基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合絕緣子電場(chǎng)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合絕緣子電場(chǎng)優(yōu)化方法，屬于復(fù)合絕緣 子電場(chǎng)分布優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 輸電線路復(fù)合絕緣子是電力系統(tǒng)中廣為使用的線路支撐裝置，由于復(fù)合成絕緣子 具有防污性能好、輕便、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此在我國(guó)的電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，在 保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和推動(dòng)我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展上發(fā)揮了顯著作用。
[0003] 但復(fù)合絕緣子在實(shí)際運(yùn)用中也遇到一些問(wèn)題，諸如芯棒脆斷、覆冰下電氣性能嚴(yán) 重降低、電場(chǎng)分布嚴(yán)重不均勻等。其中電場(chǎng)分布嚴(yán)重不均勻是復(fù)合絕緣子在超特高壓線路 上運(yùn)用所面臨的一個(gè)緊迫問(wèn)題。復(fù)合絕緣子由于其外形特點(diǎn)、金具結(jié)構(gòu)和硅橡膠材料的低 電導(dǎo)率，使得電位分布從高壓端開(kāi)始快速衰減，這樣的電位分布使得在鄰近高壓端和接地 端處產(chǎn)生了較高的電場(chǎng)。如果絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了電暈起始場(chǎng)強(qiáng)（0. 45kV/mm)，就會(huì) 產(chǎn)生電暈放電。
[0004] 電場(chǎng)分布是輸電線路外絕緣研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。強(qiáng)電場(chǎng)造成絕緣子串和金具 表面產(chǎn)生電暈放電的機(jī)會(huì)增大，會(huì)對(duì)電力安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。對(duì)于超高壓和特高壓線 路，其電壓等級(jí)高、電場(chǎng)強(qiáng)度大，復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布較常規(guī)線路更不均勻，因此改善復(fù)合 絕緣子電場(chǎng)分布是超/特高壓工程外絕緣設(shè)備研制及其安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。
[0005] 目前研究復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布優(yōu)化的方法有不少，但通過(guò)改變傘裙半徑采用多目 標(biāo)優(yōu)化電場(chǎng)的方法卻沒(méi)有。絕緣子的電場(chǎng)分析中，兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)（場(chǎng)強(qiáng)極差Range_E和最大 場(chǎng)強(qiáng)梯度Max_GradE)是矛盾的，其最小值不在同一處取得，單一目標(biāo)的優(yōu)化難以滿足更加 均勻的電場(chǎng)要求，因此提出多目標(biāo)優(yōu)化方法是有意義的。本發(fā)明以場(chǎng)強(qiáng)極差Range_E最小 和場(chǎng)強(qiáng)梯度最大值Max_GradE最小作為兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)不斷改變大、中、小傘裙半徑， 求取其最優(yōu)的值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種改變傘裙半徑對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布優(yōu) 化的方法，以場(chǎng)強(qiáng)極差Range_E最小和場(chǎng)強(qiáng)梯度最大值Max_GradE最小作為多優(yōu)化目標(biāo)，對(duì) 復(fù)合絕緣子大、中、小傘裙半徑進(jìn)行優(yōu)化，使得復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布更加均勻。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合絕緣子電場(chǎng) 優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0008] 1)解決復(fù)合絕緣子的開(kāi)域問(wèn)題：
[0009] 將無(wú)界開(kāi)域轉(zhuǎn)化為有界閉域，采用遠(yuǎn)場(chǎng)單元來(lái)模擬無(wú)界區(qū)域的方法，將計(jì)算區(qū)域 定為200%。
