probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2025-27-3-69-81probener-3438Research ArticleЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫELECTROTECHNICAL COMPLEXES AND SYSTEMSОптимизация конструкции высоковольтного испытательного трансформатораOptimization of high-voltage test transformer designhttps://orcid.org/0000-0002-1173-8727КоровкинН. В.KorovkinN. V.

Коровкин Николай Владимирович – д-р техн. наук, профессор Высшей школы высоковольтной энергетики

г. Санкт-Петербург 

Nikolay V. Korovkin 

St. Petersburg 

nikolay.korovkin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7204-5449СахноЛ. И.SakhnoL. I.

Сахно Людмила Ивановна – д-р техн. наук, профессор Высшей школы высоковольтной энергетики

г. Санкт-Петербург 

Liudmila I. Sakhno 

St. Petersburg 

lsahno2010@yandex.ruПарамоновЕ. Д.ParamonovE. D.

Парамонов Евгений Дмитриевич – инженер-конструктор ООО «Марс-энерго СК» 

г. Санкт-Петербург 

Evgenii D. Paramonov- design engineer, LLS “Mars-energo SK” 

St. Petersburg 

paramon.j.e.k@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8879-986XСахноО. И.SakhnoO. I.

Сахно Ольга Ивановна – канд.техн.наук, доцент кафедры «Высшая математика» 

г. Санкт-Петербург 

Olga I. Sakhno 

St. Petersburg 

olga.sakhnoj@yandex.ruСанкт-Петербургский Политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St.Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation2025220720252736981Copyright © Коровкин Н.В., Сахно Л.И., Парамонов Е.Д., Сахно О.И., 20252025Коровкин Н.В., Сахно Л.И., Парамонов Е.Д., Сахно О.И.Korovkin N.V., Sakhno L.I., Paramonov E.D., Sakhno O.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3438

Рассмотрено решение задачи многокритериальной оптимизации конструкции высоковольтного испытательного трансформатора с помощью алгоритма NSGA-II. В качестве критериев оптимизации приняты масса активных материалов, потери и отношение емкости между первым и вторым слоем вторичной обмотки к емкости между предпоследним и последним слоями вторичной обмотки. Изложена методика расчета конструкции трансформатора, которая используется при оптимизации. Приведен пример оптимизации конструкции высоковольтного испытательного трансформатора. Показано, что применение алгоритма NSGA-II позволило существенно сократить массу активных материалов и потери в трансформаторе по сравнению с базовым вариантом, рассчитанным по традиционной методике.

The paper considers the solution to the problem of multicriterial optimization of the high-voltage test transformer design using the NSGA-II algorithm. The optimization criteria are the mass of active materials, losses, and the ratio of the capacitance between the first and second layers of the secondary winding to the capacitance between the penultimate and last layers of the secondary winding. The calculation method for the transformer design used in the optimization is presented. An example of optimization of the high-voltage test transformer design is given. It is shown that the use of the NSGA-II algorithm made it possible to significantly reduce the mass of active materials and losses in the transformer compared to the basic version calculated using the traditional method.

