Алгоритм автоматизированного выбора схем электрических соединений открытых распределительных устройств напряжением 35-750 кВ в САПР "ОРУ CAD"

Системы автоматизированного проектирования (САПР) значительно облегчают работу проектировщика и сокращают время, затрачиваемое им на решение рутинных задач, освобождая его для принятия решений, требующих не только знаний в предметной области, но и творческого подхода. В сфере проектирования объектов электроэнергетики, САПР широко внедряются в области проектирования электрических машин [1–5]. Так в [5] рассмотрен вопрос оптимизации конструктивного исполнения распределительного трансформатора на основе модификации генетического алгоритма. Целый ряд работ посвящен применению САПР для проектирования электронных схем [6–8]. В области электроснабжения САПР широко используются для проектирования электрических сетей низкого [9] и среднего напряжения [10], осветительной сети [11], расчетов заземления и мол-ниезащиты [12, 13], а также выбора проводников и электрических аппаратов [14].

Для автоматизированного проектирования электрической части подстанций и электростанций используются различные программные пакеты. Наиболее известные из них, КОМПАС и AutoCAD, позволяют создать пакет проектной документации, включая чертежи, спецификации и пояснительную записку по действующим нормам ЕСКД, однако они не облегчают работу проектировщику в части принятия проектных решений. Работа [15] описывает программное обеспечение SIDE, позволяющее осуществить выбор схемы распределительного устройства и оценить возможные варианты с точки зрения надежности и затрат на его сооружение, однако данное ПО не учитывает Российские нормы проектирования электрических подстанций.

Предложенный авторами и используемый в ПО «ОРУ CAD» [16] алгоритм автоматизированного выбора вариантов схем открытых распределительных устройств (РУ) напряжением 35 кВ и выше учитывает используемые для таких РУ типовые решения и области их применения, приведенные в [17, 18]. Основой для выбора схемы является уровень напряжения распределительного устройства, тип подстанции и число присоединений. Кроме этого учтены такие факторы, как число ответвительных подстанций на питающей ЛЭП и возможность передачи сигналов релейной защиты на отключение выключателя питающей ЛЭП (для тупиковых подстанций), необходимость в частых коммутациях силового трансформатора, число распределительных устройств подстанции, количество нерезервированных присоединений и необходимость в системе плавки гололеда.

Алгоритм выбора вариантов схемы распределительного устройства напряжением 35 кВ

Начальным этапом выбора схемы является задание начальных условий, а именно класс напряжения РУ, является ли оно РУ высшего либо среднего напряжения на данном объекте (вид РУ), число присоединений n и число ЛЭП L , в котором учтены как питающие, так и транзитные линии. Число ЛЭП на распределительном устройстве необходимо задать именно на этапе формулировки начальных условий, так как данный алгоритм является началом работы программы «ОРУ CAD». Далее эта переменная учитывается при автоматизированной отрисовке схемы РУ.

Дальнейший ход алгоритма определяется уровнем напряжения распределительного устройства (рис. 1).

Предложенный авторами алгоритм выбора схемы РУ напряжением 35 кВ показан на рис. 2. В соответствии с ним первым проверяется условие равенства числа присоединений на подстанции 2. Такому условию соответствуют только тупиковые и ответвительные подстанции. Для ответвительной подстанции в программе предусмотрена возможность ввода дополнительных условий: наличие ответвительных подстанций на питающей ЛЭП (nо) и возможность передачи сигнала релейной защиты на выключатель с питающего конца ЛЭП (rz). Если nо = 1, т. е. на питающей ЛЭП есть ответвительные подстанции, то предлагается вариант схемы 3Н «Блок (линия-трансформатор) с выключателем». В противном случае проверяется условие rz = 1, т. е. есть возможность передачи сигнала релейной защиты. Если rz = 1, то выбирается схема 1 «Блок (линия-трансформатор) с разъединителем», иначе – схема 3Н. Для ответвительной подстанции с двумя присоединениями также предлагается схема 3Н. Если число присоединений задано равным двум, а тип подстанции не соответствует ни тупиковой, ни ответвительной, то выдается сообщение об ошибке «Неверно задан тип подстанции» (метка F).

Если n ≠ 2, то проверяется условие соответствия типа подстанции ответвительной или тупиковой. При его выполнении дополнительно проверяется равенство числа присоединений 4. Если n = 4, то предлагается схема 4Н «Два блока с выключателями и неавтоматической ремонтной перемычкой со стороны линии», иначе выдается сообщение об ошибке (метка F ).

