确定高压直流电阻标准分压器均压环的优化设计方法与流程

本发明属于电力
技术领域：
，特别涉及一种确定高压直流电阻标准分压器均压环的优化设计方法。
背景技术：
：直流高电压量值传递和量值溯源的基础是直流电压比例标准的建立，而高精度直流电阻标准分压器可作为直流电压比例标准。目前，大多数国家仅针对300kv及以下电压等级开展直流分压器分压比的量值溯源研究，中国和澳大利亚等国家开展了在较高电压等级下的研究工作。我国于2015年通过了800kv直流电压比例标准的建标考核，大幅提升了电压等级和比例量值的不确定度水平，电压等级从500kv提升为800kv，比例量值不确定度从2×10-4提升到5×10-5。在开展800kv以上直流电压互感器现场校准实验时，确定其分压比的方法是在800kv下用分节标定，这可能导致准确度降低。目前我国特高压直流输电工程的最高电压等级已达1100kv，如果不在直流电阻分压器周围采取措施均匀电场分布，那么直流电阻分压器的电压等级越高，其周围电场分布将愈加不均匀，额定电压下分压器电阻的局部发热量越大，分压器内部的温升越高，分压器中电阻元件的阻值变化越大，分压比的变化量越大，导致分压器的准确度降低，分压器内部温升过大时甚至可能导致电阻元件的热击穿进而损坏。此外，随着电压等级的提高，分压器的绝缘难度随之增加，而且电压等级的提高会使分压器的电晕电流和泄漏电流增大，导致分压器的准确度降低，而均压环能有效改善分压器周围的电场分布。技术实现要素：为了改进由于我国仅通过800kv直流电压比例标准的建标考核，导致800kv以上的高压直流电阻标准分压器周围均压环尺寸和位置需要重新考虑，而传统方法确定该尺寸和位置效率低，重复工作量大的问题，本申请提出了一种确定高压直流电阻标准分压器均压环的优化设计方法，主要是基于软件搭建高压直流电阻标准分压器仿真模型，结合数学分析方法迭代逼近均压环尺寸和位置的最优值；以此方法计算均压环尺寸和位置的最优值可有效提高计算效率，数学分析法等可以减小试验次数、减少计算时间，多次迭代可以使得结果快速收敛于最优值附近，符合工程要求。本发明是这样实现的：一种确定高压直流电阻标准分压器均压环的优化设计方法，其具体步骤如下：s1、确定主均压环和辅均压环的设计变量，对各设计变量多次取值，确定包括误差对比列在内的设计变量相互影响作用表，确定阶梯数据计算方案；s2、建立高压直流电阻标准分压器仿真模型；s3、将s1中各设计变量的取值数据逐一代入到s2中建立的高压直流电阻标准分压器仿真模型中，得出高压直流电阻标准分压器的周围电场数据yi，汇总至阶梯数据计算方案中；s4、根据s3中的数据计算各设计变量的指标，具体包括：s41、计算第j列上第i个设计变量取值的计算结果总和kij；s42、计算总和kij的平均值其中t为第j列上设计变量号i出现的次数；s43、计算第j列极差rj，s5、通过s4中极差的数值，计算各设计变量之间的效应，具体包括以下步骤：s51、计算各设计变量之间的联合效应[ab]ij；s52、计算各设计变量之间的交互效应(ab)ij；s53、判断各设计变量对周围电场数据yi的影响；s6、结合s4和s5的数据确定各设计变量的取值；s7、在s6得出的高压直流电阻标准分压器各均压环尺寸和位置的取值后，缩小各设计变量之间差值，迭代重复s1至s7，使分压器周围最大场强小于等于分压器的起晕场强。优选地，步骤s1中设计变量具体包括：辅均压环的内环半径a、辅均压环圆心到对称轴的距离b、辅均压环圆心到地面的距离c、主均压环的内环半径d、主均压环圆心到对称轴的距离e、主均压环圆心到地面的距离f，各设计变量的取值ai、bi、ci、di、ei、fi，各设计变量取r个值，i＝1～r，各设计变量每次取值的差值为δqa＝|a1-a2|、δqb＝|b1-b2|、δqc＝|c1-c2|、δqd＝|d1-d2|、δqe＝|e1-e2|、δqf＝|f1-f2|。优选地，步骤s51和s52中计算的具体步骤为：计算两个设计变量之间的联合效应[ab]ij，[ab]ij＝μij-μ，其中μij为ai与bj的组合下的均值，总均值为μ，该数值可反应ai与bj的组合对计算结果的总效应；计算两个设计变量不同i值之间的交互效应(ab)ij，(ab)ij＝[ab]ij-ai-bj，该数值可反应ai与bj的组合对计算结果的交互效应。