Марасина Елена Александровна

Тема выпускной работы:

Исследование систем автоматизированного проектирования высоковольтных линий электропередачи

Научный руководитель: к.т.н., доцент кафедры ЭСиС Горин Валентин Яковлевич

АВТОРЕФЕРАТ

Система автоматизированного проектирования (САПР) - система:
- предназначенная для выполнения проектных работ с применением компьютерной техники;
- позволяющая создавать конструкторскую и технологическую документацию на отдельные изделия, здания и сооружения.
В качестве входной информации САПР использует технические знания специалистов, которые вводят проектные требования, уточняют результаты, проверяют полученную конструкцию, изменяют ее и т.д.
Система автоматизированного проектирования реализуется в виде комплекса прикладных программ, обеспечивающих проектирование, черчение, трехмерное моделирование конструкций, плоских либо объемных деталей.

Цель внедрения САПР

Если говорить об энергетике, то предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как из-за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из-за невысокого качества проектов. Поэтому в  настоящее время все больше и больше организаций для решения проектных задач пробует использовать САПР, что обусловлено не только стремлением  идти в ногу с техническим прогрессом, но и с желанием упростить работу проектировщика, повысить производительность и качество выполнения проектов. Внедрение САПР в проектных институтах и организациях позволяет ускорить процесс выполнения проектов и существенно уменьшить влияние человеческого фактора.  

Задачи, решаемые с помощью САПР при проектировании ВЛЭП

Проектирование воздушных линий (ВЛ) электропередачи – задача трудоемкая, в решении которой, как правило, задействуются сразу несколько подразделений проектной организации. Изыскательские работы и планирование трассы линии выполняются в отделе изысканий, расчет проводов и тросов, расстановку опор производят в линейном отделе, за расчет фундаментов и прочность опор отвечают проектировщики-строители, а проектированием оптического кабеля, подвешиваемого на опоры ВЛ или используемого в качестве грозозащитного троса, занимаются проектировщики связисты. Поэтому автоматизация проектирования ВЛ должна охватывать всю технологическую цепочку.

Проектирование механической части линии электропередач (после решения всех электротехнических вопросов) начинается с анализа результатов изыскательских работ и создания плана трассы линии электропередачи.

Планирование трассы и обработка результатов изысканий могут выполняться в одной из геодезических программ, таких, например, как GeoniCS. Результатом такой обработки изысканий традиционно является чертеж с описанием трассы, включающий изображение профиля, описание условий геологии и пересечений, информацию об углах поворота трассы и т.п. Эти данные и являются исходными для расстановки опор.

Современные программные комплексы  предназначены для автоматизации расчетов, связанных с расстановкой опор по трассе ВЛ, проверки габаритных расстояний для пролетов и пересечений, оценки расстояний до токоведущих частей и проверки на схлестывание, расчетов нагрузок, действующих на детали опор и фундаменты, а также для получения спецификаций оборудования.

Научная новизна проекта

Попытки студентов кафедры ЭСиС автоматизировать процесс проектирования высоковольтных линий электропередачи  дали свои результаты. Был создан комплекс программ «УИ САПР-DOS»  - учебно-исследовательская система автоматизированного проектирования воздушных линий на базе DOS. Алгоритмы программы были разработаны под ПУЭ – 86. С выходом ПУЭ-2006 принципиально изменилась методика расчета прочности проводов (тросов) и опор. Это связано с включением в украинский вариант ПУЭ новых норм районирования территории Украины по гололеду и по ветру (ДБН В.1.2.-2-2006).

Цель данной магистерской работы – скорректировать ряд проектных процедур с учетом требований современных нормативов.

Рисунок 1 – Поэтапное выполнение основных задач по усовершенствованию «УИ САПР-DOS» (анимация: объём – 33,39 КБ; размер – 797x175; количество кадров – 4; задержка между кадрами – 700 мс; задержка между последним и первым кадрами – 700 мс; количество циклов повторения – непрерывный цикл повторения)

Обзор исследований и разработок по теме

При обработке материала, накопленного за время работы  по теме магистерской, было установлено, что, к сожалению, достойных разработок украинского производства в данной сфере на сегодня не существует. Подобные программные продукты были представлены сразу несколькими российскими фирмами.

