САПР понизительных подстанций с высшим напряжением 35-220 кВ

 
 
 
 
А. В. Варганова, Е. А. Панова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
САПР ПОНИЗИТЕЛЬНЫХ ПОДСТАНЦИЙ  
С ВЫСШИМ НАПРЯЖЕНИЕМ 35-220 кВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.311/.315 
ББК 31.27 
В18 
 
 
Рецензенты: 
заведующий кафедрой электротехники Московского политехнического 
университета, доктор технических наук, профессор 
А. А. Радионов; 
заведующий кафедрой автоматизированных систем управления  
Магнитогорского государственного технического университета 
им. Г. И. Носова, доктор технических наук, доцент 
С. М. Андреев 
 
 
 
 
 
 
Варганова, А. В.  
В18  
САПР понизительных подстанций с высшим напряжением 35-220 кВ : 
учебное пособие / А. В. Варганова, Е. А. Панова. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. - 140 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1681-8 
 
Дано общее представление о стадиях проектирования и содержании технического 
задания, а также о структуре и разновидности САПР, применяемых в том числе для 
проектирования электроустановок. Основное внимание уделено описанию разработанных авторами САПР «ОРУ CAD» и «ЗРУ CAD», а также базы данных к ним. Приведена структура базы данных и ее заполнение. Описаны алгоритмы автоматизированного выбора и проверки проводников и электрических аппаратов напряжением 
выше 1 кВ, выполнения технико-экономического обоснования выбора схемы распределительного устройства, а также автоматизированного формирования выбранной 
схемы распределительного устройства. 
Для обучающихся бакалавриата по направлению 13.03.02, магистратуры по 
направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также аспирантов. 
 
УДК 621.311/.315 
ББК 31.27 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1681-8 
© Варганова А. В., Панова Е. А., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5
1. ОБЗОР ПЕЧАТНЫХ РАБОТ И ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ, 
ПОСВЯЩЕННЫХ СИСТЕМАМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ОБЪЕКТОВ 
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ ........................................................................................... 6
1.1. Обзор печатных работ 
.......................................................................................... 6
1.2. Обзор программ для ЭВМ ................................................................................. 12
1.3. Обзор нормативной документации .................................................................. 19
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ............................................................................................... 22
2.1. Стадии проектирования 
..................................................................................... 22
2.2. Техническое задание на проектирование ........................................................ 25
2.3. Системный подход в проектировании ............................................................. 28
2.4. Структура САПР ................................................................................................ 29
2.5. Разновидности САПР 
......................................................................................... 32
3. РАЗРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ К САПР 
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ГЛАВНЫХ ПОНИЗИТЕЛЬНЫХ 
ПОДСТАНЦИЙ ......................................................................................................... 36
3.1. Структура базы данных ..................................................................................... 36
3.2. Заполнение базы данных ................................................................................... 43
4. АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ВЫБОРА И ПРОВЕРКИ ПРОВОДНИКОВ  
И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ..................................................................... 45
4.1. Алгоритм расчета токов короткого замыкания 
............................................... 45
4.2. Алгоритм выбора и проверки выключателей 
.................................................. 50
4.3. Алгоритм выбора и проверки измерительных трансформаторов тока  
по условиям нормального и аварийного режима работы ..................................... 53
4.3.1. Проверка трансформаторов тока по вторичной нагрузке 
........................... 55
4.4. Алгоритм выбора и проверки трансформаторов напряжения 
....................... 60
4.5. Алгоритм выбора и проверки кабельных линий 
............................................. 62
4.5.1. Автоматизированная проверка кабелей  по условиям режима короткого 
замыкания 
................................................................................................................... 63
4.6. Алгоритм выбора и проверки однополосных шин  прямоугольного  
сечения 
........................................................................................................................ 66
4.6.1. Алгоритм автоматизированного выбора сборных шин и проверки  
по условию термической стойкости 
........................................................................ 66
4.6.2. Автоматизированная проверка сборных шин по условию  
электродинамической стойкости ............................................................................. 68
5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА  
ВАРИАНТА СХЕМЫ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В САПР 
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ГЛАВНЫХ ПОНИЗИТЕЛЬНЫХ 
ПОДСТАНЦИЙ ......................................................................................................... 72
5.1. Методика оценки эффективности сравнения вариантов проектируемых 
объектов электроэнергетики .................................................................................... 72
3 