优选地，步骤s53中的具体步骤为：计算结果的总偏差平方和st，其中n＝每列同一设计变量的计算次数与设计变量的个数相乘，t为数据总和，计算第j列设计变量的偏差平方和sj，若设计变量a安排在表中第j列上，则sa＝sj；计算误差对比列的偏差平方和se，se为所有误差对比列的偏差平方和之和；计算总偏差平方和st的度ft、sj的度fj、se的度fe，ft＝n-1，fj＝r-1，fe为ft与各设计变量的度之和；计算检验第j列设计变量对试验结果是否有显著影响的统计量值fj，若由观察值计算出的fj≥f1-α(fj，fj)，则认为该列设计变量对试验结果影响显著，否则，认为效果不显著，其中α为给定的显著性水平。优选地，步骤s6中的具体步骤为：取设计变量a和设计变量b，计算设计变量a、b间的相互作用a×b，若设计变量a、b以及a×b对周围电场数据yi的影响均大于系统误差对周围电场数据yi的影响，则按照工程要求选择[ab]ij中最大或最小者；若设计变量b与设计变量a×b对周围电场数据yi的影响均大于系统误差对周围电场数据yi的影响，设计变量a对周围电场数据yi的影响小于系统误差对周围电场数据yi的影响，则按照工程要求选择(ab)ij及bj中最大或最小者。优选地，步骤s7中的具体步骤为：选取新一轮迭代的各设计变量间差值为δqa′、δqb′、δqc′、δqd′、δqe′、δqf′，确定新一轮迭代各设计变量的值为δq′a、δq′b、δq′c、δq′d、δq′e、δq′f，要求δqa′<δqa、δqb′<δqb、δqc′<δqc、δqd′<δqd、δqe′<δqe、δqf′<δqf，a′k＝ak±δq′a、b′k＝bk±δq′b、ck′＝ck±δq′c、d′k＝dk±δq′d、e′k＝ek±δq′e、fk′＝fk±δq′f，k为迭代次数；把新一轮迭代值继续带入s1中的设计变量相互影响作用表中，形成修正后设计变量相互影响作用表。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、结合数学分析方法可以更加科学且快速地确定主均压环和辅均压环的半径和位置的取值范围，大幅度减少传统枚举法需要的计算时间，提升效率；2、多次迭代可以更加准确地收敛至最优值附近，突破一次计算无法达到工程所需的精确值的瓶颈，改善分压器周围的电场分布，提高分压器的准确度。附图说明图1为本发明确定高压直流电阻标准分压器均压环的优化设计方法的流程图；图2为高压直流电阻标准分压器仿真模型。附图标记：分压器1；辅均压环2；主均压环3。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供一种确定高压直流电阻标准分压器均压环的优化设计方法，具体步骤包括：s1、列出1100kv高压直流电阻标准分压器的主均压环和辅均压环需要考察的六个设计变量a、b、c、d、e、f，分别为辅均压环的内环半径、辅均压环圆心到对称轴的距离、辅均压环圆心到地面的距离、主均压环的内环半径、主均压环圆心到对称轴的距离、主均压环圆心到地面的距离，各设计变量的取值ai、bi、ci、di、ei、fi，各设计变量取r个值，令r＝3，在本实施例中i取值为1、2、3，如表1所示；对阶梯数据计算方案设计如下：各设计变量每次取值的差值为δqa＝|a1-a2|＝|190-200|＝10、δqb＝|b1-b2|＝20、δqc＝|c1-c2|＝100、δqd＝|d1-d2|＝10、δqe＝|e1-e2|＝100、δqf＝|f1-f2|＝100，给出各设计变量相互影响作用表，并安排试验，在众多计算条件中按一定规则选出少数代表性强的计算方案，确定各设计变量相互影响作用表，其中设计变量a与b间相互影响为a×b、设计变量a与c间相互影响为a×c、设计变量b与c间相互影响为b×c，包括误差对比列，如图2所示，表2内部的1、2、3分别为各设计变量在表1中的“取值”。传统枚举法需要做36＝729次仿真试验，按此表格科学安排试验，可将仿真次数减小至27次，即试验次数m＝27。