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», почти все модули САПРа работают на базе AutoCAD, что  является большим плюсом. При разработке данного продукта большое внимание уделялось созданию единой структуры данных. Таким образом, например, данные по климатическим условиям, введенным в модуле «Систематический расчет провода» (рис.1), автоматически становится доступным для других модулей через систему привязки профиля. В процессе привязки вся необходимая информация сохраняется в структуре чертежа и в дальнейшем может считываться другими модулями.  Каждый профиль может быть разбит на зоны, в каждой из которых описывается, какой расчет провода действует, какая массовая опора, габарит до земли и т.п. В дальнейшем, все модули «видят» эти зоны и, работая внутри  одной из них, используют только параметры соответствующие этой зоне. Такой подход почти полностью исключает необходимость дублирования ввода данных, что в свою очередь ведет к существенному сокращению времени при проектировании и уменьшению количества ошибок. Кроме того, во всех модулях предусмотрена система контроля ввода данных, которая снижает вероятность ошибки проектировщиков.

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, направить ее в нужном направлении.

       Среди  вышеперечисленных достоинств неоспоримым является постоянное усовершенствование данного САПР в виде новых модулей, появившихся уже  в 2009году.

           Еще один программный комплекс EnergyCS Line предназначен для автоматизации расчетов, связанных с расстановкой опор по трассе ВЛ,  проверки габаритных расстояний для пролетов и пересечений, оценки расстояний до токоведущих частей и проверки на схлестывание, расчетов нагрузок, действующих на детали опор и фундаменты, а также для получения спецификаций оборудования.

Общая постановка задачи

Проектируемая воздушная линия может иметь сложную конфигурацию и состоять из нескольких линий, а те, в свою очередь, – из множества анкерных участков. Конечные точки анкерных участков – анкерные опоры. Каждой линии, каждому топологическому участку соответствует своя трасса.

Программный комплекс EnergyCS Line позволяет решать следующие задачи проектирования ВЛ:

 расстановка анкерных опор по трассе ВЛ;

 расстановка промежуточных опор по анкерным участкам на основе описания профиля и данных о пересекаемых объектах;

 проверка габаритов пересечений в нормальных и послеаварийных режимах;

 получение таблицы монтажных тяжений и монтажных стрел провисания с учетом остаточной деформации для фазных проводов и грозозащитных тросов;

проверка допустимых расстояний между грозозащитным тросом и верхним фазным проводом;

оценка устойчивости гирлянд изоляторов и расчет балластов;

оценка сближений проводов и допустимых расстояний до токоведущих частей;

расчет нагрузок на опоры и формирование задания строителям на проектирование фундаментов;

оценка необходимости применения гасителей вибрации и расчет расстояний их крепления;

получение ведомостей оборудования и заказных спецификаций;

расчет отвода земель на период строительства и в постоянное использование (в разработке).

Таблица описания трассы содержит как обязательные, так и необязательные для заполнения колонки. Так, Дистанция (расстояние от начала трассы) и Уровень (высота точки измерения) – это обязательные параметры. Если не вводить обозначения пикетов, они сформируются из дистанции автоматически, однако при сбое в их обозначениях или при наличии рубленых пикетов заполнение колонки Пикет обязательно. Если введены углы направления трассы или заданы признаки установки анкерной опоры, то ввод описания трассы позволит автоматически ввести список анкерных опор и описания анкерных участков. Кроме того, могут быть определены и описания пересечений. Положения анкерных опор задаются их пикетами. Можно также ввести координаты точек их размещения на плане. Программа позволяет на основе профиля трассы каждого участка выполнить расстановку промежуточных опор; проверить габариты на проблемных участках ВЛ и габариты пересечений с другими коммуникациями и дорогами; выполнить расчет мест установки гасителей вибрации; подготовить цифровую информацию для построения итоговых чертежей профилей с расстановкой опор по трассе. EnergyCS Line поддерживает текстовые форматы данных на основе CSV и XML, а также текст со знаками табуляции в качестве разделителей. При невозможности использовать геодезическую программу, способную сформировать табличное описание трассы, информацию о профиле можно получить и непосредственно из чертежа AutoCAD. Для считывания кривой описания профиля необходимо, чтобы линия поверхности состояла из отрезков и полилиний и была вычерчена в особом слое. При вводе описания трассы из AutoCAD EnergyCS Line запрашивает имена слоев для описания поверхности и пересечений.

