Содержание к диссертации
Введение
1. Введение и постановка задачи исследования
1.1. Актуальность проблемы автоматизации проектирования 5
1.2. Системное использование средств вычислительной техники - основа новой технологии проектирования 7
1.3. Проектирование цеховых электрических сетей (ЦЭС)
как объект автоматизации 9
1.4. Основные задачи, решаемые в диссертационной раооте II
2. Анализ развития и существующего положения в области оптимизации и автомшзащи проектирования цеховых электрических сетей 16
2.1. Характеристика использования ЭВМ при решении локальных задач проектирования 16
2.2. Характеристика пакетов программ, систем и подсистем автоматизированного проектирования 20
2.3. Формализация и математическое моделирование схем электрических сетей 24
2.4. Выводы по главе 37
3. Исследование и анализ структуры цеховой электрической сети, выполненной с использованием силовых распределетельных пунктов 40
3.1. Исследование геометрических характеристик радиальной распределительной сети 40
3.2. Определение и анализ технико-экономических показателей элементов цеховой электрической сети 51
3.3. Исследование аналитической модели задачи оптимизации структуры ЦЭС с распределительными пунктами 64
3.4. Рациональное размещение распределительных пунктов 75
3.5. Выводы по главе 80
4. Разработка метода и алгоритм синтеза раодонмьных вариантов структуры цеховой электрической сети с распределительныш пунктами 83
4.1. Обоснование метода и принципов построения алгоритма структурной и параметрической оптимизации распределительной ЦЭС 83
4.2. Разработка формализованного алгоритма и технологии автоматизированного проектирования рациональной структуры распределительной ЦЭС 90
4.3. Результаты апробации алгоритма и программы CINTES 100
4.4. Направления дальнейшего совершенствования и область возможного использования алгоритма и программы CINTES 121
4.5. Выводы по главе 126
5. Автоматизированное проектирование цеховых эшектрических сетей 128
5.1. Общая характеристика САПР ЦЭС 128
5.2. Информационное обеспечение САПР ЦЭС 133
5.3. Характеристика методов и алгоритмов определения параметров ЦЭС 138
5.4. Улучшение эксплуатационных свойств и внедрение САПР ЦЭС 144
5.5. Методика оценки экономической эффективности САПР 148
5.6. Выводы по главе 154
Выводы и основные результаты работы
- Системное использование средств вычислительной техники - основа новой технологии проектирования
- Характеристика использования ЭВМ при решении локальных задач проектирования
- Исследование геометрических характеристик радиальной распределительной сети
- Обоснование метода и принципов построения алгоритма структурной и параметрической оптимизации распределительной ЦЭС
Системное использование средств вычислительной техники - основа новой технологии проектирования
Использование ЭВМ в инженерном (и электротехническом) проектировании развивалось этапами, определяемыми уровнем развития вычислительной техники и опытом работы.
На первом этапе с помощью ЭВМ первого и второго поколений автоматизировались отдельные трудоемкие расчеты. Локальность решаемых задач, использование методов традиционного проектирования, большой объем и дублирование исходной информации, неудобство выходной документации - все это предопределяло использование ЭВМ в роли большого арифмометра. Однако, помимо несомненных экономических выгод следует отметить методологическую ценность этого этапа, который позволил приобрести необходимый в дальнейших разработках опыт алгоритмического описания умственной деятельности человека. Накопленный опыт и появление ЭВМ третьего поколения с боль шим быстродействием: и емкостью запоминающих устройств, развитым математическим и программным! обеспечением позволили во второй половине 70-х годов перейти к разработке систем и подсистем автоматизированного проектирования промышленного электроснабжения.
Системный подход к автоматизации проектирования значительно повышает: эффективность использования ЭВМ. Необходимость его в первую очередь объясняется взаимосвязанностью задач электротехнического проектирования. Комплексное решение этих задач позволяет, часто, определить глобальный оптимум, которого нельзя достигнуть суммированием частных оптимумов, найденных при решении локальных задач. Создание общей. информационной базы для электрооборудования резко сокращает объем исходных данных, подготавливаемых проектировщиком и вводимых в ЭВМ. Системный подход позволяет логически связать работу отдельных программ, освобождая проектировщика от переработки и ввода в ЭВМ промежуточной информации.