给出设计变量间的相互影响作用表的表头，如表1：表1设计变量间的相互影响作用表范例列号aba×ba×bca×ca×cb×cd误差对比b×cef数据yi12345678910该范例中有六个需要考察的设计变量，a、b、c，分别为内环半径、圆心到对称轴的距离、圆心到地面的距离，d、e、f，为主均压环结构参数，分别为内环半径、圆心到对称轴的距离、圆心到地面的距离，一列误差对比列，每个设计变量有3个待考察值(即图中白色格子内标号i＝1、2、3)。传统枚举法需要做36＝729次仿真试验，按此表格科学安排试验，可将仿真次数减小至27次。s2、建立高压直流电阻标准分压器仿真模型；s3、将s1中的数据，逐一代入到s2中建立的仿真模型中，得出高压直流电阻标准分压器周围电场数据yi，汇总至s1阶梯数据计算方案中；s4、根据s3中的数据计算各设计变量的指标，具体包括：s41、计算总和kij，即第j列上第i个水平的计算结果总和；s42、计算总和平均值其中t为第j列上设计变量号i出现的次数；s43、计算极差rj，即第j列的极差；s5、通过s4中极差的数值，计算各设计变量之间的效应，具体包括以下步骤：s51、计算某两个设计变量之间的联合效应[ab]ij，[ab]ij＝μij-μ，其中μij为ai与bj的组合下的均值，总均值为μ，该数值可反应ai与bj的组合对计算结果的总效应；s52、计算某两个水平之间的交互效应(ab)ij，(ab)ij＝[ab]ij-ai-bj，该数值可反应ai与bj的组合对计算结果的交互效应；s53、判断各设计变量影响是否显著，具体确定方法如下：s531、计算结果的总偏差平方和st，其中n＝每列同一设计变量的计算次数与设计变量的个数相乘，t为数据总和，s532、计算第j列设计变量的偏差平方和sj，若设计变量a安排在表中第j列上，则sa＝sj；s533、计算st的度ft、sj的度fj、se的度fe，ft＝n-1，fj＝r-1，fe＝ft-各水平(包括交互作用)的度之和，se为所有误差对比列的偏差平方和之和；s534、计算检验第j列设计变量对试验结果是否有显著影响的统计量的值fj，若由观察值计算出的fj≥f1-α(fj，fj)则认为该列设计变量对试验结果影响显著，否则，认为效果不显著，其中α为给定的显著性水平，α可以取包括0.005、0.001在内的数值。给出方差分析表表头如表2所示：表2方差分析表范例s6、结合s4和s5的数据确定各设计变量a～f的取值，具体确定方法如下：s61、以设计变量a和设计变量b为例，若设计变量a、b以及a×b对周围电场数据yi的影响均大于系统误差对周围电场数据yi的影响，即设计变量a、b以及a×b的sj均大于误差对比列的sj，则按照工程要求选择[ab]ij中最大或最小者；s62、若设计变量b与设计变量a×b对周围电场数据yi的影响均大于系统误差对周围电场数据yi的影响，设计变量a对周围电场数据yi的影响小于系统误差对周围电场数据yi的影响，即设计变量a及a×b的影响显著，但设计变量b的影响不显著，则按照工程要求选择(ab)ij及bj中最大或最小者；s7、在s6得出的高压直流电阻标准分压器各均压环尺寸和位置的取值后，缩小各设计变量之间差值为δqa′<δqa、δqb′<δqb、δqc′<δqc、δqd′<δqd、δqe′<δqe、δqf′<δqf，迭代重复s1至s7，直到满足工程要求为止，具体迭代过程如下：s71、选取新一轮迭代的各设计变量间差值δqa′、δqb′、δqc′、δqd′、δqe′、δqf′；s72、确定新一轮迭代各设计变量的值a′k＝ak±δq′a、b′k＝bk±δq′b、ck′＝ck±δq′c、d′k＝dk±δq′d、e′k＝ek±δq′e、f′k＝fk±δq′f；s73、把新一轮迭代值继续带入s1中的表中，制定新一轮方案。下面以1100kv高压直流电阻标准分压器为研究对象。