5.2. Первоначальные капитальные вложения 
......................................................... 72
5.3. Ежегодные эксплуатационные издержки производства ................................ 73
5.4. Оценка народнохозяйственного ущерба от нарушения электроснабжения 73
5.5. Структурные схемы надежности ...................................................................... 76
5.6. Алгоритм расчета капитальных вложений ...................................................... 92
5.7. Алгоритм расчета эксплуатационных издержек 
............................................. 95
5.8. Алгоритм расчета экономического ущерба от нарушения  
электроснабжения ..................................................................................................... 98
5.9. Методика технико-экономического сравнения вариантов схем ................... 98
5.10. Реализация в САПР ........................................................................................ 100
6. ФОРМИРОВАНИЕ СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ  
6-10 КВ ГЛАВНЫХ ПОНИЗИТЕЛЬНЫХ ПОДСТАНЦИЙ 
.............................. 103
6.1. Выбор контрольно-измерительных приборов в цепях оборудования 
распределительных устройств ............................................................................... 103
6.2. Формирование присоединений распределительных устройств 6-10 кВ ... 107
6.3. Алгоритм формирования однолинейной схемы распределительного 
устройства 6-10 кВ 
.................................................................................................. 116
6.4. Автоматизированное создание однолинейных схем  
в разработанной САПР ........................................................................................... 119
6.5. Примеры создания однолинейной схемы РУ 6-10 кВ с помощью  
отрисованых визуальных элементов ..................................................................... 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 125
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 126
 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Сегодня проектирование сложных объектов, таких как электроустановки, 
невозможно без использования САПР. В области электроэнергетики широко 
применяются различные чертежно-графические САПР, позволяющие не только 
автоматизировать создание графической части проекта, но и создавать табличные документы, а также выполнять некоторые расчеты. Значительно упрощают 
работу проектировщиков САПР, реализующие функции проектных расчетов 
для различных этапов проекта, таких как расчет токов короткого замыкания, 
определение параметров срабатывания релейной защиты и их проверка по чувствительности, проектирование отдельных элементов электроустановки и их 
трехмерное моделирование. 
При выполнении этапа проекта, связанного с выбором и проверкой электрических проводников и аппаратов электроустановки проектировщику приходится использовать большой объем нормативных документов, справочной информации, руководящих указаний и каталогов заводов изготовителей. Поэтому 
задачей САПР является автоматизация рутинных повторяющихся расчетов с 
использованием алгоритмов с математическим описанием справочной информации, в том числе представленной в графической форме, а также представление номинальных параметров электрооборудования в виде встроенной базы 
данных. 
К проектируемым объектам предъявляются не только технические требования, но и требования экономической целесообразности принимаемых проектных решений. Выполнение на каждом этапе проекта вариантных расчетов с 
целью определения оптимального решения является трудоемким и трудно реализуемо, учитывая ограниченные сроки выполнения и сдачи проекта. Поэтому 
целесообразно автоматизировать процесс принятия проектных решений не 
только с соблюдением требований норм проектирования, но и с обеспечением 
технико-экономической их эффективности.  
 
 
5 

1. ОБЗОР ПЕЧАТНЫХ РАБОТ И ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ, 
ПОСВЯЩЕННЫХ СИСТЕМАМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 
ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ 
 
