基于粒子群算法的GIL三支柱绝缘子电气性能优化设计方法与流程

本发明属于电力设备绝缘结构设计技术领域，特别涉及基于粒子群算法的gil三支柱绝缘子电气性能优化设计方法。

背景技术

三支柱绝缘子是气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulatedmetal-enclosedtransmissionline,gil)的关键部件，在gil中起着支撑导体和电气绝缘的作用，其结构设计需要充分考虑其不同部位的电气性能，以免绝缘失效的发生。目前对于三支柱绝缘子的设计主要是借助计算机数值计算手段，针对三支柱绝缘子的某一位置的电性能进行优化，而当三支柱绝缘子某一部位电气性能提升的同时，往往其他部位的性能将会有所下降，具有很大的局限性。

三支柱绝缘子的结构优化设计涉及到绝缘子腹部形状、绝缘子支腿形状以及嵌件表面形状等多个变量，性能要求包括绝缘子表面切向与合成场强，嵌件表面场强等多个目标，属于多变量多目标约束的最优化问题范畴。三支柱绝缘子形状复杂，不同部位有着不同的特征，需要较多参数才能确定一种结构，采用经验设计难以满足整体最优结构。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于粒子群算法的gil三支柱绝缘子电气性能优化设计方法，能够满足gil用三支柱绝缘子在进行整体电气性能优化时，需要同时考虑不同部位不同性能指标的要求，从而全面提高三支柱绝缘子的整体电气性能。

为达到上述目的，本发明通过采用以下技术方案予以实现：

基于粒子群算法的gil三支柱绝缘子电气性能优化设计方法，包括如下步骤：

1)建立三支柱绝缘子的电场有限元分析模型，确定三支柱绝缘子的电场有限元分析模型的待优化的结构参数；

2)确定三支柱绝缘子待优化的结构参数的约束条件，同时选取三支柱绝缘子的电气性能评价指标；

3)根据三支柱绝缘子的结构特征，将三支柱绝缘子待优化的结构参数划分为若干个子集，并确定子集的优化顺序；

4)根据电气性能评价指标构造三支柱绝缘子结构优化设计的优化目标函数；

5)采用粒子群算法，根据子集的优化顺序和待优化的结构参数的约束条件，求解在对应优化目标函数下的最优结构参数。

步骤1)中，在三支柱绝缘子的电场有限元分析模型中，根据三支柱绝缘子形状的结构特征，选取待优化的结构参数。

根据三支柱绝缘子的支腿形状的结构特征以及金属嵌件形状的结构特征，选取待优化的结构参数。

选取金属嵌件的埋入深度、直径和表面圆角半径，以及支腿样条曲线上点的横坐标作为待优化的结构参数，其中，支腿样条曲线上曲率较大处选取的点数相较于曲率较小处选取的点数较多。

步骤2)中，以待优化的结构参数的取值范围作为约束条件；选取三支柱绝缘子表面合成场强最大值e′1、三支柱绝缘子表面切向场强的最大值e'2以及金属嵌件表面合成场强最大值e′3作为电气性能评价指标。

步骤3)中，根据三支柱绝缘子各个部位待优化的结构参数对三支柱绝缘子电气性能评价指标影响程度的不同，确定子集的优化顺序。

待优化的结构参数对三支柱绝缘子电气性能评价指标的影响程度κi由以下公式确定：

其中，x1与x2分别代表同一个待优化结构参数下不同的值，ei1'与ei2'分别代表与待优化结构参数对应的电气性能评价指标值。

步骤3)中，将三支柱绝缘子待优化的结构参数划分为两个子集，其中一个子集包含支腿形状的结构参数，另一个子集包含金属嵌件形状的结构参数。

步骤4)中，将电气性能评价指标归一化后，再采用层次分析法，构造三支柱绝缘子结构优化设计的优化目标函数。

步骤5)的具体过程如下：

步骤5.1，创建初始粒子种群，每个种群包含待优化结构参数和局部最优结果；

步骤5.2，再初始化各个粒子的位置，计算各个粒子下的适应度，以适应度作为初始的局部最优结果，以所有粒子下最优的适应度作为初始的整体最优结果，其中，粒子的位置代表待优化的结构参数，适应度代表优化目标函数的计算值；

