一種基于多種群遺傳算法的盆式絕緣子電氣和機(jī)械性能綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于多種群遺傳算 法的盆式絕緣子電氣和機(jī)械性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 盆式絕緣子是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear，GIS)的 關(guān)鍵部件，在GIS中起著支撐導(dǎo)體、隔離氣室和電氣絕緣的作用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮電氣 和機(jī)械兩方面的性能。目前對于盆式絕緣子的設(shè)計(jì)主要是借助計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算手段，針對 盆式絕緣子的某一位置的電性能進(jìn)行優(yōu)化，這忽視了盆式絕緣子結(jié)構(gòu)改變時對其機(jī)械性能 的影響，具有局限性。
[0003] 盆式絕緣子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及到內(nèi)、外屏蔽電極形狀與位置，盆體形狀等多個變 量，性能要求包括盆體表面電場，內(nèi)、外屏蔽電極表面場強(qiáng)，盆體表面應(yīng)力等多個目標(biāo)，屬于 多變量多目標(biāo)約束的最優(yōu)化問題范疇。盆式絕緣子形狀復(fù)雜，需要較多參數(shù)才能確定一種 結(jié)構(gòu)，采用經(jīng)典遺傳算法同時求解整體最優(yōu)結(jié)構(gòu)很難收斂。
[0004] 中國優(yōu)秀碩士論文全文數(shù)據(jù)庫中公開了一種特高壓電氣設(shè)備的電場特性及絕緣 性能的研究(沈陽工業(yè)大學(xué)、梁超、2010年7月），該論文對特高壓GIS隔離開關(guān)氣室三維電場 進(jìn)行了分析計(jì)算。針對模型實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，應(yīng)用自定義網(wǎng)格劃分控制工具的參數(shù)設(shè)置 對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，解決了智能剖分后的一系列問題?；陔妶鰯?shù)值分析理論，采用有限 兀分析方法，對隔尚開關(guān)的氣室進(jìn)行電場計(jì)算，獲得其內(nèi)部電場強(qiáng)度分布和內(nèi)部絕緣部件 表面電場強(qiáng)度的分布曲線，通過電場強(qiáng)度結(jié)果分析，得出隔離開關(guān)氣室內(nèi)電場強(qiáng)度較大的 位置及電場強(qiáng)度值。最后，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行絕緣校核，驗(yàn)證特高壓隔離開關(guān)的絕緣水平。快 速暫態(tài)過電壓(VFT0)是GIS中特有的一種過電壓，是隔離開關(guān)分合母線電容電流時產(chǎn)生的， 具有上升時間短及幅值高的特點(diǎn)，并且工作氣壓下絕緣子沿面在VFT0作用下比雷電波作用 下要危險得多。因而，該論文研究VFT0作用下的盆式絕緣子的沿面電場分布。利用暫態(tài)數(shù)學(xué) 模型，計(jì)算了 VFT0作用下，盆式絕緣子的電位分布與電場強(qiáng)度分布。通過對盆式絕緣子暫態(tài) 和靜態(tài)電場計(jì)算結(jié)果的比較分析，說明以往對GIS及其相連設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)大部分是通過 靜電場計(jì)算，只考慮雷電沖擊下與操作沖擊下的電場特性是不準(zhǔn)確的，應(yīng)該考慮到暫態(tài)特 性，高頻下介電常數(shù)的非線性變化，考察盆式絕緣子的絕緣水平時，應(yīng)以暫態(tài)電場計(jì)算的最 大值為判據(jù)。從而為盆式絕緣子的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。
[0005] 此外，中國優(yōu)秀碩士論文全文數(shù)據(jù)庫中公開了一種混沌粒子群優(yōu)化算法及其在 GIS絕緣子優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用(沈陽工業(yè)大學(xué)、申力、2009年7月），該論文首先系統(tǒng)地總結(jié)了 粒子群優(yōu)化算法，歸納了其發(fā)展過程中的各種改進(jìn)和算法的基本應(yīng)用，并概述了其在工程 優(yōu)化領(lǐng)域的應(yīng)用；其次，論述了混沌理論的發(fā)展歷史!混沌定義和混沌的特性，介紹了常用 的優(yōu)化算法及其特點(diǎn)〃由于混沌運(yùn)動具有遍歷性！隨機(jī)性!規(guī)律性等特點(diǎn)，因此通常用來進(jìn) 行優(yōu)化搜索，可以避免陷入局部極小，具有全局性優(yōu)點(diǎn)〃本文將采用混沌優(yōu)化方法對電器產(chǎn) 品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);隨后，研究了基于混沌搜索的粒子群算法〃本文將混沌搜索和粒子群算法 結(jié)合起來，用混沌搜索來處理粒子群的早熟收斂問題〃通過對各種多極值函數(shù)測試，證明該 方法有效的解決了混沌方法局部搜索能力弱和粒子群方法容易陷入局部最小的缺點(diǎn)；然 后，研究了基于混沌粒子群算法求解約束優(yōu)化問題〃通過在混沌粒子群方法中加入罰函數(shù) 對約束條件進(jìn)行處理，以求得帶約束的優(yōu)化問題的最優(yōu)解〃通過對多個帶約束的優(yōu)化函數(shù) 進(jìn)行測試，證明該方法對求解約束優(yōu)化問題有較好的效果;最后，研究了混沌粒子群優(yōu)化算 法在電器優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用〃利用混沌粒子群方法結(jié)合有限元電場計(jì)算對Gls中盆式絕緣 子的形狀進(jìn)行了優(yōu)化，通過罰函數(shù)法有效的解決了約束條件問題，從而得到了比較理想的 結(jié)果〃計(jì)算結(jié)果表明該方法有效地解決了電器優(yōu)化問題，并能夠滿足實(shí)際工程需要。