1.1. Обзор печатных работ 
 
Для того, чтобы облегчить задачу инженеров-проектировщиков и свести к 
минимуму ошибки, совершаемые при осуществлении однотипных расчетов, 
появляется необходимость разработки САПР. 
Под системой автоматизированного проектирования (САПР) понимается 
система, основанная на формализации процесса проектирования и его реализации (материализации) на ЭВМ. Так, в своей работе [1] М. Н. Околович рассказывает о программном обеспечении (ПО), включающем в себя комплект программ для проектирования и обслуживания САПР, а также программы для обмена информацией. 
Автор статьи [2] разработал алгоритм выбора оптимального размещения 
распределительных подстанций. Основной задачей данной САПР является 
определение количества, расположения и размера подстанции, учитывающей 
мощность и класс напряжения. 
Статьи [3-5] посвящены автоматизированному проектированию сетей 
электроснабжения с возможностью выбора наиболее экономичного варианта 
схемы. САПР низковольтных сетей представлена в [5]: программный комплекс 
на основе расчетов нагрузки осуществляет выбор конфигурации сети. В статье 
представлена реализация данного метода на примере электроснабжения жилых 
комплексов. 
В работе [6] рассматривается программная система Merage-ADT, разработанная Ивановским государственным университетом, информационной основой которой является описание объекта по подсистемам, узлам, элементам. 
Данная система состоит из трех основных подсистем: создание и ведение базы 
данных, подготовка и синтез единой модели проекта, а также документирование. На последнем этапе программное обеспечение представляет полную информацию обо всех подходящих вариантах, оставляя за проектировщиком право выбора. 
Авторы [7] поставили задачу разработать САПР системы электроснабжения промышленных предприятий, используя графические интерфейсы пользователя GUIs, на базе которых построены операционные системы Windows. 
Предложенная САПР осуществляет расчет электрических нагрузок и токов короткого замыкания, расчет компенсации и выбор компенсирующих устройств, а 
также построение картограммы нагрузок и схем на напряжение выше 1 кВ. Интерфейс предложенной САПР построен с помощью языка программирования 
Visual Basic 6, а графический менеджмент с помощью функций Windows Win32 
API. 
 
 
6 

В статье [8] рассматривается метод тестирования решателей систем ОДУ. 
Разбираются математические тесты для численного моделирования высокочастотных электронных схем, которые моделируются системами ОДУ с локально 
неустойчивыми решениями, а также системами ОДУ, содержащими функции с 
разрывами производных. Задачи представлены как в схемном, так и в математическом виде, тем самым позволяя сравнивать полученные результаты с решателями систем ОДУ в других известных пакетах математических программ. 
Показаны недостатки, выявленные при тестировании. 
Для сокращения времени и затрат на проектирование АСКУЭ наиболее целесообразно автоматизировать процесс проектирования системы энергоучета [9]. 
В статье [10] представлен обзор программного обеспечения САПР радиоэлектронной аппаратуры европейских производителей: Великобритании, Германии, Бельгии, Дании и Грузии. 
Ряд работ посвящен автоматизации проектирования воздушных линий 
электропередач (ВЛЭП). САПР «Транслайн» [11, 12] позволяет произвести расчет на устойчивость, расчет на статическую прочность и деформацию, а также 
расчет на резонансные частоты и колебания металлоконструкций, а авторы [13] 
для диагностики элементов ВЛЭП (опорных конструкций, изоляторов, проводников) предлагают автоматизировать методы обработки изображений, т. к. это 
поможет обеспечить качество технического обслуживания всех компонентов. 
Однако в статье [14] говорится об отсутствии на данный период времени автоматизированной информационной системы, осуществляющей комплексный 
подход к проектированию воздушных линий. 
В работах [15-22] рассматриваются системы автоматизированного проектирования в среде MATLAB. Автор [15] для автоматизации проектирования 
электрической сети постоянного тока предлагает использовать средства Virtual 
Reality Toolbox MATLAB-Simulink, т. к. эта среда позволяет моделировать динамические процессы, протекающие в электротехнических системах. В [15-17] 
Л. Г. Рогулина рассматривает алгоритмы автоматизации выбора аппаратов защиты и проектирования систем гарантированного электроснабжения для электростанций и их программную реализацию в среде MATLAB. В статье [20] разработана методика и создана система автоматизированного проектирования 
трансформатора с сердечником из аморфной стали. Пробная версия данной системы создана в среде MathCad. Расчетная подсистема САПР трансформатора 
реализована на основе MSExcel с использованием встроенной системы программирования VBA. Для оптимизации трансформатора создана непрерывная 
модель, которая может быть применима в качестве функции цели для методов 
нелинейного программирования. Оптимизация осуществляется методом переменной метрики Дэлевидона-Флетчера-Пауэлла. В статье [21] описана САПР, 
позволяющая рассчитывать и оптимизировать сухие и масляные трехфазные 
двухобмоточные трансформаторы мощностью до 10 000 кВА, напряжением до 
35 кВ. С помощью интерфейса ExelLink комбинируются возможности Excel с 
математическим пакетом MathCad. Чертежи и спецификации получают автоматически по шаблонам из типовых 3D-моделей. Информация о проектируемом 
объекте сохраняется в базе данных, созданной в среде СУБД Access. Данная 
7 

