优化设计

以河南大唐巩义“上大压小”新建工程数字化水岛EPC工程(以下简称:巩义水岛工程)为试点工程，创立电厂水务管理的全新模式数字化“水岛”(是通过对电厂物理和工作对象的全生命周期量化、分析、控制和决策，提高水岛价值的理论和方法。因此，数字化水岛既不是一个项目，也不是一个软件或系统，而是一种理论和方法。这一理论和方法研究的对象是电厂的物理对象和工作对象，其方法是从整个生命周期出发研究如何对其进行量化、分析、控制和决策，在工艺上对火电厂的各类供水、用水、排水进行全面规划、综合平衡和优化设计，使水资源在电厂生产和生活中得到合理充分的利用，达到一水多用，阶梯使用，提高重复用水率，降低耗水指标，减少污水排放甚至达到零排放；在控制上采用现场总线技术，通过数字化通讯方式采集工艺上的各智能仪表、设备的现场设备信息，实现系统诊断、维护及对水岛各工艺系统的监控，确保每一系统的用水排水的水质水量满足运行要求，并进行全厂的水量计算和平衡，实现在线水平衡，通过水平衡管理技术对整个水系统的水量平衡进行分析、指导控制，从而实现水系统安全稳定运行。

为分析发电机运行过程中定子铁心的损耗、温升及其在磁拉力和热应力综合作用下的机械结构响应，文中对同步发电机定子铁心进行磁-热-固多物理场耦合计算。首先，理论推导铁心损耗及其所受的单位面积磁拉力，分析铁心的温升特性，在此基础上解析得到铁心在磁拉力和非均匀热载荷耦合激励下的机械结构响应；然后，构建CS-5型故障模拟发电机作为有限元仿真的三维物理模型，计算得到铁心的单位面积磁拉力、损耗曲线和温度分布情况，并进一步计算获得磁拉力和热载荷同时作用下铁心的变形、应变和应力。结果表明：发电机在稳定运行后，定子齿槽温度最高；槽口处变形量最大，槽底应力较高。最后，通过热电偶和温度巡检仪对CS-5型故障模拟发电机在实际运行过程中的定子铁心端面、槽内和外圆表面的温升进行实时监测，实测的定子铁心温度场分布和有限元仿真结果相吻合，验证了磁-热-固多物理场耦合方法的有效性。文中获得了定子铁心的温度分布规律及其在磁-热耦合激励下的机械结构响应分布规律，为发电机结构逆向优化设计及定子铁心变形预防提供了技术参考。

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)因具有转换效率高、无污染物排放、运行噪声低等特点被视为前景广阔的绿色发电技术之一，其被广泛应用于电力系统和交通运输等领域。针对SOFC稳态模型的参数优化设计问题，提出了一种基于混沌博弈优化(chaos game optimization, CGO)方法的SOFCs参数提取框架。同时，利用芬兰燃料电池技术公司Elcogen生产的陶瓷阳极支撑型平板式低温单体燃料电池(ASC-400B)工作于两种不同温度(即600 ℃和700 ℃)下的实验数据以及美国蒙大拿州立大学开发的基于物理模型的5 kW级管式SOFC电池堆栈模型在两种不同温度(即850 ℃和950 ℃)下的仿真数据，分别对所提框架、蒲公英优化器(dandelion optimizer, DO)、平衡优化器(equilibrium optimizer, EO)、粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法和白鲨优化器(white shark optimizer, WSO)的参数提取的性能进行了深入的研究和分析。测试结果表明：相比于DO、EO、PSO和WSO，CGO能够准确、稳定且快速地提取上述各种SOFCs的模型未知参数，为SOFCs的系统建模提供了一种高效的方法。

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44 μm,厚度为2.09 μm,F-P腔长为163.600 μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。

针对低频变压器铁心尺寸、重量等较传统工频变压器增大的问题，提出了一种35 kV低频变压器的轻量化设计方法，综合考虑变压器损耗、重量和尺寸进行多目标优化。首先，依据国家标准及设计手册给出低频变压器初始结构。然后，选取变压器尺寸、重量与损耗作为优化目标。其次，根据低频变压器特点选取相应的优化变量并给出约束条件。最后，通过遗传算法对低频变压器进行优化设计，并进行对比分析，结果表明，总损耗减少了11.04%，铁心、线圈重量减少了4.36%、6.71%，铁心中心距减少了12.85%。

该书系统介绍了架空配电线路停电检修现状及弊端，详细介绍了适应配电网不停电作业的架空配电线路典型设计优化、适应配电网不停电作业的架空配电线路常见设备安装、架空配电线路不停电作业友好型设计案例、架空配电线路不停电作业友好型设计的未来发展。 该书紧紧围绕以配网不停电作业方式提高架空配电线路的供电可靠性这一现实需求，分析了配电网不停电作业与停电作业的主要技术差异以及配电网不停电作业友好型架空配电线路优化设计的要素，第一次系统性提出适应不停电作业的架空配电线路配电网架、杆位路径、同杆回路数、杆头布置方式、常见配电设备安装、设计案例等设计模型，有利于采用配电网不停电作业开展配电全业务覆盖创造安全的作业环境条件。 该书以配网不停电作业安全为依据，突出不停电作业友好型设计核心要点、关键技术要求，可供配网设计人员、配网施工人员、配网不停电作业从业人员学习、培训使用。 订购联系方式 欧宇航 17610760699

汽轮机转子通流部分经优化设计为单列调节级， 区别于 冲动式汽轮机转子的第一级多为双列速度级，并且设计多出 2~4 级压力级；汽轮机通流部分同时还优化了叶片、喷嘴、 隔板喷嘴的型线设计，有效降低了汽轮机通流部分摩擦热损， 从而提高了汽轮机机械转换效率。

