整难以通过简单的参数调整奏效，原因主要是因为
影响阻抗电压的主要参数铁心直径和线圈高度均是 通过经验公式求得 ，存在不确定的因素。因此本文 采用了基于专家系统思想的阻抗 电压调整的知识
库。 在推导每一个初始设计参数值或根据计算结果
径， 低压线圈匝数、低压导线线规、高 （ 中）压导 线线规、调压导线线规、高 （ 中）压、低压、调压 导线并数，叠数，高 （ 中）压、低压、调压线圈饼 数 （ 对于层式绕组，为层数） 。约束条件为：阻抗 电压的上限和下限，电流密度的上限和下限，负载
之间通过工程数据库作为中介进行数据传递，实现
了三种设计方式的互动。
Ｃ Ｄ系统总体结构如图 ２ Ａ 所示，工程数据库
是整个系统的核心。通过电磁设计子系统和结构设 计子系统的配合使用可以得到符合要求的产品设计 方案。性能分析子系统主要处理变压器设计中存在 的特殊问题 ：包括突发短路动热稳定性计算 、空载 合闸励磁涌流计算以及动态温升计算等。
化设计过程应该是物理过程和数学过程的统一。 当前的变压器计算机辅助设计软件的思路一般 有两种：一种是应用电子表格或其他计算工具制作 的一种可以替代人工计算的简单辅助设计软件，其
统设计的角度对各个设计模块的内核以及相互间的 联系进行分析。 基于上述分析， 对应于传统变压器计算机辅助 设计的三方面内容，本文提出了基于综合设计、类 比设计、优化设计三种设计方式构建电力变压器优 化设计系统的思路。综合设计主要是参照了传统变 压器设计综合的模式，但是增加了基于专家系统反 向推理机制进行方案自 动选择的功能； 类比设计也 主要是参照设计分析的模式， 基于工程数据库，可 以方便地对方案进行调整；优化设计基于当前广泛 应用的遗传算法，可以对方案进行 自 动寻优。本文 从软件设计的角度对一般变压器优化设计的模式、 对各个设计模块的构建进行详细的介绍，并以一个
・ Ｊ 亨 ・ 公／曹
《 电气应用》 ０６ ２０ 年第 ２ 卷第 ４ ５ 期
电力变压器优化设计系统构建
李 郑清泉 励庆孚 钱虹凌 涛
（ 西安交通大学电气工程学院 ７ ０ ４ ） １０ ９ 摘 要 基于综合设计、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。分析了三种设计方式的特点和相互间的联系，并以工程数据库系统为支撑，实现了各设计模 块之间的数据传递。将专家系统混合推理机制融合到综合设计模块中，并采用改进遗传算法实现 了 优化设计模块。三种设计方式配合使用，可以灵活、可靠地获得优化设计方案。并基于本文构 建的软件系统对一台 １０ Ｖ三绕组电力变压器进行 了类比设计、综合设计和优化设计，结果表 １ｋ 明了该软件系统的有效性。 关键词 电力变压器 优化设计 Ｃ Ｄ 遗传算法 专家系统 数据库 Ａ
综合设计方案 类比设计方案 优化设计方案
图 １ 软件设计思路框图
求的初始方案。本文初始方案确定的过程是在专家 系统思想的指导下进行的。专家系统思想已经在电 机、变压器、电抗器等电磁装置辅助设计中得到广
（）由综合设计模块人 口 ①经过综合设计得 ２
泛的应用［ ６ 本文在此不再对专家系统相关理 ４］ －，
系统的构成 、功能或计算方法 ，本文则拟从软件系
一 了 ９ 一
《 电气应用》２０ 年第 ２ 卷第 ４期 ０６ ５
电力变压器优化设计系统构建
铁心 直径、 够压线圈匝 线圈 数据・ 线线 数、 排线 导
规、绝缘尺寸、油箱和散热器尺寸等数据通过简单
调整后进行验算。
３２ 综合设计模块 ． 综合设计的目的是得到符合国家标准和用户要
论进行分析。 变压器设计本身是一个根据设计要求来求得满 足设计要求的设计方案的正向推理过程， 用到了相 当多的专家知识，不仅体现在诸多经验系数以及绝 缘数据的选取上，在铁心选取，线圈排线，以及导 线线规选择上更是用到了很多的专家经验。下面先 对综合设计模块的几个主要部分进行分析 ，在此基 础上进一步分析专家系统思想在综合设计模块中的
表 １ 电力变压器优化结果
参数 类 比设计
５０ ９ ６５ ８ ２． ｘ ５ １ ２
综合设计
６０ ２
优化设计
５０ ９ ６５ ８
铁心直径／ ｍ ｍ 高压绕组匝数／ 匝
高压绕组导
６３ ２、
３ ０ ｘ ． ５ １ ０
２３ ． ６ｘ ． １ ８ １
线线规／ ｍ ｍ
（ 两组合）
应用。
到综合设计方案。②由①得到的综合设计方案经过 类比设计模块得到类比设计方案。③由②得到的类 比设计方案经优化设计模块得到优化设计方案。④
由①得到的综合设计方案经优化设计得到优化设计 方案。⑤由③或④得到的优化设计方案经类比设计 模块调整得到新的类比设计方案。 本软件以工程数据库作为支撑，各个设计模块
Ｚ 系统构架
本文软件设计的思想可以通过下面的框图来体
现。
软件中包括综合设计、类比设计和优化设计三 个模块，如图 １ 所示。软件在功能上有两个人 口， 相比于传统设计软件中的单人口结构是一个改进。
