Докт. техн. наук, проф. ФУРСАНОВ М. И., инж. ДУЛЬ И. И.
Белорусский национальный технический университет
Понятие «автоматизированное проектирование» означает процесс про- ектирования, при котором часть операций выполняется автоматически, без участия человека, часть – автоматизировано, с малой долей участия чело- века, а оставшиеся операции выполняются только человеком. Автоматизи- рованное проектирование предназначено для избавления человека от ру- тинной работы со справочниками и упрощения большинства инженерных расчетов, предоставив проектировщику лишь ввод минимума информации и выбор основных технических решений. При этом пользователь должен иметь возможность вмешиваться в автоматический процесс расчетов, так как могут возникнуть ситуации, которые невозможно предусмотреть зара- нее. Помимо удобств пользователя важно, чтобы процесс улучшал эффек- тивность работы проектировщика. С одной стороны, процесс проектиро- вания следует ускорить для сокращения времени выполнения проектов, с другой – выполняемые проекты должны быть качественными. Таким об- разом, основной целью применения технологии автоматизированного про- ектирования электрической сети является сокращение сроков выполнения проекта и, как следствие, создание условий более детального и качествен- ного поиска инженерных решений.
В настоящее время имеется ряд компьютерных программ, созданных для автоматизации процесса проектирования [1]. Среди них и программы, предназначенные для работы в сфере электроэнергетики. Существуют обособленные программы и программы, объединенные в систему автома- тизированного проектирования (САПР).
САПР – это автоматизированная система, реализующая информацион- ную технологию выполнения функций проектирования. Представляет со- бой организационно-техническую систему, предназначенную для автома- тизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятель- ности [2].
Проектирование электрических систем и сетей начинается с разработки обосновывающих материалов для определения экономической эффектив- ности и целесообразности проектирования, строительства или реконструк- ции и расширения электросетевых объектов. Данный комплекс работ включает схемы развития электрических систем и сетей, энергетические и электросетевые разделы в составе проектов электростанций, а также схемы внешнего электроснабжения крупных промышленных предприятий [3].
Проект развития электрической сети может выполняться в качестве са- мостоятельной работы или как составная часть схемы развития энергоси- стемы. Проектирование электрических сетей требует совместного решения развития сетей различных назначений и напряжений. На каждом этапе
проектирования электрических сетей решаются разные по составу и объе- му задачи, которые имеют следующее примерное содержание [3]: •
-анализ существующей сети энергосистемы (района, города, объекта), включающий рассмотрение сети с точки зрения загрузки, условий регули- рования напряжения, выявления «узких мест» в работе и т. д.; •
-расчет электрических нагрузок потребителей и составление балансов активной мощности по отдельным подстанциям и энергоузлам, обоснова- ние сооружения новых понижающих подстанций; •
-выбор расчетных режимов работы электростанций (при их наличии) и определение загрузки проектируемой сети; •
-электрические расчеты различных режимов работы сети и обоснова- ние схемы построения сети на рассматриваемые расчетные уровни; •
-проверочные расчеты статической и динамической устойчивости, вы- явление основных требований к системе противоаварийной автоматики; •
-составление баланса реактивной мощности и выявление условий ре- гулирования напряжения в сети, обоснование пунктов размещения ком- пенсирующих устройств, их типа и мощности; •
-расчеты токов КЗ проектируемой сети и установление требований к отключающей способности коммутационной аппаратуры, разработка пред- ложений по ограничению мощности КЗ; •
-выбор и обоснование количества, мощности и мест установки дугога- сящих реакторов для компенсации емкостных токов (сети 35 кВ и ниже); •
-сводные данные по намеченному объему развития электрической се- ти, натуральные и денежные показатели, очередность развития.
Анализ содержания проектов развития электрических сетей показывает, что в них входит очень широкий круг вопросов, которые в совокупности решаются на основе системного подхода. Такая задача чрезмерно громозд- ка, практически ее можно решать только по частям. При проектировании одной из частей остальные представляются приближенно, в них учиты- ваются лишь влияющие на проектируемую часть элементы, для кото- рых первоначально предполагаются типовые решения. В дальнейшем по- лученные при проектировании очередного элемента решения согласуются и уточняются, что превращает процесс проектирования в итерационную задачу.
Исследования в области автоматизированного проектирования элек- трических сетей, выполненные на кафедре «Электрические системы» БНТУ, показали, что непосредственное плодотворное время участия про- ектировщика в проекте составляет лишь 15 % от общего времени проекти- рования. Наибольшую долю времени занимают операции по подготовке чертежей и проектной документации. Подобного рода операции можно значительно сократить посредством компьютерных программ для автома- тизации процесса проектирования.
