110kV及以下的油浸電力變壓器CAD優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建

錢虹凌

（大同大學(xué)工學(xué)院電氣工程系，山西 大同 037003）

引言

傳統(tǒng)電力變壓器輔助設(shè)計(jì)軟件［1］的思路一般有兩種：應(yīng)用簡(jiǎn)單計(jì)算工具制作可以替代人工計(jì)算的類似設(shè)計(jì)軟件，意義是綜合設(shè)計(jì)和類比設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單組合，不具備優(yōu)化的作用；直接采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一個(gè)較小的范圍內(nèi)搜索，不具備手工調(diào)整計(jì)算的功能。而110kV及其以下的油浸電力變壓器CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將綜合設(shè)計(jì)、類比設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能包含在軟件中，使各個(gè)設(shè)計(jì)模塊功能獨(dú)立且聯(lián)系密切［2］。

1 設(shè)計(jì)模塊

1.1 類比設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前（特別是數(shù)據(jù)庫(kù)中）已經(jīng)存在的方案進(jìn)行略微調(diào)整和設(shè)計(jì)。在原有方案上微調(diào)整，如鐵心直徑、鐵心疊片系數(shù)、線圈型式和絕緣距離等，然后進(jìn)行性能校核。主要根據(jù)變壓器型號(hào)，將方案導(dǎo)入類比設(shè)計(jì)輸入界面，然后在界面上可以直接修改參數(shù)。

1.2 綜合設(shè)計(jì)

變壓器的綜合設(shè)計(jì)一般是指用戶根據(jù)給定的電壓等級(jí)和絕緣要求，選取鐵心直徑、電流密度和磁通密度等，然后進(jìn)行電壓校核，阻抗電壓校核計(jì)算，損耗校核計(jì)算及溫升校核計(jì)算等。計(jì)算出的方案若不符合設(shè)計(jì)要求，可以微調(diào)某些參數(shù)，重新設(shè)計(jì)，最終得到合格方案。

基于專家系統(tǒng)提供的啟發(fā)式的方案確定方法［3－5］，是用戶獲得基本滿足要求的原始方案，可以為后期進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)［6］。專家系統(tǒng)即為專家知識(shí)庫(kù)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則，能為推理并確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)提供一定的依據(jù)，而最關(guān)鍵的問題是如何以電腦儲(chǔ)存的形式來表達(dá)所需知識(shí)的描述性原則。本CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則中關(guān)于低壓線圈型式的考慮如下：

1）低壓電壓等級(jí)為0.4kV時(shí)，若容量為10～500kVA，低壓繞組采用單、雙層圓筒式型式，若容量為800～1 250kVA，則低壓繞組采用雙螺旋式，若容量為1 600～2 000kVA，低壓繞組采用四螺旋式；

2）低壓電壓等級(jí)為3kV時(shí)，若容量為630～3 150kVA，低壓繞組采用連續(xù)式型式，若容量為4 000～8 000kVA，低壓繞組采用單半螺旋型式，若容量為10 000～16 000kVA，低壓繞組采用單螺旋型式；

3）低壓電壓等級(jí)為6kV時(shí)，若容量為630～10 000kVA，低壓繞組采用連續(xù)式型式，若容量為12 500～16 000kVA，低壓繞組采用單半螺旋型式，若容量為20 000～50 000kVA，低壓繞組采用單螺旋型式；

4）低壓電壓等級(jí)為10kV時(shí)，若容量為630～20 000kVA，低壓繞組采用連續(xù)式型式，若容量為63 000～80 000kVA，低壓繞組采用單螺旋型式，若容量為100 000kVA及以上，低壓繞組采用雙螺旋式；

5）低壓電壓等級(jí)為35kV時(shí)，若容量為800～25 000kVA，低壓繞組采用連續(xù)式型式，若容量為31 500kVA及以上，低壓繞組采用單螺旋型式。

上述根據(jù)低壓電壓等級(jí)和容量對(duì)低壓線圈型式的描述可以用產(chǎn)生式規(guī)則集表示為：

規(guī)則1：

如果低壓電壓等級(jí)為0.4kV，容量≥10kVA且≤500kVA，則低壓線圈為圓筒式；容量≥800kVA且≤1 250kVA，則低壓線圈為雙螺旋；容量≥1 600kVA≤2 000kVA，則低壓線圈為四螺旋。

規(guī)則2：

如果低壓電壓等級(jí)為3kV，容量≥630kVA且≤3 150kVA，則低壓線圈為連續(xù)式；容量≥4 000kVA且≤8 000kVA，則低壓線圈為單半螺旋；容量≥10 000kVA且≤16 000kVA，則低壓線圈為單螺旋。

規(guī)則3：

如果低壓電壓等級(jí)為6kV，容量≥630kVA且≤10 000kVA，則低壓線圈為連續(xù)式；容量≥12 500kVA且≤16 000kVA，則低壓線圈為單半螺旋；容量≥20 000kVA且≤50 000kVA，則低壓線圈為單螺旋。