步骤5.3，更新粒子位置；

步骤5.4，计算更新以后各个新粒子下的适应度，并记录整体最优结果与局部最优结果；

步骤5.5，反复迭代上述步骤5.3和步骤5.4，直到适应度达到设定范围内，再结束迭代。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的基于粒子群算法的gil三支柱绝缘子电气性能优化设计方法，先建立三支柱绝缘子的电场有限元分析模型，并确定三支柱绝缘子的电场有限元分析模型的待优化的结构参数；再确定三支柱绝缘子待优化的结构参数的约束条件，同时选取三支柱绝缘子的电气性能评价指标；再根据三支柱绝缘子的结构特征，将三支柱绝缘子待优化的结构参数划分为若干个子集，并确定子集的优化顺序；再根据电气性能评价指标构造三支柱绝缘子结构优化设计的优化目标函数；最后采用粒子群算法，根据子集的优化顺序和待优化的结构参数的约束条件，求解在对应优化目标函数下的最优结构参数；综上，本发明综合考虑了三支柱绝缘子关键部位电气性能指标，能够为形状复杂的三支柱绝缘子的结构优化设计提供方法和途径，能够有效提高三支柱绝缘子设计与优化的效率，有效降低三支柱绝缘子的设计周期和成本，充分改善三支柱绝缘子的电气性能达到整体性能最优化。采用本发明的方法能够满足gil用三支柱绝缘子在进行整体电气性能优化时，需要同时考虑不同部位不同性能指标的要求，从而全面提高三支柱绝缘子的整体电气性能。进一步的，在选取待优化的结构参数时，根据三支柱绝缘子的结构特征与形状特点，使用样条曲线来描述三支柱绝缘子支腿形状，选取样条控制点作为待优化结构参数，充分降低了应用现代优化方法在优化过程中构建模型的复杂性。本发明选取有限个但能够充分描述三支柱绝缘子几何形状的参数对三支柱绝缘子进行优化，在满足优化效果的前提下尽可能减少待优化结构参数的数量；选取有限个但能够充分描述三支柱绝缘子电气性能的电气性能评价指标，对优化过程中的三支柱绝缘子电气性能进行评价，在满足优化效果的前提下尽可能减少电气性能评价指标的数量。提高了优化过程的收敛性和运算速度，节约了时间成本与运算成本。

进一步的，本发明明确了结构参数对三支柱绝缘子电气性能评价指标的影响程度的评价方法，根据三支柱绝缘子各个部位待优化的结构参数对三支柱绝缘子电气性能评价指标的影响程度不同，将所选取的所有结构参数划分为不同的子集，按照顺序进行优化，降低了优化过程的复杂性。

进一步的，本发明根据不同电气性能评价指标的重要性确定优化目标函数，充分考虑不同部位电气性能指标的重要性，合理分配权重，使优化的最终结果能够在整体上满足工程中最优的要求。

附图说明

图1为本发明中基于粒子群算法(pso)的gil用三支柱绝缘子结构与电气性能优化设计方法流程示意图。

图2为本发明粒子群算法流程示意图。

图3为三支柱绝缘子安装于金属外壳后的轴向结构示意图。

图4为图3的纵向剖视图。

图5为三支柱绝缘子安装于金属外壳后的立体结构示意图。

图6为本发明的方法对三支柱绝缘子选取优化参数的示意图。

图中，1-三支柱绝缘子，2-中心导体，3-金属嵌键，4-粒子收集器，5-金属外壳，6-支腿。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

实施例

如图1和图2所示，本实施例的基于粒子群算法(pso)的gil用三支柱绝缘子优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1)：应用三维cad软件建立三支柱绝缘子的电场有限元分析模型，三支柱绝缘子的电场有限元分析模型是关于三支柱绝缘子的几何模型，确定描述三支柱绝缘子电场有限元分析模型的结构参数，结构参数包括三支柱绝缘子的支腿形状的结构参数以及金属嵌件形状的结构参数，其中，包括用来描述金属嵌件形状的嵌件埋入深度、嵌件直径和嵌件表面圆角半径，以及如图6所示的用来确定支腿样条曲线的点p1-点p9的横坐标，在支腿上曲率较大处选取的点数相较于曲率较小处选取的点数较多。将上述12个结构参数作为待优化的结构参数；

