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第11章图示化地区电网继电保护与短路计算一体化CAD软件 主要内容 图示化短路计算与继电保护整定同平台实现的集成系统 该系统以数据库为核心 运用先进的可视化编程技术 采用面向对象技术和模块化思想 实现了短路计算与继电保护整定的图示化与一体化 11 1系统总体结构及功能特点11 1 1系统总体结构 11 1 2系统功能特点针对地区电网的实际 短路计算与保护整定一体化软件主要实现如下功能 1 在同一环境下完成短路计算 保护整定及图文档案资料管理 使三位一体化 消除现有程序中分步进行的中间环节 提高功效和可靠性 2 实现电网数据的图形 文本方式输入和数据的规范化 以及电网参数的管理 3 能进行各种接线电网的各类短路计算 对大电网采用分区的方法 短路计算能计算各种短路类型 短路方式下的短路电流及其分布 并依照实际需要生成短路电流总表与短路电流分布表 提供运行方式 短路类型 短路点及短路时间的交互设置窗口 使短路计算更加方便 4 助增系数 分支系数的计算 在短路计算的基础上计算出保护整定所需的助增系数和分支系数 5 保护整定 实现各种接线方式下的继电保护 距离 零序 电流 定值的整定计算 6 文档管理 生成实际所需的短路电流分布图 保护定值配合图 定值单等文档并实现其系统管理 11 2数学模型及实现原则 11 2 1短路计算模型短路电流计算遵照 3 110KV电网继电保护装置运行整定规程 计算中考虑了以下因素 1 发电厂中多台机组的开机方式 2 变压器的接地方式 3 线路投切的不同状态 4 系统电源的等值阻抗 5 单相两相接地零序电源分布 6 任意分区系统短路计算 11 2 2继电保护整定模型 主要进行110KV电网线路的距离 零序和三段电流三大保护整定 给出定值时限及灵敏系数 整定计算主要考虑了以下因素 1 线路三种保护的前后级配合及与末端变压器设备间的配合 2 分支系数及助增系数 3 多配合要求时定值的优化 4 提供灵活的定值人工调整接口 档案管理 1 原始数据 节点数据 支路数据及元件参数表 2 短路电流计算结果 包括三相 两相 单相 两相接地短路电流表及任一节点短路时 支路电流分布表 分布系数及综合阻抗标么值 3 保护整定结果 包括各线路距离保护 零序保护 三段电流保护的整定结果 定值单及计算说明书 4 短路电流分布图及网络保护装置配合图 11 2 3110KV线路保护整定原则1 距离保护 2 零序电流保护 3 阶段式电流保护 11 3程序模块及流程图11 3 1程序流程图 结构框图如下 短路电流计算 保护整定及档案管理程序 数据输入 图形输入 短路计算 保护整定 文档管理 母线数据 线路数据 设备数据 拓扑分析 节点导纳矩阵形成 节点阻抗矩阵形成 距离保护 零序保护 三段式电流保护 图11 2功能模块程序结构图 11 3 2模块设计 1 输入模块 2 短路计算模块 3 保护整定模块 电网原始数据输入 支路阻抗计算 数据规范化处理 方式设定 短路计算类型指定 短路点 计算短路电流及其分布 写表 返回主界面 指定母线 全部母线 线路中间某点 形成节点导纳矩阵与节点阻抗矩阵 图11 3短路电流计算程序框图 4 文档管理模块 1 电网原始数据的浏览 修改和打印 2 短路电流的浏览和打印 3 短路电流分布图的预览 打印 4 保护配合图的预览 打印 5 定值库的浏览与维护 5 图形模块 11 3 3窗体及界面设计 主界面窗体 数据输入窗体 短路计算方式设定窗体 保护整定 11 3 4数据库系统 数据库采用Access2000与ADO