[0010] 2)建立復(fù)合絕緣子幾何模型：
[0011] 使用了復(fù)合絕緣子的簡(jiǎn)化模型。沿坐標(biāo)平面削減模型，將求解區(qū)域定義為：X軸正 向50%，X軸負(fù)向0% ;Y軸正向50%，Y軸負(fù)向50% ;Z軸正向10%，Z軸負(fù)向10%。
[0012] 3)在Maxwell軟件中，對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；
[0013] 4)實(shí)現(xiàn)Maxwel 1軟件與MATLAB軟件相聯(lián)：
[0014] 采用在Maxwell VBS (微軟Visual Basic語(yǔ)言的腳本簡(jiǎn)化版VBScript)中調(diào)用 MATLAB COM組件的方法。
[0015] 5)在MATLAB軟件中，采用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法對(duì)傘裙半徑進(jìn)行優(yōu)化；
[0016] 6)得出優(yōu)化的復(fù)合絕緣子電場(chǎng)分布。
[0017] 上述步驟3)中，在Maxwell軟件中，對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，具體是 指，基于有限元理論對(duì)絕緣子電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。包括以下步驟：
[0018] 31):將整個(gè)計(jì)算區(qū)域離散化；
[0019] 32):區(qū)域節(jié)點(diǎn)和單元按次序編號(hào)；
[0020] 33):對(duì)每個(gè)有限元依次進(jìn)行局部處理，求得這個(gè)有限元的局部激勵(lì)矩陣和局部系 數(shù)矩陣；
[0021] 34):將每個(gè)單元的局部系數(shù)矩陣和局部激勵(lì)矩陣相加到總系數(shù)矩陣和方程組的 右端項(xiàng)中；
[0022] 35):考慮強(qiáng)加邊界條件，修正總系數(shù)矩陣和方程組的右端項(xiàng)；
[0023] 36):解方程組，得出各節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值解。
[0024] 上述步驟4)中實(shí)現(xiàn)Maxwell軟件與MATLAB軟件相聯(lián)，采用在Maxwell VBS中調(diào) 用MATLAB COM組件的方法。
[0025] 上述步驟5)中，在MATLAB軟件中，采用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法對(duì)傘裙半徑進(jìn)行優(yōu) 化，具體采用GADST模塊進(jìn)行，包括以下步驟：
[0026] 51):確定多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。具體為確定場(chǎng)強(qiáng)極差Range_E最小和場(chǎng)強(qiáng)梯度最大值 Max_GradE最小為兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。
[0027] 52):確定傘裙半徑優(yōu)化問(wèn)題的約束類型；
[0028] 53):產(chǎn)生初始種群；
[0029] 54):使種群進(jìn)化一代；
[0030] 55):判斷是否結(jié)束迭代，迭代結(jié)束條件為達(dá)到之前設(shè)定的最大迭代次數(shù)或者實(shí)驗(yàn) 誤差小于之前設(shè)定的最小誤差值，如果不結(jié)束迭代，則返回53)。
[0031] 56):輸出傘裙半徑帕累托最優(yōu)解（Pareto optimal solution) 〇
[0032] 上述步驟54)中，使種群進(jìn)化一代包括以下步驟：
[0033] 541)使用錦標(biāo)賽方式選擇。具體是基于序值和擁擠距離進(jìn)行選擇操作，對(duì)于兩個(gè) 個(gè)體，當(dāng)序值不同時(shí)，無(wú)論其擁擠距離如何，序值小的個(gè)體將被選中；當(dāng)序值相同時(shí)，擁擠距 離大的個(gè)體將被選中。
[0034] 542)交叉、變異。
[0035] 543)創(chuàng)建子種群。
[0036] 544)合并父子種群。
[0037] 545)計(jì)算序值。
[0038] 546)非支配排序。從1開(kāi)始每次步進(jìn)1，在每輪r循環(huán)中，依次將種群中未被排序 的個(gè)體P與其余所有未被排序的個(gè)體q進(jìn)行比較，檢查個(gè)體q是否支配個(gè)體P。若不支配， 則個(gè)體P被賦予當(dāng)前序值；反之，因?yàn)閭€(gè)體P受個(gè)體q支配。故若個(gè)體P的序值高于當(dāng)前序 值，應(yīng)參與下一輪排序。
[0039] 547)計(jì)算擁擠距離
[0040] 548)修剪種群。隨著父子種群的合并，得到的新種群大小為原始的兩倍，因此需要 在兩倍于種群大小的個(gè)體中修剪出個(gè)數(shù)等于種群大小的個(gè)體。
[0041] 549)計(jì)算平均距離。
[0042] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：
