110kV及以下的油浸電力變壓器CAD優化系統的構建

錢虹凌

（大同大學工學院電氣工程系，山西 大同 037003）

引言

傳統電力變壓器輔助設計軟件［1］的思路一般有兩種：應用簡單計算工具制作可以替代人工計算的類似設計軟件，意義是綜合設計和類比設計的簡單組合，不具備優化的作用；直接采用優化設計，在一個較小的范圍內搜索，不具備手工調整計算的功能。而110kV及其以下的油浸電力變壓器CAD設計系統，將綜合設計、類比設計和優化設計等功能包含在軟件中，使各個設計模塊功能獨立且聯系密切［2］。

1 設計模塊

1.1 類比設計

針對當前（特別是數據庫中）已經存在的方案進行略微調整和設計。在原有方案上微調整，如鐵心直徑、鐵心疊片系數、線圈型式和絕緣距離等，然后進行性能校核。主要根據變壓器型號，將方案導入類比設計輸入界面，然后在界面上可以直接修改參數。

1.2 綜合設計

變壓器的綜合設計一般是指用戶根據給定的電壓等級和絕緣要求，選取鐵心直徑、電流密度和磁通密度等，然后進行電壓校核，阻抗電壓校核計算，損耗校核計算及溫升校核計算等。計算出的方案若不符合設計要求，可以微調某些參數，重新設計，最終得到合格方案。

基于專家系統提供的啟發式的方案確定方法［3－5］，是用戶獲得基本滿足要求的原始方案，可以為后期進行優化設計打下基礎［6］。專家系統即為專家知識庫和產品設計原則，能為推理并確定產品結構參數提供一定的依據，而最關鍵的問題是如何以電腦儲存的形式來表達所需知識的描述性原則。本CAD系統的設計原則中關于低壓線圈型式的考慮如下：

1）低壓電壓等級為0.4kV時，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）低壓電壓等級為3kV時，若容量為630～3 150kVA，低壓繞組采用連續式型式，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）低壓電壓等級為6kV時，若容量為630～10 000kVA，低壓繞組采用連續式型式，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）低壓電壓等級為10kV時，若容量為630～20 000kVA，低壓繞組采用連續式型式，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）低壓電壓等級為35kV時，若容量為800～25 000kVA，低壓繞組采用連續式型式，若容量為31 500kVA及以上，低壓繞組采用單螺旋型式。

上述根據低壓電壓等級和容量對低壓線圈型式的描述可以用產生式規則集表示為：

規則1：

如果低壓電壓等級為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。

規則2：

如果低壓電壓等級為3kV，容量≥630kVA且≤3 150kVA，則低壓線圈為連續式；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。

規則3：

如果低壓電壓等級為6kV，容量≥630kVA且≤10 000kVA，則低壓線圈為連續式；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。

規則4：

如果低壓電壓等級為10kV，容量≥630kVA且≤20 000kVA，則低壓線圈為連續式；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。

規則5：

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

將這些規則集使用計算機編程語言進行實現，按規則啟用的順序進行排序供推理機使用。如在選取鐵心數據時，采用了建立專家知識庫的方法，建立鐵心規范數據庫，可以根據不同的電壓等級和容量選取鐵心數據，作為設計的參數。

1.3 優化設計

優化設計是在滿足設計要求前提下使有成本最低。本系統采用遺傳算法優化算法［7］，以鐵心直徑、低壓繞組匝數、線規寬度和厚度等作為優化變量，以電流密度、磁通密度、空載和負載損耗、短路阻抗、繞組溫升等作為約束條件來進行優化。

2 設計實例

基于本文構建的軟件系統對一臺型號為SZ10－8000／35的電力變壓器進行了優化設計，結果證明了本軟件的合理性。

從表1可以看出，類比設計、綜合設計和優化設計的方案都滿足空載空載損耗、負載損耗、短路阻抗和繞組對油溫升的性能要求。首先從綜合設計模塊入口進行綜合設計，進行鐵心的選取、自動排線、自動選線規后，得到一個初始方案，滿足各項性能要求；然后將得到的初始方案從類比設計模塊入手，進行類比設計，人工調整鐵心直徑、相間絕緣距離、高壓繞組導線線規、低壓繞組導線線規及匝數后，設計方案不僅滿足性能要求，而且材料的成本降低；再

表1 電力變壓器設計結果

將類比設計方案進入優化設計模塊，采用改進遺傳算法進行優化設計，得到一個較優的設計方案，不僅滿足各項性能要求，而且使得材料的成本顯著降低。經過綜合設計、類比設計和優化設計方式的交叉設計，最終得到合理的優化方案。

3 結語

以綜合設計、類比設計、優化設計三種設計方式構建了電力變壓器優化設計系統。設計模塊分別可以實現不同的功能：綜合設計參照傳統變壓器設計模式，主要增加了基于專家系統推理機制進行方案自動選取功能；類比設計是使用工程數據庫，對方案進行微調整；優化設計采用改進的遺傳算法，對方案進行自動尋優處理。用戶可以從不同的模塊進入，交叉設計，實例證明系統的合理性和有效性。

［1］ 楊正堂.基于知識庫的電力變壓器輔助設計［J］.江蘇工學院學報，1988，9（3）：125－130.

［2］ 陳喬夫，李湘生.大型變壓器的組合優化設計方法［J］.華中工學院學報，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系統數據庫組成方法［J］.計算機輔助設計與制造，1995，12：28－32.

［7］ 李輝，韓力，何蓓.應用改進遺傳算法的S9型10kV級電力變壓器優化設計［J］.變壓器，2001，38（5）：24－28.