110kV及以下的油浸电力变压器CAD优化系统的构建.pdf

总第 1 4 8期 2 0 1 5年第 6期 设 计试 验 机械管理开发 M EC H ANI CA L M A NAG EM ENT AN D DEV ELOPM EN T 1 1 0 k V及 以下 的油浸 电力变压器 C AD优 化系统 的构 建 T o t a l o f 1 4 8 No ． 6 2 0 1 5 钱 虹凌 ( 大 同大学 工学 院 电气工程 系， 山西大 同0 3 7 0 0 3 ) 摘要 ： 介绍 了基 于综合设计 、类比设 计、优化设计三种设计模 式构建的 1 1 o k V及其 以下的油浸 电力变压 器 C A D设计 系统 ，以工程数据库为载体 ，使得 各 个模 块之 间的数 据传输 。同时 ，系统将 以产 品设计原 则和 专家知识库为主的专 家系统运 用到 变压 器综合设计 。基 于 以上构 建的软件 系统对一 台型 号为 S Z 1 0 - 8 o o o ／ 3 5的电力变压 器进行综合设 计、类比设计和优化设计 ，结果表 明 了该 系统的有效性。 关键词 ：1 1 0 k V及 其 以下 ；CAD；综 合设 计 ；类 比设计 ；优化 设计 中 图分 类 号 ：T M4 1 1 文 献标 识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 3 ． 7 7 3 X( 2 0 1 5 ) 0 6 ． 0 0 3 3 ． 0 3 DoI ： 1 0 ．1 6 5 2 5 ／ j ． c n k i ． c n1 4 ． 1 1 3 4 ／ t h ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 01 1 引 言 传统 电力变压器辅 助设计软 件口 的思路 一般 有 两种 ： 应 用简 单计 算工 具 制作 可 以替代 人 工计 算 的类似设计 软 件 ， 意义 是综 合设 计 和类 比设 计 的简单组合 ， 不具备优 化 的作用 ； 直 接采用优 化设 计 ， 在一个较小 的范 围 内搜索 ， 不具备 手工调 整计 算 的功 能 。而 l l O k V及 其 以下 的油浸 电力 变压 器 C AD设计 系统 ， 将综 合设 计 、 类 比设计 和优 化 设计等功能包含在软件中， 使各个设计模块功能 独 立且联 系密切 [ 2 ] 。 ． 1 设计模块 1 ． 1类 比设计 针对 当前 ( 特别是数 据库 中) 已经存 在 的方 案 进行 略微 调 整和设 计 。在原 有方 案 上微 调 整 ， 如 铁 心直 径 、 铁 心 叠 片 系 数 、 线 圈 型 式 和 绝 缘 距 离 等 ， 然后进行性能校核 。主要 根据 变压器 型号 ， 将 方案导入 类 比设计 输入 界 面 ， 然后 在界 面 上可 以 直接修改参数 。 1 ． 2 综合设计 变压器 的综合设计 一般是指 用户根 据给定 的 收 稿 日期 ：2 0 1 5 — 0 5 — 1 2 作 者简 介 ：钱 虹 凌( 1 9 8 0 一 ) ，女 ，北 京 人 ， 实验 师 ，现 就职 于大 同大 学工学 院 电气工程 系。 电压等级 和绝缘要 求 ， 选 取铁心 直径 、 电流 密度和 磁通密度等 ， 然后进行 电压校核 ， 阻抗 电压校 核计 算 ， 损耗校核 计算 及 温升 校 核计 算 等 。计 算 出 的 方案若不符合设计要 求 ， 可 以微 调某些参 数 ， 重新 设计 ， 最终得 到合格方案 。 基于专 家 系统 提 供 的启 发 式 的方 案 确 定 方 法l 3 ] ， 是用 户获 得基 本 满 足要 求 的原 始 方 案 ， 可 以为后期进行优化 设计 打下基 础_ 6 ] 。专 家系统 即 为专家知识 库 和产 品设 计原 则 ， 能 为推 理并 确 定 产 品结构参 数提 供 一定 的依 据 ， 而 最关 键 的 问题 是如何 以电脑储存 的形 式来表 达所需 知识 的描 述 性原则 。本 C AD 系统 的设 计原 则 中关 于低 压 线 圈 型 式 的 考 虑 如 下 ： 1 ) 低压电压 等级 为 0 ． 