
为惯性权重，ωk为惯性权重系数的递减斜率；
[0032]
在扰动增加时的具体迭代计算公式为：
[0033][0034]
式中，ω
max
为惯性权重，ωk为惯性权重系数的递减斜率；c
t
为惯性权重摄动常数，在15％～25％摄动概率下，c
t
＝0.1，其余c
t
＝0。
[0035]
《系统》
[0036]
进一步，本发明还提供了变压器升高座及套管均压罩优化系统，能够自动实现上
述《方法》，其特征在于，包括：
[0037]
参数获取部，获取升高座及均压罩结构参数，包括：升高座半径、均压罩上圆弧、上半弧、中圆弧、下半弧、下圆弧的半径以及均压罩直径和长度；
[0038]
初始种群生成部，调用粒子群算法产生初始种群；
[0039]
建模部，调用ansys apdl程序建立套管有限元全模型，并将个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数；采用升高座半径、均压罩上圆弧、上半弧、中圆弧、下半弧、下圆弧的半径以及均压罩直径和长度作为约束参数；
[0040]
静电场计算部，计算静电场，包括：对各结构材料属性的添加、边界条件及电势的给定、网格剖分以及均压罩表面场强提取；
[0041]
优化部，调用粒子群算法优化种群：将均压罩表面最大场强作为适应度值；采用分段动态调整的更新方法，惯性权重设置为在正态区间[0.8-0.9]，扰动区间为[0.9-1.0]；
[0042]
最佳结构参数获取部，对变压器升高座及套管均压罩的最优化参数进行取整作为升高座及均压罩的最佳结构参数；
[0043]
控制部，与参数获取部、初始种群生成部、建模部、静电场计算部、优化部、最佳结构参数获取部均通信相连，控制它们的运行。
[0044]
优选地，本发明提供的变压器升高座及套管均压罩优化系统，还可以包括：输入显示部，与控制部通信相连，用于让操作员输入操作指令，并进行相应显示。
[0045]
优选地，本发明提供的变压器升高座及套管均压罩优化系统，在初始种群生成部中，对粒子种群数量为s的种群进行初始化，随机确定每个粒子的初始位置和初始速度，初始位置指1组升高座及均压罩结构参数组合，初始速度根据各结构参数的取值范围决定，并设置最大迭代次数。
[0046]
优选地，本发明提供的变压器升高座及套管均压罩优化系统，在建模部中，通过改变约束参数值进而实现对整个模型的调整，个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数是通过调用粒子群算法产生的初始种群，完成初始模型建立。
[0047]
优选地，本发明提供的变压器升高座及套管均压罩优化系统，在优化部中，粒子的位置和速度根据如下公式进行更新：
[0048][0049][0050]
式中，ω为惯性权重，c1、c2为学习因子，r1、r2为[0,1]范围内的均匀随机数；
[0051]
惯性权重采用线性递减权重法，公式为：
[0052][0053]
式中，ω
max
为惯性权重，ωk为惯性权重系数的递减斜率；
[0054]
在扰动增加时的具体迭代计算公式为：
[0055][0056]
式中，ω
max
为惯性权重，ωk为惯性权重系数的递减斜率；c
t
为惯性权重摄动常数，在15％～25％摄动概率下，c
t
＝0.1，其余c
t
＝0。
[0057]
发明的作用与效果
[0058]
本发明涉及的变压器升高座及套管均压罩优化方法及系统，首次提出同时考虑均压罩及升高座相互影响，对均压罩及升高座的尺寸进行优化，获得均压罩及升高座的最佳匹配尺寸，采用粒子群与有限元算法结合，无需大量有限元仿真获取基础数据，无需复杂权重求解，能够简单有效搭建预测模型，实现粒子群与有限元方法的相互调用，采用分段动态调整的更新方法，惯性权重设置为在正态区间[0.8-0.9]，扰动区间为[0.9-1.0]，在位置与速度更新方面，具有更佳的导向性，对空间最优解的逼近能力更强，能够用最少的参数，最快求解得到最佳尺寸，获得最佳参数配合的变压器升高座和套管均压罩结构。
[0059]
并且，本发明采用参数化建模技术，只需设定各参数的相互约束关系。选择升高座半径、均压罩各结构半径、均压罩直径和均压罩长度为约束参数，通过改变约束参数即可实现对模型的修改，无需重新建模，工作量小。而且，本发明实现了套管均压罩最大场强的优化，算法实现方便、交互性设计强、参数设置少、在保证收敛速度的同时，增强了pso的全局收敛性能。
附图说明
[0060]
图1为本发明实施例一涉及的套管终端均压屏蔽金具典型模型(a)和变压器升高座模型(b)示意图；
[0061]
图2为本发明实施例一涉及的变压器升高座及套管均压罩优化方法的整体框图；
