第11章圖示化地區電網繼電保護與短路計算一體化CAD軟件 主要內容 圖示化短路計算與繼電保護整定同平臺實現的集成系統 該系統以數據庫為核心 運用先進的可視化編程技術 采用面向對象技術和模塊化思想 實現了短路計算與繼電保護整定的圖示化與一體化 11 1系統總體結構及功能特點11 1 1系統總體結構 11 1 2系統功能特點針對地區電網的實際 短路計算與保護整定一體化軟件主要實現如下功能 1 在同一環境下完成短路計算 保護整定及圖文檔案資料管理 使三位一體化 消除現有程序中分步進行的中間環節 提高功效和可靠性 2 實現電網數據的圖形 文本方式輸入和數據的規范化 以及電網參數的管理 3 能進行各種接線電網的各類短路計算 對大電網采用分區的方法 短路計算能計算各種短路類型 短路方式下的短路電流及其分布 并依照實際需要生成短路電流總表與短路電流分布表 提供運行方式 短路類型 短路點及短路時間的交互設置窗口 使短路計算更加方便 4 助增系數 分支系數的計算 在短路計算的基礎上計算出保護整定所需的助增系數和分支系數 5 保護整定 實現各種接線方式下的繼電保護 距離 零序 電流 定值的整定計算 6 文檔管理 生成實際所需的短路電流分布圖 保護定值配合圖 定值單等文檔并實現其系統管理 11 2數學模型及實現原則 11 2 1短路計算模型短路電流計算遵照 3 110KV電網繼電保護裝置運行整定規程 計算中考慮了以下因素 1 發電廠中多臺機組的開機方式 2 變壓器的接地方式 3 線路投切的不同狀態 4 系統電源的等值阻抗 5 單相兩相接地零序電源分布 6 任意分區系統短路計算 11 2 2繼電保護整定模型 主要進行110KV電網線路的距離 零序和三段電流三大保護整定 給出定值時限及靈敏系數 整定計算主要考慮了以下因素 1 線路三種保護的前后級配合及與末端變壓器設備間的配合 2 分支系數及助增系數 3 多配合要求時定值的優化 4 提供靈活的定值人工調整接口 檔案管理 1 原始數據 節點數據 支路數據及元件參數表 2 短路電流計算結果 包括三相 兩相 單相 兩相接地短路電流表及任一節點短路時 支路電流分布表 分布系數及綜合阻抗標么值 3 保護整定結果 包括各線路距離保護 零序保護 三段電流保護的整定結果 定值單及計算說明書 4 短路電流分布圖及網絡保護裝置配合圖 11 2 3110KV線路保護整定原則1 距離保護 2 零序電流保護 3 階段式電流保護 11 3程序模塊及流程圖11 3 1程序流程圖 結構框圖如下 短路電流計算 保護整定及檔案管理程序 數據輸入 圖形輸入 短路計算 保護整定 文檔管理 母線數據 線路數據 設備數據 拓撲分析 節點導納矩陣形成 節點阻抗矩陣形成 距離保護 零序保護 三段式電流保護 圖11 2功能模塊程序結構圖 11 3 2模塊設計 1 輸入模塊 2 短路計算模塊 3 保護整定模塊 電網原始數據輸入 支路阻抗計算 數據規范化處理 方式設定 短路計算類型指定 短路點 計算短路電流及其分布 寫表 返回主界面 指定母線 全部母線 線路中間某點 形成節點導納矩陣與節點阻抗矩陣 圖11 3短路電流計算程序框圖 4 文檔管理模塊 1 電網原始數據的瀏覽 修改和打印 2 短路電流的瀏覽和打印 3 短路電流分布圖的預覽 打印 4 保護配合圖的預覽 打印 5 定值庫的瀏覽與維護 5 圖形模塊 11 3 3窗體及界面設計 主界面窗體 數據輸入窗體 短路計算方式設定窗體 保護整定 11 3 4數據庫系統 數據庫采用Access2000與ADO ActiveXDataObject 數據連接對象 DAO DataAccessObject 數據控件 