САПР не уступает аналогам, однако является достаточно легковесной. В статье 
[22] рассмотрена структура САПР токоограничивающего реактора. Управление 
САПР обеспечивается на базе MS Excel. Для подсистем, которые требуют более 
сложные математические функции, используется среда математического процессора MatLab, который связан с управляющей программой через интерфейс 
ExcelLink. Главный принцип построения математического обеспечения данной 
САПР - компонентная интеграция модулей. Результаты поверочного расчета 
сопоставляются с результатами эксперимента. 
В статье [23] проведен анализ математической функции (целевой функции), которая описывает модель распределительного трансформатора. Разработан комбинированный алгоритм оптимизации на основе генетических алгоритмов и метода деформируемого многогранника (метода Нелдера-Мида (симплекс-метода)). Созданная быстродействующая подсистема оптимизации интегрирована в САПР распределительных трансформаторов. Сделаны выводы на 
основе сравнения результатов САПР с результатами натурных исследований 
физических образцов. Задачей статьи [24] является поиск наилучшего варианта 
трансформатора, в частности распределения витков по сечению обмоток, а также рассмотрение всех электромагнитных расчетных методов. В итоге были 
проанализированы современные возможности метода конечных разностей. 
В [25] авторами разработаны алгоритмы и программное обеспечение для автоматизированного проектирования электрических сетей, позволяющие выполнять графическое построение различных вариантов схем сети, расчеты и анализ 
режимов проектируемой сети, выбор площади поперечного сечения проводников 
и номинальной мощности трансформаторов. САПР автоматически рассчитывает 
параметры линий в соответствии с их сечением и длиной. Выбор площади сечений проводников осуществляется по методу экономической плотности тока, а выбор номинальной мощности трансформаторов по расчетной мощности от величины нагрузки узла. После выбора площади сечения проводов и номинальной мощности трансформаторов автоматически происходит перерасчет режима сети. 
В [26] рассмотрено программное обеспечение, которое позволяет осуществлять поверочные расчеты погружного асинхронного двигателя и получать 
его рабочие и пусковые характеристики. 
Статьи [27-29] посвящены проблеме создания энергосберегающих систем 
как для промышленных предприятий, так и для других потребителей, обеспечивающих более высокий уровень энергосбережения. Работа [27] посвящена 
разработке системы автоматизированного сбора и передачи информации о перерывах электроснабжения для учета ущерба, т. к. он является основным видом 
ежегодных издержек. Данная разработка позволяет облегчить сбор информации 
о перерывах электроснабжения и вести собственный оперативный журнал с детальным отчетом о состоянии энергосистемы в реальном времени. 
В статье [30] рассмотрен математический аппарат, созданный для оптимизации проектных решений. Используется технология искусственного интеллекта для организации баз данных и баз знаний. Разработанные и описанные в статье процедуры позволяют минимизировать время выбора и принятия технических решений. 
8 

