Марасіна Олена Олександрівна

Тема випускної роботи:

Дослідження систем автоматизованого проектування високовольтних ліній електропередачі

Науковий керівник: к.т.н., доцент кафедри ЕСіМ Горін Валентин Яковлевич

АВТОРЕФЕРАТ

Система автоматизованого проектування (САПР) - система:
- що призначена для виконання проектних робіт з використанням комп’ютерної техніки;
- що дозволяє створювати конструкторську та технологічну документацію на окремі вироби, будівлі й спорудження.
В якості вхідної інформації САПР використовує технічні знання специалістів, які вводять проектні вимоги, уточнюють результати, перевіряють отриману конструкцію, змінюють її та таке інше.
Система автоматизованого проектування реалізується у вигляді комплексу прикладних програм, що забезпечують проектування,  креслення, тривимірне моделювання конструкцій, пласких або об’ємних  деталей.

Ціль впровадження САПР

Якщо говорити про енергетику, то підприємства, що ведуть розробки без використання  САПР або лише з малим ступенем їх використання, виявляються неконкурентоспроможними як з причини великих матеріальних та часових затрат на проектування, так і з причини невисокої якості проектів. Тому на сьогодні все більше організацій для вирішення  проектних задач намагається використовувати САПР, що зумовлено не тільки прагненням не відставати від технічного прогресу, але й бажанням спростити роботу проектувальника, підвищити  продуктивність та якість виконання проектів. Впровадження САПР у проектних інститутах та організаціях дозволяє пришвидшити процес виконання проектів та суттєво зменшити вплив людського фактора.

Задачі, що вирішуються за допомогою САПР при проектувнні ПЛЕП

Проектування повітряних ліній (ПЛ)  електропередачі – завдання трудомістке, у вирішенні якої, як правило,  використовуються одразу декілька підрозділів проектної організації. 

Дослідницькі роботи та планування траси лінії виконуються у відділі дослідження; розрахунок проводів та тросів, розміщення опор виконують у лінійному відділі; за розрахунок фундаментів та міцність опор відповідають проектувальники – будівники, а проектуванням оптичного кабелю у якості грозозахисного троса, займаються проектувальники – зв’язківці.  Тому автоматизація проектування ПЛ повинна охоплювати всю технологічну лінію.

Проектування механічної частини лінії електропередачі починається з аналізу результатів дослідницьких робіт та створення плану траси лінії електропередач.

Планування трас та обробка результатів досліджень виконуються в одній з геодезичних програм, наприклад GeoniCS. У наслідок такої обробки досліджень традиційно з’являється креслення з описом траси, що містить зображення профілю, опис умов геології та перетинань, інформацію про кути повороту траси і т.і. Ці данні є початковими для розташування опор.

Сучасні програмні комплекси призначені для автоматизації розрахунків, які пов’язані з розміщенням опор на трасі ПЛ, перевіркою габаритних відстаней для прольотів та перетинань, оцінкою відстані до струмоведучих частин та перевіркою на сплітання, розрахунками навантажень, що діють на деталі опор та фундаменти, а також для отримання специфікацій обладнання.

    Наукова новизна проекту

     Спроби студентів кафедри ЕСиС автоматизувати процес проектування високовольтних ліній електропередачі  дали свої результати. Був створений комплекс програм «УЇ САПР-dos»  - учбово-дослідницька система автоматизованого проектування повітряних ліній на базі DOS. Алгоритми програми були розроблені під ПУЕ – 86. З виходом ПУЕ-2006 принципово змінилася методика розрахунку міцності дротів (тросів) і опор. Це пов'язано з включенням в український варіант ПУЕ нових норм районування території України по ожеледі і за вітром (ДБН В.1.2.-2-2006).  Мета даної магістерської роботи – скоректувати ряд проектних процедур з врахуванням вимог сучасних нормативів. 

    Огляд досліджень і розробок по темі

    При обробці матеріалу, накопиченого за час роботи  по темі магістерської, було встановлено, що, на жаль, гідних розробок українського виробництва в даній сфері на сьогодні не існує. Подібні програмні продукти були представлені відразу декількома російськими фірмами.