[0062]
图3为本发明实施例一涉及的变压器升高座及套管均压罩优化方法的流程图。
具体实施方式
[0063]
以下结合附图对本发明涉及的变压器升高座及套管均压罩优化方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。
[0064]
《实施例一》
[0065]
如图1～3所示，本实施例的变压器升高座及套管均压罩优化方法具体步骤如下：
[0066]
s1：根据粒子群算法产生初始种群。
[0067]
具体为：粒子群算法通过matlab程序语言编写，对粒子种群数量为s的种群进行初始化，随机确定每个粒子的初始位置和初始速度，初始位置指1组升高座及均压罩结构参数组合，初始速度根据各结构参数的取值范围决定，并设置最大迭代次数。
[0068]
s2：matlab调用ansys apdl程序建立套管有限元全模型，并将个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数。
[0069]
升高座及均压罩结构参数包括：r
1n
、r
2n
、r
3n
、r
4n
、r
5n
、dn、ln、rn(n＝1,
…
,n)。其中，r
1n
、r
2n
、r
3n
、r
4n
、r
5n
、dn、ln、rn依次为均压罩上圆弧、上半弧、中圆弧、下半弧、下圆弧半径，均压罩直径、长度，升高座半径。
[0070]
个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数是通过apdl语言调用粒子群算法产生的初始种群，完成初始模型建立。
[0071]
s3：基于ansys apdl建立套管有限元模拟全模型，并进行静电场计算。
[0072]
具体为：根据套管、变压器升高座、均压罩的具体结构参数以及各结构加载的电位，利用ansys apdl语言编写有限元仿真程序，调用粒子群算法产生的初始种群，进行静电场计算，静电场模块采用plane121。
[0073]
s4：调用粒子群算法优化。
[0074]
具体为：以有限元仿真计算得到的均压罩表面最大场强作为适应度值fit[i]；
[0075]
对每个粒子，用它的适应度值fit[i]和个体极值p
best
(i)比较，如果fit[i]《p
best
(i)，则用fit[i]替换掉p
best
(i)；
[0076]
对每个粒子，用它的适应度值fit[i]和全局极值g
best
(i)比较，如果fit[i]《g
best
(i)，则用fit[i]替换掉g
best
(i)。
[0077]
更新粒子的位置和速度
[0078]
粒子的位置和速度根据如下公式进行更新：
[0079][0080][0081]
式中，ω为惯性权重，c1、c2为学习因子，r1、r2为[0,1]范围内的均匀随机数。
[0082]
惯性权重采用线性递减权重法[ldw]，其公式为：
[0083][0084]
式中，ω
max
为惯性权重，ωk为惯性权重系数的递减斜率。
[0085]
然而，粒子群算法在搜索阶段具有高度的复杂性和非线性。因此，惯性权重ω方案很难线性递减地反映实际的优化搜索阶段。因此，在pso的实现中，通过添加一定的扰动，惯性权值可以大大增加。在这种情况下，可以跳出局部搜索，进行全局搜索，避免了局部收敛问题。
[0086]
一般地，ldw-pso在扰动增加时的具体迭代计算公式为：
[0087][0088]ct
∈{0，0.1}，
[0089]
式中，ω
max
为惯性权重，ωk为惯性权重系数的递减斜率。c
t
为惯性权重摄动常数，在一定摄动概率15％～25％下，c
t
＝0.1，其余c
t
＝0。
[0090]
如果摄动的概率或强度太小或太弱，就很难产生实质性的摄动现象。相反，ldw的特征会受到更大程度的破坏。这两种干扰都不合理。为了获得理想的ldw-pso全局优化性能，需要合理的扰动，即扰动的概率和强度需要给定合理的值。研究发现当惯性权重在正态区间[0.8-0.9]和扰动区间[0.9-1.0]时，粒子群ldw的收敛效果相对较好，因此选择的惯性权重区间为正态区间[0.8-0.9]和扰动区间[0.9-1.0]。在该区间内使用扰动增大的ldw，既能保留扰动增大ldw的优点，又能在合适的区间内考虑惯性权值的优点。
[0091]
惯性权重采用分段动态调整的更新方法，具体步骤为：
[0092]
1)惯性权重在最合适的区间内波动。
[0093]
2)只要惯性权重不超过适当区间的下限，惯性权重就会线性减小。
[0094]
3)当惯性权重接近合适的区间范围的下限时，可以引入一定的扰动使权重大幅度增加。在这种情况下，跳出局部搜索，执行全局搜索，从而防止局部收敛问题。