Создание автоматизированных человеко-машинных систем,помимо машинизации (ее методологии и технического обеспечения), подразумевает учет ряда других не менее важных факторов: экономических, организационных, психологических. Поэтому под системной автоматизацией проектирования следует понимать не замену человека машинными элементами на отдельных этапах проектирования, а реорганизацию его процесса во всех перечисленных выше аспектах. В противном случае автоматизация только закрепляет существующие рутинные процедуры человеческой деятельности. Таким образом,САПР-это не просто замена человека машиной, а средство рационализации труда проектировщиков, основа новой технологии проектирования.
Несмотря на имеющийся определенный опыт в области автоматизированного проектирования систем электроснабжения [2,3,5,6,14, 46,47 ] , считать эту проблему исчерпанной нельзя. Сложность ее решения объясняется рядом специфических трудностей, имеющих методологический характер. В основном они определяются либо тем, что некоторые этапы проектирования весьма сложно формализуемы, либо тем, что решение задач требует разработки своих математических методов и формализованных алгоритмов [7,8] . В настоящее время хотя и сложился определенный комплекс системных принципов и требований создания САПР, однако способы и особенности их реализации существенно зависят от отраслевой специфики проектируемых объектов [9-12 J . В области проектирования систем электроснабжения разработка методологических принципов создания САПР, а также исследования ее экономических, организационных и других аспектов являются далеко незавершенными, что еще раз подчеркивает актуальность рассматриваемой в диссертационной работе проблемы.
Характеристика использования ЭВМ при решении локальных задач проектирования
В электроэнергетике применение ЭВМ для проектирования началось в конце 60-х начале 70-х годов,- несколько позже, чем в таких областях, как разработка элементов ЭВМ, машиностроение, проектирование строительных конструкций. Как и в других технических областях, автоматизация проектирования систем электроснабжения, в частности, цеховых электрических сетей, осуществлялась поэтапно, от простого к сложному.
Первый этап использования ЭВМ характеризуется автоматизацией локальных, в основном, расчетных задач, требовавших от проектировщиков большой и однообразной работы. Разработанные алгоритмы и программы, ориентированные на традиционные методы неавтоматизированного проектирования, при сравнительно небольших затратах на их разработку дают определенный эффект, связанный с повышением точности и скорости расчетов. До сих пор во многих проектных и учебных институтах страны применение ЭВМ ограничено эксплуатацией программ для решения локальных задач. Особенностью методик большинства расчетов систем электроснабжения является их последовательность и сравнительная простота, что позволило создать достаточно эффективные программы даже для ЭВМ малого класса типа "Проминь", "Мир", "Наири". Доступность таких ЭВМ, несложные языки программирования, позволяющие быстро выполнять расчеты, ускоряют адаптацию проектировщиков, помогая преодолевать существующий, связанный с автоматизацией проектирования психологический барьер. Нельзя не отметить, как положительный фактор, использование локальных задач в качестве иллюстративного методического материала при обучении студентов специальности 0303 принципам алгоритмизации и основам программирования [24] .
Наибольшее количество программ разработано для расчета электрических нагрузок трехфазных приемников электроэнергии [2,3,24,25,26,27,28,29-32] . Возможности и ограничения использования программ: зависят как от искусства разработчика, так и от технических возможностей ЭВМ. Качество программы расчета электрических нагрузок определяется, с одной стороны, ее предельными количественными характеристиками (максимальное число приемников электроэнергии и узлов сети, степень сложности иерархической взаимосвязи узлов сети), с другой стороны, объемом подготовки исходных данных.
Анализируя, в частности, отмеченные выше работы, можно отметить неоправданность неавтоматизированной группировки приемников электроэнергии (ЭП) в зависимости от режима работы [28], а также ошибочность использования упрощенных способов расчета эффективного числа приемников [26,28] . Наиболее программно просто его определять по точной формуле [зз] , неиспользуемой, как правило, при неавтоматизированном проектировании. Кроме того, программы, описанные в отмеченных работах, позволяют рассчитать за однократный ввод исходных данных электрические нагрузки лишь по одному узлу схемы (трансформатору, ШМ, ШР, СП и т.п.). Поэтому проектирование разветвленных цеховых сетей потребует значительных затрат как машинного времени, так и на подготовку и ввод исходной информации. Так,в улучшенном варианте алгоритма 27 ] исходная информация по узлам сети характеризуется неоправданной избыточностью, увеличивающей трудоемкость подготовки исходных данных.
