Разработка автоматизированной системы проектирования и моделирования подстанции 110 кВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка автоматизированной системы проектирования и моделирования подстанции 110 кВ

Влацкая Людмила Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электро- и теплоэнергетики, Оренбургский государственный университет, Оренбург

Горшкова Александра Игоревна, магистрант, направление подготовки 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника, Оренбургский государственный университет, Оренбург

Аннотация

Разработка гибридных систем автоматизированного проектирования и моделирования энергообъектов, в том числе и подстанций, на основе интеграции CAD- (объемное конструирование) и CAE- (инженерный расчет и анализ) систем является актуальной задачей. В связи с этим для автоматизированного процесса проектирования подстанций напряжением 110 кВ разработана CAD/CAE-система, имеющая модульную структуру. Первый модуль - расчетно-информационный выполнен в табличном процессоре MS Excel, второй - модуль трехмерного проектирования реализован посредством интеграции MS Excel и системы KOMnAC-3D. Представлена реализация каждого модуля. Разработанная система позволяет: выполнить расчет и выбор основного оборудования подстанции; создать трехмерную модель как отдельного оборудования, так и всей схемы соединения подстанции в целом; выполнить проверку требований ПУЭ по размещению подстанционного оборудования.

Ключевые слова: проектирование подстанции, гибкая библиотека моделей, параметризация, КОМ- nAC-3D, переменные.

DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED DESIGN AND SIMULATION SYSTEM FOR A 110 KV SUBSTATION

Vlatskaya Lyudmila Anatolyevna, PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Electrical and Heat Power Engineering, Orenburg State University, Orenburg

Gorshkova Alexandra Igorevna, student, training program 13.04.02 Electric power and electrical engineering, Orenburg State University, Orenburg

Abstract. The development of hybrid systems for computer-aided design and modeling ofpower facilities, including substations, based on the integration of CAD- (volumetric design) and CAE- (engineering calculation and analysis) systems is an urgent task. In this regard, a CAD / CAE-system with a modular structure has been developedfor the automated design process of 110 kV substations. The first module is computational and informational, made in a spreadsheet processor MS Excel, the second is a three-dimensional design module, implemented through the integration of MS Excel and the KOMPAS-3D system. The implementation of each module is presented. The developed system allows: to perform calculation and selection of the substation main equipment; create a threedimensional model of both individual equipment and the entire connection diagram of the substation as a whole; check the requirements of the PUE for the placement of substation equipment.

Key words: substation design, flexible model library, parameterization, KOMPAS-3D, variables.

Cite as: Vlatskaya, L. A., Gorshkova, A. I. (2021) [Development of an automated design and simulation system for a 110 kV substation]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 1, рр. 61-67.

Применение многофункциональных систем автоматизированного проектирования в электроэнергетике, в том числе при проектировании подстанций (ПС), способствует повышению качества выполнения проектов и их экономической эффективности, сокращению сроков проектирования. Перспективным является использование гибридных CAD/ CAE-систем, выполняющих решение инженерных задач, связанных : с расчетом основных параметров исследуемого объекта и анализом протекающих в них процессов (CAE-системы); с возможностью дальнейшего использования полученных данных в трехмерном моделировании; с формированием проектно-конструкторских и технологических документов (CAD-системы) [1, 4, 6].

Для автоматизации и оптимизации проектирования энергетических объектов, в частности, подстанций с напряжением 110 кВ, авторами была предложена в работе [3] разработка гибридной CAD/CAE-системы, состоящей из двух модулей: расчетно-информационного и модуля трехмерного проектирования. Кратко рассмотрим реализацию каждого модуля.

1. Расчетно-информационный модуль выполнен в прикладной программе Microsoft Excel. Используя разработанный модуль, пользователь (проектировщик) может реализовать следующие операции: расчет основных параметров оборудования подстанции на основе проектных данных; выбор необходимого оборудования из списка, сформированного автоматически по ранее рассчитанным параметрам; получение паспортных данных и заводских характеристик выбранного оборудования, начиная от номинального напряжения и заканчивая габаритными размерами, которые необходимы для дальнейшего использования во втором модуле при разработке трехмерной «гибкой» модели.

Расчетно-информационный модуль состоит из трех блоков [3]: расчетного; информационного; блока выбора оборудования.

Расчетный блок служит для определения основных параметров подстанционного оборудования на основе исходных данных проектирования. Блок позволяет осуществить: выбор числа и мощности трансформаторов по расчетной нагрузке; проверку изоляторов по номинальному напряжению; проверку ограничителей перенапряжений (ОПН) для сетей с глухозаземленной и эффективно-заземленной нейтралями; выбор разъединителей и выключателей по номинальным напряжению и длительному току.

Фрагмент расчетного блока представлен на рисунке 1. Для удобства пользователя сделано цветовое выделение ячеек. В ячейки светло-серого цвета пользователем вносятся исходные данные для расчета, а в ячейках темно-серого цвета автоматически выводятся полученные расчетные данные оборудования.

