一种复合干式穿墙套管的结构优化方法及系统与流程

1.本发明涉及结构优化技术领域，特别是涉及一种复合干式穿墙套管的结构优化方法及系统。


背景技术：

2.随着电力工业的发展，复合干式穿墙套管作为新一代高压输变电产品，被用来逐渐代替瓷质穿墙套管，主要应用于高压导体、真空断路器进出线等的电气绝缘和支撑。对于复合干式穿墙套管中的结构优化设计主要集中于利用仿真手段。但是利用仿真手段只能对局部关键部位进行优化，不能综合考虑多个因素对多个互斥目标的影响。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种复合干式穿墙套管的结构优化方法及系统，以实现综合考虑多个因素对多个互斥目标的影响，提高整体参数优化的效果。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种复合干式穿墙套管的结构优化方法，所述方法包括如下步骤：
6.确定复合干式穿墙套管的结构的各参数的约束条件；所述参数包括：铜导杆半径r
cu
、铜导杆长度l
cu
、环氧玻纤棒厚度d
ep
、环氧玻纤棒长度l
ep
、伞裙组数n；
7.以所述结构的重量最小化和预设位置的场强最小化为目标，构建多目标函数；
8.基于所述约束条件，以所述多目标函数最优化为目标，采用优化算法对所述结构的各参数进行优化，获得参数优化结果。
9.可选的，所述约束条件为：
[0010][0011]
其中，r
cu,min
和r
cu,max
分别为铜导杆半径r
cu
的最小值和最大值，l
cu,min
和l
cu,max
分别为铜导杆长度l
cu
的最小值和最大值，d
ep,min
和d
ep,max
分别为环氧玻纤棒厚度d
ep
的最小值和最大值，l
ep,min
和l
ep,max
分别为环氧玻纤棒长度l
ep
的最小值和最大值，n
min
和n
max
分别伞裙组数n的最小值和最大值。
[0012]
可选的，所述多目标函数为：
[0013][0014]
其中，f1为以结构的重量最小化为目标的第一目标函数，f2为以预设位置的场强最小化为目标的第二目标函数，w为穿墙套管的重量，e
cu
为预设位置的场强；
[0015]
w的计算公式为：
[0016][0017]
式中，p
cu
、p
ep
、m
sr
、w
al
分别铜导杆密度、环氧玻纤棒密度、伞裙组质量和法兰质量；
[0018]ecu
的求解方程为：
[0019]
方程中，ε为预设位置的介电常数；为预设位置的电势；ρ为预设位置的空间电荷密度；σ为预设位置的界面电荷密度；j为预设位置的电流密度矢量，jn和js为别表示预设位置的法向电流密度和切向电流密度；se是电荷产生率，t表示时间变量。
[0020]
可选的，所述基于所述约束条件，以所述多目标函数最优化为目标，采用优化算法对所述结构的各参数进行优化，获得参数优化结果，具体包括：
[0021]
生成满足所述约束条件的初始的父代种群；
[0022]
对所述父代种群进行选择、交叉和变异生成满足所述约束条件的子代种群；
[0023]
将所述子代种群和所述父代种群合并，得到合并种群；
[0024]
根据所述多目标函数对合并种群中的个体进行快速非支配排序，确定合并种群中每个个体的非支配等级；
[0025]
根据所述多目标函数计算所述合并种群中每个个体的拥挤度；
[0026]
根据所述非支配等级和所述拥挤度，从所述合并种群中选取较优的个体，组成下一次迭代的父代种群，返回步骤“对所述父代种群进行选择、交叉和变异生成子代种群”，进行下一次迭代，直到预设迭代次数，输出合并种群中非支配等级最低的个体，作为参数优化结果。
[0027]
可选的，所述根据所述多目标函数对合并种群中的个体进行快速非支配排序，确定合并种群中每个个体的非支配等级，具体包括：
[0028]
根据所述多目标函数确定所述合并种群中每个个体的第一参数和第二参数；其中，第i个个体的第一参数为合并种群中支配第i个个体的其他个体的数量，第i个个体的第二参数为合并种群中被第i个体支配的其他个体的集合；当第i个个体的所有目标函数值均比第j个个体对应的目标值优时，则第i个体与第j个个体之间的支配关系为：第i个个体支配第j个个体，否则第i个个体不能支配第j个个体；