Высоковольтный испытательный трансформаторметоды многокритериальной оптимизацииNSGA-IIгенетический алгоритмэлектромагнитный расчет трансформатораHigh voltage test transformerleakage inductancenumerical methodsoptimization methodsmagnetostatic fieldplane-parallel fieldReferencesКоровкин Н.В., Марков М.А. Оптимизация параметров турбогенератора твв-360 по векторному критерию. Известия Российской академии наук. Энергетика. 2020. № 4. С. 49-54.Korovkin N.V., Markov M.A. Optimizaciya parametrov turbogeneratora tvv-360 po vektornomu kriteriyu. Izvestiya Rossijskoj akademii nauk. Energetika. 2020. № 4. S. 49-54.Коровкин Н.В., Гулай С.Л., Верховцев Д.А. Оптимизация параметров гидрогенератора. Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. № 4. С. 42-50Korovkin N.V., Gulaj S.L., Verhovcev D.A. Optimizaciya parametrov gidrogeneratora. Izvestiya Rossijskoj akademii nauk. Energetika. 2019. № 4. S. 42-50Ковбаса В.Д., Коровкин Н.В. Минимизация отклонений напряжений узлов и потерь в энергосистеме на основе многокритериальной оптимизации. Изв. НТЦ Единой энергетической системы. 2023. № 2 (89). С. 31-38.Kovbasa V.D., Korovkin N.V. Minimizaciya otklonenij napryazhenij uzlov i poter' v energosisteme na osnove mnogokriterial'noj optimizacii. Izv. NTC Edinoj energeticheskoj sistemy. 2023. № 2 (89). S. 31-38.Ahmed M.K., Osman M.H., Korovkin N.V. Multiobjective optimization of power flow distribution in eps with res under minimum number of transformer’s on-load tap changing. Elektrichestvo. 2022. № 5. С. 10-20Ahmed M.K., Osman M.H., Korovkin N.V. Multiobjective optimization of power flow distribution in eps with res under minimum number of transformer’s on-load tap changing. Elektrichestvo. 2022. № 5. С. 10-20Беляев Н.А., Гурьева А.Ю., Коровкин Н.В., Олейник Н.А. Формирование рациональной перспективной структуры ЕЭС России на основе мультикритериальной оптимизации. Изв. НТЦ Единой энергетической системы. 2024. № 1 (90). С. 5-19.Belyaev N.A., Gur'eva A.Yu., Korovkin N.V., Olejnik N.A. Formirovanie racional'noj perspektivnoj struktury EES Rossii na osnove mul'tikriterial'noj optimizacii. Izv. NTC Edinoj energeticheskoj sistemy. 2024. № 1 (90). S. 5-19.]M. H. Hashemi, U. Kiliç and S. Dikmen, "Applications of Novel Heuristic Algorithms in Design Optimization of Energy-Efficient Distribution Transformer," in IEEE Access, vol. 11, pp. 15968-15980, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3245327.M. H. Hashemi, U. Kiliç and S. Dikmen, "Applications of Novel Heuristic Algorithms in Design Optimization of Energy-Efficient Distribution Transformer," in IEEE Access, vol. 11, pp. 15968-15980, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3245327.O. Olowu, H. Jafari, M. Moghaddami and A. I. Sarwat, "Multiphysics and Multiobjective Design Optimization of High-Frequency Transformers for Solid-State Transformer Applications," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 57, no. 1, pp. 1014-1023, Jan.-Feb. 2021, doi: 10.1109/TIA.2020.3035129.O. Olowu, H. Jafari, M. Moghaddami and A. I. Sarwat, "Multiphysics and Multiobjective Design Optimization of High-Frequency Transformers for Solid-State Transformer Applications," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 57, no. 1, pp. 1014-1023, Jan.-Feb. 2021, doi: 10.1109/TIA.2020.3035129.K. Zhang, W. Chen, X. Cao, Z. Song, G. Qiao and L. Sun, "Optimization Design of High-Power High-Frequency Transformer Based on Multi-Objective Genetic Algorithm," 2018 IEEE International Power Electronics and Application Conference and Exposition (PEAC), Shenzhen, China, 2018, pp. 1-5, doi: 10.1109/PEAC.2018.8590371K. Zhang, W. Chen, X. Cao, Z. Song, G. Qiao and L. Sun, "Optimization Design of High-Power High-Frequency Transformer Based on Multi-Objective Genetic Algorithm," 2018 IEEE International Power Electronics and Application Conference and Exposition (PEAC), Shenzhen, China, 2018, pp. 1-5, doi: 10.1109/PEAC.2018.8590371S. Mohammed and R. A. Vural, "NSGA-II+FEM Based Loss Optimization of Three-Phase Transformer," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 9, pp. 7417-7425, Sept. 2019, doi: 10.1109/TIE.2018.2881935.S. Mohammed and R. A. Vural, "NSGA-II+FEM Based Loss Optimization of Three-Phase Transformer," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 9, pp. 7417-7425, Sept. 2019, doi: 10.1109/TIE.2018.2881935.K. Deb, A. Pratap, S. Agarwal and T. Meyarivan, "A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II," in IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 6, no. 2, pp. 182-197, April 2002, doi: 10.1109/4235.996017K. Deb, A. Pratap, S. Agarwal and T. Meyarivan, "A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II," in IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 6, no. 2, pp. 182-197, April 2002, doi: 10.1109/4235.996017Ding, C. Yang and B. Xiong, "Multi-Objective Optimal Design of Traction Transformer Using Improved NSGA-II," 2021 24th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Gyeongju, Korea, Republic of, 2021, pp. 1470-1474, doi: 10.23919/ICEMS52562.2021.9634516.Ding, C. Yang and B. Xiong, "Multi-Objective Optimal Design of Traction Transformer Using Improved NSGA-II," 2021 24th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Gyeongju, Korea, Republic of, 2021, pp. 1470-1474, doi: 10.23919/ICEMS52562.2021.9634516.Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. Учебное пособие для вузов. М: Энергия. 1974, 544 с.Tihomirov P. M. Raschet transformatorov. Uchebnoe posobie dlya vuzov. M: Energiya. 1974, 544 s.Г.Н. Петров. Электрические машины. Часть первая. Введение. Трансформаторы. М: Энергия. 1974, 240 с.G.N. Petrov. Elektricheskie mashiny. Chast' pervaya. Vvedenie. Transformatory. M: Energiya. 1974, 240 s.Калинин Е.В. Моделирование потерь в шихтованных сердечниках силовых трансформаторов//Интеллектуальная электротехника.-2020-№1(9).-С.52-68.Kalinin E.V. Modelirovanie poter' v shihtovannyh serdechnikah silovyh transformatorov//Intellektual'naya elektrotekhnika.-2020-№1(9).-S.52-68.Wang K. et al. Fast Calculation Method of Magnetic field in Transformer Core Based on Magnetic Circuit Modeling //Annual Conference of China Electrotechnical Society. – Singapore: Springer Nature Singapore, 2023. – С. 604-616.Wang K. et al. Fast Calculation Method of Magnetic field in Transformer Core Based on Magnetic Circuit Modeling //Annual Conference of China Electrotechnical Society. – Singapore: Springer Nature Singapore, 2023. – С. 604-616.L. Lu, Y. Che, X. Wu, G. Li, Z. Yang and L. Zhu, "Magnetic Field Calculation of Distribution Transformer with Finite Element Method," 2021 IEEE International Conference on Emergency Science and Information Technology (ICESIT), Chongqing, China, 2021, pp. 585-588, doi: 10.1109/ICESIT53460.2021.9696770.L. Lu, Y. Che, X. Wu, G. Li, Z. Yang and L. Zhu, "Magnetic Field Calculation of Distribution Transformer with Finite Element Method," 2021 IEEE International Conference on Emergency Science and Information Technology (ICESIT), Chongqing, China, 2021, pp. 585-588, doi: 10.1109/ICESIT53460.2021.9696770.Sakhno L. I. et al. Transformer under load condition: comparison of FEA and equivalent circuit analysis //Тезисы доклада на XXV международном симпозиуме « Электромагнитные явления в нелинейных цепях » 2018. – Т. 26. – С. 18-28.Sakhno L. I. et al. Transformer under load condition: comparison of FEA and equivalent circuit analysis //Тезисы доклада на XXV международном симпозиуме « Электромагнитные явления в нелинейных цепях » 2018. – Т. 26. – С. 18-28.L. Sakhno O. Sakhno, E. Kharlamova Calculation and Measurement of the Magnetic Flux in the Magnetic Core of Welding Transformers International Journal of Applied Engineering Research (IJAER), 2016, vol.11, No.22, pp. 11055-11059L. Sakhno O. Sakhno, E. Kharlamova Calculation and Measurement of the Magnetic Flux in the Magnetic Core of Welding Transformers International Journal of Applied Engineering Research (IJAER), 2016, vol.11, No.22, pp. 11055-11059P. Zhihua et al., "Three-dimensional Leakage Magnetic Field Simulation and Short-circuit Impedance Calculation of Large Yoke Transformer," 2021 International Conference on Intelligent Computing, Automation and Systems (ICICAS), Chongqing, China, 2021, pp. 479-482, doi: 10.1109/ICICAS53977.2021.00105.P. Zhihua et al., "Three-dimensional Leakage Magnetic Field Simulation and Short-circuit Impedance Calculation of Large Yoke Transformer," 2021 International Conference on Intelligent Computing, Automation and Systems (ICICAS), Chongqing, China, 2021, pp. 479-482, doi: 10.1109/ICICAS53977.2021.00105.Сахно Л.И., Парамонов Е.Д., Сахно О.И., Кочеткова Е.Ю., Миневич Т.Г. Выбор аналитического метода расчета индуктивности рассеяния при оптимизации конструкции высоковольтного испытательного трансформатора. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2024;26(6):81-93. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2024-26-6-81-93Sahno L.I., Paramonov E.D., Sahno O.I., Kochetkova E.Yu., Minevich T.G. Vybor analiticheskogo metoda rascheta induktivnosti rasseyaniya pri optimizacii konstrukcii vysokovol'tnogo ispytatel'nogo transformatora. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. PROBLEMY ENERGETIKI. 2024;26(6):81-93. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2024-26-6-81-93Усачев А.Е. Испытательные и электрофизические установки высокого напряжения: получение высоких напряжений: учеб. пособие / А.Е. Усачев. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2014. – 103 с.Usachev A.E. Ispytatel'nye i elektrofizicheskie ustanovki vysokogo napryazheniya: poluchenie vysokih napryazhenij: ucheb. posobie / A.E. Usachev. – Kazan': Kazan. gos. energ. un-t, 2014. – 103 s.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.