Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов получения проектных решений в трансформаторостроешш 10
1.1. Особенности конструкции и условия работы силовых масляных трансформаторов класса напряжения 10 -ПО KB 10
1.2. Обзор традиционных методов проектирования 14
1.3. Оценка методов оптимизационного проектирования силовых трансформаторов и электрических машин с помощью ЭВМ 24
1.4. Первые САПР электротехнических объектов31
1.5. Постановка задачи работы и определение направлений ее реализации. 37
Глава 2. Математическое модежрование многообмоточных силовых трансформаторов -: 41
2.1. Формализация задачи оптимального проектирования трансформатора 42
2.2. Особенности математического описания многообмоточного трансформатора как объекта, оптимизации в САПР 55
2.3. Исследование возможности создания универсальной математической модели класса трансформаторов72
2.4. Разработка комплекса алгоритмов на основе универсальной математической модели- 87
Глава 3. САПР - инструментальная основа новой технологии проектирования 104
3.1. Направления совершенствования технологии проектных работ в условиях САПР... 104
3.2. Структура и программно-информационное обеспечение САПР трансформаторов 10-110 кВ... 107
3.3. Исследование и развитие алгоритмов параметрической оптимизации в рамках подсистемы оптимизации САПР 115
3.4. Разработка и реализация интерактивной технологии проектирования трансформаторов 130
3.5. Разработка проблемно-ориентированного языка для управления процессом проектирования... 144
Глава 4. Использование сапр трансформаторов 10-110 кв при проектно-конструкторсш расчетах 154
4.1. Оценка адекватности методики проектирования с использованием САПР 154
4.2. Результаты расчетных исследований и промышленного использования САПР 169
4.3. Перспективы развития метода оптимального проектирования силовых трансформаторов на базе САПР. 190 Выводы по 4-й главе 192
Заключение .193
Литература .197
Приложение
- Оценка методов оптимизационного проектирования силовых трансформаторов и электрических машин с помощью ЭВМ
- Особенности математического описания многообмоточного трансформатора как объекта, оптимизации в САПР
- Структура и программно-информационное обеспечение САПР трансформаторов 10-110 кВ...
- Результаты расчетных исследований и промышленного использования САПР
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года", принятых ХХУІ съездом КПСС, перед народным хозяйством страны поставлена важнейшая задача по экономному и рациональному использованию материальных и трудовых ресурсов.
Выполнение этой задачи в области трансформаторострйения невозможно без дальнейшего повышения эффективности разработок трансформаторов, повышения их качества, снижения стоимости и сроков проектных работ.
Особенно актуальны вопросы снижения затрат на трансформацию электроэнергии, которые в первую очередь зависят от конструктивного совершенства трансформаторов и рационального вложения в них активных материалов. Уменьшение затрат даже на несколько десятых процента позволяет, благодаря большому объему выпуска и длительному сроку эксплуатации силовых трансформаторов, получить значительный экономический эффект.
Таким образом, важным резервом улучшения технико-экономических характеристик трансформаторов является совершенствование этапа проектно-конструкторских работ. В директивах ХХУІ съезда КПСС указано основное направление такого совершенствования *< расширение автоматизации проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники.
С первых шагов применения ЭВМ при проектировании объектов электротехники, относящихся к началу пятидесятых годов, значительное внимание уделялось оптимизационным электромагнитным расчетам, позволяющим повысить качество разрабатываемых устройств. В настоящее время средства вычислительной техники широко применяются на различных этапах процесса проектирования силовых трансформаторов, но, как правило, созданные программные комплексы направлены на решение узкого
- 5 -класса проектных задач, не связанных единым математическим и информационным обеспечением. Последнее обстоятельство не позволяет осуществить сквозную автоматизацию процесса проектирования. В этом случае технология проектных работ существенно не меняется, а направленность программ на узкий класс решаемых задач определяет короткий срок их жизни. Таким образом,эффект применения ЭВМ в значительной мере снижается.
Дальнейшее совершенствование технических возможностей ЭВМ, накопление опыта применения ЭВМ в проектных работах, создание большого количества разнообразных программных средств дает принципиально новую возможность повышения качества проектирования новых изделий трансформаторостроения. Названная возможность выражается в создании научных основ и практической разработке систем автоматизированного проектирования (САПР) силовых трансформаторов (СТ) различных классов.