[0095]
4)当惯性权重接近适当间隔的下限时，将权重恢复到适当间隔的上限，这样可以防止局部收敛。
[0096]
算法停止时，上述策略相当于将整个迭代周期划分为几个部分，每个部分使用一
个扰动增加的ldw-pso。这样可以实时地将惯性权值控制在合适的范围内，从而更有效地考虑粒子群算法容易局部收敛、迭代收敛速度慢的缺点。
[0097]
综上，本实施例提供了一种基于有限元和粒子群算法的变压器升高座及套管均压罩优化方法，与现有技术相比具备以下有益效果：通过有限元法与粒子群算法联合仿真，算法实现方便、收敛速度快、收敛效果好、参数设置少、结果准确可靠。本发明实现了变压器升高座及套管均压罩结构尺寸的优化设计，能够使升高座结构尺寸与均压罩结构尺寸具备更好的匹配性，为变压器升高座及套管均压罩结构设计提供参考。
[0098]
《实施例二》
[0099]
进一步，本实施例二中提供能够自动实现以上本发明方法的变压器升高座及套管均压罩优化系统，该系统包括参数获取部、初始种群生成部、建模部、静电场计算部、优化部、最佳结构参数获取部、输入显示部、控制部。
[0100]
参数获取部能够获取升高座及均压罩结构参数，包括：升高座半径、均压罩上圆弧、上半弧、中圆弧、下半弧、下圆弧的半径以及均压罩直径和长度。
[0101]
初始种群生成部执行上文步骤1所描述的内容，调用粒子群算法产生初始种群；
[0102]
建模部执行上文步骤2所描述的内容，调用ansys apdl程序建立套管有限元全模型，并将个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数。
[0103]
静电场计算部执行上文步骤3所描述的内容，计算静电场。
[0104]
优化部执行上文步骤4所描述的内容，调用粒子群算法优化种群：将均压罩表面最大场强作为适应度值；采用分段动态调整的更新方法，惯性权重设置为在正态区间[0.8-0.9]，扰动区间为[0.9-1.0]。
[0105]
最佳结构参数获取部执行上文步骤5所描述的内容，对变压器升高座及套管均压罩的最优化参数进行取整作为升高座及均压罩的最佳结构参数。
[0106]
输入显示部用于让操作员输入操作指令，并进行相应显示。
[0107]
控制部与参数获取部、初始种群生成部、建模部、静电场计算部、优化部、最佳结构参数获取部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
[0108]
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的变压器升高座及套管均压罩优化方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

技术特征：
1.变压器升高座及套管均压罩优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，调用粒子群算法产生初始种群；步骤2，调用ansys apdl程序建立套管有限元全模型，并将个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数；选择升高座半径、均压罩上圆弧、上半弧、中圆弧、下半弧、下圆弧的半径以及均压罩直径和长度为约束参数；步骤3，静电场计算；包括：对各结构材料属性的添加、边界条件及电势的给定、网格剖分以及均压罩表面场强提取；步骤4，调用粒子群算法优化种群；将均压罩表面最大场强作为适应度值；采用分段动态调整的更新方法，惯性权重设置为在正态区间[0.8-0.9]，扰动区间为[0.9-1.0]；步骤5，对变压器升高座及套管均压罩的最优化参数进行取整并输出。2.根据权利要求1所述的变压器升高座及套管均压罩优化方法，其特征在于：其中，在步骤1中，对粒子种群数量为s的种群进行初始化，随机确定每个粒子的初始位置和初始速度，初始位置指1组升高座及均压罩结构参数组合，初始速度根据各结构参数的取值范围决定，并设置最大迭代次数。3.根据权利要求1所述的变压器升高座及套管均压罩优化方法，其特征在于：其中，在步骤2中，通过改变约束参数值进而实现对整个模型的调整，个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数是通过调用粒子群算法产生的初始种群，完成初始模型建立。4.根据权利要求1所述的变压器升高座及套管均压罩优化方法，其特征在于：其中，在步骤4中，调用粒子群算法优化种群的具体方法为：1)均压罩表面最大场强作为适应度值；2)寻找个体极值和群体极值；3)速度和位置更新；4)有限元计算，取得适应度值；5)个体极值和群体极值更新；6)是否满足终止条件；7)若满足则进入步骤(5)对变压器升高座及套管均压罩的最优化参数进行取整并输出；8)若不满足，进入步骤3)速度和位置更新，继续计算。5.根据权利要求1所述的变压器升高座及套管均压罩优化方法，其特征在于：其中，在步骤4中，粒子的位置和速度根据如下公式进行更新：其中，在步骤4中，粒子的位置和速度根据如下公式进行更新：式中，ω为惯性权重，c1、c2为学习因子，r1、r2为[0,1]范围内的均匀随机数；惯性权重采用线性递减权重法，公式为：式中，ω