      Найбільш потужним програмним комплексом на сьогодні є САПР ЛЕП – 2008. Він призначений для автоматизації проектування повітряних ліній електропередач напругою 35 кВ і вище. Ідеологія САПР будувалася виходячи з вимоги простоти і зручності використання для проектувальників лінійних груп. Вся робота з програмами ґрунтується на інтуїтивно зрозумілому інтерфейсі, кожен модуль супроводжується «Керівництвом користувача», майже всі модулі САПРа працюють на базі AUTOCAD, що  є великим плюсом. При розробці даного продукту велика увага приділялася створенню єдиної структури даних. Таким чином, наприклад, дані за кліматичними умовами, введеними в модулі «Систематичний розрахунок проводу» (ріс.1), автоматично стає доступним для інших модулів через систему прив'язки профілю. В процесі прив'язки вся необхідна інформація зберігається в структурі креслення і надалі може зчитуватися іншими модулями.  Кожен профіль може бути розбитий на зони, в кожній з яких описується, який розрахунок дроту діє, яка масова опора, габарит до землі і тому подібне. Надалі, всі модулі «бачать» ці зони і, працюючи усередині  однієї з них, використовують лише параметри відповідні цій зоні. Такий підхід майже повністю виключає необхідність дублювання введення даних, що у свою чергу веде до істотного скорочення часу при проектуванні і зменшення кількості помилок. Крім того, у всіх модулях передбачена система контролю введення даних, яка знижує вірогідність помилки проектувальників.

                  Рисунок 2 – Ввод даних в модулі «Систематичний розрахунок проводу»

        Логіка роботи САПРа  багато в чому відповідає звичній послідовності дій проектувальників. Першими виконуються необхідні розрахунки проводу і тросів. Їх результати є базою і вихідними даними для всіх інших розрахункових модулів. Основна ідея, яка була закладена  при розробці модулів, – це можливість проектувальника у будь-який момент втрутитися в хід роботи програми, направити її в потрібному напрямку.

          Серед  вище перелічених достоїнств безперечним є постійне удосконалення даного САПР у вигляді нових модулів, що з'явилися вже  в 2009 році.

          Ще один програмний комплекс EnergyCS Line призначається для автоматизації розрахунків, пов'язаних з розставлянням опор по трасі ВЛ,  перевірки габаритних відстаней для прольотів і перетинань, оцінки відстаней до струмоведучих частин і перевірки на схльостування, розрахунків навантажень, що діють на деталі опор і фундаменти, а також для отримання специфікацій устаткування. Загальна постановка завдання