Основными отличительными особенностями САПР являются:
комплексное применение математических методов и средств вычислительной техники на разных этапах процесса проектирования;
единое автоматизированное информационное обеспечение процесса;
интерактивная технология проектирования;
совмещение автоматических, автоматизированных и неавтоматизированных способов ведения проектных работ.
Создание САПР силовых трансформаторов стало практически возможно со второй половины семидесятых годов, когда широкий круг пользователей получил доступ к вычислительным машинам третьего поколения, обладающим развитыми системами математического обеспечения и широким набором периферийных устройств.
Центральное место при разработке САПР трансформаторов занимает проблема создания адекватной математической модели, покрывающей достаточно широкий класс объектов проектирования, и проблема поиска оптимальных проектных решений. Здесь, несмотря на большое количество работ, касающихся этих вопросов, еще не решен ряд задач, что может
-б-
быть объяснено значительной сложностью математической модели силовых трансформаторов, которая должна учитывать определенное множество конструктивных схем, дискретный характер ряда параметров, технологические требования и т.п. К важным проблемам следует отнести также разработку комплекса вопросов технологии проектирования на базе САПР. Цель диссератационной работы состоит в решении задачи повышения эффективности этапов технического и частично рабочего проектирования силовых масляных трансформаторов класса напряжения IO-IIO кВ путем разработки и развития математических моделей, алгоритмов, программных средств и методик поиска оптимальных технических решений, создания на этой основе и внедрения в практику проектирования системы автоматизированного проектирования (САПР СТ IO-IIO кВ). В связи с этим в работе рассматриваются следующие основные задачи исследования:
создание комплекса математических моделей и алгоритмов оптимального проектирования многообмоточных трансформаторов;
исследование и разработка методики формирования универсальной математической модели определенного класса трансформаторов;
разработка программных и лингвистических средств проектирования и объединение их в автоматизированную систему;
испытание разработанных методов, алгоритмов и программных средств при решении прикладных задач проектирования силовых трансформаторов.
Для решения поставленных задач используются методы системного анализа и синтеза, многошаговые методы решения задач параметрической оптимизации,{методы математического программирования, элементы теории математической статистики. Реализация разработанных алгоритмов и программ основана на современных принципах построения систем автоматизированного проектирования.
Основные научные результаты работы:
I. Сформирован комплексный подход к решению задачи оптимального проектирования класса силовых трансформаторов, основанный на методологии системных исследований.
Разработана методика оптимального проектирования многообмоточных СТ, отличающаяся от известных тем, что в рамках общей задачи оптимизации СТ решается локальная задача нелинейного программирования, связанная с поиском оптимальной геометрии обмоточной системы трансформатора в поле допуска на номинальное значение напряжения короткого замыкания.
Предложена методика формирования универсальной математической модели класса СТ, охватывающей значительное количество конструктивных исполнений СТ и отражающей специфику решаемых проектных задач. Выполнен модульный анализ класса СТ. В результате получен набор типовых компонентов универсальной модели и составлено информационное описание класса трансформаторов.
Разработана подсистема оптимизации, отличительными особенностями которой являются: наличие библиотеки алгоритмов оптимизации; возможность адаптации оптимизационных процедур к изменяющимся условиям и целям проектирования; возможность выполнения многоэтапной оптимизации с использованием на каждом этапе как различных сочетаний методов оптимизации, так и различных математических моделей.
Разработана структура САПР СТ IO-IIO кВ, технология автоматизированного проектирования на базе САПР, комплекс средств диалогового взаимодействия проектировщика с ЭВМ в процессе решения проектных задач.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Методика оптимального автоматизированного проектирования многообмоточных СТ.
Методика формирования математической модели определенного класса СТ.
Методика гибкого подхода к организации оптимизационных процедур при проектировании СТ.
В качестве конкретных объектов оптимального проектирования в работе приняты силовые масляные трансформаторы П-У габаритов мощностью I0O80000 кВА классов напряжения IO-IIO кВ (СТ). Трансформаторы указанной группы являются сложными техническими объектами со значительным количеством разнообразных взаимосвязанных узлов и процессов, с жесткими технологическими и эксплуатационными требованиями. Они занимают важное место в энергетических системах СССР и выпускаются крупными сериями.