ActiveXDataObject 数据连接对象 DAO DataAccessObject 数据控件 实现数据的存取 为保证数据安全 本程序采用了两个数据库 一个静态库 基本库 一个动态库 临时库 11 3 5重点 难点的处理 1 线路分类的考虑 2 保护装置类型考虑 3 运行方式的考虑 4 助增系数 分支系数的考虑 11 4应用举例 11 4 1放射线路实例 如图11 10为某实际110KV电网放射线路的一次接线图 试分别整定瑶花线瑶504开关的距离保护 零序保护和电流保护的定值 图11 10系统结线图 输入元件参数后 得到网络的正序 负序与正序网相同 零序序网图 如图11 11 图11 12 图11 11正序序网图 图11 12零序序网图 1 距离保护整定 图11 13整定线路 开关指定及配合要求窗口 1 选取整定线路及开关 图11 14保护类型及整定方式选择 2 保护类型的选择 3 整定值计算 图11 15助增系数计算 图11 16距离保护自动整定 2 零序保护整定 图11 17零序保护手动交互整定 3 电流保护整定 11 4 2环网整定实例 图11 18为某地区电网一分区环网接线图 线路电压等级110KV 试对小秀线小侧510 500开关的定值整定进行分析 图11 18某地区环网接线图 第12章电气设备选型与优化CAD程序设计 12 1电网输配电线路的合理与优化选择12 1 1架空线路截面的合理与优化选择 1 导线必须能承受负荷电流通过时引起的发热 满足允许载流量的要求 2 保证线路末端的电压损失不超过允许范围 满足电压损失的要求 3 必须有足够的机械强度 4 考虑经济性 使网络年运行费用最少 1 截面选择方法 2 程序实现方案 1 设置导线截面选择菜单 有4种选择方案1 按允许电流选择 2 按允许电压损失且线路消耗有色金属最少的原则优化选择 3 按允许电压损失且各段同一截面选择 4 按经济电流密度选择 2 设置计算方式 3 架空线分类 1 居民区高压配电 3 10KV线路 2 非居民区高压配电 3 10KV 3 低压配电线路 1KV以下 4 35KV架空线5 35KV以上架空线 4 导线几何均距取值设定 1 6 10KV线路几何均距取1500mm 2 35KV线路几何均距取3500mm 3 110KV及以上线路几何均距取5500mm 5 导线材质分类及型号选择 6 原始数据输入 7 程序结构框图 3 数据准备 12 1 2高压电缆截面选择计算程序1 电缆截面选择方法 1 按经济电流密度选择截面 2 按允许电流选择截面 2 程序实现 1 设置高压电缆截面选择方法菜单1 按经济电流密度选择 2 按允许电流选择 2 支路类型菜单设置 3 网络识别采用节点数字编号法 4 程序结构框图 5 电网拓扑描述 3 原始数据准备实例 12 2变电所一次设备选择计算程序 1 计算原理及使用公式 1 负荷统计及负荷电流计算负荷计算采用需用系数法 计算负荷 12 15 j支路工作电流 12 16 2 主变选择 3 电力电容器柜选择补偿总容量 电容器柜总数为 4 限流电抗器选择 5 母线选择 6 电流互感器选择 7 电压互感器选择 8 高压开关设备和熔断器选择 9 绝缘子选择 10 穿墙套管选择 2 程序设计方案 1 支路设备分类 2 节点数字识图 3 工作方式设置工作方式由菜单提示 分为两种 一种是全部设备均自动选择 另一种是对用户指定的支路设备进行选择 4 数据处理 5 程序结构 3 数据准备 1 节点编号与支路参数 2 数据准备每一支路输入以下8个数据 详见表 3 数据输入 4 举例选择计算图12 7所示矿山地面变电所主要设备 网络原始数据准备如下 12 