Лекция 2. Системный подход к проектированию

Автоматизированное проектирование ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ сетей низкого и среднего напряжения

Конспект лекций

для магистрантов специальности 6М071800 – Электроэнергетика

 

СОГЛАСОВАНО Начальник УМО ___________ “___”___________2011 г.	Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры ЭПП Протокол № 1 от “ 07 ” сентября 2010 г.
	Зав. кафедрой ЭПП, доцент ___________М.В. Башкиров
Редактор ___________ “___”___________2011 г.	Составители: к.т.н., доцент кафедры ЭПП _____________О.Н. Ефимова
Специалист по стандартизации ___________ “___”___________2011 г.

 

Алматы 2011

Некоммерческое

акционерное

Общество

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

Автоматизированное проектирование ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ сетей низкого и среднего напряжения

Конспект лекций

для магистрантов специальности 6М071800 – Электроэнергетика

 

 

Алматы 2011

СОСТАВИТЕЛЬ: О.Н.Ефимова. Автоматизированное проектирование электрических сетей низкого и среднего напряжения. Конспект лекций для магистрантов специальности 6М071800 – Электроэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2011. – 69 с.

 

 

В данном курсе лекций освещены вопросы выбора, применения ….защитных приборов.

Ил. 27, библиогр. - 11 назв.

 

Рецензент: канд. техн. наук, доцент В.Б.Фадеев

 

Печатается по плану издания НАО «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 год.

 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

Содержание

 

1 Лекция. Введение в автоматизированное проектирование. Проектирование и системы автоматизированного проектирования
2 Лекция. Системный подход к проектированию
3 Лекция. Системы автоматизированного проектирования электрических сетей и их место среди других автоматизированных систем
4 Лекция. Энергетический комплекс нормативно-технической документации для предприятий энергетики
5 Лекция. Режимы нейтрали в трехфазных сетях
6 Лекция. Поведение сетей в нормальном режиме и при перегрузке
7 Лекция. Потери мощности в элементах сетей напряжением выше 1 кВ по территории предприятия
8 Лекция. Образование тепла в проводнике. Максимальные допустимые значения
9 Лекция. Защитные приборы. Выбор и проверка защитных приборов
10 Лекция. Виды неисправностей с короткими замыканиями
11 Лекция. Форма волны ТКЗ. Конфигурация сетей
12 Лекция.Расчет параметров проводки и защитных приборов с точки зрения короткого замыкания
13 Лекция. Допустимые падения напряжения. Расчет нагрузки отдельных ветвей сети
14 Лекция. Селективность. Каскадирование защитных компонентов
15 Лекция. Компенсация реактивной мощности
16 Лекция. Характеристики защитных приборов
Список литературы

 

 

Лекция 1. Введение в автоматизированное проектирование. Проектирование и системы автоматизированного проектирования

Содержание лекции:

- этапы развития и совершенствования САПР.

Цель лекции:

- знакомство с основными положениями теории САПР.

 

Под термином САПР понимается система автоматизированного проектирования, в которой органично объединены усилия коллектива проектировщиков и возможности математических методов и ЭВМ на всей совокупности взаимосвязанных этапов проектирования с применением развитых средств программного и информационного обеспечения для коренного улучшения качества проектных работ и сокращения их сроков.

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например, по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы — ядра САПР.

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР:

1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или MCAD (Mechanical CAD) системами.

2. САПР для радиоэлектроники. Их названия — ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation) системы.

3. САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число более специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь в классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т.п.

По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например, комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР:

1. САПР на базе подсистемой машинной графики и геометрического проектирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т.е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения.

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматического управления и т.п. Часто такие САПР относятся к системам CAE. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий.

Комплекс средств автоматизации проектирования в соответствии с особенностями решаемых задач принято подразделять на средства методического, программного, технического, информационного и организационного обеспечения.

Методическое обеспечение (МО) представляет собой совокупность документов, устанавливающих состав, правила отбора и эксплуатации средств, обеспечения автоматизированного проектирования, необходимых для его выполнения. Методическое обеспечение дополнительно разделяют на средства математического и лингвистического обеспечения.

При этом математическое обеспечение, рассматриваемое как совокупность различных математических методов и алгоритмов, предназначается для выполнения преобразований описания объекта проектирования.

Лингвистическое - служит для решения второй из названных задач, а именно для представления полученных описаний — языки проектирования, терминология.