Работа базируется на основополагающих трудах Ю.Б.Бородулина, в которых сформулированы основные принципы оптимального проектирования трансформаторов в условиях САПР, получившие дальнейшее развитие в работе автора.
Кроме того, автор стремился учесть богатый опыт, накопленный советским трансформаторостроением по методам проектирования и расчета силовых трансформаторов^ значительный вклад в развитие которых внесли К.К.Балашов, Н.И.Булгаков, С.Б.Васютинский, Б.Б.Гельперин, Й.С.Калиниченко, А.Г.Крайз, И.Д.*Кутявин, В.ВЛейтес, Г.Н.Петров, И.П.Постников, С.И.Рабинович, П.М.Тихомиров» Н.Н.Хубларов и другие.
Также учтены выводы и рекомендации В.М.Глушкова, Н.Н.Моисеева, О.И.Семенкова, внесших большой вклад в развитие методов автоматизации проектирования и построения САПР в различных отраслях народного хозяйства.
В основу диссертации положены результаты, полученные автором при выполнениии научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре электрических машин Ивановского энергетического института в период с 1976 по 1983 годы /23, 33, 34, 38, 39, 81, 89 ...93, 114, 116 ... 119, 127, 128, 134, 144/.
В основном работы выполнялись совместно со Всесоюзным институтом трансформаторостроения (ВИТ г. Запорожье). При этом специалисты ВИТ принимали участие в постановке задач и согласовании методик, используемых при создании программно-информационного обеспечения
_ 9 -
САПР СТ ІО-ПО кВ.
Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических: конференциях Ивановского энергетического института (1977, 1979-1981), П иг Ш Всесоюзных конференциях "Автоматизация поискового конструирования"' (Новочеркасск, 198( Иваново, 1983), ІУ и У Всесоюзных совещаниях по автоматизации проектирования электротехнических устройств (Таллин, 1981, 1983), УШ Республиканской школе-семинаре по АСУ и САПР (Ташкент, 1982), на межвузовских научно-методических семинарах по автоматизации проектирования в энергетике и электротехнике (Иваново, 1977-1982), на Всесоюзной научно-технической конференции "Бенардосовские чтения" (Иваново, 1983), на П Всесоюзной научно-технической конференции молодых специалистов по трансформаторостроению (Свердловск, 1984).
Оценка методов оптимизационного проектирования силовых трансформаторов и электрических машин с помощью ЭВМ
В электротехнической отрасли ЭВМ впервые была применена для расчета силовых трансформаторов в 50-х годах.
С внедрением вычислительных машин начался новый этап в развитии теории и практики оптимального проектирования. Задача оптимизации связана с наличием многочисленных итераций и необходимостью использования достаточно сложных математических моделей, поэтому ее строгое решение возможно только с использованием вычислительной техники.
Основными преимуществами применения ЭВМ для целей проектирования являются : 1) Возможность анализа значительно большего числа альтернативных вариантов при учете большего количества факторов, что обеспечивает повышение уровня оптимальности принимаемых проектных решений.2) Автоматизация наиболее трудоемких проектных процедур , что приводит к существенному сокращению сроков разработки.
Следует отметить, что применение даже быстродействующих ЭВМ не позволит за приемлемое время просмотреть необходимое множество альтернативных вариантов. Поэтому эффективность проектных работ во многом определяется эффективностью методов оптимального проектирования.
Ранний этап использования ЭВМ характеризовался работами по созданию алгоритмов оптимизационных расчетов по упрощенным математическим моделям объектов проектирования. В этот же период разрабатываются программы, ориентированные на решение частных, но весьма трудоемких проектных задач, таких, как расчет электродинамической стойкости, импульсной прочности обмоток, потерь от полей рассеяния и т.д.