[0043] 首先，本發(fā)明克服了使用Maxwell軟件內(nèi)部單一優(yōu)化模塊而引起的缺陷。電場(chǎng)復(fù) 合絕緣子電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算采用的Maxwel 1軟件內(nèi)部帶有參數(shù)化分析優(yōu)化模塊，但是模塊內(nèi)部 的優(yōu)化算法方式較單一，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜條件下的優(yōu)化任務(wù)，并且數(shù)據(jù)繪圖和顯示方式受限。 而MTLAB作為當(dāng)今最優(yōu)秀的科學(xué)計(jì)算軟件，在算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算 等方面都有著不俗的表現(xiàn)，其算法模塊的封裝規(guī)模、多樣性和可擴(kuò)展性是其他編程語(yǔ)言難 以企及的。因此，為進(jìn)一步優(yōu)化傘裙大小，以得到更優(yōu)的場(chǎng)強(qiáng)分布，本發(fā)明使用外部MATLAB 軟件中的多目標(biāo)遺傳算法消除了內(nèi)部模塊的局限性。遺傳算法優(yōu)化的核心在于適應(yīng)度函數(shù) 的設(shè)定，而適應(yīng)度是無(wú)法用MATLAB模擬的，必須通過(guò)Maxwell計(jì)算得到，本發(fā)明通過(guò)采用在 Maxwell VBS (微軟Visual Basic語(yǔ)言的腳本簡(jiǎn)化版VBScript)中調(diào)用MATLAB COM組件的 方法，成功實(shí)現(xiàn)了 Maxwell軟件與MATLAB軟件相聯(lián)。由于本發(fā)明所有外部算法實(shí)現(xiàn)全部使 用MATLAB及其成熟的工具箱，這樣保證了算法的正確性，也減少了編碼時(shí)間。
[0044] 另外，在絕緣子的電場(chǎng)分析中，兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)（場(chǎng)強(qiáng)極差Range_E和最大場(chǎng)強(qiáng)梯度 Max_GradE)是矛盾的，其最小值不在同一處取得，單一目標(biāo)的優(yōu)化難以滿足要求，因此本發(fā) 明提出多目標(biāo)優(yōu)化方法，以場(chǎng)強(qiáng)極差Range_E最小和場(chǎng)強(qiáng)梯度最大值Max_GradE最小為兩 個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，求取最優(yōu)的絕緣子大、中、小傘裙半徑。本發(fā)明多目標(biāo)優(yōu)化的方法，可以統(tǒng)籌兼 顧各方面因素，增強(qiáng)優(yōu)化效果，使得絕緣子電場(chǎng)更均勻。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；
[0046] 圖2多目標(biāo)遺傳算法GADST模塊優(yōu)化傘裙半徑流程圖；
[0047] 圖3種群進(jìn)化流程圖；
[0048] 圖4使用GADST進(jìn)行多目標(biāo)遺傳算法迭代得到的最優(yōu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)分布；
[0049] 圖5使用GADST進(jìn)行多目標(biāo)遺傳算法迭代得到的最優(yōu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)分布。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0051] 本發(fā)明的系統(tǒng)框圖如圖1所示。一種基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合絕緣子電場(chǎng)優(yōu) 化方法，一共包括六大部分：解決靜電場(chǎng)開(kāi)域問(wèn)題；建立復(fù)合絕緣子幾何模型；在Maxwell 軟件中，對(duì)復(fù)合絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算；實(shí)現(xiàn)Maxwell軟件與MATLAB軟件相聯(lián)；在 MTLAB軟件中，采用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法對(duì)傘裙半徑進(jìn)行優(yōu)化；得出優(yōu)化的復(fù)合絕緣子電 場(chǎng)分布。
[0052] 步驟1解決靜電場(chǎng)開(kāi)域問(wèn)題：即將無(wú)界開(kāi)域轉(zhuǎn)化為有界閉域，采用遠(yuǎn)場(chǎng)單元來(lái)模 擬無(wú)界區(qū)域的方法，將計(jì)算區(qū)域定為200%。
[0053] 步驟2建立復(fù)合絕緣子幾何模型：使用了復(fù)合絕緣子的簡(jiǎn)化模型。沿坐標(biāo)平面削 減模型，將求解區(qū)域定義為：X軸正向50%，X軸負(fù)向0% ;Y軸正向50%，Y軸負(fù)向50% ;Z 軸正向10%，Z軸負(fù)向10%。
[0054] 步