双断口隔离开关的模型降阶和多目标优化方法、装置、系统及介质与流程

本发明涉及双断口隔离开关模型仿真领域，具体是一种双断口隔离开关模型降阶与多目标优化方法、装置、系统及介质。

背景技术：

1、gis不停电扩建与试验需求日益增长，双隔离断口的110kv三相共箱型gis的研究有助于推动gis不停电扩建技术的实现，通过将双隔离断口的110kv三相共箱型gis应用在电网扩建工程、电网应急抢修工程中，可有效避免在110kv gis电网扩建工程、电网应急抢修中大范围停电。。

2、110kv gis为三相共箱型结构，相较于三相分箱型结构，需要在有限空间下放置更多的组部件，因此其空间更紧凑、结构更复杂，对于绝缘、机械受力、温升等性能要求更高，设计与制造难度更大，需要在原有基础上进一步地优化设计。

3、目前，部分厂家设计gis的结构时通常利用“经验设计-数值计算修改”的手动优化方法，手动优化方法既没能实现参数化建模的便利性，也没有兼顾各场域的要求，很难找到全局较为优化的结构设计参数，具体步骤为将初始cad模型导入仿真软件中进行求解，根据以往经验进行模型参数修改，再重新导入仿真软件中求解，验证优化效果。

4、还有部分厂家设计gis的结构时，采用了参数化建模和算法寻优的方法。公告号为cn106126819a、公告日为2016年11月16日的中国专利文件公开了一种触头开关形状的优化方法；公告号为cn111553089a、公告日为2020年8月18日的中国专利文件公开了一种gis盆式绝缘子的优化设计方法；公告号为cn108319781b、公告日为2021年8月13日的中国专利文件公开了一种gis内部绝缘件优化方法。这些厂家的设计方法具有如下共同点：对gis内部组部件进行参数化分析，建立数值仿真模型或传统方法拟合模型，利用传统精确算法或智能算法等寻优方法获得最优结果。但这些设计方法存在的缺点是：仅针对gis中某一部件或某个场域进行优化设计，并没有考虑到多物理场域下的整体设计，仿真模型的复杂度低，采用的优化方法较为简单，不足以解决gis复杂模型的多目标优化设计问题；而在涉及到gis多物理场优化的专利中，优化设计过程仅仅是对一开始建立的多个模型进行多物理场计算筛选，设计参数较少且选取范围小，并没有获得全局最优解的优化效果，不能应用于结构更复杂，对参数优化要求更高的双断口隔离开关的优化设计。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种双断口隔离开关的模型降阶和多目标优化方法、装置、系统及介质，针对双断口隔离开关的电场、温度场、应力场等多物理场域进行仿真分析，利用响应表面法进行模型降阶，基于降阶后的响应表面模型采用多目标优化算法nsga-ii遗传算法，通过各组部件众多尺寸参数的寻优，找到满足电场、温度场、应力场性能指标的全局最优解，其综合考虑了热、力、电三个物理场域要求，保证了双断口隔离开关在小型化设计的同时，满足最大电场强度、最高温升、最大应力等设备性能指标。

2、一种双断口隔离开关模型降阶与多目标优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

3、构建gis双断口隔离开关的初始cad模型，并搭建相应的温度场、静电场、应力场模型，形成初步仿真模型在预设的温度场、预设的静电场、预设的应力场下对初始cad模型进行初步仿真试验，得到初步仿真结果；

4、基于所述初步仿真模型确定优化对象，基于所述初步仿真结果确定优化对象，所述优化对象包括待优化区域初始cad模型中的待优化区域、与待优化区域所对应的物理场域；

5、基于box-behnken设计方法构建样本设计点，将样本设计点代入参数化设计模型后进行仿真求解获得仿真结果，采用响应表面法拟合所述仿真结果得到响应表面模型，所述响应表面模型为以待优化区域的尺寸参数为自变量、各场域计算结果为因变量的参数化设计函数；

6、基于box-behnken设计方法构建样本设计点，将样本设计点代入参数化设计模型后进行仿真求解获得仿真结果，采用响应表面法拟合所述仿真结果得到响应表面模型，所述响应表面模型为以待优化区域的尺寸参数为自变量、各场域计算结果为因变量的参数化设计函数；

7、对所述参数化设计函数进行优化求解得到近似最优解参数，根据所述近似最优解参数对待优化区域所对应的物理场域进行优化。

8、进一步的，所述构建gis双断口隔离开关的初始cad模型，在预设的温度场、预设的静电场、预设的应力场下对初始cad模型进行初步仿真试验，得到初步仿真结果，具体包括：

9、在solidworks中建立gis双断口隔离开关的初始cad模型；

10、利用ansys仿真软件联合solidworks，将双断口隔离开关的初始cad模型导入ansys软件的workbench中，并设置静电场、温度流体场以及机械结构计算所需的材料属性；

11、分别对初始cad模型进行静电场仿真、应力场仿真和温度场仿真，得到初步仿真结果。

12、进一步的，所述优化对象包括待优化区域、与待优化区域所对应的物理场域，所述待优化区域指的是初始cad模型中的双断口触头形状、导体、壳体，所述与待优化区域所对应的物理场域包括双断口触头形状的电场、导体的温度场、壳体的应力场。