Отмеченных недостатков лишены алгоритмы и программы расчета электрических нагрузок, разработанные при участии автора на кафедре "Электроснабжение промышленных предприятий, городов и сельского хозяйства" Куйбышевского политехнического института. Компактный алгоритм, реализуемый даже на малых ЭВМ типа "Мир" и "Наири", позволяет за однократный ввод данных определять расчетные нагрузки для любого количества приемников, узлов (элементов) сети, для любой сложности разомкнутых схем ЦЭС 3,24,31 ] . С целью сокращения объема исходных данных (в данном случае на 20%) сформирован справочный массив расчетных коэффициентов, номер строки которого и вводится в ЭВМ для каждой группы однотипных приемников электроэнергии. Автором разработана также универсальная программа (для ЭВМ "Наири") расчета электрических нагруз.ок, отличающаяся дополнительной возможностью учета однофазных нагрузок, в том числе, машин контактной сварки. Разработанные программы несколько лет успешно эксплуатируются как в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании, так и в составе САПР ЦЭС. При этом эффективность их использования возрастает по мере увеличения сложности рассчитываемых схем.
Кроме расчета электрических нагрузок на этом этапе были автоматизированы и другие вычислительные работы: расчет токов короткого замыкания [2,3,24,34,35,36 ] , расчет потерь и отклонений напряжения [2,3,24] , расчет центра сети, расчет сечений распределительной сети по условию минимума проводникового материала [24 J и т.п.
Исследование геометрических характеристик радиальной распределительной сети
При технико-экономическом анализе структуры распределительных сетей (электрических, труоопроводных и других) одной из важных задач является выявление функциональной зависимости суммарных затрат на распределительную сеть от расположения узлов сети.
В-виду наличия значительных величин постоянных составляющих в функции затрат на распределительную сеть весьма полезным оказывается использование её геометрических средних характеристик - средней длины ( IQ ) ответвления к ЭП от источника питания и коэффициента конфигурации ( № ), который связывает значение IQQ и величину электроснабжаемой площади где Л и В - размеры прямоугольного участка, Д »$ (рис.3.1). Коэффициент конфигурации отражает изменение средней длины ответвления в зависимости от координат источника и размеров электроснабжаемой зоны. Вследствие сложности учета всех реальных факторов он традиционно рассматривался при введении следующих ограничений и допущений: - все Щ имеют одинаковые энергетические характеристики (мощность, режим работы и другие); - зона расположения приемников имеет прямоугольную форму; - схема питания ЭП от СП, а также СП от ТП принимается радиальной; - местоположение ТП является заданным; - приемники распределены равномерно и сосредоточены в цент ре площадок, на которые в соответствии с общим числом ЭП разделена площадь цеха; источник питания может располагаться лишь в узлах решетки, разбивающей зону цеха на площадки; - участки электрической сети прокладываются параллельно сторонам прямоугольной зоны (трасса с изгибами).
Для: этих условий в работе _I9 J предложено следующее выражение для коэффициента конфигурации: где 1ип , Уип - координаты источника питания (начало координат совпадает с левым нижним углом участка).
Величины об и j5 характеризуют смещение источника питания относительно центра симметрии участка. Несколько иная формула, но приводящая к тем же результатам, приведена в работе [57 J: 2t [jiJi (i-ju)z} [y (i-rf], (3.3) где М Яип/А У = Уип/& Коэффициенты /Ц и V характеризуют смещение источника относительно начала координат, совпадающего с левым нижним углом прямоугольного участка.
При подстановке (3.3) в (3.1) получим выражение для t n (случай трассы с изгибами)
В ряде важных случаев (сельские электрические сети, концевые участки цеховых сетей и т.п.) участки сети представляют собой отрезки прямой, когда монтаж осуществляется по прямолинейной трассе. Выражение для длины радиуса сети от потребителя до исто Функция iff представляет собой коническую поверхность, причем, вершина конуса имеет координаты источника питания (рис.3.2). Тогда среднюю длину радиуса можно представить в виде: Р - " (3 6) С учетом (3.1),(3.5),(3.6) после преобразований имеем: ЬІ У J o0-v (3.7) где QZ -ojU Do тб/л J
Выражение (3.7) является громоздким и может быть рекомендовано при автоматизированном проектировании.