Авторами разработаны базовые алгоритмы и программа для автомати- зированного проектирования электрических сетей. Для эффективной рабо- ты проектировщика с компьютерной программой необходимо, прежде все- го, рационально распределить операции между программой и пользовате- лем. В процессе предлагается следующее распределение операций между пользователем и компьютерной программой.
Пользователь:
-указывает географическое положение существующих электростанций и подстанций и электрические нагрузки;
-вводит и редактирует существующую сеть, намечает основную кон- фигурацию проектируемой сети;
-добавляет проектируемые электростанции и подстанции;
-имеет возможность вмешиваться в любое из решений программы. Компьютерная программа:
-выполняет необходимые расчеты режимов сети;
-рассчитывает оптимальную площадь поперечного сечения проводни- ков и выбирает марки проводов;
-рассчитывает требуемую номинальную мощность трансформаторов и выбирает тип трансформатора для каждого проектируемого узла;
-рассчитывает и выбирает коммутационные аппараты;
-определяет надежность электроснабжения потребителей;
-следит за допустимыми значениями параметров сети и дает рекомен- дацию по нормализации значений;
-определяет состояние развития сети, корректирует действия по опти- мальному развитию сети проектируемого района;
-формирует отчет, где представлены расчеты и инженерные решения как пользователя, так и программы.
В разработанной программе реализован графический интерфейс как наиболее приспособленный для определения конфигурации сети, а также позволяющий более наглядно организовать представление режимной ин- формации. Программа позволяет выполнять графическое построение раз- личных вариантов схем сети, расчеты и анализ режимов проектируемой сети, выбор площади поперечного сечения проводников и номинальной мощности трансформаторов. Данная программа является концептуальным вариантом программного обеспечения для автоматизированного проектирования электрической се- ти. Одна из возможных конфигураций сети, построенной с помощью про- граммы, показана на рис. 1. Станции и подстанции условно обозначены прямоугольниками – узлами сети. Линии электропередачи отображаются отрезками, соединяющими прямоугольники. Для построения произвольной конфигурации сети выполняется следу- ющее. После запуска программы отображается окно, внутри которого находится рабочее пространство. В перспективе на рабочем пространстве предполагается отображать карту местности района проектирования. Построение конфигурации сети осуществляется с помощью компью- терной мыши. Например, для отображения узла достаточно нажать клави- шу Shift и в произвольном месте рабочего пространства правой кнопкой мыши указать положение узла. В программе реализована возможность пе- ремещения узла с помощью клавиши Shift и левой кнопки мыши, при этом рядом с перемещаемым узлом отображаются координаты текущего поло- жения узла (х = 355, у = 483, рис. 2). Для создания линии достаточно выде- лить узел и соединить его со следующим узлом, указав на последний пра- вой кнопкой мыши (линия 1–2, рис. 3). Выделенным автоматически стано- вится последний узел, с которым было выполнено какое-либо действие. Выделить узел можно также левой кнопкой мыши.
Программа автоматически рассчитывает параметры линий в соответствии с их сечени- ем и длиной. Длина каждой линии вычисляет- ся пропорционально расстоянию между узла- ми. Для созданных линий по умолчанию при- нимаются средние погонные параметры для данного класса напряжения. По мере создания графа сети программа автоматически выпол- няет расчет установившегося режима (рис. 1). Принцип работы программы можно пока- зать на ряде структурных блоков линейного алгоритма. Схема структурного алгоритма программы показана на рис. 4.
При каждом изменении в схеме сети блок 1 считывает и запоминает координаты добавля- емых или перемещаемых узлов, линий. После этого блок 2 определяет длины ли- ний, рассчитывает параметры ветвей, считыва- ет нагрузки узлов (из файла). После подготовки необходимой для расче- та информации производится ее упорядочива- ние (блок 3). Данный блок выполняет приве- дение параметров графа к виду, удобному для расчета режима. Расчет режима сети выполняет блок 4.
Блок 5 преобразует полученную режимную информацию в соответ- ствии с исходным неупорядоченным графом сети.
Вывод режимной информации выполняет блок 6. Предусмотрен вывод режимной информации на экран и в специальный файл. В программе реализован авторский алгоритм расчета установившегося режима замкнутой электрической сети. В процессе расчета режима каждая ветвь графа сети замещается общепринятой математической моделью [4]. Схема замещения ветви показана на рис. 5.