Первым отечественным методом оптимизационного проектирования с помощью вычислительной техники явился метод, разработанный во Всесоюзном институте трансформаторо строения, /8/. Метод ориентирован на эскизное проектирование силовых трансформаторов классов напряжения 35-110 кВ определенных конструктивных исполнений. Оптимизация осуществляется путем перебора трех независимых переменных: диаметра стержня магнитопровода, индукции в стержне, средней плотности тока в обмотках. Расчет заключается в определении обмоточных данных, при которых заполнение окна магнитопровода металлом обмоток будет максимальным при соблюдении заданной величины напряжения короткого замыкания UK . Получение 1/к осуществляется путем ряда приближений, причем число итераций практически ничем не ограничено, поэтому сходимость процесса оптимизации не гарантируется. Кроме того, применяется довольно не совершенная математическая модель, что вызывало сомнение в оптимальности получаемых вариантов и приводило к необходимости выполнения вручную ряда трудоемких расчетов. Несмотря на отмеченные недостатки, опыт использования методики подтвердил эффективность применения ЭВМ при проектировании за счет более обоснованного принятия проектных решений.
В работах Н.Н. Хубларова /83, 102, 148... 151/ развивается и совершенствуется рассмотренный выше метод. Применяется поэтапный подход к оптимизации, который автор пытается обосновывать с позиций динамического программирования. По сравнению с предшествующими работами оптимизация осуществляется путем перебора большего количества независимых переменных, что позволяет решать задачу более строго. Переменные разбиваются на две группы: главные (диаметр стержня, индукция в стержне, высота обмоточной системы) и переменные обмотки (ширина провода, число параллелей, число катушек). Расчет и оптимизация каждой обмотки выполняются раздельно. Метод явился важным этапом в области оптимального проектирования мощных силовых трансформаторов. Он учитывает многочисленные промышленные и эксплуатационные требования к проектируемому трансформатору, задача оптимизации в нем поставлена с позиций математического программирования. Однако, метод не нашел широкого применения при промышленном проектировании в связи с тем, что: 1) не гарантировалась сходимость оптимизационного процесса, так как нормированное напряжение короткого замыкания обеспечивается итерациями по высоте обмоток; 2) поэтапная оптимизация трансформатора на основе раздельной оптимизации не получила строгого теоретического обоснования, что может вызывать сомнение проектировщиков в истинности найденного экстремума.
Использование ЭВМ при оптимальном проектировании мощных силовых трансформаторов посвящены поздние работы К.К. Балашова и работы его учеников /9, 14, 60... 62, 124... 126/. В работах развивался комплексный технико-экономический подход к проектированию трансформаторов, суть которого сводится к установлению аналитической связи между управляемыми переменными с одной стороны и технико-экономическими требованиями с другой. Необходимость решения задачи на достаточно адекватном уровне заставляла авторов этих работ значительно усложнять систему нелинейных уравнений, решение которой могло быть получено только численным или итерационным путем с использованием ЭВМ.
В работах Ю.Б. Вородулина, посвященных вопросам оптимального проектирования силовых трансформаторов с помощью ЭВМ /22... 28, 31/, задача оптимизации ставится как задача нелинейного математического программирования. Решение задачи находится на основе применения современного математического аппарата и численных методов. В работах разрабатывается, совершенствуется и исследуется ряд методов оптимального проектирования: классические методы, рационализированный перебор, случайный поиск, комбинированные мето ды. Значительное внимание уделяется вопросам дискретной структуры элементов трансформатора и вопросам удовлетворения всех требований промышленного проектирования. Следует отметить строгую постановку оптимизационной задачи, основанную на исследовании характера математической модели объекта проектирования, особенностей проектных переменных, допустимой области, целевой функции.
Кроме того, рассматривались вопросы реализации методов на малых и средних ЭВМ второго поколения. Исследования Ю.Б. Бороду-лина и его учеников дали возможность более широко и обоснованно использовать различные методы оптимизации в процессе проектирования и при расчетных исследованиях силовых трансформаторов. Однако малая универсальность и трудоемкость внедрения в инженерную практику созданных на основе методов программных средств ограничили их широкое применение в проектных организациях.