實現數據的存取 為保證數據安全 本程序采用了兩個數據庫 一個靜態庫 基本庫 一個動態庫 臨時庫 11 3 5重點 難點的處理 1 線路分類的考慮 2 保護裝置類型考慮 3 運行方式的考慮 4 助增系數 分支系數的考慮 11 4應用舉例 11 4 1放射線路實例 如圖11 10為某實際110KV電網放射線路的一次接線圖 試分別整定瑤花線瑤504開關的距離保護 零序保護和電流保護的定值 圖11 10系統結線圖 輸入元件參數后 得到網絡的正序 負序與正序網相同 零序序網圖 如圖11 11 圖11 12 圖11 11正序序網圖 圖11 12零序序網圖 1 距離保護整定 圖11 13整定線路 開關指定及配合要求窗口 1 選取整定線路及開關 圖11 14保護類型及整定方式選擇 2 保護類型的選擇 3 整定值計算 圖11 15助增系數計算 圖11 16距離保護自動整定 2 零序保護整定 圖11 17零序保護手動交互整定 3 電流保護整定 11 4 2環網整定實例 圖11 18為某地區電網一分區環網接線圖 線路電壓等級110KV 試對小秀線小側510 500開關的定值整定進行分析 圖11 18某地區環網接線圖 第12章電氣設備選型與優化CAD程序設計 12 1電網輸配電線路的合理與優化選擇12 1 1架空線路截面的合理與優化選擇 1 導線必須能承受負荷電流通過時引起的發熱 滿足允許載流量的要求 2 保證線路末端的電壓損失不超過允許范圍 滿足電壓損失的要求 3 必須有足夠的機械強度 4 考慮經濟性 使網絡年運行費用最少 1 截面選擇方法 2 程序實現方案 1 設置導線截面選擇菜單 有4種選擇方案1 按允許電流選擇 2 按允許電壓損失且線路消耗有色金屬最少的原則優化選擇 3 按允許電壓損失且各段同一截面選擇 4 按經濟電流密度選擇 2 設置計算方式 3 架空線分類 1 居民區高壓配電 3 10KV線路 2 非居民區高壓配電 3 10KV 3 低壓配電線路 1KV以下 4 35KV架空線5 35KV以上架空線 4 導線幾何均距取值設定 1 6 10KV線路幾何均距取1500mm 2 35KV線路幾何均距取3500mm 3 110KV及以上線路幾何均距取5500mm 5 導線材質分類及型號選擇 6 原始數據輸入 7 程序結構框圖 3 數據準備 12 1 2高壓電纜截面選擇計算程序1 電纜截面選擇方法 1 按經濟電流密度選擇截面 2 按允許電流選擇截面 2 程序實現 1 設置高壓電纜截面選擇方法菜單1 按經濟電流密度選擇 2 按允許電流選擇 2 支路類型菜單設置 3 網絡識別采用節點數字編號法 4 程序結構框圖 5 電網拓撲描述 3 原始數據準備實例 12 2變電所一次設備選擇計算程序 1 計算原理及使用公式 1 負荷統計及負荷電流計算負荷計算采用需用系數法 計算負荷 12 15 j支路工作電流 12 16 2 主變選擇 3 電力電容器柜選擇補償總容量 電容器柜總數為 4 限流電抗器選擇 5 母線選擇 6 電流互感器選擇 7 電壓互感器選擇 8 高壓開關設備和熔斷器選擇 9 絕緣子選擇 10 穿墻套管選擇 2 程序設計方案 1 支路設備分類 2 節點數字識圖 3 工作方式設置工作方式由菜單提示 分為兩種 一種是全部設備均自動選擇 另一種是對用戶指定的支路設備進行選擇 4 數據處理 5 程序結構 3 數據準備 1 節點編號與支路參數 2 數據準備每一支路輸入以下8個數據 詳見表 3 數據輸入 4 舉例選擇計算圖12 7所示礦山地面變電所主要設備 網絡原始數據準備如下 12 3最佳無功補償容量的選擇及分配 12 3 1電網無功補償容量的優化配置在電網總補償容量一定的前提下 