При проектировании систем электроснабжения возникает целый ряд взаимосвязанных задач по определению электрических нагрузок элементов электрической сети, расчету токов короткого замыкания, выбору электротехнического оборудования и расчету различных режимов его работы. В связи с тем, что распределительные сети низкого и среднего напряжения работают, как правило, в разомкнутом режиме, расчет такой сети обычно не является сложной математической задачей, однако ее приходится решать многократно и для большого числа элементов. При этом часто следует учитывать сложные физические процессы, приближенное моделирование которых при ручных расчетах связано с большими трудозатратами и дает значительную погрешность.

EnergyCS Электрика изначально разрабатывалась под задачи проектирования систем собственных нужд станций и подстанций. Программа позволяет решать большой круг задач с минимальными затратами времени и сил, при этом повышается качество выходной документации. В последней версии программы EnergyCS Электрика реализован расчет сетей постоянного тока, питающихся от аккумуляторной батареи (АБ). В нормальных режимах работы питание потребителей системы собственных нужд осуществляется от сети переменного тока, а в аварийных режимах — от сети постоянного тока с использованием аккумуляторных батарей и инвертеров. На рис. 1 представлен фрагмент сети постоянного тока, питающейся от аккумуляторной батареи.

Рис. 1. EnergyCS Электрика. Расчет сетей постоянного тока

Аккумуляторные батареи являются источником питания, поэтому для расчета сетей, питаемых от АБ, прежде всего, необходимо определить их как источник питания, то есть «подключить» к источнику питания типа «АБ». Процедура подключения (ассоциации) объекта аналогична подключению объекта «Система». Для этого в поле Обозначение следует ввести АБ или выбрать источник питания, который будет ассоциирован с данной АБ. Расчетные параметры АБ зависят от множества факторов, вычисление этих параметров для каждого конкретного расчета производится на основании исходных данных. Таблица описания АБ, представленная на рис. 2, содержит необходимые поля для моделирования объекта.

Рис. 2. Таблица объектов для аккумуляторных батарей

В эту таблицу вводятся обозначение источника питания, его номинальное напряжение, вручную или с помощью инструмента автоматизированного выбора АБ из справочника выбирается необходимый тип аккумуляторной батареи. Под типом АБ указывается емкость новой батареи с учетом ее старения. Изменение емкости батареи к концу срока эксплуатации задается коэффициентом старения. Эти параметры необходимы для определения максимальных и минимальных токов КЗ. В таблице указывается рабочее напряжение, которое приходится на один элемент аккумуляторной батареи и используется для расчета нормального режима работы по напряжениям. В это поле заносится напряжение в режиме заряда АБ для проверки сети на допустимость по максимальным напряжениям. Аккумуляторная установка состоит из элементов, которые можно подсоединять как последовательно, так и параллельно, количество этих элементов также указывается в таблице.

Оценка времени работы от аккумуляторной батареи выполняется на основе определенной расчетной нагрузки с использованием разрядных характеристик, поставляемых в качестве каталожных или паспортных данных аккумуляторных батарей. Для правильного моделирования аккумуляторной батареи необходимо корректно ввести справочные данные. В программу внедрен справочник «Аккумуляторные батареи», внешний вид его таблицы представлен на рис. 3, а также справочник «Характеристики АБ», внешний вид таблицы которого представлен на рис. 4.

Рис. 3. Справочник аккумуляторных батарей

Рис. 4. Справочник «Характеристики АБ» и «Разрядные характеристики»

В справочнике аккумуляторных батарей хранится минимально необходимый набор данных для проведения всех видов расчетов. В таблице указывается емкость новой батареи в А*ч, эквивалентная ЭДС элемента АБ. Внутреннее удельное сопротивление элемента указывается в мОм*А*ч, хотя производители, как правило, указывают его в мОм. Ошиновка аккумуляторной батареи также имеет сопротивление. Если известно его значение, то его необходимо ввести в справочник в мОм. Коэффициент старения показывает отношение емкости старой батареи к емкости новой. В справочнике имеется ссылка на набор разрядных и температурных характеристик.