如图1所示，为本发明所提供的基于数理统计方法和迭代法的高压直流电阻标准分压器均压环的设计方法，具体步骤包括：s1、列出1100kv高压直流电阻标准分压器的主均压环和辅均压环需要考察的六个设计变量a、b、c、d、e、f，分别为辅均压环的内环半径、辅均压环圆心到对称轴的距离、辅均压环圆心到地面的距离、主均压环的内环半径、主均压环圆心到对称轴的距离、主均压环圆心到地面的距离，各设计变量的取值ai、bi、ci、di、ei、fi，各设计变量取r个值，令r＝3，则在本实施例中i取值为1、2、3，如表1所示，各设计变量每次取值的差值为δqa＝|a1-a2|＝|190-200|＝10、δqb＝|b1-b2|＝20、δqc＝|c1-c2|＝100、δqd＝|d1-d2|＝10、δqe＝|e1-e2|＝100、δqf＝|f1-f2|＝100，给出各设计变量相互影响作用表，并安排试验，在众多计算条件中按一定规则选出少数代表性强的计算方案，确定各设计变量相互影响作用表，其中设计变量a与b间相互影响为a×b、设计变量a与c间相互影响为a×c、设计变量b与c间相互影响为b×c，包括误差对比列，如图2所示，表2内部的1、2、3分别为各设计变量在表1中的“取值”。传统枚举法需要做36＝729次仿真试验，按此表格科学安排试验，可将仿真次数减小至m＝27次。表1各设计变量的取值表2各设计变量相互影响作用表列号aba×ba×bca×ca×cb×cd误差对比b×cef试验号111111111111112111122222222231111333333333412221112223335122222233311161222333111222713331113332228133322211133391333333222111102123123123123112123231231231122123312312312132231123231312142231231312123152231312123231162312123312231172312231123312182312312231123193132132132132203132213213213213132321321321223213132213321233213213321132243213321132213253321132321213263321213132321273321321213132s2、建立高压直流电阻标准分压器仿真模型，如图2所示；s3、将s1中的数据，如a1＝190，a2＝200，a3＝210逐一代入到s2中建立的仿真模型中，得出高压直流电阻标准分压器周围电场数据yi，汇总至s1阶梯数据计算方案中如表3所示：表3电场数据yi列号aba×ba×bca×ca×cb×cd误差对比b×cef数据yi试验号11111111111111-1781.7421111222222222-1686.2331111333333333-1602.6341222111222333-1592.7551222222333111-1821.1861222333111222-1769.5371333111333222-1599.4881333222111333-1599.4591333333222111-1885.04102123123123123-1607.42112123231231231-1653.05122123312312312-1818.13132231123231312-1665.26142231231312123-1612.26152231312123231-1724.47162312123312231-161058172312231123312-1751.3182312312231123-1657.97193132132132132-1568.54203132213213213-1672.67213132321321321-1762.23223213132213321-1659.56233213213321132-157736243213321132213-1715.01253321132321213-1617.63263321213132321-1696.39273321321213132-1654.53s4、根据s3中的数据计算各设计变量的指标，具体包括：s41、计算总和kij，即第j列上第i个水平的计算结果总和；s42、计算总