Содержание к диссертации
Введение
1. Задача расстановки опор 9
1.1. Графо-аналитическая методика расстановки опор ... 12
1.2. Краткий обзор работ по расстановке опор с применением ЭВМ 26
2. Вопросы оптимизации расстановки опор ВЛ проходящей по пересеченной и горной местности 34
2.1. Постановка задачи 34
2.2. Разработка алгоритма задачи оптимальной расстановки опор 49
2.3. Схемы формирования вариантов расстановки опор .53
2.4. Определение точки касания габаритной кривой к поверхности земли при счете задачи на ЭВМ 60
2.5. Особенности проверки промежуточных опор на механические нагрузки при счете задачи на ЭВМ .70
2.6. Оптимизация расстановки опор при наличии фиксированных точек для анкерных опор 82
2.7. Контроль величины тяжения провода в пролете при решении задачи на ЭВМ 90
3. Разработка алгоритма автоматизированной подготовки исходной информации о трассе 96
3.1. Подготовка первоначальной информации о трассе 96
3.2. Учет особенностей трассы 99
3.3. Блок-схема алгоритма автоматизированной подготовки исходной информации о трассе 112
3.4. Схема перемещения информации о трассе при счете задачи на ЭВМ 117
4. Вопросы получения окончательных результатов на выходе ЭВМ 123
4.1. Характеристика информации на выходе ЭВМ 123
4.2. Проектная документация на выходе ЭВМ 126
5. Исследование эффективности применения автоматизированной методики расстановки опор на пересеченной и горной местности 129
5.1. Основные исходные условия и данные для численных расчетов 129
5.2. Расстановка опор разной высоты и разной несущей способности 144
5.3. Расстановка опор разной высоты и одинаковой несущей способности 161
6. Выводы 180
Список литературы
- Графо-аналитическая методика расстановки опор
- Разработка алгоритма задачи оптимальной расстановки опор
- Подготовка первоначальной информации о трассе
- Характеристика информации на выходе ЭВМ
Введение к работе
Актуальность работы. В основных направлениях социального и экономического развития СССР на I98I-I985 г.г. и на период до 1990 г. с целью повышения надежности и качества электроснабжения народного хозяйства предусматривается дальнейшее развитие единой энергетической системы Советского Союза /І/ . В одиннадцатой пятилетке намечается сооружение линий электропередачи порядка 188 тыс. км напряжением 35 кВ и выше / 2 / . Поэтому вопросы, связанные с повышением эффективности электросетевого строительства,приобретают все большее значение, так как сооружение современных линий передач требует больших материальных и трудовых затрат.
Вопросы поиска неиспользованных резервов, нахождение экономически рациональных и технически целесообразных решений для воздушных линий электропередач (BJI) приобретают особо важное значение в связи с увеличением масштабов их строительства, особенно в сложных природно-географических условиях.
Большие резервы экономии средств и материалов заложены в совершенствовании проектных решений и в оптимизации расстановки опор на пересеченной и горной местности.
В настоящее время экономика расстановки опор в основном связана с выбором оптимального количества опор одинаковой высоты на анкерованном участке. Расстановка опор по профилю осуществляется, как правило, исполнителем вручную, при помощи разбивочного шаблона, кривые которого построены с применением опоры одной стандартной высоты, с одной несущей способностью (прочностью). Но при . сложных трассах с большим количеством пересечений, а также проходящих по пересеченной и горной местности, возможности этого т.н. графоаналитического метода ограничены и тем самым теряется возможность экономии материалов и капитальных затрат, которая заложена
в использовании рельефа местности, путем установки опор разной высоты и разной несущей способности. Особенно это сказывается в сложных условиях трассы - средне-, сильнопересеченной и горной местности. При этом, по сравнению с применением опор одинаковой высоты и одной несущей способности, существенно расширяется множество допустимых решений и появляется возможность выбора наиболее эффективного варианта. Однако, оценка экономии материалов и капитальных затрат возможна только с помощью многовариантных расчетов, что невозможно с применением разбивочных шаблонов.