[0029]
初始化m的数值为1；
[0030]
把合并种群中所有第一参数等于0的个体存入集合fm中，并将集合fm中的每个个体的非支配等级设置为m；
[0031]
将集合fm中每个个体的第二参数的并集中的每个个体的第一参数减1；
[0032]
令m的数值增加1，将所述并集中第一参数等于0的个体存入集合fm中，并将集合fm中的每个个体的非支配等级设置为m，返回步骤“将集合fm中每个个体的第二参数的并集中的每个个体的第一参数减1”，直到并集为空。
[0033]
一种复合干式穿墙套管的结构优化系统，所述系统包括：
[0034]
约束条件确定模块，用于确定复合干式穿墙套管的结构的各参数的约束条件；所述参数包括：铜导杆半径r
cu
、铜导杆长度l
cu
、环氧玻纤棒厚度d
ep
、环氧玻纤棒长度l
ep
、伞裙组数n；
[0035]
多目标函数构建模块，用于以所述结构的重量最小化和预设位置的场强最小化为目标，构建多目标函数；
[0036]
参数优化模块，用于基于所述约束条件，以所述多目标函数最优化为目标，采用优化算法对所述结构的各参数进行优化，获得参数优化结果。
[0037]
可选的，所述约束条件为：
[0038][0039]
其中，r
cu,min
和r
cu,max
分别为铜导杆半径r
cu
的最小值和最大值，l
cu,min
和l
cu,max
分别为铜导杆长度l
cu
的最小值和最大值，d
ep,min
和d
ep,max
分别为环氧玻纤棒厚度d
ep
的最小值和最大值，l
ep,min
和l
ep,max
分别为环氧玻纤棒长度l
ep
的最小值和最大值，n
min
和n
max
分别伞裙组数n的最小值和最大值。
[0040]
可选的，所述多目标函数为：
[0041][0042]
其中，f1为以结构的重量最小化为目标的第一目标函数，f2为以预设位置的场强最小化为目标的第二目标函数，w为结构的重量，e
cu
为预设位置的场强；
[0043]
w的计算公式为：
[0044][0045]
式中，p
cu
、p
ep
、m
sr
、w
al
分别铜导杆密度、环氧玻纤棒密度、伞裙组质量和法兰质量；
[0046]ecu
的求解方程为：
[0047]
方程中，ε为预设位置的介电常数；为预设位置的电势；ρ为预设位置的空间电荷密度；σ为预设位置的界面电荷密度；j为预设位置的电流密度矢量，jn和js为别表示预设位置的法向电流密度和切向电流密度；se是电荷产生率，t表示时间变量。
[0048]
可选的，所述参数优化模块，具体包括：
[0049]
初始化子模块，用于生成满足所述约束条件的初始的父代种群；
[0050]
子代种群生成模块，用于对所述父代种群进行选择、交叉和变异生成满足所述约束条件的子代种群；
[0051]
种群合并模块，用于将所述子代种群和所述父代种群合并，得到合并种群；
[0052]
快速非支配排序子模块，用于根据所述多目标函数对合并种群中的个体进行快速非支配排序，确定合并种群中每个个体的非支配等级；
[0053]
拥挤度计算子模块，用于根据所述多目标函数计算所述合并种群中每个个体的拥挤度；
[0054]
个体选取子模块，用于根据所述非支配等级和所述拥挤度，从所述合并种群中选取较优的个体，组成下一次迭代的父代种群，返回步骤“对所述父代种群进行选择、交叉和变异生成子代种群”，进行下一次迭代，直到预设迭代次数，输出合并种群中非支配等级最低的个体，作为参数优化结果。
[0055]
可选的，所述快速非支配排序子模块，具体包括：
[0056]
个体参数确定单元，用于根据所述多目标函数确定所述合并种群中每个个体的第一参数和第二参数；其中，第i个个体的第一参数为合并种群中支配第i个个体的其他个体的数量，第i个个体的第二参数为合并种群中被第i个体支配的其他个体的集合；当第i个个体的所有目标函数值均比第j个个体对应的目标值优时，则第i个体与第j个个体之间的支配关系为：第i个个体支配第j个个体，否则第i个个体不能支配第j个个体；
[0057]
初始化单元，用于初始化m的数值为1；
[0058]