        Проектована повітряна лінія може мати складну конфігурацію і складатися з декількох ліній, а ті, у свою чергу – з безлічі анкерних ділянок. Кінцеві точки анкерних ділянок – анкерні опори. Кожній лінії, кожній топологічній ділянці відповідає своя траса. Програмний комплекс EnergyCS Line дозволяє вирішувати наступні завдання проектування ПЛ:   розміщення анкерних опор по трасі ПЛ;  розміщення проміжних опор по анкерних ділянках на основі опису профілю і даних про об'єкти, що перетинаються;  перевірка габаритів перетинів в нормальних і післяаварійних режимах; отримання таблиці монтажних тяжінь і монтажних стріл провисання з врахуванням залишкової деформації для фазних проводів  і грозозахисних тросів; перевірка допустимих відстаней між грозозахисним тросом і верхнім фазним проводом; оцінка стійкості гірлянд ізоляторів і розрахунок баластів; оцінка зближень проводів і допустимих відстаней до токоведущих частин; розрахунок навантажень на опори і формування завдання будівельникам на проектування фундаментів; оцінка необхідності вживання гасителів вібрації і розрахунок відстаней їх кріплення; отримання відомостей устаткування і замовлених специфікацій; розрахунок відведення земель на період будівництва і в постійне використання (у розробці). Таблиця опису траси містить як обов'язкові, так і необов'язкові для заповнення колонки. Так, Дистанція (відстань від початку траси) і Рівень (висота точки виміру) – це обов'язкові параметри. Якщо не вводити позначення пікетів, вони сформуються з дистанції автоматично, проте при збої в їх позначеннях або за наявності рубаних пікетів заповнення колонки Пікет обов'язково. Якщо введені кути напряму траси або задані ознаки установки анкерної опори, то введення опису траси дозволить автоматично ввести перелік анкерних опор і опису анкерних ділянок. Крім того, можуть бути визначені і описи перетинань. Положення анкерних опор задаються їх пікетами. Можна також ввести координати точок їх розміщення на плані. Програма дозволяє на основі профілю траси кожної ділянки виконати розставляння проміжних опор; перевірити габарити на проблемних ділянках ПЛ і габарити перетинань з іншими комунікаціями і дорогами; виконати розрахунок місць установки гасителів вібрації; підготувати цифрову інформацію для побудови підсумкових креслень профілів з розставлянням опор по трасі. EnergyCS Line підтримує текстові формати даних на основі CSV і XML, а також текст із знаками табуляції в якості роздільників. При неможливості використання геодезичнуоїпрограми, що здатна сформувати табличний опис траси, інформацію про профіль можна отримати і безпосередньо з креслення AUTOCAD. Для зчитування кривої опису профілю необхідно, щоб лінія поверхні складалася з відрізків і поліліній і була викреслена в особливому шарі. При введенні опису траси з AUTOCAD EnergyCS Line запитує імена шарів для опису поверхні і перетинань. Інформація про анкерні опори вводиться в таблицю і містить дані про:  тип опори і її висоту (тип опори вибирається з довідкової бази даних); типи ізоляторів;  число ізоляторів.

      Інформація про анкерні ділянки зводиться в таблицю. Ділянки визначаються кінцевими анкерними опорами: одна анкерна опора умовно вважається початком ділянки, а друга – його кінцем. Для кожної ділянки мають бути задані:  довжина (якщо координати анкерних опор задані, то довжина обчислюється автоматично); розрахункова (очікувана) довжина прольоту;  тип проводу (тип проводу вибирається з довідкової бази даних);  число проводів у фазі;  допустиме максимальне тяжіння проводу на ділянці, якщо воно з будь-якої причини повинно бути менше допустимого для проводу;  тип проміжної опори і її висота (тип опори вибирається з довідкової БД);  допустимий габарит для ділянки;  максимально допустима довжина прольоту;  тип ізолятора (вибирається з довідника);  число ізоляторів в гірлянді і число гірлянд на фазу ПЛ. Для лінії вводиться таблиця точок перетинань. Якщо в описі траси колонки з параметрами пересічень заповнені, то рядки таблиці пересічень формуються автоматично, інакше таблиця перетинань вводиться уручну або імпортується із зовнішнього джерела.

      Таким чином, вихідні дані про проектовану ПЛ вводяться в таблиці і виробляється подальший розрахунок.

      Окрім стандартного розрахунку для проводу може бути виконаний розрахунок габаритів при довільно заданих режимах. Для вибраного анкерного прольоту в таблиці можна задавати довільні поєднання вихідних і розрахункових режимів і при цьому отримувати відповідні максимальні стріли провисання. Крім того, існує можливість вказати бажану стрілу провисання і отримати необхідні параметри вихідного режиму.

       Результати

      Одним з важливих принципів розрахункової програми є контролепригодность отриманих результатів. Перевірка достовірності і пошук вірогідних помилок у вихідних даних значно спрощуються, якщо є можливість виведення проміжних результатів. Так, для механічного розрахунку проміжними результатами є питомі і погонні навантаження. У таблиці визначення критичних прольотів і вибору вихідних і розрахункових режимів  не лише наводяться проміжні результати, прийняті для розрахунку габаритів, але і встановлюються стандартні параметри вихідного і розрахункового режимів, що приймаються для розрахунків. Таким чином, відміняється зміна режимів, внесена до таблиці. Програма EnergyCS Line дозволяє отримати таблицю монтажних максимальних стріл провисання;  виконати розрахунок, пов'язаний з визначенням місць установки гасителів вібрації; визначити навантаження від проводу на опори і натягнення грозозахисного троса для забезпечення необхідного захисного кута по всій лінії, а також виконати інші розрахунки. У програмі передбачена можливість нанесення розставлених опор на існуюче креслення опису профілю траси з вказівкою номерів і марок, довжин прольотів, габаритів перетинань.