max
为惯性权重，ω
k
为惯性权重系数的递减斜率；在扰动增加时的具体迭代计算公式为：
式中，ω
max
为惯性权重，ω
k
为惯性权重系数的递减斜率；c
t
为惯性权重摄动常数，在15％～25％摄动概率下，c
t
＝0.1，其余c
t
＝0。6.变压器升高座及套管均压罩优化系统，其特征在于，包括：参数获取部，获取升高座及均压罩结构参数，包括：升高座半径、均压罩上圆弧、上半弧、中圆弧、下半弧、下圆弧的半径以及均压罩直径和长度；初始种群生成部，调用粒子群算法产生初始种群；建模部，调用ansys apdl程序建立套管有限元全模型，并将个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数；采用升高座半径、均压罩上圆弧、上半弧、中圆弧、下半弧、下圆弧的半径以及均压罩直径和长度作为约束参数；静电场计算部，计算静电场，包括：对各结构材料属性的添加、边界条件及电势的给定、网格剖分以及均压罩表面场强提取；优化部，调用粒子群算法优化种群：将均压罩表面最大场强作为适应度值；采用分段动态调整的更新方法，惯性权重设置为在正态区间[0.8-0.9]，扰动区间为[0.9-1.0]；最佳结构参数获取部，对变压器升高座及套管均压罩的最优化参数进行取整作为升高座及均压罩的最佳结构参数；控制部，与所述参数获取部、所述初始种群生成部、所述建模部、所述静电场计算部、所述优化部、所述最佳结构参数获取部均通信相连，控制它们的运行。7.根据权利要求6所述的变压器升高座及套管均压罩优化系统，其特征在于，还包括：输入显示部，与所述控制部通信相连，用于让操作员输入操作指令，并进行相应显示。8.根据权利要求6所述的变压器升高座及套管均压罩优化系统，其特征在于：其中，在所述初始种群生成部中，对粒子种群数量为s的种群进行初始化，随机确定每个粒子的初始位置和初始速度，初始位置指1组升高座及均压罩结构参数组合，初始速度根据各结构参数的取值范围决定，并设置最大迭代次数。9.根据权利要求6所述的变压器升高座及套管均压罩优化系统，其特征在于：其中，在所述建模部中，通过改变约束参数值进而实现对整个模型的调整，个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数是通过调用粒子群算法产生的初始种群，完成初始模型建立。10.根据权利要求6所述的变压器升高座及套管均压罩优化系统，其特征在于：其中，在所述优化部中，粒子的位置和速度根据如下公式进行更新：其中，在所述优化部中，粒子的位置和速度根据如下公式进行更新：式中，ω为惯性权重，c1、c2为学习因子，r1、r2为[0,1]范围内的均匀随机数；惯性权重采用线性递减权重法，公式为：式中，ω
max
为惯性权重，ω
k
为惯性权重系数的递减斜率；在扰动增加时的具体迭代计算公式为：
式中，ω
max
为惯性权重，ω
k
为惯性权重系数的递减斜率；c
t
为惯性权重摄动常数，在15％～25％摄动概率下，c
t
＝0.1，其余c
t
＝0。

技术总结
本发明提供变压器升高座及套管均压罩优化方法及系统，对均压罩与升高座进行交互性设计，使各结构尺寸匹配性达到最优，能够获得最佳参数的变压器升高座和套管均压罩。方法包括：步骤1，调用粒子群算法产生初始种群；步骤2，建立套管有限元全模型，并将个体值依次赋给升高座及均压罩结构参数；步骤3，静电场计算，包括：各结构材料属性添加、边界条件及电势给定、网格剖分及均压罩表面场强提取；步骤4，调用粒子群算法优化种群；将均压罩表面最大场强作为适应度值；采用分段动态调整的更新方法，惯性权重设置为在正态区间[0.8-0.9]，扰动区间为[0.9-1.0]；步骤5，对变压器升高座及套管均压罩的最优化参数进行取整并输出。均压罩的最优化参数进行取整并输出。均压罩的最优化参数进行取整并输出。


技术研发人员：黄道春 杨雁飞 邓永清 邱逸群
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/12