第一非支配等级确定单元，用于把合并种群中所有第一参数等于0的个体存入集合fm中，并将集合fm中的每个个体的非支配等级设置为m；
[0059]
第一参数更新单元，用于将集合fm中每个个体的第二参数的并集中的每个个体的第一参数减1；
[0060]
第二非支配等级确定单元，用于令m的数值增加1，将所述并集中第一参数等于0的个体存入集合fm中，并将集合fm中的每个个体的非支配等级设置为m，返回步骤“将集合fm中每个个体的第二参数的并集中的每个个体的第一参数减1”，直到并集为空。
[0061]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0062]
本发明公开了一种复合干式穿墙套管的结构优化方法及系统，所述方法，首先确定复合干式穿墙套管的结构的各参数的约束条件，及以所述结构的重量最小化和预设位置的场强最小化为目标，构建多目标函数；然后，基于所述约束条件，以所述多目标函数最优化为目标，采用优化算法对所述结构的各参数进行优化。本发明为得到能够考虑重量最小、关键部位电场最优的穿墙套管结构，将结构参数设计问题转化为多目标、多约束的优化问题进行求解，并利用优化算法进行求解，能够提升计算速度并更加接近整体最优解。
附图说明
[0063]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术行人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0064]
图1为本发明实施例1提供的一种复合干式穿墙套管的结构优化方法的流程图；
[0065]
图2为本发明实施例1提供的一种复合干式穿墙套管的结构优化方法的原理图；
[0066]
图3为本发明实施例1提供的复合干式穿墙套管的剖面结构图。
具体实施方式
[0067]
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术行人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0068]
本发明的目的是提供一种复合干式穿墙套管的结构优化方法及系统，以实现综合考虑多个因素对多个互斥目标的影响，提高整体参数优化的效果。
[0069]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0070]
实施例1
[0071]
如图1和2所示，本发明实施例1提供一种复合干式穿墙套管的结构优化方法。如图3所示，复合干式穿墙套管包括铜导杆、内绝缘(环氧玻纤棒)、外绝缘(高温硫化硅橡胶材质的伞裙，即图3中的硅橡胶伞裙，中相邻的一个大伞裙和一个小伞裙组成一个伞裙组)和法兰(示例性的为铝法兰)，具有内部电场分布均匀、耐污、憎水和耐老化等优点。
[0072]
所述方法包括如下步骤：
[0073]
步骤101，确定复合干式穿墙套管的结构的各参数的约束条件；所述参数包括：铜导杆半径r
cu
、铜导杆长度l
cu
、环氧玻纤棒厚度d
ep
、环氧玻纤棒长度l
ep
、伞裙组数n。
[0074]
所述约束条件为：
[0075][0076]
其中，r
cu,min
和r
cu,max
分别为铜导杆半径r
cu
的最小值和最大值，l
cu,min
和l
cu,max
分别为铜导杆长度l
cu
的最小值和最大值，d
ep,min
和d
ep,max
分别为环氧玻纤棒厚度d
ep
的最小值和最大值，l
ep,min
和l
ep,max
分别为环氧玻纤棒长度l
ep
的最小值和最大值，n
min
和n
max
分别伞裙组数n的最小值和最大值。
[0077]
步骤102，以所述结构的重量最小化和预设位置的场强最小化为目标，构建多目标函数。仿真中发现铜导杆两端场强最为集中，因此将铜导杆的端部设置为所述预设位置。
[0078]
所述多目标函数为：
[0079][0080]
其中，f1为以结构的重量最小化为目标的第一目标函数，f2为以预设位置的场强最
小化为目标的第二目标函数，w为结构的重量，e
cu
为预设位置的场强；
[0081]
w的计算公式为：
[0082][0083]
式中，p
cu
、p
ep
、m
sr
、w
al