Именно это обстоятельство привело к необходимости автоматизации процесса расстановки опор с помощью математического моделирования и ЭВМ.
Разработка методики оптимальной расстановки опор разной высоты и разной несущей способности связана не только с вопросом улучшения (удешевления) проекта ВЛ, но и с постановкой вопроса о целесообразности изменения самого принципа массового применения опор одинаковой высоты.
Кроме того, разработанная методика дает возможность проанализировать эффективность унификации, дать предложения по наиболее рациональной градации опор как по высоте (опоры разной высоты), так и по их несущей способности (опоры разной несущей способности)
Целью работы является удешевление воздушных линий для пересеченных и горных районов, путем применения опор разной высоты и разной несущей способности.
В соответствии с этим предстояло решить следующие задачи: - разработать методику, алгоритм и программу расстановки опор ВЛ по продольному профилю трассы с учетом особенностей пересеченных и горных районов;
- провести технико-экономический анализ целесообразности
широкого применения в указанных районах опор разной высоты и разной несущей способности (на основе обработки реальных трасс), с разработкой соответствующих рекомендаций для получения оптимального числа модификаций опор как по высоте, так и по несущей способности.
Научная новизна. В диссертации предложена новая методика и определена ее экономическая эффективность для реальных трасс (с учетом особенностей прохождения линий по пересеченной и горной местности).
По сравнению с известными работами, решены следующие задачи:
Предложена схема рациональной обработки продольного профиля трассы линии электропередачи при расстановке опор с помощью ЭВМ. В целях автоматизации процесса обработки исходной информации о трассе линии разработаны алгоритмы и соответствующие программы ее подготовки, учета особенностей трассы и схема перемещения ин# формации о трассе.
Разработана методика для определения точки касания габаритной кривой с поверхностью земли при решении задачи расстановки опор на ЭВМ.
Разработаны алгоритмы (программы): учета особенностей проверки промежуточных опор на механические нагрузки, на "вырывание" и недопустимое приближение проводов к опоре при поперечном ветре, для контроля тяжения провода в пролете.
Предложены схемы (алгоритмы и программы) формирования вариантов расстановки опор и ее оптимизации при наличии фиксированных точек для анкерных опор.
Разработаны алгоритм и соответствующая программа, позволяющие получить окончательные результаты в виде результирующей таблицы.
Методы исследования. Исследование осуществлялось по единому плану, включающему теоретическую постановку задачи, выбор и обоснование метода решения, разработку алгоритма и программы с проведением последующих расчетов на ЭВМ и технико-экономическим анализом результатов. Для анализа результатов применяется метод многовариантных расчетов с последующей экспертной оценкой.
Работа относится к классу задач дискретного программирования большой размерности, для решения которой разработан алгоритм с применением принципов комбинаторного метода дискретного нелинейного программирования.
При этом учитываются особенности расстановки опор на пересеченной и горной трассе ВЯ.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика позволяет получить: I) экономически и технически обоснованную расстановку опор ВЛ с применением опор разной высоты и разной несущей способности, при сложных природно-геграфических условиях района сооружения линии электропередачи; 2) экономическую оценку оптимальных вариантов унификации опор и целесообразности применения конструкций опор разной высоты и разной несущей способности.
Предлагаемая методика реализована в виде комплекса алгоритмов и программ, т.е. доведена до конкретной практической реализации. Сервисная часть программы позволяет получать результаты по формам, наиболее удобным для проектной практики.
Апробация работы. Основное содержание диссертации отражено в 3-х печатных работах. Отдельные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Первой научно-технической конференции аспирантов и молодых научных сотрудников района им.Орджоникидзе (Тбилиси, 1970 г.), на ХК Республиканской
научно-технической конференции ПШ им.В.И.Ленина (Тбилиси, 1976г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании по проектированию и строительству ЛЭП в условиях высокогорья (г.Фрунзе, 1976 г.).