Информация об анкерных опорах вводится в таблицу и содержит данные о:  типе опоры и ее высоте (тип опоры выбирается из справочной базы данных); типе изоляторов;  числе изоляторов.

Информация об анкерных участках сводится в таблицу. Участки определяются конечными анкерными опорами: одна анкерная опора условно считается началом участка, а вторая – его концом. Для каждого участка должны быть заданы:  длина (если координаты анкерных опор заданы, то длина вычисляется автоматически); расчетная (ожидаемая) длина пролета;  тип провода (тип провода выбирается из справочной базы данных);  число проводов в фазе;  допустимое максимальное тяжение провода на участке, если оно по  какой-либо причине должно быть меньше допустимого для провода;  тип промежуточной опоры и ее высота (тип опоры выбирается из справочной БД);  допустимый габарит для участка;  максимальная допустимая длина пролета;  тип изолятора (выбирается из справочника);  число изоляторов в гирлянде и число гирлянд на фазу ВЛ.

Для линии вводится таблица точек пересечений. Если в описании трассы колонки с параметрами пересечений заполнены, то строки таблицы пересечений формируются автоматически, в противном случае таблица пересечений вводится вручную или импортируется из внешнего источника.

Таким образом, исходные данные о проектируемой ВЛ вводятся в таблицы и производится дальнейший расчет.

Кроме стандартного расчета для провода может быть выполнен расчет габаритов при произвольно заданных режимах. Для выбранного анкерного пролета в таблице можно задавать произвольные сочетания исходных и расчетных режимов и при этом получать соответствующие максимальные стрелы провеса. Кроме того, существует возможность указать желаемую стрелу провеса и получить необходимые параметры исходного режима.

Результаты

Одним из важных принципов расчетной программы является проверяемость полученных результатов. Проверка достоверности и поиск вероятных ошибок

в исходных данных значительно упрощаются, если имеется возможность вывода промежуточных результатов. Так, для механического расчета промежуточными результатами являются удельные и погонные нагрузки. В таблице определения критических пролетов и выбора исходных и расчетных режимов  не только приводятся промежуточные результаты, принятые для расчета габаритов, но и устанавливаются стандартные параметры исходного и

расчетного режимов, принимаемые для расчетов. Таким образом, отменяется изменение режимов, внесенное в таблицу. Программа EnergyCS Line позволяет

получить таблицу монтажных максимальных стрел провеса;  выполнить расчет, связанный с определением мест установки гасителей вибрации; определить нагрузки от провода на опоры и натяжение грозозащитного троса для обеспечения необходимого защитного угла по всей линии, а также выполнить другие расчеты.

В программе предусмотрена возможность нанесения расставленных опор на существующий чертеж описания профиля трассы с указанием номеров и марок,

длин пролетов, габаритов пересечений.

Заключение

В настоящее время функционал программы позволяет значительно сократить трудозатраты на разработку документации по проектированию линий электропередач при типовом проектировании, а в особых случаях (например, при проектировании больших переходов) – также и на исследовательские расчеты. 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.

И еще одна компания ЗАО «СиСофт», ведущий разработчик САПР в России, представляет новый программный комплекс для проектирования ЛЭП – Model Studio CS ЛЭП.