和平均值其中t为第j列上设计变量号i出现的次数；s43、极差rj，即第j列的极差；s5、通过s4中极差的数值，计算各设计变量之间的效应，具体包括以下步骤：s51、计算某两个设计变量之间的联合效应[ab]ij，[ab]ij＝μij-μ，其中μij为ai与bj的组合下的均值，总均值为μ，该数值可反应ai与bj的组合对计算结果的总效应；s52、计算某两个水平之间的交互效应(ab)ij，(ab)ij＝[ab]ij-ai-bj，该数值可反应ai与bj的组合对计算结果的交互效应；s53、判断各设计变量影响是否显著，具体确定方法如下：s531、计算结果的总偏差平方和st，其中n＝每列同一设计变量的计算次数与设计变量的个数相乘，t为数据总和，s532、计算第j列设计变量的偏差平方和sj，若设计变量a安排在表中第j列上，则sa＝sj；s533、计算st的度ft、sj的度fj、se的度fe，ft＝n-1，fj＝r-1，fe＝ft-各水平(包括交互作用)的度之和，se为所有误差对比列的偏差平方和之和。如表4所示。s534、计算检验第j列设计变量对试验结果是否有显著影响的统计量的值fj，若由观察值计算出的fj≥f1-α(fj，fj)，则认为该列设计变量对试验结果影响显著，否则，认为效果不显著，其中α为给定的显著性水平，可取包括0.005、0.001在内的数值，如表5所示。表4各计算指标结果表5方差分析表s6、结合s4和s5的数据确定各设计变量的最终取值a*、b*、c*、d*、e*、f*分别为210、640、8700、390、1200、7900，此时yi为1568.54，具体确定方法如下：s61、若某两个设计变量a、b以及a×b的影响都显著，则按照工程要求选择[ab]ij中最大或最小者；s62、若设计变量a及a×b的影响显著，但设计变量b的影响不显著，则按照工程要求选择(ab)ij及bj中最大或最小者，如表6所示；表6汇总表[ab]ij表(ab)i表b1b2b3b1b2b3a1-10.1115-47.7315-14.5681a117.5637-21.75194.188148a2-12.778112.758526.805185a2-11.501912.33926-0.83741a312.2751929.4451923.90519a3-6.061859.412593-3.35074[bc]ij表(bc)ij表c1c2c3c1c2c3b122.09852-22.1981-72.3115b1-20.7896-24.3163-16.6907b252.335197.885185-53.4348b27.7514814.0714810.49037b364.8451931.28185-30.5015b313.0381520.2448116.20037s7、在s6得出的高压直流电阻标准分压器各均压环尺寸和位置的取值后，缩小各设计变量之间差值为δqa′、δqb′、δqc′、δqd′、δqe′、δqf′，迭代重复s1至s7，直到满足工程要求为止，具体迭代过程如下：s71、选取新一轮迭代的各设计变量间差值δq′a、δq′b、δq′c、δq′d、δq′e、δq′f，要求δqa′＜δqa、δqb′＜δqb、δqc′＜δqc、δqd′＜δqd、δqe′＜δqe、δqf′＜δqf，分别取δqa＝5、δqb＝10、δqc＝50、δqd＝5、δqe＝50、δqf＝50。s72、确定新一轮迭代各设计变量的值ak′、bk′、ck′、dk′、ek′、fk′，a′k＝ak±δq′a、b′k＝bk±δq′b、c′k＝ck±δq′c、d′k＝dk±δq′d、e′k＝ek±δq′e、f′k＝fk±δq′f，ak、bk、ck、dk、ek、fk为上一轮设计变量值；s73、把新一轮迭代值继续带入s1中的表中，制定新一轮方案，最终使分压器周围最大场强小于等于分压器的起晕场强。本实施例可证明，在工程实际中此方式不仅能缩短设计高压直流电阻标准分压器均压环所需时间，且多次迭代能使得结果更趋近于最优值，具有实际应用价值。最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页12