На заказ энергосистем или дирекций объектов, которые сооружаются достаточно часто производятся проектные и исследовательские работы с целью сооружения воздушных линий (ВЛ) электропередачи высокого (ВН) и сверхвысокого (СВН) напряжения.
Так как проектирование ВЛ трудоемкая задача, то очень часто задействуются сразу несколько подразделений проектной организации. Разведывательные работы и планирования трассы линии выполняется в разведывательном подразделении, расчет проводов и тросов, размещения опор - в линейном подразделении, за расчет фундамента и прочность опор отвечают проектировщики-строители. Вот почему автоматизация проектирования ВЛ должна охватывать всю технологическую цепь. Эффективная автоматизация проектирования ВЛ является очень актуальной задачей современности.
Автоматизация предусматривает рациональное распределение функций между человеком и компьютером : проектировщик решает задачи творческого характера, а ПК - формализованные задачи, которые реализованы в виде алгоритма.
Система автоматизированного проектирования ВЛ ВН и СВН (САПР) состоит из технической и документальной систем. Техническая система содержит линейную и строительно-монтажную подсистемы. В линейной подсистеме выполняются такие виды расчетов :
- расчет на механическую прочность проводов и тросов ВЛ ВН;
- расчет пересечений с инженерными сооружениями, искусственными преградами и расчет больших переходов;
- расстановка опор по продольному профилю трассы ВЛ ВН и расстановка с учетом напряженности;
- расчет параметров плавки гололеда на проводах и тросах ВЛ ВН.
В строительно-монтажной подсистеме выполняются следующие процедуры:
- расчет нагрузок и выбор фундаментов к опорам ВЛ ВН;
- выбор фундаментов или типичных закреплений опор ВЛ ВН;
- расчет и выбор устройств, которые заземляют опоры ВЛ ВН;
- определяются монтажные стрелы провеса проводов и тросов ВЛ.
Документальная система состоит из десяти единиц, каждая из которых выходит из отдельного расчета технической системы, или собственный документа и содержит следующие отчеты:
- журнал расстановки опор ВЛ ВН;
- ведомость пересечений ВЛ ВН;
- чертеж продольного профиля трассы ВЛ ВН;
- чертеж пересечений ВЛ ВН;
- ведомость опор и фундаментов ВЛ ВН;
- ведомость устройств, которые заземляют опоры ВЛ ВН;
- ведомость гасителей вибрации;
- ведомость гирлянд изоляторов;
- журнал плавки гололеда;
- монтажная таблица.
Обзор исследований по теме в ДонНТУ
На сегодняшний день уже существует реализация САПР ВЛ в нашем университете. На кафедре электрических систем ДонНТУ разработана и последние 30 лет используется в качестве учебно-исследовательской (УИ) САПР ВЛ ВН и СВН несколько видов программного обеспечения : один - под DOS, другой - под WINDOWS - 98.
В первом варианте программы написаны языком CLIPPER и FoxBase, во втором варианте использованные языки Delphi и Visual Basic 6.0. Кроме того, программа чертежа продольного профиля трассы ВЛ, который проектируется, написана на AutoCAD с использованием языка AutoLISP.
Эти программы используются в курсе "САПР воздушных ЛЕП".
Однако указанные виды программного обеспечения технически устарели и требуют модернизации на уровне современных операционных систем, языков программирования, возможностей ПК и прикладных пакетов программ. Очень важным аспектом является и то, что в связи с новой редакцией ПУЕ-2006, что разработано на Украине, изменился расчет на механическую прочность проводов и тросов воздушных линий высокого и сверхвысокого напряжения, а УИ САПР ВЛ ВН и СВН разработана для устаревших методик выполнения проектных расчетов.
Таким образом, новая САПР ВЛ ВН и СВН должна быть создана на основе новых рекомендаций и расчетов.
Обзор исследований по теме в Украине
На сегодняшний день существует несколько удачных программных продуктов, которые реализуют САПР ВЛ, которые используются только в научных целях и не предназначены для использовании на предприятиях ПЭС.
Обзор исследований по теме в мире
Достаточно удачной реализацией САПР ВЛ ВН и СВН является программный комплекс русской разработки EnergyCS Line [4] (Россия), предназначенный для автоматизации проектирования механической части воздушных линий электропередачи, волокно-оптических кабелей, волокно-оптических линий связи, гибких ошиновок открытых распределительных устройств, гибких токопроводов для российского ПУЭ и СНиП. Этот комплекс обеспечивает ведение базы данных выполненных ранее расчетов, базы данных справочной информации о проводах, тросах, опорах ВЛ, изоляторах, климатических районах России.
Программный комплекс реализует возможности экспорта чертежей в графическую систему AutoCAD или MS Word. Однако, во время разработки проекта не достаточно лишь услуг программного комплекса EnergyCS Line, поскольку он выполняет лишь решание проектных процедур линейной части проекта ВЛ ВН. Для расчета строительно-монтажной части проекта ВЛ надо использовать другие программные комплексы [2].