13、进一步的，所述对所述参数化设计函数进行优化求解，通过初始种群的不断迭代筛选，获得一组近似最优解系，根据对不同物理场指标的要求确定不同物理场的权重，最终得到近似最优解，具体包括：

14、设置nsga-ii算法的参数：初始化种群个数、最大迭代次数、叉概率以及变异概率，得到父代种群；

15、对个体进行非支配排序，得到非支配集，在每个非支配集对各个体计算拥挤度，再通过选择、交叉、变异得到子代种群qt；

16、将子代种群qt与父代种群pt合并组成大小为2n的种群rt，根据精英策略对种群进行非支配排序生成非支配集并计算拥挤度，产生新的子代种群qt+1；

17、进行迭代计算，至迭代次数至最大迭代次数500；

18、得到一组近似最优解系后，根据对电场、应力、温升以及不同部位的侧重不同，对各目标函数施加不同权重，获得期望的近似最优解参数，根据所述近似最优解参数对待优化区域所对应的物理场域进行优化。

19、一种双断口隔离开关模型降阶与多目标优化装置，包括：

20、仿真模型构建模块，用于构建gis双断口隔离开关的初始cad模型，在预设的温度场、预设的静电场、预设的应力场下对初始cad模型进行初步仿真试验，得到初步仿真结果；

21、优化对象确定模块，用于基于所述初步仿真结果确定优化对象，所述优化对象包括初始cad模型中的待优化区域、与待优化区域所对应的物理场域；

22、参数化设计模型构建模块，用于根据相关标准与设计限制确定待优化区域及待优化区域所对应的物理场域的参数可调节范围，结合用户输入的基本参数对初始cad模型中的待优化区域进行优化调整，得到优化后的多个不同尺寸的参数化设计模型；

23、仿真模型降阶模块，用于基于box-behnken设计方法构建样本设计点，将样本设计点代入参数化设计模型后进行仿真求解获得仿真结果，采用响应表面法拟合所述仿真结果得到响应表面模型，所述响应表面模型为以待优化区域的尺寸参数为自变量、各场域计算结果为因变量的参数化设计函数；

24、多目标优化模块，用于对所述参数化设计函数进行优化求解得到近似最优解参数，根据所述近似最优解参数对待优化区域所对应的物理场域进行优化。

25、进一步的，所述仿真模型构建模块具体用于：

26、在solidworks中建立gis双断口隔离开关的初始cad模型；

27、利用ansys仿真软件联合solidworks，将双断口隔离开关的初始cad模型导入ansys软件的workbench中，并设置静电场、温度流体场以及机械结构计算所需的材料属性；

28、分别对初始cad模型行静电场仿真、应力场仿真和温度场仿真，得到初步仿真结果。

29、进一步的，所述待优化区域指的是初始cad模型中的双断口触头形状、导体、壳体，所述与待优化区域所对应的物理场域包括双断口触头形状的电场、导体的温度场、壳体的应力场。

30、进一步的，所述多目标优化模块具体用于：

31、设置nsga-ii算法的参数：初始化种群个数、最大迭代次数、交叉概率以及变异概率，得到父代种群；

32、对个体进行非支配排序，得到非支配集，在每个非支配集对各个体计算拥挤度，再通过选择、交叉、变异得到子代种群qt；

33、将子代种群qt与父代种群pt合并组成大小为2n的种群rt，根据精英策略对种群进行非支配排序生成非支配集并计算拥挤度，产生新的子代种群qt+1；

34、进行迭代计算，至迭代次数至最大迭代次数500；

35、得到一组近似最优解系后，根据对电场、应力、温升以及不同部位的侧重不同，对各目标函数施加不同权重，获得期望的近似最优解参数，根据所述近似最优解参数对待优化区域所对应的物理场域进行优化。

36、一种双断口隔离开关模型降阶与多目标优化系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

37、所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

38、所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的双断口隔离开关模型降阶与多目标优化方法。

39、一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的双断口隔离开关模型降阶与多目标优化方法。

40、本发明具有如下特点和效果：

41、1、关键输入量可调、关键输出量已合理定义的设备参数化模型。针对静电场、温度场和应力场考核，对关键部位进行了参数化处理，包括动静侧触头尺寸、局部壳体厚度、触头壳尺寸等，并将多物理场仿真结果定义为输出量，工作人员可以通过调整输入量获得相应仿真输出结果，从而更加方便地分析设备结构，对优化设计具有指导意义。

42、2、利用响应表面法对仿真模型进行降阶简化，构建响应面模型。由于双断口隔离开关模型的复杂问题，导致仿真模型阶数过高，计算效率过低，利用模型降阶方法对其简化，在牺牲一定精度的条件下，能够极大提高计算效率，配合后续寻优工作。

43、3、从多物理场层面，利用nsga-ii遗传算法对双断口隔离开关进行多目标优化。将关键输入量(关键优化部位的尺寸参数)作为决策变量，其范围作为约束条件，将多物理场的响应表面模型作为目标函数输出，构建初始种群，经非支配排序、精英策略筛选、交叉变异获得新一代种群，如此不断迭代得到最优解系。

44、4、基于双断口隔离开关复杂模型的多物理场仿真，结合响应表面法和nsga-ii遗传算法进行优化设计，使非仿真工作人员也可以通过简单的调参等操作进行仿真及优化设计。