4 k V 时 ， 若 容量 为 1 O ～ 5 0 0 k VA， 低压绕组采用单 、 双层 圆筒式 型式 ， 若 容 量为 8 0 0 1 2 5 0 k VA， 则低压绕组采用双螺旋式 ， 若容量为 1 6 0 0 ～2 0 0 0 k VA， 低压 绕组采 用 四螺 旋 式 ； 2 ) 低压电压等级 为 3 k V 时 ， 若容 量 为 6 3 0 ～ 3 1 5 0 k VA， 低 压绕组 采 用连续 式 型式 ， 若容 量 为 4 0 0 0 ~8 0 0 0 k VA， 低压绕 组采 用单半 螺旋 型式 ， 若容量为 1 0 0 0 0 ～ 1 6 0 0 0 k VA， 低 压绕 组采 用单 螺旋型式 ； 3 ) 低压 电压 等级为 6 k V 时 ， 若 容 量为 6 3 0 ～ 34 机械管理 开发 j x g l Mb j b @1 2 6 ． c o m 1 0 0 0 0 k VA， 低压绕组采用 连续 式型式 ， 若 容量为 1 2 5 0 0 ～1 6 0 0 0 k VA， 低压 绕组 采用 单半 螺旋 型 式 ， 若容量为 2 0 0 0 0 ~5 0 0 0 0 k VA， 低 压绕组采用 单螺旋型式 ； 4 ) 低压电压等级为 1 0 k V 时 ， 若容量 为6 3 0 ～ 2 O 0 0 0 k VA， 低压绕组采用连续式型式 ， 若容量 为 6 3 0 0 0 8 O 0 0 0 k VA， 低压 绕组采用 单螺旋 型式 ， 若容量为 1 0 0 0 0 0 k VA及 以上 ， 低 压绕 组 采用 双 螺旋式 ； 5 ) 低压电压等级为 3 5 k V时 ， 若容量 为 8 0 0 ～ 2 5 0 0 0 k v A， 低压绕组 采用 连续式 型式 ， 若容 量为 3 1 5 0 0 k Ⅵ 及 以上， 低压绕组采用单螺旋型式 。 上述根据低压 电压等 级和容量对低 压线 圈型 式的描述可 以用产生式规则集表示 为 ： 规 则 1 ： 如果低压 电压等级 为 0 ． 4 k V， 容量≥ 1 0 k Ⅵ 且≤ 5 0 0 k V A， 则 低 压 线 圈 为 圆 筒 式 ； 容 量 ≥ 8 0 0 k V A且≤1 2 5 0 k V A， 则低压线 圈为双螺旋 ； 容 量≥1 6 0 O k v A≤2 0 0 0 k V A， 则低压线圈为四螺旋 。 规 则 2 ： 如 果 低 压 电 压 等 级 为 3 k V， 容 量 ≥ 6 3 0 k VA 且≤ 3 1 5 0 k VA， 则 低 压 线 圈 为 连 续 式 ； 容 量 ≥ 4 0 0 0 k VA且≤8 0 0 0 k VA， 则 低压线 圈为单 半 螺 旋 ； 容量 ≥ 1 0 0 0 0 k VA 且 ≤ 1 6 0 0 0 k VA， 则 低 压 线 圈为单螺旋 。 规 则 3 ： 如果低压 电压 等级 为 6 k V， 容量 ≥ 6 3 0 k VA 且≤ 1 0 0 0 0 k VA， 则低 压 线 圈为 连续 式 ； 容 量 ≥ 1 2 5 0 0 k VA且≤ 1 6 0 0 0 k VA， 则 低压线 圈为单 半 螺旋 ； 容量≥ 2 O 0 0 0 k VA且 ≤ 5 0 0 0 0 k VA， 则 低 压线 圈为单螺旋 。 规 则 4 ： 如果低压 电压等级为 1 O k V， 容量≥6 3 0 k VA 且≤ 2 O 0 0 0 k VA， 则 低压 线 圈 为连 续式 ； 容 量 ≥ 2 5 0 0 0 k VA且≤ 5 0 0 0 0 k VA， 则低压线 圈为单 半 螺旋 ； 容量≥ 6 3 0 0 0 k VA且 ≤ 8 O 0 0 0 k VA， 则 低 压线 圈 为 单 螺 旋 ； 容 量 ≥ 1 0 0 0 0 0 k VA 且 ≤ 1 2 0 0 0 0 k VA， 则低压线 圈为双螺旋 。 规则 5 ： 如果低压 电压等级 为 3 5 k V， 容量≥8 0 0 k V A 第 3 0卷 且≤ 2 5 0 0 0 k V A， 则 低 压 线 圈为 连 续 式 ； 容 量 ≥ 3 1 5 0 0 k V A且 ≤ 6 3 0 0 0 k V A， 则 低 压 线 圈 为 单 螺旋。 将这些规则集使用计算机 编程语言进行实 现， 按规则启用 的顺 序进行 排序供 推理机使 用。如 在 选取铁心数据时 ， 采用 了建立专家知识库的方法 ， 建 立铁心规范数据库 ， 可以根据不同的电压等级和容 量选取铁心数据 ， 作为设计的参数 。 1 ． 3 优 化 设计 优化设计是在满足设计要 求前提下 使有成本 最低 。本 系统采 用 遗传 算法 优 化算 法r 7 ] ， 以铁 心 直径 、 低压绕组 匝数 、 线规 宽度和厚度 等作为优 化 变量 ， 以电流密度 、 磁通 密度 、 空 载和 负载损耗 、 短 路阻抗 、 绕组温升等作 为约束条件来进行优 化 。 2 设 计 实 例 基于 本 文 构 建 的 软 件 系 统 对 一 台 型 号 为 S Z 1 0 — 8 0 0 0 ／ 3 5的电力 变压 器进 行 了优 化设 计 ， 结 果证明 了本软件 的合理性 。 