При создании  Model Studio CS ЛЭП использовались современные интерактивные технологии, результаты эргономических исследований и математические решения на основе алгоритмов Н. Б. Ильичева (Ивановский энергетический университет). Программный комплекс полностью соответствует требованиям ПУЭ. Основная отличительная особенность системы – её интерактивность: вся работа осуществляется в режиме реального времени.

Model Studio CS ЛЭП работает на продольном профиле, тем самым позволяя объединить геологические изыскания в одной модели проекта.

Рисунок 3 – Пример расстановки опор на продольном профиле в программе Model Studio CS ЛЭП

Моделирование ЛЭП в программе Model Studio CS ЛЭП. Система Model Studio CS ЛЭП позволяет проектировать воздушные линии электропередач всех напряжений на стадии строительства, реконструкции и ремонта. Программный комплекс представляет собой приложение, работающее  на платформе AutoCAD 2006/2007/2008 и вертикальных приложений на этой платформе, что позволяет использовать весь функционал, заложенный в AutoCAD. Система разработана с учетом российских норм и стандартов. Процесс проектирования в программном комплексе Model Studio CS ЛЭП можно разбить на следующие основные этапы: ввод исходных данных, расстановка опор на продольном профиле, проверка допустимых габаритов и расстояний, формирования проектной документации.

Исходные данные

Основными исходными данными  для Model Studio CS ЛЭП служат продольных профиль и данные по климатическому району. Информация по продольному профилю может быть получена от смежных отделов в формате AutoCAD или закачана из внешней программы через файл обмена. Остальные данные по оборудованию и опорам, арматуре и т. д. выбираются проектировщиком из базы данных  и в процессе проектирования могут многократно меняться.

Расстановка профилей на опоре

Расстановка опор на продольном профиле в заданном масштабе производится безошибочно и быстро. Все опоры – это интеллектуальные параметрические объекты, наделенные параметрами и свойствами, необходимыми для формирования табличных документов и выполнения расчетов. Программа позволяет производить любые операции с опорами, передвигать, удалять, добавлять новые, изменять тип и марку и т. д. Интеллектуальная система оформления чертежа осуществляет все необходимое оформление. В процессе расстановки выполняется механический расчет проводов и тросов в соответствии с ПУЭ. При этом учитываются не только климатические нагрузки, но и нагрузки от арматуры крепления, гирлянд  и прочего оборудования. Кривая моделируется уравнением цепной линии , что позволяет повысить точность результатов расчета, например, больших переходов. Подсистема расчета работает в режиме реального времени, то есть при отрисовке провода расчет выполняется автоматически и обновляются каждый раз, когда изменяются условия – например, при перемещении или изменении типа и марки опор происходит мгновенный перерасчет и перестроение кривых провисания.

Параметры проводов и тросов, а также арматура (подвесная, натяжная, гасители вибрации) и дополнительное оборудование могут быть изменены на любом этапе проектирования.

Проверка допустимых габаритов, пересечений и сближений

Программный комплекс Model Studio CS ЛЭП снабжен мощным инструментом проверки допустимых расстояний между объектами: опорами и пересечками, проводами и пересечками, проводами и грозотросом. При проверке модели на основе настроек, регламентирующих расстояния, осуществляется анализ коллизий между объектами и диагностируется факт нарушения допустимого расстояния. Информация об обнаруженных в процессе проверки коллизиях отражается как графически, так и в табличном виде.

Выходная документация

Программный комплекс Model Studio CS ЛЭП позволяет формировать и выпускать полный комплект проектной документации: чертежи, табличные документы в форматах MS Word, MS Excel, AutoCAD, адаптированных и адаптируемых под стандарт проектной организации с рамками, штампами, эмблемами, таких как:  монтажные стрелы провеса провода и троса, ведомость изолирующих подвесок проводов и тросов, ведомость опор и металлоконструкций, ведомость переходов, спецификации оборудования, ведомость гасителей вибрации.