規(guī)則4：

如果低壓電壓等級(jí)為10kV，容量≥630kVA且≤20 000kVA，則低壓線圈為連續(xù)式；容量≥25 000kVA且≤50 000kVA，則低壓線圈為單半螺旋；容量≥63 000kVA且≤80 000kVA，則低壓線圈為單螺旋；容量≥100 000kVA且≤120 000kVA，則低壓線圈為雙螺旋。

規(guī)則5：

如果低壓電壓等級(jí)為35kV，容量≥800kVA且≤25 000kVA，則低壓線圈為連續(xù)式；容量≥31 500kVA且≤63 000kVA，則低壓線圈為單螺旋。

將這些規(guī)則集使用計(jì)算機(jī)編程語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，按規(guī)則啟用的順序進(jìn)行排序供推理機(jī)使用。如在選取鐵心數(shù)據(jù)時(shí)，采用了建立專家知識(shí)庫(kù)的方法，建立鐵心規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)，可以根據(jù)不同的電壓等級(jí)和容量選取鐵心數(shù)據(jù)，作為設(shè)計(jì)的參數(shù)。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足設(shè)計(jì)要求前提下使有成本最低。本系統(tǒng)采用遺傳算法優(yōu)化算法［7］，以鐵心直徑、低壓繞組匝數(shù)、線規(guī)寬度和厚度等作為優(yōu)化變量，以電流密度、磁通密度、空載和負(fù)載損耗、短路阻抗、繞組溫升等作為約束條件來進(jìn)行優(yōu)化。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

基于本文構(gòu)建的軟件系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)型號(hào)為SZ10－8000／35的電力變壓器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果證明了本軟件的合理性。

從表1可以看出，類比設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案都滿足空載空載損耗、負(fù)載損耗、短路阻抗和繞組對(duì)油溫升的性能要求。首先從綜合設(shè)計(jì)模塊入口進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，進(jìn)行鐵心的選取、自動(dòng)排線、自動(dòng)選線規(guī)后，得到一個(gè)初始方案，滿足各項(xiàng)性能要求；然后將得到的初始方案從類比設(shè)計(jì)模塊入手，進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，人工調(diào)整鐵心直徑、相間絕緣距離、高壓繞組導(dǎo)線線規(guī)、低壓繞組導(dǎo)線線規(guī)及匝數(shù)后，設(shè)計(jì)方案不僅滿足性能要求，而且材料的成本降低；再

表1 電力變壓器設(shè)計(jì)結(jié)果

將類比設(shè)計(jì)方案進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到一個(gè)較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，不僅滿足各項(xiàng)性能要求，而且使得材料的成本顯著降低。經(jīng)過綜合設(shè)計(jì)、類比設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方式的交叉設(shè)計(jì)，最終得到合理的優(yōu)化方案。

3 結(jié)語

以綜合設(shè)計(jì)、類比設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)三種設(shè)計(jì)方式構(gòu)建了電力變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)模塊分別可以實(shí)現(xiàn)不同的功能：綜合設(shè)計(jì)參照傳統(tǒng)變壓器設(shè)計(jì)模式，主要增加了基于專家系統(tǒng)推理機(jī)制進(jìn)行方案自動(dòng)選取功能；類比設(shè)計(jì)是使用工程數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)方案進(jìn)行微調(diào)整；優(yōu)化設(shè)計(jì)采用改進(jìn)的遺傳算法，對(duì)方案進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)處理。用戶可以從不同的模塊進(jìn)入，交叉設(shè)計(jì)，實(shí)例證明系統(tǒng)的合理性和有效性。

［1］ 楊正堂.基于知識(shí)庫(kù)的電力變壓器輔助設(shè)計(jì)［J］.江蘇工學(xué)院學(xué)報(bào)，1988，9（3）：125－130.

［2］ 陳喬夫，李湘生.大型變壓器的組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.華中工學(xué)院學(xué)報(bào)，1987，15（6）：139－144.

［3］ J.H.Garrett and A.Jain，“A Knowledge－Based System for Designing Transformers and Inductors”，IEEE Conference Proceedings“The Fourth Conference on Artificial Intelligence Applications”，1988，：96－101，March 14－18.

［4］ Ahmed Rubaai.“Computer Aided instruction of Power Transformer Design in the Undergraduate Power Engineering Class”，IEEE Transactions on Power Systems，1994，9（3）：174－181.

［5］ R.D.Coyne，et al.Balchandran，and J.S.Gero Knowledeg－based design systems［M］.Addison－Wesley publishing company，1990.

［6］ 何平，劉奎亮，劉鳳英.電力變壓器集成CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)組成方法［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，1995，12：28－32.

［7］ 李輝，韓力，何蓓.應(yīng)用改進(jìn)遺傳算法的S9型10kV級(jí)電力變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.變壓器，2001，38（5）：24－28.