Графическая зависимость для t p , определяемая выражением (3.7), при I =1 показана на рис.3.3.
Выражение (3.7) относительно (3.2) и (3.3) дает уменьшенное значение средней длины и, соответственно, приведенных затрат на электрическую сеть в среднем на 15-20%. Минимальное значение выражения (3.7) равно 0,765 при t =1, yl( = V =0,5, максимальное -1,53 для t -I при /U = V =0. Для трассы с изгибами 9 принимает, соответственно, значения I и 2. Анализ выражений показывает, что изменение средней (суммарной) длины радиальной сети при различной конфигурации её участков (с прямолинейными или изогнутыми трассами) не может превышать 23,5% [83] .
В результате сопоставления значений Ж и с« для изогнутой ( %ц ) и прямолинейной ( Qtn ) конфигураций сети во всем диапазоне изменения U и Т (при У =1) выявлена следующая зависимость #п = (0,765 т 0,791) Wu х 0,778 Zu , Таким образом,с достаточной для практики точностью (не хуже 2% при X =1) величины №п,&срп можно определить, используя более простые выражения (3.3) и (3.4). Для диапазона К =1-10 можно рекомендовать следующую формулу, дающую погрешность не более 7 %:
Анализ выражений (3.3),(3,4) и (3,7) показывает, что функции 96 = / ( V , jt , If ), lCp = / ( V , fX , If ), описывающие удлинение распределительной сети при смещении источника питания от геометрического центра обслуживаемой зоны, имеют существенно пологий характер. Например, при фиксации t =1, V = 0,5 пяти- и десятипроцентному превышению значения 96 над его минимальным значением (при 0 $ jU 0,5) соответствует независимо от конфигурации сети уменьшение аргумента /U до величин 0,34 и 0,28, что составляет 32 и 44 %. При смещении источника питания по диагонали; квадратной зоны (при и - У ) аналогичные величины для и, составляют 0,39 и 0,35 или 22 и 30 %.
Далее рассмотрим влияние на величины 1щ и 96 предпоследнего из приведенных выше ограничений для случая трасс с изгибами [84 J . Вследствие параллельности участков трассы функцию tc можно представить в виде суммы двух функций: См и С/ где с р и сСр - средняя длина участков ответвлении, параллельных, соответственно, осям X и У.
Выражение (3.4) легко получается из геометрических построений, изображенных на рис.3.4. Сплошной линией ДСЕ показан график функции расстояния от потребителей до источника литания вдоль оси ОХ - с я : C-l -juAj. Из геометрических построений очевидно ( __ Sm A __ иш = 1[ ц-$\. (3.8)
Выражения (3.4) и (3.8) справедливы для любого расположения источника (0$jU$ I, O V I), но при этом размеры потребителей должны быть бесконечно малыми. При реальных размерах (количестве) потребителей (пунктирная линия на рис.3.4) выражения (3.4) и (3.8) корректны лишь при расположении источника на границе площадок, точнее в узлах решетки, разбивающей цех на площадки в соответствии с количеством ЭП.
Нетрудно убедиться в том, что при смещении источника внутрь площадки величины 1ц и 0 уменьшаются, то есть зависят от количества (размеров) ЭП. Для выявления этой зависимости введем понятие геометрически неравномерной нагрузки, более соответствующее условиям реального проектирования. Будем полагать, что зона электроснабжения разбита на одинаковые участки по количеству ЭП. Потребители отличаются друг от друга размерами, расположением точки подключения, каждый из них может занимать некоторую часть своей площадки, но не должен выходить за её пределы. Размещение точки подключения на участке является в общем случае произвольным, поэтому за точку подключения каждого приемника в группе в среднем можно принять геометрический центр площадки.