Задачи параметрической оптимизации с помощью ЭВМ решались также для вращающихся электрических машин разнообразных типов и назначений. Здесь можно выделить работы Д.А. Аветисяна, А.И. Бер-тинова, В.В. Домбровского, И.П. Копылова, А.Л. Курочки, Й.Н. Орлова, Э.К. Стрельбищкого, А.А. Терзяна и других /16, 79, 84, 85, 108, 135, 138/. Анализ известных работ по оптимальному проектированию силовых
Особенности математического описания многообмоточного трансформатора как объекта, оптимизации в САПР
Используемые математические модели объекта проектирования различаются в зависимости от характера задач, решаемых с их помощью /Т32/. Однако при автоматизированном оптимизационном проектировании СТ к математическому описанию ОП предъявляется ряд общих требований.
Одним из основных требований является адекватность модели реальному трансформатору в необходимой на данном этапе проектирования степени. Выполнение этого требования при проектировании СТ связывается с построением полной математической модели на основе строгого математического описания отдельных физических процессов в ОП и его подсистемах частными метематическими моделями, которые затем объединяются на уровне полной модели с учетом реальных взаимосвязей процессов и конструктивного облика ОП.
Второе важнейшее требование - универсальность модели, под которой понимается способность легко настраиваться на моделирование объектов, различающихся типом исполнения, конструкцией и т.п., а также гибкость и способность без особой перестройки настраиваться на конкретную задачу или этап проектирования.
Большинство существующих методик оптимального проектирования СТ разработаны применительно к двухобмоточным трансформаторам или их использование при автоматизированном проектировании:;многообмо-точных мощных СТ невозможно из-за наличия трудно формализуемых процедур и существенного огрубления математической модели трансформатора, уровень адекватности которой не позволяет в итоге получать результаты, удовлетворяющие требованиям промышленного проектирования.
В связи с этим в настоящем разделе рассматривается подход к проектированию многообмоточных трансформаторов, разработанный сцелью повышения уровня универсальности и адекватности математической модели, используемой в САПР СТ IO-IIO кВ.
Многообмоточным называют трансформатор, на магнитопроводе которого располагается более двух электрически не связанных обмоток (рис. 2.4.).
В энергических системах применяются, главным образом, трех-обмоточные трансформаторы, связывающие энергетические сети с тремя различными напряжениями НН, СН, ВН. Трехобмоточный трансформатор заменяет собой два двухобмоточных трансформатора, что дает определенную экономическую выгоду.
Электромагнитные процессы в многообмоточном трансформаторе могут быть описаны по аналогии с двухобмоточным трансформатором, если ввести понятие режима работы многообмоточного СТ.
Режимом1 работы можно назвать одно из возможных включений пары обмоток многообмоточного СТ в сеть. Например, режим НН - СН соответствует включению в сеть обмоток низшего и среднего напряжения трехобмоточно го трансформатора соответственно, возможны еще режимы НН - ВН, СН - ВН . В общем случае число режимов многообмоточного трансформатора: где п. - число основных обмоток.
При реальной эксплуатации возможно включение всех обмоток многообмоточного трансформатора в сеть, однако этот случай может быть представлен как суперпозиция двухобмоточных режимов при условии, что нагрузка любой обмотки не превышает номинального значения.
Расчетное проектирование многообмоточных силовых трансформаторов ведется путем расчета двухобмоточных режимов работы. При автоматизации проектирования необходимо учитывать, что целый ряд параметров трансформатора (потери короткого замыкания, температура элементов трансформатора и т.п.) зависят от режима работы. Поэтому требуется такая организация вычислительного процесса, которая позволила бы определить эксплуатационные показатели многообмоточного СТ для каждого режима работы.
В САПР СТ IO-IIO кВ частично эта проблема решается на этапе построения частных математических моделей путем организации циклов по числу режимов, в других случаях при автоматическом формировании полной математической модели путем многократного подключения (по числу режимов) модулей, соответствующих определенным частным моделям (см. раздел 2.3).
Однако здесь имеются определенные трудности, связанные с напряжением короткого замыкания, которое является важнейшим эксплуатационным параметром СТ. Каждый проектируемый трансформатор должен иметь характеристики короткого замыкания, соответствующие ГОСТу с определенными допустимыми отклонениями. Важность этого параметра обусловлена в первую очередь тем, что от него зависит величина реактивной мощности, потребляемой трансформатором при нагрузке, механическая устойчивость при коротком замыкании, а также возможность параллельной работы трансформаторов.
