CC BY
9УДК 004.94
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОДСТАНЦИИ 110 кВ
Влацкая Людмила Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электро- и теплоэнергетики, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: l_sem@mail.ru
Горшкова Александра Игоревна, магистрант, направление подготовки 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: aleksandra_1996@mail.ru
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-систе-ма, имеющая модульную структуру. Первый модуль - расчетно-информационный выполнен в табличном процессоре MS Excel, второй - модуль трехмерного проектирования реализован посредством интеграции MS Excel и системы KOMUAC-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.
Для цитирования: Влацкая Л. А., Горшкова А. И. Разработка автоматизированной системы проектирования и моделирования подстанции 110 кВ // Шаг в науку. - 2021. - № 1. - С. 61-67.
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 e-mail: l_sem@mail.ru
Gorshkova Alexandra Igorevna, student, training program 13.04.02 Electric power and electrical engineering, Orenburg State University, Orenburg e-mail: aleksandra_1996@mail.ru
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 three-dimensional 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-сис-темы, состоящей из двух модулей: расчетно-инфор-мационного 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.
Расчёт трансформаторов
Номинальная мощность [МВА] 10
Коэффициент 2arpv3Hi
Число трансформаторов [пгт ] 2
Мощность трансформаторов расчётная [МВА1 7,692308
Расчет ОПН
Коэффициент 1,05
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение [кВ] 110
Наибольшее рабочее напряжение [кВ]
Рисунок 1. Фрагмент расчетного блока с цветовым разграничением
Источник: разработано авторами на основе ПУЭ1
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 под-станционное оборудование.
Реализация простых раскрывающихся списков осуществлена с использованием фильтра оборудования ПС. Наличие фильтра позволяет сформиро-
вать такой перечень, в котором пользователю будет предложено только то оборудование, номинальные параметры которого удовлетворяют расчетным.
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
Правила устройства электроустановок. - М. : КРОНУС, 2009. - 488 с.
(раскрывающихся) списков с установкой фильтра по Работа выпадающего (раскрывающегося) и за-параметрам предлагаемого оборудования. висимого списков отражена на рисунке 2.
Выбор оборудования
Тип Марка Рмыеру
Трансфокатор ТРДН-320СКШ0 7400x6400x3900
Июля тор ЛК120V110-BIV 115x1054
Выключатель Вакуумный - ВК-! 10-20'1000 4250x4720
Р37ЬСДНН1ГГСЛЬ эдзиш-по/юо 308x400x140
Трансформатор тока I ьтнаэовыИ ЭГФ-!10 1030x2380
Тип Марка Размеры
Трансформатор ТРДН-32000/L10 7400x6400хЗЭОО
Изолятор raci20/uo-Biv 115x1054
Выключатель Вакуумный ВВК-110-20/1000 i250x4720
Раи.едшштеш, ffi'i-tlB-Jl.S/lOOO >3x400x140
Трансформатор тока )30х2380
Рисунок 2. Простой выпадающий (а) и зависимый (б) списки
Источник: разработано авторами на основе Технической документации по электротехническому оборудованию2
2. Модуль трехмерного проектирования реализован посредством интеграции двух программных комплексов: MS Excel и KOMnAC-3D. 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-
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 КОМПАС-3D средства параметризации [5].
Прототип созданной гибкой параметризирован-ной модели высоковольтного выключателя представлен на рисунке 3.
I и 13 - основные параметры (переменные); 12, 14, п1, п2, г - 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
2 Электротехнический интернет-портал. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.elec.ru/library/manuals/ (дата
обращения 05.03.2020)..
Значения параметров (переменные), которые Результаты перестроения «гибкой модели» могут быть записаны численно, в форме уравнений при изменении некоторых параметров представили неравенств, вводятся и редактируются в специ- лены на рисунке 5 на примере высоковольтного альном диалоговом окне (рисунок 4). выключателя.
Имя Выражение Значение Параметр
Ко
мментзрин
* fltri/it dtn-1}
i 84 34 iuiiCTi нижнего илолятора
■ 1 ill V3 23 количество ре6#р
■ 1 12 1 84 высоте верхнего изоляторе
I * л. 28 количество ребер
13 380 зао стальная рам*
* 1 14 13-130 ¿50 расстоянис осями
* 1 г (B-90V2 145
Рисунок 4. Таблица переменных
Источник: разработано авторами на основе Технической документации по электротехническому оборудованию
Рисунок 5. Высоковольтный выключатель
Источник: разработано авторами на основе Технической документации по электротехническому оборудованию
Блок визуализации разработан на основе интерактивного взаимодействия с пользователем, реализован посредством интеграции MS Excel и КОМ-nAC-3D. Данный блок позволяет: выбрать одну из типовых схем соединения подстанции 110 кВ: 4Н, 5Н или 5АН3 и визуализировать 3D модель ПС в соответствии со схемой и выбранным в первом модуле оборудованием; выполнить проверку расстояний между оборудованием ПС по требованиям ПУЭ.
Для визуализации различных схем соединений подстанций в системе KOMnAC-3D 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 со-
3 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.
держит 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 КОМПAС-ЗD, в частности - габа-
ритных 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-ПAС-ЗD 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 вызыва-
ет 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 подстан-ционного 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 САБ/САМ/САЕ-систем для моделирования и проектирования энергомашиностроительного оборудования [Электронный ресурс]. - Режим досту-
па: // https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-cad-cam-cae-sistem-dlya-modelirovaniya-i-proektirovaniya-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. В. Трехмерное параметрическое моделирование гидроэнергетических природно-технических комплексов // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2011. - № 3. - С. 27-32.
Статья поступила в редакцию: 31.05.2020; принята в печать: 19.01.2021.
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