Обоснование метода и принципов построения алгоритма структурной и параметрической оптимизации распределительной ЦЭС
Многолетний опыт проектирования технических систем позволил выявить три типичных ситуации, которым как бы соответствуют три уровня оптимизации [56 J . Первый уровень оптимизации состоит в выборе наилучшей руководящей идеи (определение принципов построения, выбор методов оптимизации, учет неформализуемых этапов проектирования и т.п.); второй уровень - в поиске наилучшей структуры или схемы в рамках выбранной руководящей идеи (задачи структурной оптимизации); третий уровень - в определении лучших значений параметров для выбранной схемы (задачи параметрической оптимизации).
Отмечая условность разделения на уровни задач оптимизации проектных решений, тем не менее установлено [56 ] , что существенное улучшение технико-экономических показателей проектируемых систем удается получить при решении задач первого и второго уровня оптимизации. В настоящее время в практике неавтоматизированного и автоматизированного проектирования ЦЭС решаются лишь задачи параметрической оптимизации.
Система электроснабжения промышленного предприятия относится к классу больших систем, моделирование и оптимизация которой без декомпозиции на подсистемы современными вычислительными средствами неосуществима [75,82] . Этот метод предполагает раздельное решение задач оптимизации по подсистемам с последующим уточнением решений задач одной подсистемы по результатам решения задач другой подсистемы.
Таким образом, рассматриваемые в настоящей работе задачи структурной и параметрической оптимизации распределительной ЦЭО с СП можно отнести ко второму и третьему уровню оптимизации нижней, примыкающей к потребителям подсистемы СЭС предприятия.
Необходимость локальной оптимизации распределительной ЦЭО может быть обоснована следующими объективными причинами. Во-первых, как установлено в предыдущей главе, питающие цеховые сети оказывают несущественное влияние на структуру распределительной части ЦЭС. Во-вторых, размерность задач проектирования распределительной ЦЭО существенно превышает размерность задач других подсистем и учет её в сочетании с требованием экономичности алгоритма оптимизации представляет серьезную проблему. Наконец, задача формирования и оптимизации питающей ЦЭО является трудно формализуемой и более соответствует задачам первого уровня оптимизации.
Следовательно, на данном этапе, учитывая сравнительно небольшую размерность, а также трудности формализации ограничений по трассам, конструктивных и схемных решений, формирование питающей ЦЭО целесообразно оставить за проектировщиком .
В соответствии с комплексным оптимизационным подходом [56 J , предполагающим выделение и рассмотрение всех ситуаций, влияющих на выбор оптимального решения, с учетом уровней оптимизации определим круг задач проектирования распределительной ЦЭО [81,96 ] : - выбор типа источников питания (ШР, СП, модульная система) и способа канализации электроэнергии от источников до ЭП; - определение количества, мест расположения выбранных источников питания, а также группировка ЭП между ними; - выбор параметров источников, защитных аппаратов на отходящих от них линиях, аппаратов управления, проводников распределительной сети и т.д.
Структурная оптимизация распределительной ЦЭС, в которой источниками питания служат СП, предполагает решение следующих задач: - определение количества СП; - нахождение мест расположения СП; - группировка ЭП относительно СП; - выбор необходимых параметрических исполнений СП. Безусловно, все перечисленные задачи взаимообусловлены и одновременное решение их без задания каких либо начальных условий невозможно. Учитывая определяющие требования технологического процесса, представляется целесообразным в качестве начальных условий принять задание возможных мест установки СП, а чтобы не нарушать требование точности моделирования - количество этих мест не ограничивать. Подобное решение оправдано в условиях насыщенности помещения цеха технологическим оборудованием и коммуникациями, когда объем информации о возможных местах установки СП в несколько раз меньше объема информации о зонах, запрещенных для их установки.
Требования экономичности и универсальности моделирования предполагают также формирование проектировщиком магистралей питания маломощных (как правило) ЭП. С одной стороны это позволяет учесть широкое разнообразие технологических процессов, планировочных и других местных условий, с другой стороны, как отмечено в предыдущей главе, подобные схемные решения улучшают экономические показатели ЦЭС. Удовлетворению подобных требований также отвечает задание проектировщиком единых для рассматриваемого участка серии СП и способа выполнения распределительной сети,что соответствует практике проектирования и способствует индустриализации монтажных работ.