Совершенствование программы ведется в двух направлениях: расчет динамического действия токов короткого замыкания на провода - расчет проводов на схлестывание при КЗ (сам расчет токов короткого замыкания в проводах и грозозащитных тросах, а также оценка его термического действия производится в программе EnergyCS TKZ); расчеты по отводу земель и по вырубке просек.
Планирование трассы можно выполнить в Одной из геодезическая программ, например GeoniCS (Грузия). Результатом работы этой программы является чертеж с описанием трассы
Наиболее мощным программным комплексом на сегодня является САПР ЛЭП - 2008. Он предназначен для автоматизации проектирования воздушных линий электропередач напряжением 35 кВ и выше. Идеология САПР строилась исходя из требования простоты и удобства использования для проектировщиков линейных групп. Вся работа с программами основывается на интуитивно понятном интерфейсе, каждый модуль сопровождается "Руководством пользователя", свиты все модули САПРа работают на базе AutoCAD, что является большим плюсом [3].
Логика работы САПРа во многом соответствует привычной последовательности действий проектировщиков. Первыми делаются необходимые расчеты проводов и тросов. Их результаты являются базой и исходными данными для всех остальных расчетных модулей. Основная идея, которая была заложена при разработке модулей - это возможность проектировщика в любой момент вмешаться в ход работы программы, направит ее в нужном направлении.
Среди вышеперечисленных достоинств неоспоримым является постоянное усовершенствование данного САПР в виде новых модулей, появившихся уже в 2009году.
Целью магистерской работы является разработка современных программ САПР ВЛ ВН и СВН, алгоритмы которых будут отвечать всем требованиям новой редакции ПУЄ.
Основной идеей магистерской работы является разработка принципиально-новых алгоритмов для программных модулей САПР, совершенствования информационного обеспечения программных модулей в качестве создания новых баз данных.
Предметом научной работы является современное программное обеспечение САПР ВЛ ВН и СВН. Объектом является система автоматического проектирования ВЛ ВН и СВН, ее совершенствования.
Основное содержание работы
На данном этапе магистерской работы разрабатывается программа расчета напряженности электрического поля под проводами ВЛ, которая позволяет выполнить расстановку опор ВЛ ВН и СВН, учитывая требования нормативных документов относительно допустимой напряженности под проводами ВЛ СВН.
Методика основана на небезызвестном теоретическом подходе, согласно к которому проводы ВЛ расположены вблизи плоской поверхности проводящей среды (земля). Поэтому поле ВЛ будет создаваться не только зарядами проводов, но и зарядами их зеркальных изображений. При этом вектор напряженности суммарного поля будет равняться геометрической сумме векторов напряженностей поля всех зарядов.
Рассмотрим многопроводную линию из 3-х весьма длинных проводов с зарядом, на единицу длины (индекс в заряда соответствует номеру провода), протянутых параллельно поверхности земли. Высота подвеса и радиус каждого провода известны. Известна также электрическая проницаемость среды, окружающей провода.
Возьмем в диэлектрике некоторую произвольную точку М и найдем ее потенциал. Потенциал точки М будет равен сумме потенциалов, создаваемых каждым проводом и его зеркальным изображением. Cоставляющую потенциала точки М вот провода и его зеркального изображения в можно записать следующим образом:
где 
- расстояние вот точки М к зеркального изображения первого провода; 
- расстояние вот точки М к первого провода.
Составляющая потенциала точки М вот второго провода и его зеркального изображения:
Таким образом
Алгоритм для программы расчета потенциала в произвольной точке М
1. Зная исходные данные: координаты в пространстве, радиус каждого провода электрическая проницаемость среды,- получаем матрицы А и В, где содержатся расстояния от точки М до каждого провода и их изображений, а также между проводами и изображениями. Блок-схема, реализующая данный алгоритм, представленная на рис. 1.
Рисунок 1 - Блок-схема, реализующая алгоритм нахождения расстояния вот точки М к каждого провода и их изображений, а также между проводами и изображениями
2. Рассчитываются потенциальные коэффициенты, так называемая первая группа формул Максвелла :
где 
- расстояние вот первого провода, куда помещена точка М, к его зеркального изображения, 
- расстояние вот первого провода ко второго.
Формируется матрица
Алгоритм расчета представлен на рис 2.
Рисунок 2 - Блок-схема, реализующая расчет потенциальных коэффициентов
Для нахождения определителя матрицы формируется отдельная подпрограмма метода Гаусса "Opredelitel", блок схема которой представлена на рис 3.
Рисунок 3 - Блок-схема нахождения определителя методом Гаусса
где 
- алгебраическое дополнение, которое получается из определителя системы 
.
Для расчета емкостных коэффициентов обращаемся к подпрограмме "Opredelitel", рассчитываем миноры и определитель матрицы. Блок-схема представлена на рис 4.
Рисунок 4 - Блок-схема расчета емкостных коэффициентов
4. Полагаем, что потенциалы известны и равны номинальному напряжению сеты:
Решаем систему уравнений, называемую второй группой формул Максвелла :
Алгоритм расчета представлен на рис 5.
Рисунок 5 - Блок-схема расчета зарядов
5. Находим потенциал в заданной точке М :
Алгоритм приведен в виде блок-схемы на рис. 6.