Проблема обеспечения заданных напряжений короткого замыкания при создании трансформатора на этапе расчета рассматривалась в работах /26, 109, ИЗ, 124, 125/. Однако предлагаемые в этих работах подходы лишь частично ориентированы на использование вычислительной техники и в совокупности содержат ряд очевидных недостатков. Во-первых, получение результата предполагает проведение ряда трудоемких графоаналитических преобразований с использованием ап риорно заданных коэффициентов Во-вторых, методика распространяется только на двух и и трехобмоточные трансформаторы. В третьих, сходимость процесса к технически реализуемому результату не всегда гарантируется.
Ниже рассматривается подход к проектированию многообмоточных трансформаторов на заданное напряжение короткого замыкания, реализованный в системе автоматизированного проектирования силовых масляных трансформаторов /134/.
Задача оптимального проектирования силового трансформатора является задачей нелинейного программирования. Трансформатор, как сложная техническая система, описывается системой нелинейных уравнений и неравенств:
Выражения (2.13) и (2.14) фактически отображают технические требования к объему проектирования. Как отмечено выше, одним из требований к трансформаторам будет нормированное для каждого со четания обмоток напряжение короткого замыкания. Поскольку норма тивными документами допускается незначительное отклонение расчет ных значений от номинальных (+ 3f5$), данное техническое требова ние можно описать уравнениями вида (2.13):
Н - обобщенный показатель высоты обмоточной системы; А - то же, для размеров главной изоляции; X - вектор радиальных размеров обмоток; Щтй- нормированное напряжение КЗ; Л - допуск на 1/к. Следует отметить, что левая часть выражения (2.15) представляет собой реактивную составляющую напряжения короткого замыкания. Однако, учитывая, что для мощных силовых трансформаторов UHp UKCL » выражение (2.15) можно считать справедливым и для полного напряжения короткого замыкания.
Структура и программно-информационное обеспечение САПР трансформаторов 10-110 кВ...
Система автоматизированного проектирования представляет собой органи зационно технический комплекс, со стоящий из значительного количества взаимосвязанных и взаимодействующих элементов /107/.
В соответствии с /104/ в любой САПР регламентируются следующие части: - методическое обеспечение; - программное обеспечение; « информационное обеспечение; - техническое обеспечение; - организационное обеспечение.
Компонентами методического обеспечения являются материалы, описывающие теорию, математические модели, алгоритмы, терминоло гию, связанные с предметной областью объекта проектирования. Совершенно очевидна необходимость активного участия специалиста в соответствующей предметной области в создании и обновлении методического обеспечения.
В соотстветствии с /67/ из состава методического обеспечения выделяются компоненты математического и лингвистического обеспечения. Вопросы, связанные с математическим обеспечением САПР СТ 10-110 кВ, рассмотрены в главе 2. Особенности лингвистического обеспечения отражены в разделе 3.5.
Компонентами программного обеспечения служат документы с текстами программ, программы на машинных носителях и документы по их эксплуатации /69/.
Компоненты информационного обеспечения представляют собой документы с описанием наборов данных различного характера, а также наборы данных, файлы и блоки данных на машинных носителях (магнитных дисках, лентах). Компоненты информационного обеспечения, образующие информационную базу или базу данных (БД) САПР СТ Ю«П0 кВ, созданы на основе максимального использования технических и программных средств ЕС ЭВМ.
В качестве технического обеспечения САПР СТ 10 П0 кВ может использоваться любая ЭВМ единой серии с объемом оперативной памяти не менее 512 К, снабженная необходимым набором периферийных устройств.
Компонентами организационного обеспечения САПР является совокупность правил и инструкций, регламентирующих права, обязанности и функции каждого пользователя САПР.
Основными структурными звеньями САПР являются подсистемы. Подсистемой называют выделенную по некоторым признакам часть САПР, обеспечивающую выполнение определенной проектной операции или этапа проектирования /107/.
Следует отметить, что отдельные проектные операции процесса проектирования СТ 10-110 кВ разработаны и формализованы с различной степенью полноты, что не позволяет эффективно использовать ЭВМ на всех этапах. Поэтому САПР 10-110 кВ ориентирована на автоматизацию трудоемких этапов и процедур, связанных с расчетным оптимальным проектированием, успешное выполнение которого в значительной степени определяет качество проекта в целом.