Если предыдущие условия не выполнились, то проверяется соответствие типа подстанции проходной. При выполнении этого условия и равенстве числа присоединений 4 появляется возможность для пользователя указать, требуется ли на подстанции частая коммутация трансформаторов. Если требуется, то переменной k присваивается значение «1», иначе – «0». При k = 0 предлагается схема 5Н «Мостик с выключателями в цепях линий и ремонтной перемычкой со стороны линии», при k = 1 – схема 5АН «Мостик с выключателями в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов». Если для проходной подстанции задано число присоединений не равное 4, то выдается сообщение об ошибке.

Если подстанция не проходная и число присоединений на ней равно пяти, то она должна быть либо транзитной, либо узловой. Для транзитной предлагается схема 5АН, а для узловой – схема 9 «Одна рабочая секционированная выключателем система шин». При числе присоединений на транзитной подстанции большем пяти предлагается схема 9. Если все указанные выше условия не выполняются, то выдается сообщение об ошибке и пользователю необходимо скорректировать тип подстанции.

Рис. 1. Алгоритм автоматизированного выбора схемы распределительного устройства напряжением 35–220 кВ (начало)

да

^0=1

ответвительная нет rz=\ транзитная подстанции ответвительная или тупиковая

Тип подстанции = проходная

Тип подстанции = тупиковая

Тип узловая к=0 - частая коммутация не требуется;

А=1 - частая коммутация требуется;

Рис. 2. Продолжение алгоритма автоматизированного выбора схемы РУ (для РУ напряжением 35 кВ)

Ввод:

Ввод: требуется ли частая коммутация трансформаторов к п0 - наличие ответвительных подстанций на питающей ЛЭП («нет» - по=0; «да» - ио=1);

rz - возможность передачи сигнала РЗ («нет» - rz=O;

«да» - rz=l);

Алгоритм выбора вариантов схемы распределительного устройства напряжением 110 и 220 кВ

Для РУ напряжением 110 и 220 кВ также первым выполняется проверка условия «Тип подстанции». Алгоритм выбора схемы для данных РУ показан на рис. 3.

Для тупиковых подстанций осуществляется переход по меткам A (при числе присоединений, равном 2) или B (при ином числе присоединений) в алгоритм выбора схемы РУ 35 кВ, так как в данном случае условия и предлагаемые варианты схем аналогичны.

Для ответвительных подстанций при двух присоединениях предлагается схема 3Н, при четырех – схема 4Н. Если пользователь задал иное число присоединений, то выдается сообщение об ошибке.

Если подстанция является проходной, то дальнейший выбор схемы определяется числом присоединений на РУ. Так при трех присоединениях предлагается схема 6Н «Треугольник», при шести – схема 6 «Заход-выход», а при четырех присоединениях осуществляется переход по метке C в алгоритм, показанный на рис. 2, где выбор схемы осуществляется аналогично РУ напряжением 35 кВ. При ином числе присоединения программой выдается сообщение об ошибке.

Если пользователем выбран тип подстанции «Транзитная», то при пяти присоединениях на РУ предлагается схема 9. Если число присоединений находится в интервале от 6 до 8, то необходимо дополнительно указать, будет ли РУ включено в схему плавки гололеда. Для этого вводится переменная I , которая принимает значение 0 (если плавки гололеда нет) и 1, если она требуется. При равенстве этой переменной 0 будет выбрана схема 13 «Две рабочие системы шин», а если она равна 1, то схема 13Н «Две рабочие и обходная системы шин». Схема 13Н предлагается также для РУ с числом присоединений от 9 до 14, независимо от необходимости включения РУ в систему плавки гололеда.