3最佳无功补偿容量的选择及分配 12 3 1电网无功补偿容量的优化配置在电网总补偿容量一定的前提下 如何将合理分布到电网的各节点 使全电网总的有功网损达到最小 由于各节点的有功负荷已确定 只与通过各支路的无功功率有关 即是各节点无功补偿容量的函数 目标函数 约束条件 是全网无功网损 用拉格日乘子法解此优化问题 需先构造一个新的目标函数 拉格朗日函数 上式对求偏导数并令其为0 得为最小的条件为 最优补偿程序框图 12 3 2企业供电系统最佳无功补偿容量的选择及分配程序 1 最佳无功补偿容量选择数学模型 1 按两部电价收费的企业补偿容量的优化选择 2 按一部电价收费的企业补偿容量的优化选择 2 程序设计方案 1 数据处理 2 执行步骤 3 程序结构框图 3 数据准备实例 图12 10某企业供电结线图程序运行后部分输出结果如下 第13章矿井电网计算绘图与数据处理一体化CAD系统 主要内容 介绍矿井电网微机CAD系统 该系统集数据库 设计计算 概算统计及结线绘图于一体 采用人机交互式设计方法 逐步完成电网的各步设计 本文将就此系统的数学模型 设计原理 方案 结构模块及功能特点作一介绍 一方面供设计单位及相关读者参考 另一方面为促进微机在矿山机电设计中的应用抛砖引玉 13 1系统结构及功能特点1 矿井电网的特点及设计任务 矿井电网特点 供用电设备分类明确 数量有限且规格化 易于数据库构成及计算机识别 以国家 煤炭设计规程规范为准则 2 矿井电网CAD系统的结构及功能特点 1 系统功能 分析计算 设备选型 统计概算 绘图 2 结构框图及运行环境矿井CAD系统由主控模块 输入输出模块 设计计算模块 统计概算及绘图模块组成 主框图见图 3 特点 采用人机交互式分步设计 全屏幕多层次菜单提示及问答式参数输入 网络采用节点数字识别 原始数据集中输入 数据及参数处理自动进行 包含了所有矿井电网供用电设备的选择和保护整定计算方法 有良好的适用性 随机存取型链表结构的数据库包含了现有矿井所有常用电气设备的型号规格及技术数据 通用性强 设备选型采用了自动与人工两种方式 自动方式下由系统按常规原则选定 而人工方式则可发挥专业人员的经验 并可利用现存设备 做到废物利用 节省投资 13 2数学模型及程序模块设计 1 矿山井下电网通用计算程序设计模型及处理原则 1 用需用系数法计算井下电网总负荷及各干线 支线的有功功率 无功功率与电流 2 电缆截面按机械强度及允许载流量校验 并按环境温度修正 3 网络各节点的三相及两相短路电流计算采用有名值法 4 电动机支路起动电压降校验用精确的阻抗法进行 5 熔断器保护的电缆截面大于或等于最小热稳定截面时校验合格 否则不合格 2 矿井配电网设计模型及处理原则 提供人工与自动两种功能 1 计算部分与电网通用计算相同 2 各设备与电缆型号选择均设有两种方式 用户指定 自动选择 自动方式时程序选取常用且性能优良的类型 规格由计算确定 3 矿用变压器一般选KS7型 容量按大于或等于计算容量确定 台数以最少为原则 4 矿用高压隔爆配电箱一般选PB2 6或新型BPG7 6型 1140V综机采面选用PBL 6型 整定过流保护 并校验灵敏度 5 采区电源按一根选择 6 低压开关选择 7 低压电缆选择 8 高压开关过流保护整定 校验灵敏度 9 屏幕自动绘制供电系统结线图 10 统计概算 4 系统程序设计 1 数据处理 2 菜单设置 5 电网结线图形的自动生成 1 支路识别及元件图绘制 2 网络联接 3 图面布局控制 绘图方向控制 层次与间隔控制 篇幅限制及缩放控制 13 3系统使用方法及实例 3 设计举例 第14章电机CAD技术14 1概述 电机CAD 它已经历了三个阶段 