При создании САПР СТ 10 110 кВ использованы основные общесистемные принципы /3, 7, 100, 101, 107/: - принцип включения, заключающийся в согласовании конкрет ной САПР с организационно-технической системой более высокого уровня; « принцип системного единства, обеспечиваемый тесными связями всех подсистем САПР ; - принцип развития, связанный с развитием и совершенство ванием компонентов САПР; « принцип информационного единства, требующий использования в подсистемах САПР установленных в трансформаторостроитель-ной подотрасли нормативных документов, способов представления информации, терминов, символов и др.; - принцип совместимости, обеспечивающий возможность подклю« чения новых подсистем, в том числе, разработанных в других организациях ; - принцип инвариантности, требующий, чтобы подсистемы и компоненты САПР были по возможности универсальными, т.е. инвариантными к объектам проектирования.
С учетом изложенного выше разрабатывалась структура и выделялись функциональные подсистемы САПР СТ 10-110 кВ. Структурная схема системы приведена на рис. 3.1.
Центральное место в разработанной САПР по важности выполняемых функций, относительному объему и трудозатратам на создание занимает расчетная подсистема, которая включает в себя несколько десятков модулей, в совокупности реализующих универсальную математическую модель класса трансформаторов. Модули расчетной подсистемы разбиваются на две группы» Модули первой группы могут включаться в проектирующую программу как на этапе оптимизации, так и на этапе поверочного расчета выбранного оптимального варианта, модули второй - только на завершающем этапе. Различие между ними заключается в том, что математические модели для реализации поверочного расчета могут быть построены на более точном интегро-дифференциальном уровне. Это позволяет достигать необходимой точности расчета при приемлемых затратах вычислительных ресурсов.
Подсистема формирования расчетной модели обеспечивает автоматическое построение вычислительной модели из модулей на основании задания на проектирование. Подсистема тесно взаимодействует с архивом! математических моделей, что существенно снижает затраты времени при повторном проектировании однотипных трансфор маторов.
Подсистема параметрической оптимизации позволяет рационально использовать возможности ЭВМ, варьируя алгоритмы оптимизации применительно к решению конкретной проектной задачи (см. раздел 3.3).
Информационно-поисковая подсистема обеспечивает информационные связи между различными подсистемами путем использования интегрированной базы данных.
Подсистема документирования и сервиса предназначена для формирования входной и выходной информации в форме, удобной для проектировщика. Подсистема позволяет реализовать обмен информации проектировщика с ЭВМ на различных стадиях процесса проектирования. В состав САПР входит также ряд информационных компонентов. Архив математических моделей предназначен для хранения и
Результаты расчетных исследований и промышленного использования САПР
С помощью САПР СТ 10—НО кВ выполнены оптимизационные расчеты и исследования трансформаторов классов напряжения 10,35, НО кВ различных конструктивных исполнений в диапазоне мощностей 100-80000 кВ. А.
Автоматизация промышленного проектирования трансформаторов позволила получить экономический эффект по основным критериям качества (народнохозяйственные затраты, стоимость трансформатора) в среднем 3-54 %„
В таблице 4.9, например, приведено сравнение результатов традиционного и автоматизированного проектирования СТ трех типов. Под традиционным здесь понимается проектирование, выполняемое квалифицированными специалистами проектных организаций. Варианты трансформатора проектировались при идентичных исходных данных и одинаковых по значению характеристиках активных материалов. Из таблицы 4.9. видно, что в некоторых случаях (трансформатор ТМ - 630/10) технические решения, полученные проектировщиком, довольно близки к оптимальным.
В таблице 4.10. представлены результаты оптимизации по различным критериям на примере трансформатора ТМН-6300/ІІ0. Из таб— лицы видно, что использование в качестве критерия потерь холостого хода не имеет смысла, так как полученный вариант явно хуже вариантов при оптимизации по остальным критериям.
Последовательная оптимизация СТ по ряду критериев позволяет проектировщику просмотреть окрестности оптимума по выбранному основному критерию и, сделав по нему определенную уступку, выбрать вариант, более эффективный по другому показателю. Например, ( таблица 4.10 ), уступая при оптимизации по народнохозяйственным затратам по сравнению с оптимизацией по стоимости трансформатора примерно 2,5 % величины затрат, получаем экономию 525 кг обмоточного провода ( 23 % ) и снижение стоимости приблизительно на 7 %.