Как правило, производители аккумуляторных батарей указывают в таблице разрядные характеристики для каждой аккумуляторной батареи и для разных конечных напряжений, а также прилагают кривые разряда АБ, их вид показан на рис. 5.

Рис. 5. Разрядные характеристики в каталогах производителей АБ

В EnergyCS Электрика все характеристики АБ хранятся в относительных единицах, что позволяет ассоциировать одни и те же характеристики сразу с множеством конкретных моделей АБ. В справочник разрядных характеристик вводятся время и ток разряда для заданного напряжения.

Характеристики АБ изменяются в зависимости от температуры окружающей среды и режима работы. В программе имеется таблица, показывающая изменения параметров АБ в зависимости от температуры окружающей среды. Вид таблицы представлен на рис. 6.

Рис. 6. Справочник температурных зависимостей

Как правило, производители в своих каталогах не приводят подобные зависимости, тогда в справочник ничего не нужно вводить, программа примет характеристики аккумуляторной батареи типа СК-1, которые прошиты в программе.

EnergyCS Электрика ориентирована и на проектирование новых, и на анализ существующих объектов. При увеличении числа электроприемников на промышленном объекте необходимо оценить, подходит ли существующая аккумуляторная батарея для новых условий и режимов эксплуатации. Пользователям EnergyCS Электрика не составит труда выполнить такой расчет. Достаточно сформировать модель существующей сети, выбрать типы кабелей, автоматических выключателей, предохранителей и другого оборудования из справочника программы, указать длины и условия прокладки кабелей — при этом сопротивления объектов рассчитаются автоматически. Также следует выбрать (указать) тип аккумуляторной батареи, ввести параметры электроприемников, номинальные и пусковые токи. Когда модель будет собрана, расчет произойдет моментально и на схеме отобразятся результаты расчета, по которым инженер будет принимать проектные решения.

Рис. 7. Пример расчета сети постоянного тока

На рис. 7 видно, что в таком режиме время работы аккумуляторной батареи составляет 44 минуты, а необходимо 60 минут. Можно сделать вывод, что по продолжительности гарантированного питания эта батарея не подходит, принимаем решение поменять тип батареи на более подходящий.

В программе реализован мощный механизм автоматизированного выбора аккумуляторной батареи: программа производит автоматический подбор количества последовательных и параллельных элементов АБ по условиям, которые определяются в специальной таблице, вид которой представлен на рис. 8.

Рис. 8. Параметры автоматизированного выбора АБ

В этой таблице задаются время автономной работы от АБ, допустимые максимальные и минимальные напряжения на шинах АБ, наличие толчковой нагрузки в конце разряда, наличие и параметры стабилизаторов напряжения.

Для рассматриваемого примера необходимо произвести автоматизированный выбор АБ из таблицы объектов АБ, представленной на рис. 9.

Рис. 9. Автоматизированный выбор АБ

Аккумуляторные батареи, которые не подходят по заданным условиям, подсвечиваются красным цветом, подходящие АБ подсвечиваются черным цветом. На рис. 10 видно, что АБ «15 OPzS-1875» не подходит по заданным условиям и поэтому подсвечена красным цветом.

Рис. 10. Подбор аккумуляторной батареи

Из всего многообразия аккумуляторных батарей следует выбрать наиболее подходящую и с технической, и с экономической точки зрения. Этот выбор остается за инженером.

После выбора подходящей АБ необходимо повторить расчет и произвести анализ результатов для принятия решения. На рис. 11 видно, что время работы АБ — 61 минута.

Рис. 11. Результаты расчета с новой АБ

Системы собственных нужд состоят из комплекса различных параллельно работающих источников, таких как система, аккумуляторная батарея, генераторы постоянного тока и статические преобразователи. В нормальных режимах работы аккумуляторная батарея является потребителем, работая в режиме постоянного подзаряда, при возникновении аварийной ситуации она становится источником питания. На данном этапе развития программы возможен раздельный расчет сети постоянного и переменного тока. Мы стремимся к тому, чтобы реализовать расчет, позволяющий учитывать объекты сети постоянного и переменного тока в одной модели. В программе появились такие объекты, как выпрямитель и инвертор, позволяющие стыковать сети постоянного и переменного тока. Их можно добавить на схему, но необходимо отключить, так как их функционал пока что не реализован.