即校核设计 综合设计和优化设计 校核设计时参数事先设置好 能计算出产品的运行性能 综合设计是根据已知的性能要求 决定电机各设计参数 优化设计程序是对设计问题提出明确的数学模型 然后依据现代数学的寻优理论并采用优化方法 得到较优或最优方案的程序 设计电机大致可分为这样几个步骤 选定目标 数学描述 数值处理 编制程序 整理输入数据 检验程序和对输出结果进行分析 14 2基本的电机CAD14 2 1校核设计 1 校核设计与人工手算的异同 2 校核设计程序的编制步骤五个步骤 1 根据设计任务来确定技术条件和评价标准 2 搜集有关参考数据资料 3 建立数学模型 4 框图设计 5 编写源程序 3 编写校核程序时应当注意的问题 1 迭代的处理 迭代计算过程的处理 a 初设值b 允许误差C 再设值 防止 死循环 的处理 2 编写源程序的要点 标识符的命名原则 输入数据的组织 输出数据的组织 14 2 2综合设计 特点 1程序结构以循环计算为主体 2由程序本身来计算 确定各设计参量的选值 故输入量较少 3程序为多方案计算 即能输出给定运算范围内的全部可行方案 4程序对各设计方案具有自动运算 判断 调整和挑选能力 因此自动化程度高 5程序能综合考虑电机性能 成本 结构 工艺性 系列化和通用化等多方面的设计要求 三种类型 综合开槽设计综合循环设计 循环变量的确定 循环的处理3 综合调整设计 14 3电机的优化设计 14 3 1电机优化设计的数学模型求解有约束的非线性最优化问题 因此其数学模型可表示为 为目标函数 可以是指成本 重量等 为约束函数 一般指各项性能指标 如效率 功率因数等 D为X的取值区域 为变量空间 14 3 2变量与约束条件1 变量的确定原则 2 变量的取值范围 3 设计变量的标准化处理 4 约束条件的处理 14 4电气工程CAD方案实例14 4 1电气主结线CAD1 系统结构 2 数据库设计数据主要有三种 原始基础数据 规范处理数据 图形数据3 短路计算及主要电气设备选择 各电压级断路器 隔离开关 限流电抗器 补偿电容器 支柱绝缘子 耐张及悬重绝缘子 穿墙套管 铝母线 软导线 母线桥等 14 4 26 35KV变配电所CAD系统1 设计目标2 设计内容系统包括 1 人机交互界面 2 数据库设计 3 设计计算部分 4 图形文档 3 系统结构及功能模块 14 4 3工厂供用电一体化CAD系统 1 总体结构 包括四部分 1 工厂供用电系统数据库 2 设计计算程序包 3 绘图程序包 4 界面接口 2 数据库3 设计分析程序包 4 绘图程序包 5 系统开发工具及硬软件环境 第15章智能化与网络化电气CAD新技术 15 1智能化电气CAD 智能型电气CAD 不仅具有很强的绘图功能 还要有很强的自动化与优化设计功能 诸如 图形自动生成 自动标注 设备材料统计概算 方案优选等智能化工作 设计活动可分为两类 一类是数值计算工作 另一类是逻辑推理 智能化就是使CAD系统具有专家和人工智能功能 15 1 1电气CAD专家系统 专家系统实质上就是模拟电气工程领域内人类专家行为的计算机程序 1 专家与专家知识 专家是指所在领域中拥有渊博的知识的形象 这些知识来自于教育 资料 主要在于工作经验的积累 知识分为事实 关系和自学习三种 按学习时原先的样子回忆出来的都属于陈述性知识 程序性知识又称为办事方法与操作步骤的知识 策略性知识是指人们应用一定的操作步骤或规则来控制和调节自身的认知过程 程序性知识 在人脑中是以产生式规则的形式表征和存储 以IF Then 如果 则 的形式表示 2 专家系统的特点 专家系统指的能够体现人类专家解决实际问题所使用知识的计算机程序 