Рисунок 1. Фрагмент расчетного блока с цветовым разграничением

Источник: разработано авторами на основе ПУЭ1

Правила устройства электроустановок. - М. : КРОНУС, 2009. - 488 с.

Информационный блок представляет собой базу данных со справочной информацией о типовом оборудовании, используемом на подстанциях. В виду постоянной модернизации и совершенствования подстанционного оборудования информационный блок выполнен с открытой архитектурой [2], которая позволяет пополнять и изменять базу данных оборудования.

Блок выбора оборудования реализован в форме списков: простого выпадающего (раскрывающегося) и зависимого выпадающего, посредством которых пользователь может выбрать необходимое подстанционное оборудование.

Реализация простых раскрывающихся списков осуществлена с использованием фильтра оборудования ПС. Наличие фильтра позволяет сформировать такой перечень, в котором пользователю будет предложено только то оборудование, номинальные параметры которого удовлетворяют расчетным. проектирование подстанции автоматизированный гибридный

Зависимые списки включают в себя набор простых выпадающих списков, в которых содержимое последующих напрямую зависит от выбора пользователя в предыдущих. Такая структура последовательного выбора предусмотрена авторами при выборе трансформаторов, изоляторов, высоковольтных выключателей, где сначала определяется тип, а затем марка оборудования. Например, для высоковольтных выключателей в первом списке необходимо выбрать тип выключателей, а во втором - непосредственно сам выключатель с указанием его марки и технических характеристик. Работа зависимых списков реализована аналогично работе простых выпадающих (раскрывающихся) списков с установкой фильтра по параметрам предлагаемого оборудования.

Работа выпадающего (раскрывающегося) и зависимого списков отражена на рисунке 2.

Рисунок 2. Простой выпадающий (а) и зависимый (б) списки

Источник: разработано авторами на основе Технической документации по электротехническому оборудованию Электротехнический интернет-портал. [Электронный ресурс].

обращения 05.03.2020)..

2. Модуль трехмерного проектирования реализован посредством интеграции двух программных комплексов: MS Excel и КОМПАС-ЗD. Модуль включает в себя: библиотеку «гибких моделей» оборудования подстанции; блок визуализации трехмерной модели подстанции.

Разработанная авторами библиотека «гибких моделей» оборудования подстанции содержит «прототипы» моделей применяемого на ПС оборудования.

В контексте данной работы «гибкая модель» - это параметрическая модель подстанционного оборудования, построенная с использованием взаимосвязей и ограничений, накладываемых на составля-l и l3 - основные параметры (переменные); l2, l4, n1, n2, r - параметры, зависимые от основных; (*) - параметры, формируемые в результате ранее заданных связей ющие ее элементы. При работе с «гибкой моделью» проектировщику необходимо внести изменения лишь в некоторые параметры (размеры) прототипа, а не переделывать трехмерную модель полностью [7]. Преимущество «гибкой модели» заключается в ее неоднократном использовании, что позволит сократить время на построение новых трехмерных моделей оборудования ПС. При разработке библиотеки «гибких моделей» оборудования подстанции авторами использованы имеющиеся в системе KOMnAC-3D средства параметризации [5].

Прототип созданной гибкой параметризирован- ной модели высоковольтного выключателя представлен на рисунке 3.

и l3 - основные параметры (переменные); l2, l4, n1, n2, r - параметры, зависимые от основных; (*) - параметры, формируемые в результате ранее заданных связей

Рисунок 3. Прототип высоковольтного выключателя

Источник: разработано авторами на основе Технической документации по электротехническому оборудованию

Значения параметров (переменные), которые могут быть записаны численно, в форме уравнений или неравенств, вводятся и редактируются в специальном диалоговом окне (рисунок 4).

Рисунок 4. Таблица переменных

Источник: разработано авторами на основе Технической документации по электротехническому оборудованию

Результаты перестроения «гибкой модели» при изменении некоторых параметров представлены на рисунке 5 на примере высоковольтного выключателя.

Блок визуализации разработан на основе интерактивного взаимодействия с пользователем, реализован посредством интеграции MS Excel и КОМ- ПАС-ЗD. Данный блок позволяет: выбрать одну из типовых схем соединения подстанции 110 кВ: 4Н, 5Н или 5АН СТО 56947007-29.240.30.010-2008 «Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций

35-750 кВ. Типовые решения». - М. : ОАО «ФСК ЕЭС», 2007. - 132 с. и визуализировать 3D модель ПС в соответствии со схемой и выбранным в первом модуле оборудованием; выполнить проверку расстояний между оборудованием ПС по требованиям ПУЭ.

Рисунок 5. Высоковольтный выключатель

Источник: разработано авторами на основе Технической документации по электротехническому оборудованию

Для визуализации различных схем соединений подстанций в системе КОМПАС-ЗD созданы 3D платформы-заготовки с привязкой координат установки каждого подстанционного оборудования в зависимости от схемы.