Программный комплекс EnergyCS Электрика позволяет получать комплект выходных документов. Это расчетные таблицы, таблицы, подтверждающие правильность выбора автоматических выключателей и кабелей, кабельные журналы. Программа позволяет получать результаты расчетов по любому выбранному объекту. Результаты расчетов могут документироваться и в текстовом формате в MS Word с использованием шаблонов, и в графической форме, расчетная схема может быть передана в AutoCAD или nanoCAD. В новой версии программы внедрен механизм автоматического формирования однолинейной схемы любого узла в AutoCAD или nanoCAD с использованием шаблонов.

Предварительно необходимо открыть файл-шаблон в CAD-системе, в котором имеются блоки с необходимыми атрибутами для автоматического заполнения программой. Атрибуты в блоки можно добавлять самостоятельно и выводить из программы те параметры, которые необходимы, и размещать их в нужных местах. Файл-шаблон для создания однолинейных схем, который включен в стандартную поставку программы, включает автоматические выключатели, кабели и электроприемники со свойственными им параметрами, в таблице под схемой выводятся марки кабеля, длина, расчетный ток и мощность. Все имена атрибутов, которым свойственны расчетные параметры в программе EnergyCS Электрика, описаны в Руководстве пользователя. Каждый пользователь без труда сможет отредактировать шаблон под свои требования.

Файл-шаблон также имеет рамку, формат которой можно выбрать после создания однолинейной схемы, — формат, который вмещает всю схему. По умолчанию используется формат А4. Для его изменения необходимо выделить рамку, в левом нижнем углу найти маркер-треугольник, щелкнуть на нем левой кнопкой мыши — появится меню с возможными форматами, и выбрать подходящий. Вид такого шаблона представлен на рис. 12.

Рис. 12. Выбор формата рамки

Для создания однолинейной схемы следует выделить узел, для которого нужно создать схему, и вызвать команду Схема однолинейная. Программа считает доступные блоки в файле-шаблоне, формирует таблицу, в которой необходимо определить блоки для каждой ветви, например, для вводного автомата определить блок «Ввод1», а для отходящих линий — «Блок1», затем нажать кнопку Применить. Схема и внешний вид таблицы представлены на рис. 13.

Рис. 13. Фрагмент расчетной схемы для передачи в CAD-систему

Программа также способна автоматически заполнять поля штампа шаблона, это происходит в выводимой на экран таблице, представленной на рис. 14.

Рис. 14. Параметры для штампа

После заполнения всех таблиц в CAD-системе будет создана однолинейная схема, представленная на рис. 15.

Рис. 15. Автоматически созданная однолинейная схема

Программа является лишь инструментом, позволяющим выполнять задачи проектирования максимально быстро и качественно, многие процессы автоматизированы, программа предлагает варианты решения задач, но необходимо помнить, что последнее слово всегда остается за проектировщиком. Эта САПР постоянно развивается, добавляются новые функции и возможности, необходимые специалистам в их работе.

EnergyCS Электрика имеет сертификат соответствия требованиям нормативных документов (ГОСТ 28249−93, ГОСТ 29176–91, ГОСТ 52735–2007, ГОСТ 52736–2007 и др.). Сертификат представлен на рис. 16.

Рис. 16. Сертификат соответствия

Область применения программы EnergyCS Электрика очень широка. Это проектирование распределительных сетей промышленных предприятий, систем собственных нужд электрических станций и подстанций. Программа может пригодиться при разработке технических условий на подключение новых потребителей к существующим источникам питания, для оперативного контроля и анализа возможных режимов существующих электрических сетей переменного и постоянного тока.