[0006] 然而，上述現(xiàn)有技術(shù)并沒有采用基于多種群遺傳算法的盆式絕緣子電氣和機(jī)械性 能綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，同時上述現(xiàn)有技術(shù)算法復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長，其實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性相對差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中尊在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多種群遺傳算 法和有限元法的盆式絕緣子電氣和機(jī)械性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以解決在盆式絕緣子進(jìn)行整體 性能優(yōu)化時，需要同時考慮多個部位的電氣和機(jī)械性能的問題，從而全面提高盆式絕緣子 的整體性能。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種基于多種群遺傳算法的盆式絕緣子電氣和機(jī)械性能綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括 如下步驟：
[0010] 1)建立盆式絕緣子的電場和應(yīng)力有限元分析程序；
[0011] 2)根據(jù)盆式絕緣子結(jié)構(gòu)特征，劃分盆式絕緣子待優(yōu)化子域，確定優(yōu)化順序；
[0012] 3)確定盆式絕緣子子域的優(yōu)化決策變量及其約束條件，建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo) 函數(shù)；
[0013] 4)構(gòu)造盆式絕緣子子域優(yōu)化設(shè)計(jì)評價函數(shù)；
[0014] 5)采用多種群遺傳算法，調(diào)用有限元分析程序，求解子域最優(yōu)結(jié)構(gòu)；
[0015] 6)按步驟2)中確定的優(yōu)化順序，重復(fù)進(jìn)行上述步驟3至步驟5,完成全部子域的優(yōu) 化。
[0016] 優(yōu)選為：所述步驟1)中，用APDL(ANSYS Parametric Design Language)語言建立 盆式絕緣子的電場和應(yīng)力分析程序，該程序以盆式絕緣子的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為輸入變量，輸出 電場和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，方便步驟5)調(diào)用。
[0017] 優(yōu)選為：所述步驟2)中，根據(jù)盆式絕緣子結(jié)構(gòu)特征，將盆式絕緣子劃分為多個子 域，根據(jù)各個子域?qū)ε枋浇^緣子電氣和機(jī)械性能的重要程度，確定待優(yōu)化子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化順 序。
[0018] 優(yōu)選為:所述步驟3)中，根據(jù)盆式絕緣子的子域特征，選取該子域的優(yōu)化決策變量 并確定其取值范圍，以關(guān)鍵部位的最大電場強(qiáng)度、最大第一主應(yīng)力和最大切應(yīng)力建立優(yōu)化 目標(biāo)函數(shù)。
[0019] 優(yōu)選為:所述步驟4)中，將優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)歸一化后，采用判斷矩陣法，構(gòu)造盆式絕 緣子結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)評價函數(shù)。
[0020] 優(yōu)選為:所述步驟5)中，初始化評價函數(shù)的各個種群的親代進(jìn)化群體，調(diào)用有限元 分析程序，計(jì)算并比較親代群體評價函數(shù)的適應(yīng)度，通過交叉、變異和移民操作產(chǎn)生子代群 體，子代重插入父代得到新的親代群體，反復(fù)迭代，直至達(dá)到迭代次數(shù)。
[0021] 優(yōu)選為:所述步驟6)中，根據(jù)步驟2)中確定的優(yōu)化順序，按照步驟3)至步驟5)對各 個子域進(jìn)行優(yōu)化，已優(yōu)化完成的子域的參數(shù)在后續(xù)優(yōu)化中不再變動，直至完成全部子域的 優(yōu)化。
[0022] 有益效果:本發(fā)明綜合考慮了盆式絕緣子的電氣性能和機(jī)械性能，可以為具有復(fù) 雜形狀的盆式絕緣子的整體結(jié)構(gòu)確定出全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，有效降低盆式絕緣子的設(shè)計(jì) 周期和設(shè)計(jì)成本，具有廣泛的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明中基于多種群遺傳算法的盆式絕緣子電氣和機(jī)械性能優(yōu)化方法流程 示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明中盆式絕緣子的電場和應(yīng)力有限元程序流程示意圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明中多種群遺傳算法流程示意圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明一種盆式絕緣子的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明中第一個子域在進(jìn)化過程中的評價函數(shù)收斂情況示意圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明中第二個子域在進(jìn)化過程中的評價函數(shù)收斂情況示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0030] 圖1為基于多種群遺傳算法和有限元法的盆式絕緣子電氣和機(jī)械性能優(yōu)化方法流 程示意圖；圖2為有限元程序示意圖；圖3為多種群遺傳算法流程圖；圖4為一種盆式絕緣子 的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為上均壓罩，2為下均壓罩，3為中心導(dǎo)體，4為環(huán)氧盆體。
[0031] 如圖1所示，盆式絕緣子電氣和機(jī)械性能優(yōu)化方法流程圖，包括：
[0032] 步驟1):建立盆式絕緣子的電場和應(yīng)力有限元分析程序。用APDL(ANSYS Parametric Design Language)語言建立盆式絕緣子的電場和應(yīng)力分析程序，該程序以盆 式絕緣子的各個部位的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)作為輸入變量，建立盆式絕緣子計(jì)算模型，計(jì)算分析盆 式絕緣子電場和應(yīng)力分布，輸出關(guān)鍵部位電場和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。
[0033] 步驟2):根據(jù)盆式絕緣子結(jié)構(gòu)特征，劃分盆式絕緣子待優(yōu)化子域，確定優(yōu)化順序。 將盆式絕緣子整體結(jié)構(gòu)劃分為包含上均壓罩、下均壓罩和中心導(dǎo)體的屏蔽電極結(jié)構(gòu)和環(huán)氧 盆體結(jié)構(gòu)兩個子域。屏蔽電極對電場分布存在影響，但對盆體應(yīng)力分布影響較小;環(huán)氧盆體