如何將合理分布到電網的各節點 使全電網總的有功網損達到最小 由于各節點的有功負荷已確定 只與通過各支路的無功功率有關 即是各節點無功補償容量的函數 目標函數 約束條件 是全網無功網損 用拉格日乘子法解此優化問題 需先構造一個新的目標函數 拉格朗日函數 上式對求偏導數并令其為0 得為最小的條件為 最優補償程序框圖 12 3 2企業供電系統最佳無功補償容量的選擇及分配程序 1 最佳無功補償容量選擇數學模型 1 按兩部電價收費的企業補償容量的優化選擇 2 按一部電價收費的企業補償容量的優化選擇 2 程序設計方案 1 數據處理 2 執行步驟 3 程序結構框圖 3 數據準備實例 圖12 10某企業供電結線圖程序運行后部分輸出結果如下 第13章礦井電網計算繪圖與數據處理一體化CAD系統 主要內容 介紹礦井電網微機CAD系統 該系統集數據庫 設計計算 概算統計及結線繪圖于一體 采用人機交互式設計方法 逐步完成電網的各步設計 本文將就此系統的數學模型 設計原理 方案 結構模塊及功能特點作一介紹 一方面供設計單位及相關讀者參考 另一方面為促進微機在礦山機電設計中的應用拋磚引玉 13 1系統結構及功能特點1 礦井電網的特點及設計任務 礦井電網特點 供用電設備分類明確 數量有限且規格化 易于數據庫構成及計算機識別 以國家 煤炭設計規程規范為準則 2 礦井電網CAD系統的結構及功能特點 1 系統功能 分析計算 設備選型 統計概算 繪圖 2 結構框圖及運行環境礦井CAD系統由主控模塊 輸入輸出模塊 設計計算模塊 統計概算及繪圖模塊組成 主框圖見圖 3 特點 采用人機交互式分步設計 全屏幕多層次菜單提示及問答式參數輸入 網絡采用節點數字識別 原始數據集中輸入 數據及參數處理自動進行 包含了所有礦井電網供用電設備的選擇和保護整定計算方法 有良好的適用性 隨機存取型鏈表結構的數據庫包含了現有礦井所有常用電氣設備的型號規格及技術數據 通用性強 設備選型采用了自動與人工兩種方式 自動方式下由系統按常規原則選定 而人工方式則可發揮專業人員的經驗 并可利用現存設備 做到廢物利用 節省投資 13 2數學模型及程序模塊設計 1 礦山井下電網通用計算程序設計模型及處理原則 1 用需用系數法計算井下電網總負荷及各干線 支線的有功功率 無功功率與電流 2 電纜截面按機械強度及允許載流量校驗 并按環境溫度修正 3 網絡各節點的三相及兩相短路電流計算采用有名值法 4 電動機支路起動電壓降校驗用精確的阻抗法進行 5 熔斷器保護的電纜截面大于或等于最小熱穩定截面時校驗合格 否則不合格 2 礦井配電網設計模型及處理原則 提供人工與自動兩種功能 1 計算部分與電網通用計算相同 2 各設備與電纜型號選擇均設有兩種方式 用戶指定 自動選擇 自動方式時程序選取常用且性能優良的類型 規格由計算確定 3 礦用變壓器一般選KS7型 容量按大于或等于計算容量確定 臺數以最少為原則 4 礦用高壓隔爆配電箱一般選PB2 6或新型BPG7 6型 1140V綜機采面選用PBL 6型 整定過流保護 并校驗靈敏度 5 采區電源按一根選擇 6 低壓開關選擇 7 低壓電纜選擇 8 高壓開關過流保護整定 校驗靈敏度 9 屏幕自動繪制供電系統結線圖 10 統計概算 4 系統程序設計 1 數據處理 2 菜單設置 5 電網結線圖形的自動生成 1 支路識別及元件圖繪制 2 網絡聯接 3 圖面布局控制 繪圖方向控制 層次與間隔控制 篇幅限制及縮放控制 13 3系統使用方法及實例 3 設計舉例 第14章電機CAD技術14 1概述 電機CAD 它已經歷了三個階段 即校核設計 綜合設計和優化設計 校核設計時參數事先設置好 