На рисунке 6 представлено одно из разработанных в MS Excel диалоговых окон, которое вызывается пользователем посредством выбора схемы соединения подстанции. Открывшееся окно содержит изображение выбранной схемы электрических соединений с активными ячейками для внесения марок выбранного ранее оборудования. Заполнение ячеек в MS Excel производится после внесения необходимой информации о выбранном оборудовании ПС в библиотеку «гибких моделей» оборудования KOMnAC-3D, в частности - габаритных размеров, полученных в первом модуле.

Созданная в MS Excel управляющая кнопка «Разместить» (рисунок 6) обеспечивает позиционирование (установку) введенного в ячейку формы оборудования на 3D платформу-заготовку в КОМ- nAC-3D по своим координатам.

Рисунок 6. Диалоговое окно «Схема 4Н»

Источник: разработано авторами на основе СТО 56947007-29.240.30.010-2008

Построенную трехмерную модель ПС (рисунок 7) можно рассматривать на экране со всех сторон, манипулируя ею как реальным объектом.

Рисунок 7. Трехмерная модель подстанции по схеме 110-4Н

Источник: разработано авторами на основе СТО 56947007-29.240.30.010-2008

Согласно ПУЭ размещение оборудования разрешается при выполнении следующих требований: компоновка и конструктивное выполнение подстанции должны предусматривать возможность применения механизмов, в том числе специальных, для производства монтажных и ремонтных работ; должен быть предусмотрен проезд на огражденной территории подстанции передвижных монтажно-ремонтных механизмов, а также передвижных лабораторий.

Для проверки выполнения вышеуказанных требований была создана управляющая кнопка «Проверка расстояний» (рисунок 6). Она вызывает диалоговое окно с планом-разрезом подстанции и вычисленными по сформированной 3D-модели типовой схемы ПС расстояниями между оборудованием. Расчетными точками служат крайние точки установленного оборудования. В том случае, если вычисленное значение окажется меньше регламентируемого в ПУЭ, ячейка будет выделена цветом (рисунок 8). Для изменения расстояния необходимо ввести требуемое значение в соответствующую ячейку и нажать кнопку «Изменить расстояния в 3D» (рисунок 8). Трехмерная модель подстанции перестроится автоматически, не отнимая у пользователя время на перестроение вручную.

Рисунок 8. Форма проверки расстояний

Источник: разработано авторами на основе ПУЭ

Таким образом, разработанная система автоматизированного проектирования и моделирования ПС 110 кВ позволяет:

1) выполнить расчет и выбор основного оборудования, а также его визуализацию в виде трехмерной модели;

2) сократить время на разработку и редактирование 3D моделей подстанционного оборудования, за счет изменения отдельных параметров его прототипа в библиотеке «гибких моделей»;

3) уменьшить объем памяти, необходимой для хранения многочисленных 3D моделей подстанционного оборудования, отличающегося только габаритами, за счет возможности многократного использования прототипов из библиотеки «гибких моделей»;

4) визуализировать трехмерную модель ПС в соответствии с выбранной схемой соединения;

5) выполнить проверку требований ПУЭ по размещению оборудования подстанции и в случае необходимости осуществить перестроение трехмерной модели.

Дальнейшие исследования планируется направить на расширение контента библиотеки «гибких моделей», с целью автоматизированного проектирования и моделирования подстанций различного класса напряжений.

Литература

1. Беднажевский В. С., Добротина Г. Б. Обзор CAD/CAM/CAE-систем для моделирования и проектирования энергомашиностроительного оборудования [Электронный ресурс]. - Режим досту-

па://https://cyberlemnka.m/artide/n/obzor-cad-cam-cae-sistem-dlya-modeliravamya-i-praektirovamya-

energomashinostroitelnogo-oborudovaniya (дата обращения 05.03.2020).

2. Варганова А. В., Панова Е. А., Хатюшина Т В., Кононенко В. С. [и др.] Разработка базы данных электрооборудования 35-220 кВ для САПР «ОРУ CAD» // Электротехнические системы и комплексы. - 2018. - № 2 (39). - С. 28-33.

3. Влацкая Л. А., Горшкова А. И. Разработка расчетно-информационного модуля для автоматизации проектирования и моделирования подстанции // Энергетика: состояние, проблемы перспективы: труды X Всерос. науч.-техн. конф. (Оренбург, 29-31 окт. 2019 г.). - Оренбург: ОГУ, 2019. - С. 445-449.

4. Влацкая Л. А., Горшкова А. И. Сравнительный анализ систем автоматизированного проектирования // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры : материалы Всерос. науч.-метод. конф. (Оренбург, 23-25 янв. 2019 г.). - Оренбург: ОГУ, 2019. - С. 3385-3388.

5. Голованов H. H. Геометрическое моделирование. / Н. Н. Голованов. - М.: Энергоатомиздат, 2002. - 472 с.

6. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). / К. Ли; [Пер. с анг.: А. Вахитов, Д. Солнышков]. - Спб.: Питер, 2004. - 560 с.

7. Светозарская C. B. Трехмерное параметрическое моделирование гидроэнергетических природнотехнических комплексов // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2011. - № 3. - С. 27-32.

Размещено на Allbest.ru