一種基于多種群遺傳算法的盆式絕緣子電氣和機械性能綜合優(yōu)化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力設備絕緣結構設計技術領域，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械性能優(yōu)化設計方法。
【背景技術】
[0002] 盆式絕緣子是氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas Insulated Switchgear，GIS)的 關鍵部件，在GIS中起著支撐導體、隔離氣室和電氣絕緣的作用，其結構設計需要考慮電氣 和機械兩方面的性能。目前對于盆式絕緣子的設計主要是借助計算機數(shù)值計算手段，針對 盆式絕緣子的某一位置的電性能進行優(yōu)化，這忽視了盆式絕緣子結構改變時對其機械性能 的影響，具有局限性。
[0003] 盆式絕緣子結構優(yōu)化設計涉及到內(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，盆體表面應力等多個目標，屬于 多變量多目標約束的最優(yōu)化問題范疇。盆式絕緣子形狀復雜，需要較多參數(shù)才能確定一種 結構，采用經(jīng)典遺傳算法同時求解整體最優(yōu)結構很難收斂。
[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備的電場特性及絕緣 性能的研究(沈陽工業(yè)大學、梁超、2010年7月），該論文對特高壓GIS隔離開關氣室三維電場 進行了分析計算。針對模型實際結構的復雜性，應用自定義網(wǎng)格劃分控制工具的參數(shù)設置 對模型進行網(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，對隔尚開關的氣室進行電場計算，獲得其內(nèi)部電場強度分布和內(nèi)部絕緣部件 表面電場強度的分布曲線，通過電場強度結果分析，得出隔離開關氣室內(nèi)電場強度較大的 位置及電場強度值。最后，對計算結果進行絕緣校核，驗證特高壓隔離開關的絕緣水平。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，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 模型，計算了 VFT0作用下，盆式絕緣子的電位分布與電場強度分布。通過對盆式絕緣子暫態(tài) 和靜態(tài)電場計算結果的比較分析，說明以往對GIS及其相連設備的絕緣設計大部分是通過 靜電場計算，只考慮雷電沖擊下與操作沖擊下的電場特性是不準確的，應該考慮到暫態(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，應以暫態(tài)電場計算的最 大值為判據(jù)。從而為盆式絕緣子的絕緣結構設計提供理論參考。
[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)化設計中的應用(沈陽工業(yè)大學、申力、2009年7月），該論文首先系統(tǒng)地總結了 粒子群優(yōu)化算法，歸納了其發(fā)展過程中的各種改進和算法的基本應用，并概述了其在工程 優(yōu)化領域的應用；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〃由于混沌運動具有遍歷性！隨機性!規(guī)律性等特點，因此通常用來進 行優(yōu)化搜索，可以避免陷入局部極小，具有全局性優(yōu)點〃本文將采用混沌優(yōu)化方法對電器產(chǎn) 品進行優(yōu)化設計;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；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)化設計中的應用〃利用混沌粒子群方法結合有限元電場計算對Gls中盆式絕緣 子的形狀進行了優(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 結果〃計算結果表明該方法有效地解決了電器優(yōu)化問題，并能夠滿足實際工程需要。
[0006] 然而，上述現(xiàn)有技術并沒有采用基于多種群遺傳算法的盆式絕緣子電氣和機械性 能綜合優(yōu)化設計方法，同時上述現(xiàn)有技術算法復雜，設計周期長，其實用性、經(jīng)濟性相對差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決現(xiàn)有技術中尊在的缺陷，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械性能優(yōu)化設計方法，以解決在盆式絕緣子進行整體 性能優(yōu)化時，需要同時考慮多個部位的電氣和機械性能的問題，從而全面提高盆式絕緣子 的整體性能。
[0008] 為達到上述目的，本發(fā)明通過采用以下技術方案予以實現(xiàn)：
[0009] -種基于多種群遺傳算法的盆式絕緣子電氣和機械性能綜合優(yōu)化設計方法，包括 如下步驟：
[0010] 1)建立盆式絕緣子的電場和應力有限元分析程序；
[0011] 2)根據(jù)盆式絕緣子結構特征，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，建立相應的結構優(yōu)化目標 函數(shù)；
[0013] 4)構造盆式絕緣子子域優(yōu)化設計評價函數(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)結構；
[0015] 6)按步驟2)中確定的優(yōu)化順序，重復進行上述步驟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力分析程序，該程序以盆式絕緣子的結構參數(shù)作為輸入變量，輸出 電場和應力計算結果，方便步驟5)調(diào)用。
[0017] 優(yōu)選為：所述步驟2)中，根據(jù)盆式絕緣子結構特征，將盆式絕緣子劃分為多個子 域，根據(jù)各個子域?qū)ε枋浇^緣子電氣和機械性能的重要程度，確定待優(yōu)化子結構的優(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，以關鍵部位的最大電場強度、最大第一主應力和最大切應力建立優(yōu)化 目標函數(shù)。
[0019] 優(yōu)選為:所述步驟4)中，將優(yōu)化目標函數(shù)歸一化后，采用判斷矩陣法，構造盆式絕 緣子結構多目標優(yōu)化設計評價函數(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化群體，調(diào)用有限元 分析程序，計算并比較親代群體評價函數(shù)的適應度，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，反復迭代，直至達到迭代次數(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械性能，可以為具有復 雜形狀的盆式絕緣子的整體結構確定出全面的優(yōu)化設計方案，有效降低盆式絕緣子的設計 周期和設計成本，具有廣泛的實用性和經(jīng)濟性。
【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構示意圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明中第一個子域在進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化過程中的評價函數(shù)收斂情況示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。
[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 的結構示意圖，其中1為上均壓罩，2為下均壓罩，3為中心導體，4為環(huán)氧盆體。
[0031] 如圖1所示，盆式絕緣子電氣和機械性能優(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力分析程序，該程序以盆 式絕緣子的各個部位的關鍵點坐標作為輸入變量，建立盆式絕緣子計算模型，計算分析盆 式絕緣子電場和應力分布，輸出關鍵部位電場和應力計算結果。
[0033] 步驟2):根據(jù)盆式絕緣子結構特征，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構劃分為包含上均壓罩、下均壓罩和中心導體的屏蔽電極結構和環(huán)氧 盆體結構兩個子域。屏蔽電極對電場分布存在影響，但對盆體應力分布影響較小;環(huán)氧盆體