Программное обеспечение (ПО) включает совокупность машинных программ, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования, и документации к ним. САПР является программно-управляемой системой. Поэтому ПО составляет сердцевину средств ее обеспечения как по значению, так и по трудоемкости задания. В составе ПО САПР по функциональным признакам выделяются системы математического обеспечения ЭВМ как часть ПО, инвариантная областям применения ЭВМ, общесистемное ПО САПР (к которому, в частности, можно отнести ПО машинной графики, диалоговые системы и др.) и прикладное ПО, служащее непосредственно для решения задач проектирования конкретного класса объектов.

Техническое обеспечение (ТО) состоит из совокупности взаимодействующих средств вычислительной и организационной техники, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. В большинстве случаев ТО САПР базируется на серийно выпускаемых ЭВМ различной производительности, снабженных не только штатным, но и специализированным периферийным оборудованием.

Информационное обеспечение (ИО) объединяет совокупность сведений, необходимых для функционирования САПР и представленных в заданной форме. Для ведения автоматизированного проектирования большая часть этих сведений (данных) должна записываться на машинные носители информации и в процессе работы САПР обрабатываться ЭВМ. ИО концентрирует опыт проектирования данного класса объектов, содержит необходимые данные, сохраняет описание проектируемого объекта, облегчает передачу данных при переходе от этапа к этапу проектирования.

Организационное обеспечение (ОО) содержит совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, функции и взаимосвязи подразделений, а также форму представления проектных документов.

Остановимся лишь на информационном обеспечении, непосредственно связанным с массивами информации.

В состав информационного обеспечения САПР включаются документы, содержащие описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений и элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также данные на машинных носителях с записью указанных документов, обеспечивающие функционирование подсистем САПР. Совокупность документов с перечисленными описаниями представляет собой справочно-информационный фонд САПР. Эта часть ИО находится, как правило, вне ЭВМ. Другую, внутримашинную часть ИО САПР составляет автоматизированный банк данных (АБД), который подразделяется на базу данных и систему управления базой данных (СУБД).

Под базой данных САПР понимается совокупность хранящихся в ЭВМ данных, которые с минимальной избыточностью и максимально возможным быстродействием удовлетворяют информационные потребности автоматизированного проектирования. В составе базы данных можно выделить по функциональному признаку четыре раздела:

1. Данные о типовых проектных решениях и ранее выполненных проектных разработках.

2. Справочники и нормативно-техническая документация.

3. Информационная модель объекта, которая составляется из данных, описывающих его на различных этапах проектирования. Эта модель развивается в процессе проектирования.

Описание объекта проектирования, получаемое на каждом предыдущем этапе, должно давать необходимые данные для работы компонентов САПР на последующем этапе. По окончании проектирования полученное описание объекта может быть передано в первую группу данных, а следовательно, должно включать все ранее перечисленные виды информации.

4. Данные, регламентирующие проектную деятельность, как отдельных исполнителей, так и организации в целом. Прежде всего, сюда относятся описания методик автоматизированного выполнения проектных процедур, информационных связей между участниками разработки. В состав этих данных входят также сведения о контингенте проектировщиков с указанием их конкретных функций.

Основными структурными элементами САПР являются подсистемы, которые подразделяются на проектирующие и обслуживающие. К проектирующим относят подсистемы, выполняющие проектные процедуры и операции, например расчетную, чертежно-графическую. К обслуживающим относят подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих подсистем, например подсистему управления данными и др.

Одним из основных компонентов любой базы данных САПР являются справочники, включающие информацию об элементах, входящих в состав системы проектирования. Справочник должен содержать набор необходимых сведений в табличной или графической форме, позволяющих выбрать требуемое изделие, разместить их в узлах проектируемой электрической схемы, проверить правильность выбора и работоспособность устройства в целом

Часто методическое и информационное обеспечение САПР строятся с использованием комплексного подхода:

- на первом этапе проводится предварительный расчет режимов работы системы (расстановка оборудования и прокладка кабелей и проводов на планах, формирование электрических схем, выполнение электротехнических расчетов, выполнение светотехнических расчетов и т.д.). Составляются таблицы задействованных изделий и оборудования, проводится расчет токовых нагрузок в номинальных и пусковых режимах, выполняется расчет цепей в аварийных режимах (перегрузки по току и коротком замыкании), проводится выбор сечений проводов и кабелей;

- на втором этапе осуществляется подборка электротехнических изделий для реализации заданного схемного решения. Причем проводятся проверки на электромагнитную совместимость изделий, на селективность работы защитной аппаратуры, на термическую устойчивость изделий с учетом их совместной работы и т.п.;

-на третьем этапе формируются управляющие комплектные устройства низкого (НКУ) и высокого (КТП) напряжения, через посредство которых и осуществляется управление и защита потребителей и сети. Если совокупность выполняемых функций при заданном схемотехническом решении можно выполнить, используя стандартные конструкции комплектных устройств, то предпочтение отдается именно им.