从表 1 可以看 出， 类 比设计 、 综合设计和优化设 计的方案都满足空载空载损耗 、 负载损耗 、 短路 阻抗 和绕组对油 温升 的性 能要求 。首 先从综 合设计模 块人 口进行综合设计 ， 进行铁 心的选取 、 自动排线、 自动选线规后 ， 得到一个初始方案 ， 满足各项性能要 求 ； 然后将得到的初始方案从类 比设计模块人手 ， 进 行类比设计 ， 人 工调整铁心直径 、 相间绝缘 距离、 高 压绕组导线线规 、 低压绕组导线线规及匝数后 ， 设计 方 案不仅满足性能要求 ， 而且材料 的成本 降低 ； 再 表 1 电力 变压 器设 计 结果 参数 类 比设计 综合设计 优化设计 铁心直径 ／ mm 3 8 0 3 8 0 3 8 0 相间绝缘距 离／ mm 2 2 2 4 2 0 3 ． 1 5 9 ． 5 3 1 O 3 ． 1 5 9 高压绕组导线线规 ／ m m 1并 1 叠 1 并 1叠 1并 1叠 高压分接段绕组导 4 ． 1 5 6 ． 7 1 ． 9 7 ． 5 3 ． 7 5 7 ． 5 线线规／ mm 1并 1 叠 1 并 2叠 1并 1叠 低压绕组匝数 1 5 0 1 5 1 1 4 6 3 ． 1 5 1 1 ． 8 3 ． 1 5 1 2 3 ． 3 5 1 1 ． 5 低压绕组导线线规 ／ mm 1并 4叠 1 并 4叠 1并 4叠 短路阻抗( ) ／ 8 7 ． 9 8 8 ． 0 4 5 8 ． 2 1 7 空载损耗( w) ／ 9 5 0 0 8 4 1 1 8 4 3 3 9 2 2 1 负载损耗 ／ w 4 3 9 7 O 4 3 7 5 O 4 3 8 5 6 ( 最大 4 4 0 0 o w ) 绕组对油温升 厂 c 2 4 ．1 9 2 3 ． 9 2 3 ． 3 4 ( 相对油 ，最大 2 5℃) 材 料成本( 元) 4 0 2 2 2 4 ． 5 4 0 5 4 3 7 ． 4 3 9 3 2 7 O ． 4 2 0 1 5年 第 6期 钱虹凌 ： l l 0 k V及 以下 的油浸 电力变压器 CAD优化系统 的构建 将类 比设计 方 案进 入优 化设 计模 块 ， 采用 改 进遗 传算法进行优化设计 ， 得 到一个较优 的设计 方案 ， 不仅满 足各项 性 能要求 ， 而且 使得 材料 的成 本 显 著降低 。经 过综 合设 计 、 类 比设计 和优 化设 计方 式 的交叉设计 ， 最 终得 到合理 的优化方案 。 3 结 语 以综 合设 计 、 类 比设 计 、 优 化 设 计 三 种 设 计 方式 构建 了 电力 变 压 器优 化 设 计 系 统 。设 计 模 块分 别可 以实现不 同 的功能 ： 综 合设 计参 照传 统 变压 器设计 模式 ， 主要 增加 了基 于 专家 系统 推理 机制 进行方 案 自动选 取 功能 ； 类 比设 计是 使 用工 程数 据库 ， 对方 案 进 行 微 调整 ； 优 化设 计 采 用 改 进 的遗传算 法 ， 对 方 案进 行 自动 寻优处 理 。用户 可 以从不 同 的模 块进 人 ， 交 叉设 计 ， 实 例证 明 系 统 的合理性 和有效性 。 参考 文献 [ 1] 杨正 堂．基于知识库的 电力变压 器辅助设 计[ J ] ． 江 苏 工学 院学 报 ， 1 9 8 8 ， 9 ( 3 ) ： 1 2 5 — 1 3 0 ． [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] 3 5 陈 乔夫 ， 李 湘 生．大 型 变压 器 的 组 合优 化 设 计 方 法 [ J ] ．华 中工学 院学报 ， 1 9 8 7 ， 1 5 ( 6 ) ： 1 3 9 — 1 4 4 ． J ．H．Ga r r e t t a n d A．J a i n，“ A Kn o wl e d g e - B a s e d S y s — t e rn f o r De s i gni ng Tr a n s f or me r s a nd I nd uc t o r s ”，I EEE Co n f e r e n c e Pr o c e e d i n g s “ Th e Fo u r t h Co n f e r e n c e o n Ar t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e Ap p l i c a t i o n s ”，1 9 8 8 ， ：9 6 — 1 0 1 ， M a r c h 1 4 — 1 8 ． Ah me d Ru b a a i ．