Реализация работы. Материалы проведенной работы вошли в 5 научно-технических отчетов ГрузНИИЭГС.
Результаты исследования вопроса оптимизации расстановки опор использованы Отделением дальних передач (ОДП) Всесоюзного проект-но-изыскательского и научно-исследоЕательского института "Энерго-сетьпроект" для оценки целесообразности и области применения опор разной высоты, как с модификацией опор по несущей способности, так и без нее.
Конкретная реализация комплекса программ оптимальной расстановки опор рекомендуется:
при проектировании ВЛ в горных или пересеченных районах с применением опор с модификацией по высоте и по несущей способности (при этом экономия строительных материалов достигает примерно 9% от общего расхода материалов на опоры и фундаменты);
при выборе экономической унификации опор ВЛ.
Графо-аналитическая методика расстановки опор
Задача расстановки опор по трассе М заключается в определении местоположения (пикетов) опор и их типов на каждом пикете. В проектной практике задача решается графоаналитическим методом на продольном профиле трассы применительно к принятым климатическим условиям местности и к выбранным в проекте проводам, уровням изоляции и типам применяемых опор.
Целью проектирования расстановки опор является нахождение практически оптимального по капитальным затратам варианта при условии выполнения всех нормативных требований, из которых определяющими ЯЕЛЯЮТСЯ непревышение допускаемых нормами тяжений по проводам, механических нагрузок на опоры, на которые последние рассчитаны, и обеспечение нормируемых вертикальных габаритов от проводов до поверхности земли и пересекаемых естественных преград и инженерных сооружений.
Как было указано выше, в СССР на линиях электропередачи до настоящего Бремени промежуточные опоры применяются, как правило, одной стандартной высоты (зависящей от класса напряжения, цепнос-ти линии, материала опор и пр.). Эти стандартные высоты, на которых построена действующая система унифицированных и типовых опор ВЛ напряжением до 500 кВ включительно, установлены на основе технико-экономического анализа зависимостей стоимости сооружения I км линии от высоты опоры (и соответствующего ей пролета) в условиях идеально ровной местности, средних однородных инженерно-геологических характеристик грунтов и отсутствии препятствий мест установки опор.
Необходимо отметить, что в единичных случаях при этом возможно применение унифицированных повышенных или пониженных опор, специальных опор и пр., когда применение опоры стандартной высоты либо не обеспечивает необходимых вертикальных габаритов, либо очевидно нерационально - при пересечениях оврага или ущелья (получается вынужденная малая длина пролета).
В ряде случаев для металлических унифицированных опор разработаны подставки, используемые обычно лишь в единичных местах -на пересечениях с высокогабаритными препятствиями.
Тоже относится и к прочности опор. Как правило, в пределах участков ВЛ с однородными климатическими условиями применяются промежуточные опоры одной нормальной несущей способности и лишь иногда на единичных пикетах применяются, как усиленные, нормальные опоры, рассчитанные для более тяжелых климатических условий или для более тяжелых марок проводов.
Как было указано выше, для расстановки промежуточных опор одной стандартной высоты в проектной практике используется графоаналитический метод ручной работы. Обычно этот метод не является общим для отдельных реальных профилей трасс электропередач, допускает много возможных решений, но, как показывает опыт проектирования, позволяет двумя-тремя попытками получить практически оптимальное решение, которое дальнейшими перемещениями опор уже нельзя сколько-нибудь заметно улучшить, это является следствием относительно малой разницы в стоимости различных вариантов расстановки опор одинаковой высоты.
В условиях равнинной местности с относительно однородными грунтовыми условиями и малым количеством пересекаемых препятствий и ограничении мест установки опор применение опор одинаковой высоты обосновано выбором экономической высоты опоры. Вышеуказанное использование в единичных случаях модификации опор по высоте и прочности несущественно отражается на методе ручной расстановки опор. Поэтому ручной метод расстановки опор описывается применительно к использованию промежуточной опоры одной стандартной высоты и прочности.