步骤2)：确定三支柱绝缘子待优化结构参数的取值范围，并将取值范围作为约束条件。金属嵌件的结构参数有嵌件埋入深度、嵌件直径以及嵌件表面圆角半径。参照图3至图6，三支柱绝缘子的支腿为旋转体；如图6所示，在二维平面内，支腿形状由一条经过9个关键点(p1～p9)的样条曲线拟合，该二维平面为xoy平面，以三支柱绝缘子的中心为xoy平面的坐标原点，以水平向右方向为x轴正向，以竖直向上的方向为y轴正向，其中，点p1～p9对应的坐标分别为(x1，410)、(x2，400)、(x3，370)、(x4，332)、(x5，320)、(x6，260)、(x7，190)、(x8，190)和(x9，180)。支腿形状的结构参数由样条曲线的9个关键点(p1～p9)的横坐标(x1～x9)确定，如图6中p1～p9所示。将嵌件埋入深度、嵌件直径、嵌件表面圆角半径以及点p1～p9的横坐标x1～x9这12个参量作为待优化结构参数，将这12个参量依次记为x′1、x'2、……x′12，分别对应的取值范围为：

式中，x′1、x'2、x′3、x'4、x′5、x'6、x'7、x′8、x′9、x′10、x′11和x′12为待优化结构参数，x′1min、x′1max、x'2min、x'2max、x′3min、x′3max、x'4min、x'4max、x′5min、x′5max、x′6min、x′6max、x′7min、x′7max、x′8min、x′8max、x′9min、x′9max、x′10min、x′10max、x′11min、x′11max、x′12min和x′12max为待优化结构参数的变化范围。

同时，选取三支柱绝缘子表面合成场强最大值e′1，三支柱绝缘子表面切向场强最大值e'2以及金属嵌件表面合成场强最大值e′3作为电气性能评价指标。

步骤3)：将待优化结构参数划分为两个子集，其中一个子集包含金属嵌键形状的结构参数，另一个子集包含支腿形状的结构参数。待优化结构参数对电气性能评价指标的影响程度κi由以下公式确定：

其中，x1与x2分别代表同一个待优化结构参数下不同的值，ei1'与ei2'分别代表与待优化结构参数对应的电气性能评价指标值；

通过计算κi后得到，金属嵌件的结构参数对金属嵌件表面场强影响较大，但对三支柱绝缘子表面的切向与合成场强影响较小；三支柱绝缘子支腿形状对三支柱绝缘子表面切向场强与金属嵌件表面合成场强影响较大，而对三支柱绝缘子表面合成场强影响较小。因此，先优化三支柱绝缘子支腿的形状，然后再确定金属嵌件结构。

步骤4)构造评价函数：

将电气性能评价指标归一化，其过程如下：

式中，e′1c、e′2c和e′3c分别为三支柱绝缘子表面合成场强的控制值、三支柱绝缘子表面切向场强的控制值以及金属嵌件表面合成场强的控制值。

在结构优化中，由于金属嵌件表面合成场强与绝缘子表面合成场强裕度较低，因此将金属嵌件表面合成场强与三支柱绝缘子表面合成场强视为影响电气性能的最为主要的因素。相应地，由于绝缘子表面切向场强裕度较大，因此其重要性低于另外两个指标。根据电气性能评价指标的重要性，应用层次分析法，构造出判断矩阵为：

确定三个归一化后的电气性能评价指标的权系数分别为ω1、ω2和ω3，构造的优化目标函数为：

φ1(x)＝ω1f1(x)+ω2f2(x)+ω3f3(x)；

步骤5)采用粒子群算法寻优。如图2所示，为本发明中粒子群算法流程图。待优化结构参数表示为粒子的位置，优化目标函数的计算值表示为粒子的适应度。具体步骤包括：

a)创建20个初始粒子种群，每个种群包含待优化结构参数和局部最优结果；

b)再初始化各个粒子的位置，计算各个粒子下的适应度，以适应度作为初始的局部最优结果。同时，寻找到所有粒子下适应度的最优结果，将最优的适应度作为初始的整体最优结果；

c)更新粒子位置，具体为；

通过速度更新公式更新各个粒子的位置，粒子群算法的速度更新公式如下：

其中c1和c2为加速因子；r1和r1为随机数，其取值范围为[0，1]，pid表示各个粒子在局部最优解下的位置，gid表示粒子群整体最优解下的位置，xid(k)表示上一次迭代的粒子位置，vid(k)表示上一次迭代的速度；利用速度更新公式对粒子的位置进行更新；

d)计算更新以后各个新粒子下的适应度，并记录整体最优结果与局部最优结果；

e)反复迭代上述步骤c)和步骤d)，直到适应度达到设定范围内，再结束迭代。

本发明综合考虑了三支柱绝缘子关键部位电气性能指标，可以为形状复杂的三支柱绝缘子的结构优化设计提供方法和途径，并有效降低三支柱绝缘子的设计周期和成本，改善三支柱绝缘子的电气性能，具有良好的实用性和经济性。