      Висновок

      В даний час функціонал програми дозволяє значно скоротити трудовитрати на розробку документації по проектуванню ліній електропередач при типовому проектуванні, а в особливих випадках (наприклад, при проектуванні великих переходів) – також і на дослідницькі розрахунки. Вдосконалення програми ведеться в двох напрямах:  розрахунок динамічної дії струмів короткого замикання на провод – розрахунок проводів на сплітання при КЗ (сам розрахунок струмів короткого замикання в проводах і грозозахисних тросах, а також оцінка його термічної дії виконується в програмі EnergyCS TKZ);  розрахунки по відведенню земель і по вирубці просік.

      І ще одна компанія ЗАТ «СіСофт», провідний розробник САПР в Росії, представляє новий програмний комплекс для проектування ЛЕП – Model Studio CS ЛЕП. При створенні  Model Studio CS ЛЕП використовувалися сучасні інтерактивні технології, результати ергономічних досліджень і математичні рішення на основі алгоритмів Н. Б. Ільічева (Івановський енергетичний університет). Програмний комплекс повністю відповідає вимогам ПУЕ. Основна відмітна особливість системи – її інтерактивність: вся робота здійснюється в режимі реального часу. Model Studio CS ЛЕП працює на подовжньому профілі, тим самим дозволяючи об'єднати геологічні дослідження в одній моделі проекту. 

  Рисунок 3 – Приклад розташування опор на подовжньому профілі в програмі Model Studio CS ЛЕП

      Моделювання ЛЕП в програмі Model Studio CS ЛЕП. Система Model Studio CS ЛЕП дозволяє проектувати повітряні лінії електропередач будь-якої напруги на стадії будівництва, реконструкції і ремонту. Програмний комплекс становить собою  додаток, що працює  на платформі AUTOCAD 2006/2007/2008 і вертикальних додатків на цій платформі, що дозволяє використовувати весь функціонал, закладений в AUTOCAD. Система розроблена з врахуванням російських норм і стандартів. Процес проектування в програмному комплексі Model Studio CS ЛЕП можна розбити на наступні основні етапи: введення вихідних даних, розставляння опор на подовжньому профілі, перевірка допустимих габаритів і відстаней, формування проектної документації.

       Вихідні дані

      Основними вихідними даними  для Model Studio CS ЛЕП служать подовжній профіль і дані по кліматичному району. Інформація за подовжнім профілем може бути отримана від суміжних відділів у форматі AUTOCAD або закачана із зовнішньої програми через файл обміну. Останні дані по устаткуванню і опорам, арматурі та інші вибираються проектувальником з бази даних  і в процесі проектування можуть багато разів змінюватися.

       Розміщення профілів на опорі

     Розміщення  опор на подовжньому профілі в заданому масштабі здійснюється  безпомилково і швидко. Всі опори – це інтелектуальні параметричні об'єкти, наділені параметрами і властивостями, необхідними для формування табличних документів і виконання розрахунків. Програма дозволяє виробляти будь-які операції з опорами, пересувати, видаляти, додавати нові, змінювати тип і марку і так далі. Інтелектуальна система оформлення креслення здійснює все необхідне оформлення. В процесі розміщення виконується механічний розрахунок проводів і тросів відповідно до ПУЕ. При цьому враховуються не лише кліматичні навантаження, але і навантаження від арматури кріплення, гірлянд  і іншого устаткування. Крива моделюється рівнянням ланцюгової лінії, що дозволяє підвищити точність результатів розрахунку, наприклад, великих переходів. Підсистема розрахунку працює в режимі реального часу, тобто при отрісовке провода розрахунок виконується автоматично і оновлюються кожного разу, коли змінюються умови – наприклад, при переміщенні або зміні типа і марки опор відбувається миттєвий перерахунок і перестроювання кривих провисання. Параметри проводів і тросів, а також арматура (підвісна, натяжна, гасителі вібрації) і додаткове устаткування можуть бути змінені на будь-якому етапі проектування.