Для узловой подстанции при числе присоединений на РУ, равном четырем, будет выбрана схема 7 «Четырехугольник». Для РУ узловой подстанции с пятью присоединениями пользователь должен дополнительно указать число нерезерви-руемых присоединений nr и является ли проектируемое РУ частью высшего или среднего напряжения. Если нерезервируемые присоединения отсутствуют, то для РУ высшего напряжения выбирается схема 9, а для РУ среднего напряжения – схема 9Н «Одна рабочая секционированная по числу трансформаторов система шин, с подключением трансформаторов к секциям шин через развилку выключателей». При одном или двух нере-зервируемых присоединениях для РУ среднего напряжения предлагается к проектированию схе- ма 12Н «Одна рабочая секционированная выключателями и обходная системы шин с подключением трансформаторов к секциям шин через два выключателя». Для РУ высшего напряжения при том же числе нерезервируемых присоединений будет выбрана схема 9АН «Одна рабочая секционированная система шин с подключением ответственных присоединений через полуторную цепочку», если система плавки гололеда не требуется, либо схема 12 «Одна рабочая секционированная выключателем и обходная системы шин», если РУ будет включено в схему плавки гололеда. При большем числе нерезервированных присоединений к проектированию предлагается схема 13. Для узловой подстанции с шестью присоединениями на РУ независимо от прочих условий будет предложена схема 8 «Шестиугольник», при 7–14 присоединениях – схема 13Н, а для РУ с большим числом присоединений – схема 14 «Две рабочие секционированные выключателями и обходная системы шин с двумя обходными и двумя шиносоединительными выключателями».

Предложенный таким образом вариант схемы РУ будет полностью удовлетворять требованиям действующих нормативных документов, однако не позволит подобрать вариант схемы с учетом фактора надежности и его экономических показателей. Для этого кроме схемы, выбранной по алгоритму, показанному на рис. 1–4, программа предлагает пользователю варианты, подходящие по классу напряжения распределительного устройства и числу присоединений на нем для дальнейшей оценки показателей их надежности и приведенных затрат. Предлагаемые программой варианты приведены в таблице.

В качестве примера рассмотрим проектируемую транзитную подстанцию с высшим напряжением 110 кВ и шестью присоединениями на распределительном устройстве высшего напряжения. Линии, питающие подстанцию и отходящие от нее, должны быть включены в схему плавки гололеда. В соответствии с предложенным алгоритмом (см. рис. 3) рекомендуемым вариантом схемы РУ 110 кВ является схема 13Н, однако для дальнейшего сравнения по критерию экономичности и надежности в соответствии с таблицей предлагаются также схемы 8, 6 и 13. Очевидно, что обеспечить плавку гололеда на воздушных линиях электропередачи позволят только компоновки схем 8, 6 и 13Н, поэтому вариант схемы РУ 13 для дальнейшего рассмотрения не принимается. Таким образом разработанный алгоритм позволяет проектировщику с минимумом временных затрат выбрать типовой вариант схемы РУ, а также несколько нетиповых вариантов, из которых впоследствии можно определить оптимальный по критерию минимума затрат и обеспечивающий необходимый уровень надежности.

нет

n =2

n =2

3Н

Тип подстанции = ответвительная

Тип подстанции = транзитная

Тип подстанции = проходная

Тип подстанции = тупиковая

Система плавки гололеда I нет

I =0– нет;

I =1 –да

n =4

Иначе

Иначе

13Н

Тип подстанции = узловая нет

I

ВН

РУ

5 I

Число нерезервируемых присоединений nr

6   7-14 >14

РУ: ВН; СН

РУ

ВН

Система плавки гололеда I

Рис. 3. Продолжение алгоритма автоматизированного выбора схемы РУ (для РУ напряжением 110 и 220 кВ)

Варианты схем, предлагаемые к технико-экономическому сравнению

Класс напряжения, кВ	Число присоединений на РУ	Предлагаемые к сравнению схемы
35	2	1; 3Н
	4	1; 3Н; 4Н; 5Н; 5АН
	≥ 5	9
110 220	2	1; 3Н
	4	1; 3Н; 4Н; 5Н; 5АН
	5	9; 9Н; 9АН; 12; 12Н
	6	6; 8; 13; 13Н
	7–14	13; 13Н
	≥ 15	14

Заключение

В работе предложен алгоритм автоматизированного выбора схемы распределительного устройства подстанции или электростанции напряжением 35–220 кВ, реализованный в ПО «ОРУ CAD». Разработанный авторами алгоритм позволяет выбрать вариант схемы распределительного устройства в соответствии с действующими нормативными документами, а также предлагает варианты схем, удовлетворяющие классу напряжения РУ и числу присоединений для их последующего сравнения по показателям надежности и приведенным затратам. ПО «ОРУ CAD» может быть использовано в качестве автоматизированного рабочего места инженера-проектировщика электрической части подстанций.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-37-00115.