能計算出產品的運行性能 綜合設計是根據已知的性能要求 決定電機各設計參數 優化設計程序是對設計問題提出明確的數學模型 然后依據現代數學的尋優理論并采用優化方法 得到較優或最優方案的程序 設計電機大致可分為這樣幾個步驟 選定目標 數學描述 數值處理 編制程序 整理輸入數據 檢驗程序和對輸出結果進行分析 14 2基本的電機CAD14 2 1校核設計 1 校核設計與人工手算的異同 2 校核設計程序的編制步驟五個步驟 1 根據設計任務來確定技術條件和評價標準 2 搜集有關參考數據資料 3 建立數學模型 4 框圖設計 5 編寫源程序 3 編寫校核程序時應當注意的問題 1 迭代的處理 迭代計算過程的處理 a 初設值b 允許誤差C 再設值 防止 死循環 的處理 2 編寫源程序的要點 標識符的命名原則 輸入數據的組織 輸出數據的組織 14 2 2綜合設計 特點 1程序結構以循環計算為主體 2由程序本身來計算 確定各設計參量的選值 故輸入量較少 3程序為多方案計算 即能輸出給定運算范圍內的全部可行方案 4程序對各設計方案具有自動運算 判斷 調整和挑選能力 因此自動化程度高 5程序能綜合考慮電機性能 成本 結構 工藝性 系列化和通用化等多方面的設計要求 三種類型 綜合開槽設計綜合循環設計 循環變量的確定 循環的處理3 綜合調整設計 14 3電機的優化設計 14 3 1電機優化設計的數學模型求解有約束的非線性最優化問題 因此其數學模型可表示為 為目標函數 可以是指成本 重量等 為約束函數 一般指各項性能指標 如效率 功率因數等 D為X的取值區域 為變量空間 14 3 2變量與約束條件1 變量的確定原則 2 變量的取值范圍 3 設計變量的標準化處理 4 約束條件的處理 14 4電氣工程CAD方案實例14 4 1電氣主結線CAD1 系統結構 2 數據庫設計數據主要有三種 原始基礎數據 規范處理數據 圖形數據3 短路計算及主要電氣設備選擇 各電壓級斷路器 隔離開關 限流電抗器 補償電容器 支柱絕緣子 耐張及懸重絕緣子 穿墻套管 鋁母線 軟導線 母線橋等 14 4 26 35KV變配電所CAD系統1 設計目標2 設計內容系統包括 1 人機交互界面 2 數據庫設計 3 設計計算部分 4 圖形文檔 3 系統結構及功能模塊 14 4 3工廠供用電一體化CAD系統 1 總體結構 包括四部分 1 工廠供用電系統數據庫 2 設計計算程序包 3 繪圖程序包 4 界面接口 2 數據庫3 設計分析程序包 4 繪圖程序包 5 系統開發工具及硬軟件環境 第15章智能化與網絡化電氣CAD新技術 15 1智能化電氣CAD 智能型電氣CAD 不僅具有很強的繪圖功能 還要有很強的自動化與優化設計功能 諸如 圖形自動生成 自動標注 設備材料統計概算 方案優選等智能化工作 設計活動可分為兩類 一類是數值計算工作 另一類是邏輯推理 智能化就是使CAD系統具有專家和人工智能功能 15 1 1電氣CAD專家系統 專家系統實質上就是模擬電氣工程領域內人類專家行為的計算機程序 1 專家與專家知識 專家是指所在領域中擁有淵博的知識的形象 這些知識來自于教育 資料 主要在于工作經驗的積累 知識分為事實 關系和自學習三種 按學習時原先的樣子回憶出來的都屬于陳述性知識 程序性知識又稱為辦事方法與操作步驟的知識 策略性知識是指人們應用一定的操作步驟或規則來控制和調節自身的認知過程 程序性知識 在人腦中是以產生式規則的形式表征和存儲 以IF Then 如果 則 的形式表示 2 專家系統的特點 專家系統指的能夠體現人類專家解決實際問題所使用知識的計算機程序 通常專家系統根據用戶的提問提出一個或幾個建議 