分别铜导杆密度、环氧玻纤棒密度、伞裙组质量和法兰质量；
[0084]ecu
可通过高斯公式和两个电流连续性方程，利用有限元法得到：
[0085][0086]
方程中，ε为预设位置的介电常数，f/m；为预设位置的电势，v；ρ为预设位置的空间电荷密度，c/m3；σ为预设位置的界面电荷密度，c/m2；j为预设位置的电流密度矢量，a/m2，jn和js为别表示预设位置的法向电流密度和切向电流密度，a/m2；se是电荷产生率，(m3s)-1
；t表示时间变量。
[0087]
步骤103，基于所述约束条件，以所述多目标函数最优化为目标，采用优化算法对所述结构的各参数进行优化，获得参数优化结果。
[0088]
步骤103所述基于所述约束条件，以所述多目标函数最优化为目标，采用优化算法对所述结构的各参数进行优化，获得参数优化结果，具体包括：
[0089]
生成满足所述约束条件的初始的父代种群，即，设种群代数g＝0，随机产生种群规模为n的初始父代种群pg。
[0090]
对所述父代种群进行选择、交叉和变异生成满足所述约束条件的子代种群，即，由pg经选择、交叉、变异三种遗传算子生成种群大小也为n的子代种群qg。
[0091]
将所述子代种群和所述父代种群合并，得到合并种群，即，将父代种群pg和子代种群qg合并，形成种群大小为2n的合并种群rg。
[0092]
根据所述多目标函数对合并种群中的个体进行快速非支配排序，确定合并种群中每个个体的非支配等级。所述根据所述多目标函数对合并种群中的个体进行快速非支配排序，确定合并种群中每个个体的非支配等级，具体包括：根据所述多目标函数确定所述合并种群中每个个体的第一参数和第二参数；其中，第i个个体的第一参数为合并种群中支配第i个个体的其他个体的数量，第i个个体的第二参数为合并种群中被第i个体支配的其他个体的集合；当第i个个体的所有目标函数值均比第j个个体对应的目标值优时，则第i个体与第j个个体之间的支配关系为：第i个个体支配第j个个体，否则第i个个体不能支配第j个个体；初始化m的数值为1；把合并种群中所有第一参数等于0的个体存入集合fm中，并将集合fm中的每个个体的非支配等级设置为m；将集合fm中每个个体的第二参数的并集中的每个个体的第一参数减1；令m的数值增加1，将所述并集中第一参数等于0的个体存入集合fm中，并将集合fm中的每个个体的非支配等级设置为m，返回步骤“将集合fm中每个个体的第二参数的并集中的每个个体的第一参数减1”，直到并集为空。
[0093]
根据所述多目标函数计算所述合并种群中每个个体的拥挤度。拥挤度的计算公式
如下：
[0094][0095]
其中，pi表示第i个个体的拥挤度，f
k,(i-1)
和f
k,(i+1)
分别表示第i-1个个体和第i+1个个体的多目标函数中的第k个目标函数值。
[0096]
根据所述非支配等级和所述拥挤度，从所述合并种群中选取较优的个体，组成下一次迭代的父代种群，即，将种群代数g增加1，按非支配等级对合并种群rg中的个体进行分层，同时根据拥挤度对每一非支配层中的个体进行排序；选取排序为前n的个体组成下一次迭代的父代种群pg。
[0097]
返回步骤“对所述父代种群进行选择、交叉和变异生成子代种群”，进行下一次迭代，直到预设迭代次数，输出合并种群中非支配等级最低的个体，作为参数优化结果。判断迭代是否结束：若种群代数g小于最大迭代次数g
max
，返回步骤“对所述父代种群进行选择、交叉和变异生成子代种群”，进行下一次迭代；若g大于或等于g
max
，则结束迭代。
[0098]
实施例2
[0099]
本发明实施例2提供一种复合干式穿墙套管的结构优化系统，所述系统包括：
[0100]
约束条件确定模块，用于确定复合干式穿墙套管的结构的各参数的约束条件；所述参数包括：铜导杆半径r
cu
、铜导杆长度l
cu
、环氧玻纤棒厚度d
ep
、环氧玻纤棒长度l
ep
、伞裙组数n。
[0101]
所述约束条件为：
[0102][0103]
其中，r
cu,min
和r
cu,max
分别为铜导杆半径r
cu
的最小值和最大值，l
cu,min
和l
cu,max
分别为铜导杆长度l
cu
的最小值和最大值，d
ep,min
和d