Основные положения разра- ботанного алгоритма следующие (рис. 6). Перед расчетом режима блок 1 производит размыкание сети. Этот блок выполняет поиск линий, при отсоединении кото- рых от узлов схемы рассчитыва- емая замкнутая сеть преобразу- ется в разомкнутую, все узлы которой будут иметь связь с опорным узлом. Результат рабо- ты блока 1 показан на рис. 7 (узел 1 принят за опорный). Введены некоторые опреде- ления. Действительными назы- ваются узлы исходной замкну- той сети, фиктивными – узлы, которые образуются при отсо- единении линий (номера фик- тивных узлов с 9 по 17, рис. 7). Фиктивными линиями считаются линии, соединяющие действи- тельные и фиктивные узлы. Расчет полученной разомк- нутой сети (блок 2) представляет собой классическое решение за- дачи расчета разомкнутой сети с заданными нагрузками узлов и напряжением опорного узла [4].
Точность расчета ε1 (блок 3) – характеризует
точность расчета полученной разомкнутой сети.Точность расчета ε2 (блок 4) характеризует желаемую точность расчета исходной замкнутой электрической сети.
Если по результатам
расчета разомкнутой сети напряжения в действительных и фиктивных узлах отличаются не более чем на заданную величину, то программа свою работу заканчивает.Для получения желаемой точности расчета ε2 блок 5 вносит поправки в нагрузки действительного узла и соответствующего фиктивного узла.
Поправкой является вычисленная половина уравнительной мощности Sп по контуру, который получается при соединении действительного и соответствующего фиктивного узлов. Формула для расчета поправки (контур К1, рис. 7) выглядит следующим образом:
На величину вычисленной мощности Sп увеличивается нагрузка фиктивного узла (например, узла 9) и уменьшается нагрузка действительного узла (например, узла 2). Поправка вносится с целью уменьшения потоков мощности по фиктивным линиям (например, по линии 2–9).
В результате расчет режима замкнутой электрической сети сводится к разнесению нагрузки между действительными и примыкающими к ним фиктивными узлами так, чтобы при расчете эквивалентной разомкнутой сети напряжения в реальных и примыкающих фиктивных узлах были близки по значению в пределах заданной точности ε2. После расчета режима программа при необходимости выполняет выбор площади поперечного сечения проводов и номинальной мощности трансформаторов.
Выбор площади сечений проводов осуществляется по методу экономической плотности тока [3]. Перед выбором площади сечений производится предварительный расчет режима сети с усредненными для данного класса напряжения погонными параметрами проектируемых линий. После расчета режима вычисляется площадь поперечного сечения для каждой проектируемой линии и в соответствии с каталожными данными выбираются и запоминаются погонные параметры провода с ближайшим значением площади поперечного сечения.
Выбор номинальной мощности трансформаторов осуществляется по расчетной мощности в зависимости от величины нагрузки узла [3]. Параметры трансформаторов с выбранной номинальной мощностью принимаются равными параметрам аналогичных трансформаторов, занесенных в каталог. Параметры запоминаются и автоматически учитываются в последующих расчетах режимов сети. После выбора площади сечения проводов и номинальной мощности трансформаторов автоматически происходит перерасчет режима сети.
В Ы В О Д Ы
1. Разработаны основы автоматизированного проектирования электрической сети промышленного района.
2. Разработаны алгоритмы и компьютерная программа для автоматизации процесса проектирования, позволяющая:
чертить граф существующей и проектируемой сетей;
осуществлять автоматический расчет режима сети;
формировать файлы параметров и режима сети;
оперативно отображать режим сети;
выполнять автоматический выбор номинальной мощности трансформаторов;
выполнять автоматический выбор площади поперечного сечения проводов.
Задачи следующих этапов развития работы:
разработка и реализация удобного интерфейса работы пользователя с программой;
разработка и реализация автоматизированного расчета параметров
проектируемой сети с целью формирования ранжированного списка рекомендуемого оборудования;
разработка и реализация функции автоматического формирования
проектной документации.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. С п и с о к САПР [Электронный ресурс]. – Список систем автоматизированного проектирования, доступ свободный. – Загл. с экрана. – Яз. рус. Режим доступа: http://ru. wikipedia.org/wiki/
2. И н ф о р м а ц и о н н а я технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Термины и определения: ГОСТ 34.003–90.
3. С п р а в о ч н и к по проектированию электрических сетей: под ред. Д. Л. Файбисовича. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ЭНАС, 2009. – 392 с.
4. Г е р а с и м е н к о, А. А. Передача и распределение электрическо