本项目属高电压与绝缘技术领域。六氟化硫（SF6）是高压电力设备中应用最为广泛的气体绝缘和灭弧介质，也是目前人类已知最强的温室气体之一。按照《京都议定书》等国际公约要求，各国应履行减排义务，逐步限制甚至禁止使用SF6。开展SF6替代技术研究、开发新型环保气体绝缘电力设备对于支撑我国达成温室气体减排目标，实现电力行业“绿色、低碳”发展意义重大。 当前研究工作尚未打通“气体评价-设备开发-工程应用”全技术链条。项目组历时七年研究，通过产学研用协同攻关，解决了气体性能评价、混合组配原则、制备与检测方法、环保电力设备开发等关键理论与技术难题，取得了以下创新成果：（1）揭示了氟化腈和氟化酮等环保气体微观物性参数与宏观绝缘性能的关联机制，发现了电场不均匀系数对击穿电压的强敏感、强非线性影响规律，为复杂结构大分子气体研制及其多元混合物绝缘强度评价提供了理论基础；（2）首创了饱和蒸气压与临界击穿场强约束下的混合气体组配原则，提出了环保混合气体在电力设备中的配比和压力优选方法，解决了不同使用条件下、不同品类电力设备中气体组配与绝缘性能最优化设计的技术难题；（3）提出了含氟不饱和化合物作为新型环保气体的合成工艺，突破了氟化腈、氟化酮等典型环保气体制备的关键技术，工艺和原材料整体国产化，建立了系统性的应用测试和安全性评价检测方法，解决了气体使用中的纯度、水分等关键指标的检测问题及关键材料相容性测试的难题。（4）建立了电磁-热-流-强度等多物理场耦合仿真模型，形成新型环保气体绝缘电力设备研发技术体系，自主研发了6大类、电压等级覆盖10~220kV的新型环保气体绝缘电力设备，并在国内首次实现工程应用，取得“从0到1”的重大突破。 项目开发的系列化环保气体绝缘电力设备，已在浙江、陕西、云南等地实现规模化生产，填补了我国在该领域的长期空白。项目首次面向全球发布新型环保气体物性参数数据库，并写入CIGRE A3.41工作组报告，极大地提升我国在本领域的国际影响力。提出的电力行业SF6替代技术方案已被生态环境部采纳，为我国制定相关控温减排政策提供坚强技术保障。出版中英文专著3本；发表论文37篇（SCI检索19篇、EI检索13篇）；授权发明专利11项（含欧洲专利1项、浙江省专利金奖1项）；参编团标1项；培养国家/省部级高层次人才3名。经邱爱慈院士、颜德岳院士领衔的同行专家鉴定认为：项目实现了新型环保混合绝缘气体关键技术突破，创新性强、工程示范性好，整体技术达到国际领先水平。

随着智能电网和泛在电力互联网的发展，配电网需要更高水平、更优化、更智能地运行，而配电网保护是实现配电网智能运行的重要部分，而实现配电网智能保护功能的实现，需要更加精确有效的开关位置设置和保护定值整定，以实现配网线路故障的自动优化隔离，降低配网线路出线开关跳闸频次，提升配网线路供电可靠性。本专利创新发明了配网线路开关智能配置和定值自动优化整定技术，解决了智能电网和泛在电力互联网保护智能化自动优化设计的问题。 本专利提供一种配网线路开关保护定值整定计算装置和方法，所述方法同时考虑分级保护的有效配合和全线总停电负荷最小的限制确定导线下游开关的优化位置，并根据开关位置和线路信息整定计算各开关的保护定值；所述装置及其软件基于配电线路保护信息模型，实现任意配电线路统一自动成图及显示；根据所输入的信息按照预定的软件算法自动进行优化计算，输出并显示开关位置设置及各开关最优化定值结果。 本发明 实现了使故障停电负荷最小的配网线路保护方案的自动优化配置。该技术方案中所述配网线路开关位置的设置及优化方法，基于各级开关保护间的配合限制开关位置，建立故障处理过程停电容量目标函数并采用遍历法求算最小值确定开关最优化位置。通过上述技术特征限定使本专利区别于现有技术，体 现了本专利能够实现配网线路各开关保护分级有序配合，创新性地实现了配网线路故障停电负荷最小化。该技术方案中所述定值整定计算装置及软件，构建了配网线路保护信息模型，通过导引模板输入线路信息，实现配网线路示意图的统一成图显示，并在图中自动显示最优化的保护配置结果。 通过上述技术特征限定使本专利区别于现有技术，本专利技术突破了配网线路保护示意图无法统一显示的问题，为整定计算人员 带来极大方便。该技术方案中开关最优化位置的确定方法，根据配变容量及位置信息，建立故障等效停电负荷目标函数，基于配变位置将无穷遍历转化为有限遍历，找到了快速计算开关最优化位置的可行算法。 上述方法真正解决了保护配置方案优劣的评判依据问题，实现了最优化保护配置的快速自动获得。

本项目成果首次形成国际直流工程成套设计技术体系，提出了单12脉动换流器±800kV换流站避雷器立体配置方法、适用于双回直流接地极共用的主接线方案、双回士800kV直流系统协调控制技术，以及换流站阀厅及金具设计方案。基本解决问题：首次研发与直流输电工程高可用率要求相适应的可靠性分析计算方法，并开发具有自主知识产权的直流系统可靠性分析计算软件；提出基于谐波时域分段技术的设备损耗计算方法，开发具有自主知识产权的换流站损耗分析计算软件，并首次提出特高压直流换流站损耗优化设计的工程实现手段。本项目授权发明专利6项，获得软件著作权3项，形成国家电网公司企业标准3项，发表学术论文8篇。