Разработка алгоритма задачи оптимальной расстановки опор
Приводим описание вычислительной схемы полного алгоритма поставленной в 2.1. задачи. Алгоритм в целом включает отдельные укрупненные макроблоки, некоторые из них, ввиду их сложности и существенной новизны будут рассмотрены как самостоятельные алгоритмы и отдельно описаны ниже в параграфах (2.3 2.7) описание остальных составных макроблоков приводится здесь же: Шаг 0. Формирование схемы расстановки опор одного варианта для одного условного участка. Шаг I. Определение зоны поиска места установки одной опоры.
Заранее определяется зона (ртрезок трассы) длина которой достаточна для установки одной опоры. Эта зона включает координаты всех тех точек продольного профиля трассы, которые удалены от исходной опоры не более чем на длину максимально-допустимого пролета Ь . Последняя выбирается в зависимости от номинального напряжения и населенности местности проектируемой линии и вводится вместе с другими исходными данными (см.табл.2.1.11,). Шаг 2. Определение точки касания габаритной кривой к поверхности земли («Ад? ) Шаг 3. Проверка: необходимо ли установка анкерной опоры по условию: __
Так как на трассе заранее известны те точки, в которых необходима установка опоры, при подготовке исходной информации координаты этих точек специально корректируются (см.гл.3.).
В силу такой предварительной подготовки, если вышеуказанное условие соблюдено, то рассматривается расстановка анкерной опоры.
Тогда сразу же, при первом варианте (при необходимости) надо менять /V , которое определяется уже порядковым номером установленной опоры, которая и будет принята в качестве последней опоры варианта и далее следует перейти к шагу 7, иначе следует перейти к шагу 4. Шаг 4. Определение высоты и места установки промежуточной опоры варианта.
Абсцисса точки места установка опоры определяется решением квадратичного уравнения (2.1.6.). Ордината же точки установки этой опоры находится по формуле (2.1.7.).
Высота установленной опоры Bj окончательно определяется после решения уравнения (2.1.6.). Здесь высота опоры фигурирует как известная величина Нц , которая выбирается по шифру из имеющихся в распоряжении модификаций по высоте опор. Шаг 5. Проверка: установлены ли все опоры согласно схеме варианта? К =/V
Если не все опоры установлены, то в качестве исходной опоры принимается установленная опора в предыдущей зоне поиска места установки одной опоры и затем переходим к шагу I, иначе следует перейти к шагу 6. К - порядковый номер опоры варианта.
Шаг 6. Проверка на механическую прочность всех Л/ - I промежуточных опор варианта.
Механические нагрузки определяются путем вычисления весовых и ветровых пролетов ( N - I) опор варианта согласно формулам (I.1.2 1.1.3.) После этого производится выбор каждой опоры по механической прочности; для этого проверяются условия (2.1.9.). Если эти условия удовлетворяются, по весовому и ветровому пролету и высоте, то определяется несущая способность каждой опоры ( А/ - I) варианта. Здесь же проверяются опоры на вырывание и на допустимое приближение провода к опоре (2.1.10).
Если окажется, что какую-либо из опор варианта нельзя выбрать по несущей способности, то здесь требуется перерасстановка этой опоры, вариант считается недопустимым и следует перейти к шагу II, иначе к шагу 8.
Шаг 7. Проверка: находится ли в допустимых пределах вертикальное расстояние между проводом и поверхностью земли в точке установки анкерной опоры?
Для этого подсчитывается выражение И і - ict [%i - Ф0) (рСі-Фо УІм+Ьі+І-І0-У2[и результат проверяется по условию 2.1.5.