通常专家系统根据用户的提问提出一个或几个建议 CAD专家智能系统由知识库和推理机制组成 3 专家系统的实践 4 基于知识的CAD方法 普通CAD工具中也含有基于专家系统的编码 把成套设备布置在一起半自动地绘制出大样图 设计的计算机程序也都包含有隐性知识 计算机模拟配电系统 组织配电网描述数据库 根据节点与支路的连接规则 使节点编号和结线图生成自动化 问题在于 新的看法或处理方法 则必须重新编写程序 专家系统是作为一种合成工具而被需要的 我们应该将主要精力放在高层次的设计描述工作上 而把低层次上的合成工作给计算机完成 将细节储存于计算机 这部分可以全部交给计算机完成 5 电气工程CAD专家系统的构成 建立一个电气工程设计类的专家系统一般应解决三个问题 1 知识的获取 2 知识的表示 3 知识的利用 人机接口 数据库 推理机 知识库 知识获取部分 解释部分 各自的功能是 1 知识库 2 推理机 3 数据库 4 解释部分负责给推理提供必要的解释 5 人机接口部分 电气设计的专家系统常用 设计 评价 再设计 的控制结构 该结构一般包含初始设计 分析 评价 方案选择 控制修改和黑板等6个模块 它们各自的功能是 1 初始设计模块 2 分析模块 3 评价模块 4 方案选择 5 控制修改模块 6 黑板模块 智能化电气CAD系统 这是电气工程CAD发展的必然趋势 15 1 2智能化电气CAD系统的结构智能电气工程CAD应包括智能建模 专家系统 分析计算 方案择优 图形生成 工程数据管理 统计概算及仿真等主要部分 1 智能建模 智能建模是电气工程CAD中一个新的概念 它是高一层次的系统级模型构建 它不仅涵盖了常规的元件模型 而且要描述各不同种类元件模型之间的影响与联接关系 智能建模就是将知识表示与专家系统融入电气工程模型的构建中 具体内容为 1 模型层次 组成原理及基本元件 结构及数学描述 电气工程元件图形对象描述技术 元件及标志图元的物理及结构属性分类 组成及联接关系 2 元件的物理属性数据的组织和管理 建立规范化图形元件库 电气图形的自动生成技术 3 CAD系统的全面图示化技术 2 智能电气工程CAD的框架结构 15 1 3CAD中图形交互功能的智能化 1 智能化的图标菜单 移动光标的次数要尽量少 菜单层次要尽量少 菜单要直观 简洁 明了 操作指令结构要十分简化 2 拖放式 造型对图形实体进行 拖放式 的设计 3 动态导引功能随着光标的移动 动态导引自动拾取 判断位置 理解设计意图 记忆常用的步骤 并提示使用者下一步可能要做的工作 15 1 4应用功能智能化1 改进软件结构 实现应用功能集成 2 知识融合技术知识融合技术是能够进行自动化过程设计 管理可能性因素和实践性因素的一门技术 3 系统化造型及系统功能提升使用系统化造型 设计者能够通过改变设计框架中任何部件 查看完整的设计过程及其对设计模型的影响 15 2基于WEB的电气CAD网络技术是人类二十世纪的一项奇迹 网络的出现改变了人类世界的面貌 15 2 1使用网络服务功能 1 电子邮件E MAIL服务 2 信息查询 3 USENET新闻电子公告板 4 Telnel远程登录Telnet远程登录使用户可以共享软件和科研成果 15 2 2运用INTERNET支持CAD 1 通过网络直接查询有关信息 2 进入图书馆查询有关信息 3 了解CAD最新发展动态 4 发布最新CAD动态信息等 5 加强CAD专业人员的信息交流 15 2 3实现INTERNET上CAD资源共享 15 2 4基于WEB的电气工程CAD中数据的传输和管理 1 基本方案 2 数据库与CAD软件接口 15 2 5基于WEB的CAD图纸的管理 1 图纸管理系统介绍 2 管