При автоматизированном проектировании важное значение имеет наглядное представление зависимостей основных характеристик и параметров трансформатора от управляемых переменных, что позволяет проследить закономерности и повысить степень доверия проектировщика к результатам оптимизации. На рис. 4.1 4.3 представлены характерные зависимости некоторых параметров трансформатора ТШ - 6300 от диаметра стержня V ст , который является параметром, наиболее сильно влияющим на целевую функцию. Каждая точка получена при оптимизации с фиксированным V ст. К примеру, рис. 4.1 показывает, что потери короткого замыкания практическ-ки не меняются с изменением V ст, что может свидетельствовать о их активной роли в качестве ограничения. Рисунок 4.2 характеризует относительную стабильность радиальных размеров обмоток вариантов трансформатора, оптимальных на каждом JD ст. Рисунки 4.2 и 4.3 показывают, что с изменением В ст существенно меняются высоты обмоток и окна магнитопровода за счет изменения числа катушек и высоты провода.
Рисунки 4.4 4.7 отражают результаты исследования устойчивости оптимума при изменении внешних экономических факторов (цена электротехнической стали Ц , цена обмоточного провода IL, стоимости затрат на возмещение потерь холостого хода С хх и короткого замыкания Ск в энергетике. Оценка проводилась по наиболее значительному управляемому параметру - Х ст. Установлено, что при изменении экономических факторов в широком диапазоне ( 50 % относительно базовых значений ) оптимальное значение D ст опт изменяется не более чем на одну ступень ( 5 %). При повышении Ц ст и С хх наблюдается тенденция к снижению V ст опт, а при повышении Ц пр - тенденция к увеличению Ъ ст опт. Уровень электромагнитных нагрузок изменяется на 5 10 %. Характер их зависимостей от U ст практически не меняется.
Целесообразность уменьшения толщины изоляции обмоточного провода показана на рис. 4.8. Переход на изоляцию 0,1 мм ( эмалированный провод) с 0,55 мм ( провод с бумажной изоляцией) при одинаковых ценах позволит снизить народнохозяйственные затраты примерно на 3 %, стоимость трансформатора до 5 %. Наибольший эффект достигается в трансформаторах, где такая замена возможна во всех обмотках. При замене только в одной обмотке экономия в 2-3 раза ниже.
С помощью САПР СТ 10-110 кВ возможно выполнение элементов структурной оптимизации путем многократного расчета однотипных трансформаторов с различным конструктивным исполнением. В таблице 4.II приведены результаты оптимизации трансформатора ТДН-10000/110 с двумя вариантами конструктивного исполнения обмот-ки НН напряжением 6,6 кВ.
Анализируя таблицу 4.II, можно заключить, что варианты трансформатора Тда-10000/ІІО с различными типами обмотки НН по технико-экономическим показателям примерно равноценны, однако вариант с винтовой обмоткой несколько экономичнее ( 0,3 %),
Выполнена оценка влияния некоторых ограничивающих факторов на результаты оптимизации.
В таблице 4.12 приведены данные десяти лучших вариантов трансформатора ТДН-І0000/ІІ0 с двумя непрерывными обмотками , полученные в результате оптимизации с ограничением минимально допустимой дробной части витка катушки обмотки до значения 0,65. В таблице 4.13 отражены результаты оптимизации, выполненной при снятии этого ограничения, но аналогичных остальных условиях. Сравнение таблиц (звездочками отмечены одинаковые варианты) позволяет сделать вывод о том, что наложение ограничения приводит к исключению вариантов, лишь незначительно уступающих по критерию качества лучшему варианту. Последнее обстоятельство ограничивает возможности проектировщика по выбору близкого к оптимальному варианта с учетом других факторов (например, наличие или отсутствие на заводе обмоточного провода с определенными размерами). В связи с этим можно сделать вывод о вспомогательной роли рассмотренного ограничения при выполнении оптимизации СТ.
Похожие диссертации на Совершенствование оптимального проектирования силовых масляных трансформаторов 10-110 кВ на основе САПР