Лекция 2. Системный подход к проектированию

Содержание лекции:

- особенности неавтоматизированных и автоматизированных методов проектирования.

Цель лекции:

- знакомство с задачами анализа и синтеза при проектировании.

Проектирование - это процесс создания описания, необходимого для построения в заданных условиях ещё несуществующего объекта, на основе первичного описания этого объекта.

Наибольшее распространение получило проектирование взаимодействия человека и ЭВМ. Такое проектирование называют автоматизированным, которое, как правило, осуществляется в режиме диалога человека с ЭВМ на основе применения специальных языков общения с ЭВМ.

При временном распределении работ по созданию новых объектов процесс проектирования разделяется на стадии и этапы. Различают 9 стадий: предпроектные исследования, техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочий проект, изготовление, отладка, испытание и ввод в действие.

При создании новых объектов выделяют следующие этапы:
1. Этап научно-исследовательских работ (НИР), который объединяет стадии: предпроектные исследования, техническое задание, часть технического предложения. На этом этапе проводят исследования по поиску новых принципов функционирования, новых структур физических процессов, новой элементной базы, технических средств и т. п.

2. Этап опытно-конструкторских работ (ОКР) объединяет следующие стадии: часть технического предложения, эскизный проект, технический проект. Здесь отражаются вопросы детальной конструкторской проработки проекта.

3. Этап рабочего проектирования объединяет стадии: рабочий проект, изготовление, отладка, испытание и ввод в действие. На этом этапе прорабатывают схемные, конструкторские и технологические решения, проводят испытания, изготовление.

При применении систем АПР, как и традиционно, целесообразно использовать блочно-иерархический подход (БИП), т. е. распределение работ между подразделениями производят с использованием БИП.

Блочно-иерархический подход к проектированию ЭП.

Методология БИП базируется на трех концепциях: разбиение и локальная оптимизация, абстрагирование, повторяемость.

Разбиение позволяет сложную задачу проектирования свести к решению более простых задач с учетом взаимодействия между ними. Локальная оптимизация подразумевает улучшение параметров внутри каждой простой задачи.

Абстрагируемость заключается в построении формальных математических моделей, отражающих только значимые в данных условиях свойства объекта.

Основное достоинство БИП - это упрощение процесса проектирования и получение возможности решать задачи проектирования доступными средствами. Использование БИП помогает: упростить решение проблемы хранения данных, сократить размерность выполняемых программ и время проектирования, применять САПР один раз для объекта (его части) независимо от числа идентичных объектов (его частей). Существующее по ЕСКД деление схем на принципиальные, функциональные, структурные отражает принципы блочно-иерархического проектирования. Следовательно, иерархические уровни представляют собой уровни описаний объектов, различающихся подробностью отображения свойств объекта.

Иерархические уровни также называют горизонтальными уровнями или уровнями абстрагирования. Совокупность описаний некоторого уровня вместе с постановкой задачи и методов получения этих описаний называют иерархическим уровнем проектирования. При выделении горизонтальных уровней проектирования производится разделение объекта на блоки и рассмотрение вместо объекта его отдельных блоков.

В общем случае при проектировании технических объектов условно можно выделить несколько вертикальных уровней. Основные из них: функциональный, конструкторский, технологический.

Например:При проектировании оптических систем можно выделить не менее трех иерархических уровней: уровень структурных схем, уровень узлов, уровень элементов (линзы, зеркала и др.).

Функциональное проектирование включает в себя анализ технического задания (ТЗ) и на его основе выбор системных позиций методики построения и путей реализации вычислительного процесса в ЭВА, что связано с разработкой функциональных и принципиальных схем, принципов их функционирования.

Основными задачами функционального проектированияФП являются: разработка структурных схем, определение требований к выходным параметрам, анализ и формирование ТЗ на разработку отдельных блоков, синтез функциональных и принципиальных схем полученных блоков, контроль и выработка диагностических тестов, проверка работоспособности синтезируемых блоков, выбор физической структуры, формулировка ТЗ на проектирование компонентов, выбор топологии и параметров, расчеты электрических параметров, параметров диффузионных профилей и полупроводниковых компонентов, расчет параметров технологических процессов, вероятностные требования к выходным параметрам компонентов.

Алгоритмическое проектированиезаключается в разработке алгоритмов функционирования и создании математического обеспечения.

