УДК 621.311 ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА 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 обо- собленные программы и программы, объединенные в систему автоматизи- рованного 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 энергосис- темы. Проектирование электрических сетей требует совместного решения развития сетей различных назначений и напряжений. На каждом этапе 17 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. 18 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 сле- дующее. 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. 19 1 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 добав- ляемых 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. Рис. 2. Перемещение узла Рис. 3. Создание линии Рис. 1. Отображение конфигурации сети в разработанной программе Рис. 4. Схема структурного алгоритма программы Выход Вход 1. Считывание координат узлов и графа сети 2. Определение длин и параметров линий и узлов 3. Упорядочивание исходной информации 4. Расчет режима сети 5. Преобразование резуль- татов расчета режима к исходному графу сети 6. Вывод режимной информации х = 355 у = 483 2 111,8 111,7 114,2 114,2 114,5 113,2 3 5 115,0 1 4 2 8 6 112,4 7 3 5 114,8 115,0 1 4 2 8 6 7 20 Блок 5 преобразует полученную режимную информацию в соответст- вии 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 рассчиты- ваемая замкнутая сеть преобра- зуется 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 замкнутой сети, фиктивными – узлы, кото- рые образуются при отсоедине- нии линий (номера фиктивных узлов с 9 по 17, рис. 7). Фиктив- ными линиями считаются линии, соединяющие действительные 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]. Рис. 5. Схема замещения участка сети Z12 = R12 + iX12 U1 1 2 S12k = P12k + iQ12k S12n = P12n + iQ12n ΔS12 = ΔP12 + iΔQ12 S2 = P2 + iQ2 S1 = P1 + iQ S 1 Б = PБ + iQБ Y1 Y2 U2 Вход 1. Размыкание сети 2. Расчет режима разомкнутой сети с точностью ε1 3. Точность Нет расчета ε1 достигнута? Да Рис. 6. Схема алгоритма расчета режима Выход 5. Внесение поправки в нагрузку узлов Да Нет 4. Точность расчета ε2 достигнута? 21 Точность расчета ε1 (блок 3) – характеризует точность расчета полу- ченной разомкнутой сети. 6 Точность расчета ε2 (блок 4) характеризует же- лаем исходной замкнутой элек- трической сети. Если по рез ую точность расчета ультатам рас желае- мо ющего фиктивн чета разомкнутой сети напряжения в действи- тельных и фиктивных уз- лах отличаются не более чем на заданную величи- ну, то программа свою ра- боту заканчивает. Для получения й точности расчета ε2 блок 5 вносит поправки в нагрузки действительного узла и соответству ого узла. Поправкой является вычисленная половина уравнительной мощности Sп по контуру, который получается при соединении действительного и соот- ветствующего фиктивного узлов. Формула для расчета поправки (кон- тур К1, рис. 7) выглядит следующим образом: 9 2 п nom 20 01 19 0,5 .U US U Z Z Z        (1) На величину вычисленной мощности Sп увеличивается нагрузка фик- тив сети сводится к р имости выполняет выбор пло щади сечений проводов осуществляется по методу экономи- чес ного 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 азнесению нагрузки между действительными и примыкающими к ним фиктивными узлами так, чтобы при расчете эквивалентной разомкнутой сети напряжения в реальных и примыкающих фиктивных узлах были близ- ки по значению в пределах заданной точности ε2. После расчета режима программа при необход щади поперечного сечения проводов и номинальной мощности транс- форматоров. Выбор пло кой 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 проекти- руемой линии и в соответствии с каталожными данными выбираются и запоминаются погонные параметры провода с ближайшим значением пло- щади поперечного сечения. 1 2 7 4 8 5 3 0 Рис. 7. Преобразование замкнутой сети в разомкнутую 9 1 2 7 4 8 65 0 3 12 16 17 14 13 15 11 10 K1 22 23 щности трансформаторов осуществляется по рас проводов и номинальной мощности тра В Ы В О Д Ы 1. Разработаны основы автоматизированного проектирования электри- чес ьютерная программа для автоматиза- ции емой сетей; минальной мощности трансфор- мат лнять автоматический выбор площади поперечного сечения про- вод чи следующих этапов развития работы: ейса работы пользователя с п а и реализация автоматизированного расчета параметров про ция функции автоматического формирования про Л И Т Е Р А У Р А . С п и с о к САПР [Электронный систем автоматизированного про ц и о н н а я технология. Комплекс стандартов на автоматизированные сис ческих сетей: под ред. Д. Л. Файбисо- вич ие электрической энергии: учеб. редставлена кафедрой Поступила 27.03.2012 Выбор номинальной мо четной мощности в зависимости от величины нагрузки узла [3]. Пара- метры трансформаторов с выбранной номинальной мощностью принима- ются равными параметрам аналогичных трансформаторов, занесенных в каталог. Параметры запоминаются и автоматически учитываются в по- следующих расчетах режимов сети. После выбора площади сечения нсформаторов автоматически происходит перерасчет режима сети. кой сети промышленного района. 2. Разработаны алгоритмы и комп процесса проектирования, позволяющая:  чертить граф существующей и проектиру  осуществлять автоматический расчет режима сети;  формировать файлы параметров и режима сети;  оперативно отображать режим сети;  выполнять автоматический выбор но оров;  выпо ов. Зада  разработка и реализация удобного интерф рограммой;  разработк ектируемой сети с целью формирования ранжированного списка реко- мендуемого оборудования;  разработка и реализа ектной документации. Т 1 ресурс]. – Список ектирования, доступ свободный. – Загл. с экрана. – Яз. рус. Режим доступа: http://ru. wikipedia.org/wiki/ 2. И н ф о р м а темы. Термины и определения: ГОСТ 34.003–90. 3. С п р а в о ч н и к по проектированию электри а. – 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 распределен пособие / А. А. Герасименко, В. Т. Федин. – Р-н-Д.: Феникс, 2008. – 715 с. П электрических систем