验算的功能。可以 看出， 采用上述两种思路设计的
变压器 Ｃ Ｄ软件 ，存在着某些不足。 Ａ 鉴于此 ，当前也有变压器软件对上述不足进行 了改进 ，将设计分析，设计综合 ，优化设计等功能
１ １ 饼 叠
５ ４
（ 两组合）
１ １ 饼 叠
６１ ２． ８ｘ９
（ 两组合）
１ １ 饼 叠
５ ４ ２． ８ｘ９
高调绕组匝数／ 匝
高调绕组导线线规
／ｍｍ
２ ８ ９ ５ ． ｘ ．
１ ２ 饼 叠
２５ ３ ２． ６ ２ ３ ｘ１ ３．
１ ２ 饼 叠
２１ ４ ３． ５ １． ３ ｘ１ ２
损耗上限，空载损耗上限，温升上限，内外线圈高 度差上限以及磁密上限等。 基于外点罚函数法， 将上述约束优化问题可以 转化为无约束优化问题，采取允许父代参加竞争、 每一代的最优值得以保存 、算法后期强制变异的改 进遗传算法来处理变压器优化设计问题，可以获得
推出调整措施时，采用反向推理机制，提供给用户 具体的推荐信息，而变压器设计本身是一个根据设 计要求来求得满足设计要求的设计方案的正向推理 过程，因此，本系统采用棍合推理机制来实现设计 一 调整 一 再设计的变压器设计过程。 如果阻抗电压不满足要求，通常采用下面两种 方式来调整：①调整铁心直径和低压线圈匝数来调 整电抗。②调整线规及排线数据包括绝缘距离，从 而改变线圈尺寸及漏磁宽度达到改变电抗的 目的。 以上两种方式可以作为类比设计阻抗调节的依 据。由于综合设计的目的在于获取基本满足要求的 方案，因此在空载损耗和负载损耗满足要求的情况 下，如何通过调节参数使阻抗电压也满足要求是一 个关键问题。本文主要是通过改变线圈尺寸来处理 这个问题：如果阻抗电压偏大，使线圈趋向瘦高， 如果阻抗 电压偏小，使线圈趋向低矮。 基于专家系统提供的启发式的方案确定，可以 获得基本满足要求的初始方案 ，为后面进行优化设 计打下了良好的基础。 ３３ 优化设计模块 ． 初始方案对于优化设计具有重要意义，初始方 案来 自于类比设计模块或是综合设计模块。对于基 ， 本满足要求的方案或当前已用于生产的方案，如果 想进一步得到价格更优的方案，则进人优化设计模
（）铁心的选取 根据容量求取铁心直径，根 １ 据铁心直径和分级数确定铁心截面每级片宽和叠 厚，以及对应的铁心毛截面。本软件建立了常用铁 心的数据库，数据库中的截面数据既可以采用现有 数据，也可以通过铁心截面优化设计子模块获得， 铁心截面优化设计子模块详见文献 ［］ ７０ （）自动排线 根据电压等级和容量确定线圈 ２ 的型式 ，根据磁通密度和铁心直径初步确定低压线 圈的匝数，以及高 （ 中）压线圈各分接匝数。根据 电压等级和经验可以大概确定圆筒式绕组的层数或 饼式绕组 的饼数，具体设计 时还应该考虑到高 （ 中）压线圈各分接出头的方便。在得到线圈匝数、 层数或饼数等数据后 ，便可以调用各类线圈自动排 线程序进行初步排线。
电力变压器优化设计系统构建
《 电气应用》 ０６ ２０ 年第 ２ 卷第 ４ ５ 期
（）油箱的尺寸通过给定外绕组到油箱壁的距 ５ 离 自动求出，散热片的总散热面通过油对空气温升 限制初步估算 ，最终得到具体方案。 由于综合设计模块中应用了很多专家经验，因 此计算出的方案有可能与理想值相差较大，如果是 空载损耗和负载损耗不合标准，则要重新选择磁通 密度和电流密度并重新计算 ，直到方案基本满足要 求。阻抗电压是变压器的重要参数 ，阻抗电压的调
１ 引言
传统的电机、变压器的计算机辅助设计包括三 方面内容：设计分析， 设计综合，优化设计。设计 分析和设计综合是从物理角度解决问题的，而优化 设计是基于数学规划理论 ，更多地从数学角度来解
决 题， 问［ ］ 。
电力变压器设计的 目的是为了得到最优方案 ，
但是采用设计分析或是设计综合均难以得到最优方 案；单纯从数学的角度进行优化设计，只能是漫无 边际地搜索，很难得到最优方案。电力变压器的优
块。
良 好的效果〔８ ７３ ，０
本软件是基于数据库支撑的，数据传输很方 便， 实现了直接设计、类比设计、优化设计的互 动，确保了优化设计的合理性与可靠性。
４ 设计 实例 基于本文构建的软件系统，对一台 １０Ｖ三 １ｋ
绕组电力变压器进行了优化设计 ，结果证明了本软
件系统的合理性和有效性。
１ ２ 饼 叠
２５ ３
中压绕组匝数／ 匝
中压绕组导线线规
／ ｍｍ
２．４ ． ２ ｘ１ ２ ３
１ ５ 饼 叠１Leabharlann ２１ ５ 饼 叠Ｉ １
１ ５ 饼 叠
１ ２
优化设计模块中不仅存在自 动排线正向推理过 程，而且基于数学优化方法实现了其反 向推理过
下面对图１ 中的软件设计思路框图进行简要分析。
（）由类比设计模块人口 ①经过类比设计模 １ 块得到类比设计方案。②由①得到的类比设计方案 经过优化设计模块得到优化设计方案。③由②得到 的优化设计方案经类比设计模块调整得到新的类比 设计方案。