Если приведенное условие соблюдено, то это показывает на возможность установки в точке (// -I) опоры имеющей высоту Нд . Тогда фиксируется высота и координаты опоры и следует перейти к шагу 8; если же условие не соблюдено, то перейти к шагу 4. Шаг 8. Определение типа фундаментов и вычисление стоимости фундаментов и опор. В зависимости от высоты установленной опоры и ее несущей способности, из таблицы исходных данных определяется полная стоимость каждой опоры варианта (по формуле 2.1.4).
Подготовка первоначальной информации о трассе
Первоначальным источником данных о трассе является ее продольный профиль, на основе которого можно точно определить специфику как всей трассы так и ее отдельных; точек. Как это принято в проектной практике, этот профиль представлен в декартовой системе на плоскости.
Расстановка каждой опоры производится путем выбора ее расположения на продольном профиле трассы. В связи с необходимостью дискретного представления этого профиля в ЭВМ, в качестве исходной информации о трассе следует ввести,координаты Х[ , Vi[ для последовательности точек 1=1,2 ...., таким образом, чтобы по возможности отобразить геоморфологические особенности местности. Координата «-J4 I из-за возможности существования препятствий в точке і , не всегда может быть принята в качестве допустимой ординаты. Для правильного пересечения препятствий, дополнительно вводятся фиктивные ординаты [у48,49/, таким образом, чтобы при отсутствии препятствия в точке I а при наличии препятствия Способ выбора 2/J, для тех или иных препятствий описан в 3.2.
Так как каждая вводимая в ЭВМ точка должна быть рассмотрена в процессе расстановки опор, длительность решения задачи прежде всего зависит от числа этих точек. Однако нами предлагается (см.
2.4.) методика для определения точки касания габаритной кривой к поверхности земли, которая позволяет для поставленной задачи рассмотреть не все точки трассы, а только точки перелома и пересечения с естественными и искусственными преградами. В таком случае упрощаются и предварительные работы при инструментальной съемке трассы, требуемые для определения Xj и "Ш I и соответственно подготовка исходных данных о трассе.
Полная стоимость установленной опоры в значительной степени определяется как составом, так и геотехническими характеристиками грунта, особенно при сложных геоморфологических и геологических условиях, так как тип фундамента назначается с учетом названных показателей грунта трассы. В связи с этим помимо указанных выше координатЭС , Уі і иУ2/,для полной характеристики трассы в ЭВМ вводится информация о составе грунта в точке Ь .
Эта информация обычно не определяется количественным показателем, поэтому она представляется трехзначным кодом Д , характе-ризующим основные показатели грунта как в данной точке і так и на всем последующем участке (1+1)-ой точки. В этом коде первая цифра показывает структуру грунта (например I означает песчаный грунт, 2- глинистый грунт, 3- скальную породу). Цифра второго разряда Г[ показывает влагосодержание грунта (I означает необвод-ненный грунт, 2- полуобводненный грунт, 3- обводненный грунт). Третий разряд шифра показывает доступность для возможности производства работ в рассматриваемой точке трассы. Так I обозначает, что рельеф местности является ровным и вполне доступным, 2 - обозначает гористую местность, но доступную и, наконец 3- горную, труднодоступную местность.
Совокупность геоморфологических характеристик местности (координат Х , Ш[, V2 L ) и геологических и естественных условий рельефа (шифр V L ), представляется в виде условных координат для каждой точки трассы, которые вводятся в ЭВМ в виде таблицы с четырьмя столбцами, т.н. "первичной таблицы" 3.1.I.
Здесь в І столбце приведены расстояния OC-L от начала трассы по длине ее, до і -ой точки, т.е. абсциссы точек (рассматриваются только точки перелома и пересечения с естественными и искусственными препятствиями в порядке их последовательности);
во 2-ом столбце приведены высотные отметки (ординаты) V4і точек продольного профиля трассы, необходимые для учета допустимого расстояния между проводом проектируемой опоры и поверхностью земли;
в 3-ем столбце задаются высотные отметки У% 1 точек продольного профиля трассы (при решении основной задачи они используются в операциях, связанных с определением места установки опоры).