     Перевірка допустимих габаритів, перетинань і зближень

   Програмний комплекс Model Studio CS ЛЕП забезпечений потужним інструментом перевірки допустимих відстаней між об'єктами: опорами і перетинаннями, проводами і перетинаннями, проводами і грозотросом. При перевірці моделі на основі налаштувань, що регламентують відстані, здійснюється аналіз колізій між об'єктами і діагностується факт порушення допустимої відстані. Інформація про виявлені в процесі перевірки колізії відбивається як графічно, так і в табличному вигляді.

     Вихідна документація

    Програмний комплекс Model Studio CS ЛЕП дозволяє формувати і випускати повний комплект проектної документації: креслення, табличні документи у форматах MS Word, MS Excel, AUTOCAD, що адаптовані і адаптуються під стандарт проектної організації з рамками, штампами, емблемами, такими як:  монтажні стріли провисання проводу  і троса, відомість ізолюючих підвісок проводів і тросів, відомість опор і металоконструкцій, відомість переходів, специфікації устаткування, відомість гасителів вібрації.

      Для зручності роботи передбачений віртуальний специфікатор – завжди доступне для перегляду спеціальне діалогове вікно, в якому відображується склад моделі у вигляді таблиці заданої форми. Зміна будь-яких параметрів в специфікаторі приводить до зміни цих параметрів і в моделі проекту і навпаки. Такий взаємозв'язок таблиць і моделі дозволяє безпомилково формувати вихідні документи. Model Studio CS ЛЕП забезпечує автоматичне формування специфікацій, експлікаций та інших табличних документів будь-якої конфігурації, а потужний інструмент експорту даних дозволяє видавати будь-яку інформацію, необхідну для інших САПР, що беруть участь в комплексному проектуванні.

     Перспективи розвитку Model Studio CS ЛЕП

    У планах розробників компанії ЗАТ «СіСофт» - повністю охопити своїм програмним забезпеченням область проектування ЛЕП. На даний момент поставляється Model Studio CS Відкриті розподільні пристрої – тривимірне компонентне рішення для проектування відкритих розподільних пристроїв з системою механічного розрахунку гнучкої ошиновки.

     В найближчому майбутньому в Model Studio CS ЛЕП планується реалізувати: розширення бази даних стандартного устаткування; аварійний режим роботи ЛЕП; розрахунок заземлення опор; відомість вирубки просіки; розрахунок навантажень на опори; розрахунок дротів на схльостування; тривимірне проектування ЛЕП.

      Перелік основних результатів і перспективи розвитку

      Механічний розрахунок – це базовий розрахунок для проектування повітряних ліній. На момент написання автореферату підготовлена програма даного розрахунку з використанням мови програмування Delphi. На сьогодні істотним недоліком є  DOS – інтерфейс розробки, тому одним з проектних завдань є створення Windows – інтерфейсу, а також візуалізація роботи програми і модернізація баз даних.

Список літератури

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 – офіційний сайт групи компаній CSoft, що здійснює  внедрение комплексних рішень у галузі систем автоматизованого проектування (САПР) в промисловості.

6.    http://www.cadmaster.ru/ - журнал CADmaster  - видання для професіоналів у галузі САПР.

7.   http://www.sapr.ru – електроний журнал, орієнтований переважно  на специалістів, які щоденно використовують різноманітні засоби автоматизації інженерної діяльності.

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

9.   www.ohl.elsi.ru/2006 - матеріали Другої всеросійської науково- практичної конференції 2006г.

10.          http://www.bsapr.ru – інформація щодо появи нового модуля до програмного комплексу ЛЭП 2009 - «Розрахунок навантажень на опори та фундаментів».