CAD專家智能系統由知識庫和推理機制組成 3 專家系統的實踐 4 基于知識的CAD方法 普通CAD工具中也含有基于專家系統的編碼 把成套設備布置在一起半自動地繪制出大樣圖 設計的計算機程序也都包含有隱性知識 計算機模擬配電系統 組織配電網描述數據庫 根據節點與支路的連接規則 使節點編號和結線圖生成自動化 問題在于 新的看法或處理方法 則必須重新編寫程序 專家系統是作為一種合成工具而被需要的 我們應該將主要精力放在高層次的設計描述工作上 而把低層次上的合成工作給計算機完成 將細節儲存于計算機 這部分可以全部交給計算機完成 5 電氣工程CAD專家系統的構成 建立一個電氣工程設計類的專家系統一般應解決三個問題 1 知識的獲取 2 知識的表示 3 知識的利用 人機接口 數據庫 推理機 知識庫 知識獲取部分 解釋部分 各自的功能是 1 知識庫 2 推理機 3 數據庫 4 解釋部分負責給推理提供必要的解釋 5 人機接口部分 電氣設計的專家系統常用 設計 評價 再設計 的控制結構 該結構一般包含初始設計 分析 評價 方案選擇 控制修改和黑板等6個模塊 它們各自的功能是 1 初始設計模塊 2 分析模塊 3 評價模塊 4 方案選擇 5 控制修改模塊 6 黑板模塊 智能化電氣CAD系統 這是電氣工程CAD發展的必然趨勢 15 1 2智能化電氣CAD系統的結構智能電氣工程CAD應包括智能建模 專家系統 分析計算 方案擇優 圖形生成 工程數據管理 統計概算及仿真等主要部分 1 智能建模 智能建模是電氣工程CAD中一個新的概念 它是高一層次的系統級模型構建 它不僅涵蓋了常規的元件模型 而且要描述各不同種類元件模型之間的影響與聯接關系 智能建模就是將知識表示與專家系統融入電氣工程模型的構建中 具體內容為 1 模型層次 組成原理及基本元件 結構及數學描述 電氣工程元件圖形對象描述技術 元件及標志圖元的物理及結構屬性分類 組成及聯接關系 2 元件的物理屬性數據的組織和管理 建立規范化圖形元件庫 電氣圖形的自動生成技術 3 CAD系統的全面圖示化技術 2 智能電氣工程CAD的框架結構 15 1 3CAD中圖形交互功能的智能化 1 智能化的圖標菜單 移動光標的次數要盡量少 菜單層次要盡量少 菜單要直觀 簡潔 明了 操作指令結構要十分簡化 2 拖放式 造型對圖形實體進行 拖放式 的設計 3 動態導引功能隨著光標的移動 動態導引自動拾取 判斷位置 理解設計意圖 記憶常用的步驟 并提示使用者下一步可能要做的工作 15 1 4應用功能智能化1 改進軟件結構 實現應用功能集成 2 知識融合技術知識融合技術是能夠進行自動化過程設計 管理可能性因素和實踐性因素的一門技術 3 系統化造型及系統功能提升使用系統化造型 設計者能夠通過改變設計框架中任何部件 查看完整的設計過程及其對設計模型的影響 15 2基于WEB的電氣CAD網絡技術是人類二十世紀的一項奇跡 網絡的出現改變了人類世界的面貌 15 2 1使用網絡服務功能 1 電子郵件E MAIL服務 2 信息查詢 3 USENET新聞電子公告板 4 Telnel遠程登錄Telnet遠程登錄使用戶可以共享軟件和科研成果 15 2 2運用INTERNET支持CAD 1 通過網絡直接查詢有關信息 2 進入圖書館查詢有關信息 3 了解CAD最新發展動態 4 發布最新CAD動態信息等 5 加強CAD專業人員的信息交流 15 2 3實現INTERNET上CAD資源共享 15 2 4基于WEB的電氣工程CAD中數據的傳輸和管理 1 基本方案 2 數據庫與CAD軟件接口 15 2 5基于WEB的CAD圖紙的管理 1 圖紙管理系統介紹 2 管