ep,max
分别为环氧玻纤棒厚度d
ep
的最小值和最大值，l
ep,min
和l
ep,max
分别为环氧玻纤棒长度l
ep
的最小值和最大值，n
min
和n
max
分别伞裙组数n的最小值和最大值。
[0104]
多目标函数构建模块，用于以所述结构的重量最小化和预设位置的场强最小化为目标，构建多目标函数。
[0105]
所述多目标函数为：
[0106][0107]
其中，f1为以结构的重量最小化为目标的第一目标函数，f2为以预设位置的场强最小化为目标的第二目标函数，w为结构的重量，e
cu
为预设位置的场强；
[0108]
w的计算公式为：
[0109]
[0110]
式中，p
cu
、p
ep
、m
sr
、w
al
分别铜导杆密度、环氧玻纤棒密度、伞裙组质量和法兰质量；
[0111]ecu
的求解方程为：
[0112]
方程中，ε为预设位置的介电常数；为预设位置的电势；ρ为预设位置的空间电荷密度；σ为预设位置的界面电荷密度；j为预设位置的电流密度矢量，jn和js为别表示预设位置的法向电流密度和切向电流密度；se是电荷产生率，t表示时间变量。
[0113]
参数优化模块，用于基于所述约束条件，以所述多目标函数最优化为目标，采用优化算法对所述结构的各参数进行优化，获得参数优化结果。
[0114]
所述参数优化模块，具体包括：初始化子模块，用于生成满足所述约束条件的初始的父代种群；子代种群生成模块，用于对所述父代种群进行选择、交叉和变异生成满足所述约束条件的子代种群；种群合并模块，用于将所述子代种群和所述父代种群合并，得到合并种群；快速非支配排序子模块，用于根据所述多目标函数对合并种群中的个体进行快速非支配排序，确定合并种群中每个个体的非支配等级；拥挤度计算子模块，用于根据所述多目标函数计算所述合并种群中每个个体的拥挤度；个体选取子模块，用于根据所述非支配等级和所述拥挤度，从所述合并种群中选取较优的个体，组成下一次迭代的父代种群，返回步骤“对所述父代种群进行选择、交叉和变异生成子代种群”，进行下一次迭代，直到预设迭代次数，输出合并种群中非支配等级最低的个体，作为参数优化结果。
[0115]
其中，所述快速非支配排序子模块，具体包括：个体参数确定单元，用于根据所述多目标函数确定所述合并种群中每个个体的第一参数和第二参数；其中，第i个个体的第一参数为合并种群中支配第i个个体的其他个体的数量，第i个个体的第二参数为合并种群中被第i个体支配的其他个体的集合；当第i个个体的所有目标函数值均比第j个个体对应的目标值优时，则第i个体与第j个个体之间的支配关系为：第i个个体支配第j个个体，否则第i个个体不能支配第j个个体；初始化单元，用于初始化m的数值为1；第一非支配等级确定单元，用于把合并种群中所有第一参数等于0的个体存入集合fm中，并将集合fm中的每个个体的非支配等级设置为m；第一参数更新单元，用于将集合fm中每个个体的第二参数的并集中的每个个体的第一参数减1；第二非支配等级确定单元，用于令m的数值增加1，将所述并集中第一参数等于0的个体存入集合fm中，并将集合fm中的每个个体的非支配等级设置为m，返回步骤“将集合fm中每个个体的第二参数的并集中的每个个体的第一参数减1”，直到并集为空。
[0116]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0117]
本发明为得到能够考虑重量最小、关键部位电场最优的穿墙套管结构，将结构设计问题转化为多目标、多约束的优化问题进行求解。利用优化算法，引入快速非支配排序、拥挤度概念和精英保留策略，能够提升计算速度并更加接近整体最优解。
[0118]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他
实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0119]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术行人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。