Работы [31-34] посвящены автоматизации расчета электрических нагрузок. 
Автор [34] разработал САПР, позволяющую рассчитывать токи по линиям 
электропередачи в цеху, выбирать коммутационную аппаратуру, распределительные шкафы и распределительные пункты из встроенной базы данных, а 
также выбирать проводники с учетом типа, способа прокладки и материала 
проводника. 
В статье [35] рассматривается детализация и основные характеристики 
объектов электроснабжения, а также их принципиальные схемы, которые необходимо учитывать при разработке системы автоматизированного проектирования. 
В [36] рассматривается проблема электромагнитных расчетов, которую 
необходимо решить при создании автоматизированного проектирования трансформаторов. В частности, анализируются современные возможности метода 
конечных разностей. 
Разработка алгоритмов и программы компьютерных расчетов по выбору 
основных параметров и режимов работы системы электроснабжения, цехового 
электроснабжения с выбором оптимального размещения электрической сети и 
цеховых ТП, с составлением спецификации и смет изложено авторами Степановым В. М. и Косырихиным В. С. в [37]. В [38] и [39] в 2015 году этими же авторами представлена методика расчета и основы проектирования систем электроснабжения на ПЭВМ. 
Одной из наиболее эффективных программ для автоматизированного расчета и проектирования освещения является DIALux [40-42], разработанная 
немецким Институтом прикладной светотехники - DIAL GmbH. В программу 
заложено большое количество библиотек со светотехническим оборудованием, 
а также возможен доступ к светильникам любых изготовителей. Расчет производится по методу коэффициента использования. 
Монография [43] посвящена научным исследованиям по практическим вопросам проектирования FACTS-устройств с целью компенсации реактивной 
мощности, т. е. представлены схемы, описания и методология выбора типа этих 
устройств.  
В статье [44] рассматриваются различные САПР (SIMARIS design фирмы 
Siemens; nanoCAD Электрофирмы Нанософт; программные продукты группы 
компаний CSoft): их функциональные свойства и формы представления данных. 
Определен один из недостатков вышеперечисленных САПР - невозможность 
проведения экономических расчетов. Показана целесообразность создания 
PLM-системы, позволяющей оценить стоимостные показатели проектных решений.  
Статья [45] посвящена алгоритму автоматизированного проектирования систем электроснабжения переменного тока для питания телекоммуникационного 
оборудования. Разработаны имитационные модели. Для переходных режимов 
разработаны имитационные модели в среде Simulink. Приведенные результаты 
практической реализации САПР удовлетворяют заданным требованиям. 
 
 
9 

В [46] рассматривается внедрение новых технологий для снижения времени проектирования и повышение качества принимаемых проектных решений. 
Для выполнения данной задачи применяется система ELNET, обладающая математическими модулями и графическим интерфейсом. 
Также существует множество учебных пособий, посвященных системе автоматизированного проектирования [47-52]. В учебном пособии «Учебная 
САПР электрической части станций и подстанций» авторами [47] описан порядок расчета токов КЗ и выбора оборудования и токопроводов с помощью стандартной системы проектирования AutoCAD. В [48] разработаны и описаны методы и алгоритмы для решения задач, возникающих при выборе проводов и кабелей. Реализована объектная модель проводника с использованием языка программирования С. 
В работах [53-56] рассматривается автоматизированное проектирование 
системы заземления подстанции. В работе [53] представлена методика расчета 
заземляющей установки подстанции в среде Visual Basic, а автор [54] для расчета заземления предлагает применять программное обеспечение с использованием Visual Studio. 
В статье [57] разработан комбинированный алгоритм оптимизации, который представляет собой смешение достоинств генетических алгоритмов и симплекс-метода. Созданная подсистема оптимизации интегрирована в единую 
САПР распределительных трансформаторов. 
В [58-60] рассматриваются особенности автоматизации проектирования 
систем электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. В статье [58] 
представлен алгоритм проектирования сельских электрических сетей с наиболее выгодным местоположением электростанции, а работа [59] посвящена разработке PLM-системы, позволяющей осуществить интеграцию САПР систем 
электроснабжения и оценить экономическую составляющую принимаемых 
проектных решений.  
Целью научной статьи [61] является описание понятия «виртуальное моделирование». Также в работе рассматривается актуальность создания единой 
развивающей виртуальной модели энергообъекта. В итоге, в статье рассмотрены существующие возможности виртуального моделирования объектов электроэнергетики, а также описаны проблемы, связанные с виртуальным моделированием энергоблоков и тепловых электростанций. 
В статье [62] решается вопрос ускорения и улучшения качества работы 
проектировщиков по электроснабжению. Для этого предложено использование 
методики автоматического построения схем электроснабжения низкого напряжения, с использованием языка программирования AutoLISP, являющегося 
стандартным для AutoCAD. Программа может быть использована при проектировании силового электрооборудования жилых и общественных зданий. 
В работе [63] рассматривается вопрос упрощения и ускорения разработки 
различного электрооборудования и создание принципиальных электрических 
схем. Для решения задачи используют программные продукты компании АСКОН. Использование системы КОМПАС-Электрик значительно экономит время конструктора и существенно повышает качество проектирования.  
10