[發(fā)明專利]基于量子遺傳算法的高壓開關(guān)柜絕緣子電場優(yōu)化方法

有效

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• 申請日: 2012-07-02
• 公開（公告）號: CN102768701A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苗紅霞;齊本勝;代佳佳;石瀟鋒;趙國芬
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)常州校區(qū)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06N3/12
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林;許婉靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高壓開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)之一絕緣子電場的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于電力系統(tǒng)高壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

開關(guān)柜作為一種接受、分配網(wǎng)絡(luò)電能及控制、保護(hù)和監(jiān)測用電設(shè)備等用途成套開關(guān)設(shè)備而廣泛應(yīng)用于各變電所(站)。由于氣體絕緣開關(guān)柜采用金屬封閉結(jié)構(gòu)，斷路器、開關(guān)等元器件均密封在SF6氣室內(nèi)，但SF6氣體絕緣性能對電場均勻性的敏感性要遠(yuǎn)大于空氣，即SF6在極不均勻電場下的擊穿電壓比其在均勻電場下降低的程度遠(yuǎn)大于在空氣中的降低的程度。所以，在開關(guān)柜設(shè)計(jì)時，必須充分考慮電場的均勻性，使極間及整個場域的電場分布盡可能均勻，研究和改善高壓開關(guān)柜中的電場分布情況是當(dāng)今高電壓技術(shù)的重要任務(wù)之一。

開關(guān)柜密封的特點(diǎn)使得在實(shí)驗(yàn)時難于測量到開關(guān)柜在工作時的電場性能以及影響產(chǎn)品電場性能的相關(guān)因素，所以不能夠很好地指導(dǎo)開關(guān)柜的改進(jìn)和優(yōu)化，只能基于以往經(jīng)驗(yàn)對樣機(jī)進(jìn)行一些局部修改，然后再制造樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)測試，再局部修改，直至產(chǎn)品通過實(shí)驗(yàn)測試。這種基于經(jīng)驗(yàn)的、人工反復(fù)過程的方法不僅時間周期長，效率低下，開關(guān)柜的性能得不到保證，而且容易增加制造過程中廢品率，成本高昂，尤其是不利于新產(chǎn)品的研究和開發(fā)。隨著計(jì)算機(jī)硬件及軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程已經(jīng)從傳統(tǒng)的人工反復(fù)過程，發(fā)展到大量采用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)對產(chǎn)品性能進(jìn)行虛擬測試和校核，在制造物理樣機(jī)之前就可以評估該產(chǎn)品的性能，如果產(chǎn)品不能滿足要求，可找出問題的根源，通過一定的優(yōu)化方法得到優(yōu)化結(jié)果后指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改或重新設(shè)計(jì)，大大減少實(shí)物試驗(yàn)的周期和費(fèi)用，從而降低研發(fā)的成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高壓開關(guān)柜絕緣子電場優(yōu)化方法，對絕緣子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得平均場強(qiáng)最小。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于量子遺傳算法的高壓開關(guān)柜絕緣子電場優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)建立高壓開關(guān)柜絕緣子幾何模型；（對于模型的構(gòu)建過程是公知的嗎，只要輸入已知的數(shù)據(jù)就能自動形成唯一的模型嗎，如果不能需要公開模型的具體公式）

2）采用有限元軟件ANSOFT-MAXWELL對高壓開關(guān)柜絕緣子模型進(jìn)行靜電場仿真，得到最大電場強(qiáng)度值并確定影響電場分布和最大場強(qiáng)的結(jié)構(gòu)因素，過程是：先設(shè)定一個結(jié)構(gòu)初值，仿真，得到該結(jié)構(gòu)的最大電場強(qiáng)度值，再改變結(jié)構(gòu)值，仿真，再得到一個最大電場強(qiáng)度值，進(jìn)行多次仿真，對多次仿真得到的最大電場強(qiáng)度值與設(shè)定的結(jié)構(gòu)值進(jìn)行比較，確定影響電場分布和最大場強(qiáng)的結(jié)構(gòu)因素；

3)初始化種群：采用隨機(jī)方法通過量子染色體的基因編碼對絕緣子高低壓口徑進(jìn)行初始化,開始多變量單目標(biāo)迭代優(yōu)化，每次迭代產(chǎn)生六組數(shù)據(jù)，即為六個個體，每組數(shù)據(jù)包括高壓端的直徑和低壓端的直徑；

4)確定目標(biāo)函數(shù)并計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)：個體的目標(biāo)函數(shù)即為參數(shù)對應(yīng)的電場強(qiáng)度，所述目標(biāo)函數(shù)為：f(x)=[E1,E2,E3,E4,E5,E6,……En],其中的E是最大電場強(qiáng)度值，n是個數(shù)；

對于適應(yīng)度函數(shù)，為了正確估計(jì)這個概率，要求所有個體的適應(yīng)度必須為非負(fù)數(shù)。所以，根據(jù)不同種類的問題，需要預(yù)先確定好由目標(biāo)函數(shù)值到個體適應(yīng)度之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，特別是要預(yù)先確定好當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值為負(fù)數(shù)時的處理方法。

所述適應(yīng)度函數(shù)為：C≥0,C+f(x)≥0，C是確保適應(yīng)度函數(shù)為非負(fù)數(shù)的最小值；

5)對于二進(jìn)制的基因碼組成的個體種群，經(jīng)過選擇，全干擾交叉后變異：由于適應(yīng)度函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)相關(guān)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)在每一代都是人為修改帶入確定值，在前面運(yùn)用量子遺傳算法的基礎(chǔ)上，量子門的變異不再適合此類問題，采用基本遺傳算法的變異就可以實(shí)現(xiàn)，即變異運(yùn)算使用基本位變異算子,為了避免問題過早收斂，對于二進(jìn)制的基因碼組成的個體種群，按照變異概率Pm從種群中選出一定數(shù)目的基因碼，實(shí)現(xiàn)基因碼的小概率翻轉(zhuǎn)，即0變?yōu)?，而1變?yōu)?，如此產(chǎn)生新一代種群；

6)判斷是否滿足量子遺傳操作的中止條件，即迭代100次，也可自行設(shè)定，若不滿足中止條件，則返回的步驟1）；若滿足中止條件，則根據(jù)步驟5）得到的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算對應(yīng)的響應(yīng)值。

前述的基于量子遺傳算法的高壓開關(guān)柜絕緣子電場優(yōu)化方法，其特征在于：在所述步驟3）中，初始化包括以下步驟：

31)根據(jù)要求的精度測算出染色體的長度：按下面公式進(jìn)行計(jì)算，

其中α_j和b_j是優(yōu)化變量取值范圍的下限值和上限值，m_j是染色體的長度；