“ Co mp u t e r Ai d e d i n s t r u c t i o n o f P o we r Tr a n s f o r me r De s i g n i n t h e Un d e r g r a d u a t e Po we r En g i — ne e r i ng Cl a s s”， I EEE Tr a ns a c t i o ns on Powe r Sy s — t e rns ，1 9 9 4 ， 9 ( 3 )： 1 7 4 - 1 8 1 ． R 1 3 ．C o y n e ，e t a 1 ．B a l c h a n d r a n ， a n d J ．S G e m Kn o wl e — d e g - b a s e d d e s i g n s y s t e m s [ M] ．A d d i s o n - We s l e y p u b l i s h i n g c o mp a n y，1 9 9 0 ． 何 平 ， 刘 奎亮 ， 刘凤英．电力 变压 器集成 C A D系统 数 据 库组 成方 法[ J ] ．计算机辅 助设 计 与制造 ， 1 9 9 5 ， 1 2 ： 28 — 32 ． 李辉 ， 韩力 ， 何蓓． 应用改进 遗传算法 的 s 9型 1 0 k V级 电力变压器优化设计 [ J ] ．变压器 ， 2 0 0 1 ， 3 8 ( 5 ) ： 2 4 — 2 8 ． ( 编辑 ： 赵琳琳) A CAD Op t l n ml S y s t e m S t r u c t u r e f o r Oi l Po we r T r a n s f o r me r wi t l l Vo l t a g e Cl a s s Le s s Th a n o r Eq u a l t o 1 1 0 k Y Qi a n Ho n g l i n g ( Da t o n g Un i v e r s i t y ，Da t o n g S h a n x i 0 3 7 0 0 3 ) [ A b s t r a c t ] Oi l p o w e r t r a n s f o r m e r wi t h v o l t a g e c l a s s l e s s t h a n o r e q u a l t O l l 0 k V i s b a s e d o n i n t e g r a t e d d e s i g n ， a n a l o g d e s i g n ， a n d opt i ma l de s i gn，s upp or t e d by e ng i n e e r i ng t he da t a ba s e s ，v a r i o us da t a i s pa s s e d be t we en mo dul e s ．Al s o，t he s ys t e m wi l l be b a s e d o n p r i n c i p l e s o f p r o d u c t d e s i g n a n d e x p e r t k n o wl e d g e b a s e o f t h e e x p e r t s y s t e m a p p l y i n g t O i n t e g r a t e d d e s i g n o f t r a n s f o r me r ． A mo d e l S Z I O 一 8 0 0 0 ／ 3 5 p o we r t r a n s f o r me r d e s i g n b a s e d o n i n t e g r a t e d d e s i g n， a n a l o g d e s i g n a n d o p t i ma l d e s i g n， s h o ws t h e e f f e c t i v e — ne s s of t he s ys t e m． [ K e y wo r d s ] v o l t a g e c l a s s l e s s t h a n o r e q u a l t O 1 1 0 k V；C A D； i n t e g r a t e d d e s i g n ； a n a l o g d e s i g n ； o p t i ma l d e s i g n ；e x p e r t s y s t e m