Конструкторское проектированиезаключается в реализации принципиальных схем в заданном конструкторском базисе. При этом

решаются вопросы выбора форм и материала, выбора типоразмеров, компоно-

вки размещения элементов, трассировки соединений, контроля.

Технологическое проектирование решает задачи технологической подготовки производства - разработка принципиальной схемы, маршрутов, операций и переходов ТП, изготовление деталей, сборка и монтаж узлов, включая выбор оснастки, инструмента, технологического оборудования.
Каждая САПР создается для нужд конкретного предприятия или отрасли промышленности. Задачи разных уровней решаются в восходящей или нисходящей последовательности.

Нисходящее проектирование (проектирование "сверху вниз") характеризуется решением задач более высоких иерархических уровней предшествующих решению задач нижних уровней.

Восходящее проектирование ("снизу вверх") - проектирование, при котором вначале разрабатываются элементы, а затем система из этих элементов. Объекты, проектируемые на каждом уровне восходящего проектирования, должны стать типовыми, пригодными для многих применений. Формулировка ТЗ на каждом уровне - неформальная задача, решаемая с помощью экспертов.

На практике используются как нисходящее, так и восходящее проектирования.

Классификация параметров объектов проектирования: входные,
внутренние и внешние параметры.

Параметр - величина, характеризующая свойства или режим работы объекта. Среди параметров объекта проектирования выделяют показатель эффективности, являющийся количественной оценкой степени соответствия объекта его целевому назначению. Показатели эффективности подразделяют на показатели: производительности; надежности; стоимости; массы; габаритных размеров; точности.

Обычно показатель эффективности чаще всего используется на высших иерархических уровнях проектирования применительно к сложным системам.

Выходные параметры - показатели качества, по которым можно судить о правильности функционирования системы, аналогично понятию показатель эффективности, но применяется к системам на любом иерархическом уровне. Выходные параметры зависят от свойств элементов и от связей их друг с другом. Задание структуры системы означает задание типов элементов и способа их связи друг с другом. Чаще всего множество вариантов структуры - счетное множество; переход от одного варианта к другому либо дискретно изменяет значения выходных параметров, либо приводит к качественным изменениям свойств системы.

Если структура системы определена, то ее выходные параметры зависят только от параметров элементов и от параметров внешних условий.
Внутренние параметры - параметры самих элементов.
Внешние параметры - параметры внешней по отношению к объекту среды, оказывающие влияние на его функционирование. На каждом иерархическом уровне выходные параметры характеризуют свойства системы, а внутренние параметры - свойства элементов. Примером внешних параметров могут служить параметры входных сигналов, параметры нагрузки, влажность и температура окружающей среды, уровень радиации, помех и т. д.

Если структура системы определена, то уравнения, решение которых требуется для определения выходных параметров, обычно являются математическим описанием объекта.

В этих уравнениях независимыми переменными могут быть время, частота, пространственные координаты и т. д., а зависимыми переменными - фазовые переменные - величины, характеризующие состояние объекта, т. е. переменные состояния. Примерами фазовых переменных могут быть скорости, силы, напряжения и деформации в механических системах, давления и расходы в гидросистемах, напряжения, токи и заряды в электрических системах и т. д.

При проектировании исходными данными являются данные ТЗ, а результатами - техническая документация на блоки данного уровня и ТЗ на проектирование элементов. Но документация представляет собой лишь отражение некоторых сторон объекта, поэтому проектирование сводится к решению группы задач, относящихся либо к задачам синтеза, либо к задачам анализа.

Понятие синтез технического объекта близко по содержанию к понятию проектирование. Разница заключается в том, что проектирование означает весь процесс разработки объекта, а синтез характеризует часть этого процесса, когда создается какой-либо вариант, может и не окончательный, т. е. синтез как задача может выполняться при проектировании много раз, совместно с решением задач анализа.

Анализ технических объектов - изучение их свойств; при анализе не создаются новые объекты, а исследуются заданные.

Синтез технических объектов - это создание новых вариантов, анализ используется для оценки этих вариантов, синтез и анализ в процессе проектирования выступают совместно.
Варианты проектирования при синтезе должны представляться на принятом языке оформления проектной документации, например, в виде чертежей, схем и пояснительного текста, согласно правил ЕСКД и ЕСТД.

Требования к методам проектирования.

Выбор методов проектирования должен производиться на основе главных критериев: качество проектирования; стоимость проектирования; сроки разработки; количество занятых специалистов.

Хороший эффект дает применение методов, обладающих
большой экономичностью, точностью, универсальностью.