Для удобства работы предусмотрен виртуальный спецификатор – всегда доступное для просмотра специальное диалоговое окно, в котором отображается состав модели в виде таблицы заданной формы. Изменение любых параметров в спецификаторе приводит к изменению этих параметров и в модели проекта и наоборот. Такая взаимосвязь таблиц и модели позволяет безошибочно формировать выходные документы.

Model Studio CS ЛЭП обеспечивает автоматическое формирование спецификаций, экспликаций и других табличных документов любой конфигурации, а мощный инструмент экспорта данных позволяет выдавать любую информацию, необходимую для других САПР, участвующих в комплексном проектировании.

Перспективы развития Model Studio CS ЛЭП

В планах разработчиков компании ЗАО «СиСофт» - полностью охватить своим программным обеспечением область проектирования ЛЭП. На данный момент поставляется Model Studio CS Открытые распределительные устройства – трехмерное компонентное решение для проектирования открытых распределительных устройств с системой механического расчета гибкой ошиновки.

В ближайшем будущем в Model Studio CS ЛЭП планируется реализовать:

расширение базы данных стандартного оборудования;

Аварийный режим работы ЛЭП; расчет заземления опор; ведомость вырубки просеки; расчет нагрузок на опоры; расчет проводов на схлестывание; трехмерное проектирование ЛЭП.

Перечень основных результатов и перспективы развития

Механический расчет – это базовый расчет для проектирования воздушных линий. На момент написания автореферата подготовлена программа данного расчета с использованием языка программирования Delphi. На сегодня существенным недостатком является  DOS – интерфейс разработки, поэтому одной из проектных задач является создание Windows – интерфейса, а также визуализация работы программы и модернизация баз данных.  

Список литературы

1.    Н.Б. Ильичев. Расчет и проектирование ВЛ, ОРУ и ВОЛС в среде EnergyCS Line/ CADmaster. – 2007 . – №3. – С. 12–16.

2.   Н.Б. Ильичев. Программный комплекс «EnergyCS Line» V 3.5 . Руководство пользователя. – Иваново, 2007. – 79 с.

3.   Delphi 7 на прикладах/ Ю.О. Шпак, Ю.С. Ковтанюк. – К.: Юніор,2003. –384с.

4.   Правила улаштування електроустановок. Глава 2.4, глава 2.5 із зміною №1. – К.: ГРІФРЕ, 2006. – 126с

5.    http://www.csoft.ru - официальный сайт группы компаний CSoft осуществляющих  внедрение комплексных решений в области систем автоматизированного проектирования (САПР) в промышленности, возможно применение в энергетике.

6.    http://www.cadmaster.ru/ - журнал CADmaster издается с февраля 2000 г. и является единственным на сегодня бесплатным изданием для профессионалов в области САПР. Цель данного издания — познакомить вас с современными программными и аппаратными средствами, технологиями и решениями, поделиться секретами внедрения, рассказать об успешном опыте использования технологий.

7.   http://www.sapr.ru – электронный журнал, ориентирован преимущественно на специалистов, использующих в своей повседневной работе различные средства автоматизации инженерной деятельности.

8.   http://www.ohl.elsi.ru/sbornik_trudov/6.pdf -  статья Молчанова О.В., Титенсккого К.С., посвященная САПР ЛЭП – 2008.

9.   www.ohl.elsi.ru/2006 - материалы Второй всероссийской научно- практической конференции 2006г. Хорошая подборка докладов на тему: «ЛЭП - проектирование, строительство, опыт эксплуатации».

10.          http://www.bsapr.ru - «Бюро САПР» - российская компания, работающая на рынке дистрибуции программного обеспечения, системной интеграции в области комплексной автоматизации инженерной деятельности. Здесь  можно получить ценную информацию о выходе нового модуля к программному комплексу ЛЭП 2009 - «Расчет нагрузок на опоры и фундаменты».