Характеристика информации на выходе ЭВМ
В настоящей главе рассматривается формирование выходной информации таким образом, чтобы полученная проектная документация облегчила пользование проектным материалом, так как хорошо разработанная проектная документация является необходимой предпосылкой для планомерного быстрого и наиболее экономичного строительства линии.
После окончательной оптимальной расстановки опор по продольному профилю трассы, нашей задачей является выдача сводной ведомости об опорах/81/ .
При счете основного алгоритма задачи, в порядке последовательности в выходном массиве запоминаются: параметры первой опоры оптимального варианта при счете задачи по условным участкам и параметры всех установленных опор оптимального варианта если конечной опорой варианта является анкерная опора. Именно эти данные включает вышеупомянутая ведомость об опорах: 1. Порядковые номера установленных опор на данном анкерован ном участке (трассе). 2. Шифр типа по несущей способности установленной опоры.
Как при расстановке опор графоаналитическим методом так и с применением ЭВМ, каждая установленная опора проверяется по механическим нагрузкам. В соответствии с исходными условиями задачи, для счета на ЭВМ применяются опоры разной высоты и разной несущей способности. При расстановке опор, сочетание опор разной высоты и разной несущей способности создает условия рационального использования высоты каждой установленной опоры. Этим обуславливается и экономичная расстановка опор, по сравнению с ручным проектированием. 3. Высота установленной опоры.
Аналогично вышеуказанному, путем сочетания нескольких модификаций опор по высоте, на горных и пересеченных трассах (анкеро-ванных участках), получаем оптимальную расстановку опор. Высота каждой установленной опоры в основном выбирается при полном использовании высоты (без запаса), что не осуществимо при ручном проектировании расстановки опор. Это позволяет значительно удешевить стоимость линии за счет более рационального использования высоты опор (как уже было отмечено), ожидаемый экономический эффект в основном получится именно за счет применения опор разной высоты (при ручном проектировании рассмотрение опор разной высоты крайне затруднительно). 4. Абсцисса (пикетаж) места установки опоры. 5. Ордината (отметка) места установки опоры.
При определении этих координат гарантирована более высокая, чем при ручных расчетах точность и, как и в других случаях, исключены субъективные решения и случайные ожбки. 6. Расстояния (пролеты) между установленными опорами.
Как уже было отмечено здесь в п.З, при оптимальном проектировании высота каждой опоры в основном выбирается с максимальным использованием ее заданной высоты, (по возможности, насколько позволяют ограничения). Этим обуславливается получение наибольших расстояний между установленными опорами, соответственно трасса перекрывается меньшим количеством опор, что удешевляет стоимость линии. 7. Величина угла поворота. 8. Длина анкерованного участка. 9. Длина приведенного пролета. 10. Шифр типа фундамента под установленной опорой. 11. Вес компенсирующего груза. 12. Характеристика местности (шифр характеристики). 13. Полная стоимость установленной опоры. Стоимость каждой опоры подсчитывавтся в соответствии с ее высотой, прочностью, типом фундамента, а эти параметры алгоритмом задачи определяются при наиболее полном и точном учете всех условий местности. 14. Количество установленных опор. Номер последней опоры проекта показывает количество опор на этом анкерованном участке (трассы). 15. Суммарная стоимость установленных опор.
Оптимальная (минимальная) стоимость проекта расстановки опор достигается за счет суммарного эффекта от вышеперечисленных факторов, т.е. главным образом за счет применения опор разной высоты и разной несущей способности, более полного и точного учета ситуации на трассе, рассмотрения всех вариантов, по сравнению с ручным проектированием.
Похожие диссертации на Оптимизация расстановки опор при проектировании воздушных линий электропередачи на пересеченной и горной местности