Рисунок 6 - Блок-схема определения потенциалов
Важной частью магистерской работы является создание программы расчета больших переходов воздушной ЛЕП на примере перехода через водные пространства.
Одной из основных задач, решаемых при проектировании больших переходов воздушных линий (ВЛ) электропередачи в рамках УД САПР ВЛ ДонНТУ, является определение параметров этих переходов : стрел провеса и длины провода на переходе, который проектируется.
Общепринятая методика для решения этой задачи основана на теории цепной линии с использованием известного кубического уравнения состояния провода, который выводится из кривой провеса провода по параболе. Однако, как показывают результаты проектных расчетов для проводов больших переходов ВЛ, это приводит в ряде случаев к недопустимым погрешностям в величинах стрел провеса провода в переходе[10].
С целью их снижения целесообразно использование теории цепи равного сопротивления, которая является более строгой и позволяет получить сравнительно простые решения задач расчета проводов больших переходов ВЛ с учетом, например, таких факторов, как вес гирлянд изоляторов.
Кроме того, эта теория позволяет также объяснить постоянство величины стрелы провеса провода в переходе ВЛ при больших гололедных нагрузках и при особенно крепком гололеде, поскольку она основана на предположении постоянства напряжения в материале провода по всей его длине в переходе[9].
Целью является разработка варианта компьютерной программы расчета больших переходов ВЛ, который может быть использован студентами специальности «Электрические системы и сети» в учебном процессе подготовки специалистов на кафедре "Электрические системы".
Алгоритм программы построен на новой форме записи уравнения состояния провода в пролёте ВЛ с использованием теории круга равного сопротивления, а также на расчетных выражениях для определения стрелы провеса и длины провода в пролёте ВЛ на переходе, которые разработаны на кафедре электрических систем ДонНТУ.
Учебный вариант программы расчета параметров больших переходов ВЛ через водные пространства являет собой программный продукт, написанный языком DELPHI [6].
В программе, которая разработана, использованы метод касательных для решения основного уравнения состояния провода и метод половинного деления при определении параметру Х0 . Программа предусматривает введение расчетных параметров по проводу и тросу к базе данных со следующим их использованием без повторного введения проектировщиком ВЛ.
Для контрольного варианта с целью отладки программы и проверки правильности расчетов большого перехода ВЛ 150 кВ через водные пространства по предложенным выражениям был использован следующий численный пример, который отображает по существу алгоритм расчета перехода ВЛ через судоходную реку.
Допустим, что нужно определить габарит на переходе при температуре 40°С для провода АС-400/93, смонтированного через судоходную реку с пролётом 700м и разницей точек подвеса провода на опорах 67,73 м.
Климатические условия следующие:
-высшая температура воздуха 400С;
-температура образование гололеда - 50С;
- IV район по гололеду;
- III район по ветру.
Интерфейс программы и результаты контрольного расчета большого перехода приведены на рис 7.
Рисунок 7 – Поэтапное выполнение контрольного расчета большого перехода (анимация: объём – 67,1 КБ; размер – 800x570; количество кадров – 5; задержка между кадрами – 300 мс; задержка между последним и первым кадрами – 350 мс; количество циклов повторения – 5)
По результатам расчетов можно утверждать, что расчетный габарит 35,34 м не противоречит нормативам, приведенным в ПУЄ [1].
Перечень основных результатов и перспективы развития
Механический расчет – это базовый расчет для проектирования воздушных линий. На момент написания автореферата подготовлены все алгоритмы для создания программы с использованием языка программирования Delphi; создана программа расчета напряженностей в произвольной точке.
На сегодня существенным недостатком является DOS – интерфейс кафедральных разработок, поэтому одной из проектных задач является создание Windows – интерфейса, а также визуализация работы программы и модернизация баз данных.
Список литературы
1. Правила улаштування електроустановок. Глава 2.4, глава 2.5 із зміною №1. – К.: ГРІФРЕ, 2006. – 126с
2. Журнал CADmaster [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.cadmaster.ru.
3. Офіційний сайт групи компаній CSoft [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.csoft.ru.
4. Ильичев Н.Б. Расчет и проектирование ВЛ, ОРУ и ВОЛС в среде EnergyCS Line/ Н.Б. Ильичев//М.,2007 – С. 12–16.
5. Шпак Ю.О. Delphi 7 на прикладах/ Ю.О. Шпак, Ю.С. Ковтанюк//К.: Юніор,2003 – 384с.
6. Ильичев Н.Б. Программный комплекс «EnergyCS Line» V 3.5 . Руководство пользователя./ Н.Б. Ильичев//Иваново, 2007 – 79 с.
7. ЛЭП 2009 - «Розрахунок навантажень на опори та фундаментів» [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.bsapr.ru.
8. Матеріали Другої всеросійської науково- практичної конференції 2006г [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, www.ohl.elsi.ru/2006.
9. Доклад Молчанова О.В., Титенсккого К.С. [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.ohl.elsi.ru/sbornik_trudov/6.pdf.
10. Електроний журнал [Электронный ресурс].-Режим доступа: ссылка, http://www.sapr.ru.
Важное замечание!
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.