1、電氣CAD技術,緒 言,一、本課程的性質、任務和目的 CAD技術的基本知識和技能是高校電氣類專業(yè)畢業(yè)生必須掌握的，通過本課程，使學生掌握電氣CAD的概念、組成和結構原理，掌握計算機繪圖、工程數(shù)據(jù)管理、電氣工程建模、分析處理算法等。本課程以電網(wǎng)的輔助分析及廠礦電網(wǎng)設計為主要的內容，介紹了智能化、網(wǎng)絡化及基于地理信息系統(tǒng)的CAD新技術。使學生在掌握電氣CAD基本概念和理論的基礎上，還能掌握電氣CAD軟件的應用與開發(fā)方法，提高實際操作和動手能力。 二、本課程的基本要求和主要內容 1、電力及廠礦供電CAD系統(tǒng)的構成 2、電氣CAD繪圖基礎及交互處理技術,3、電氣工程中AutoCAD繪圖軟件應用與二次開

2、發(fā) 4、電氣CAD中工程數(shù)據(jù)的組織和管理5、電氣CAD中高級繪圖及圖形與數(shù)據(jù)庫的鏈接 6、電力及廠礦供電CAD軟件開發(fā) 7、電力及廠礦供電CAD中基本建模與處理方法 8、圖示化電力CAD潮流及網(wǎng)損軟件 9、圖示化電網(wǎng)多功能短路電流計算軟件介紹 三、學習方法 以課堂講授為主，輔以課外作業(yè)及必要的現(xiàn)場教學與機輔教學。 本書中電氣CAD應用軟件的研究得到中國電力基金會“許繼獎教金”的大力資助。,第一章 概 述 1.1 計算機在電力及廠礦供電系統(tǒng)中的應用 1.1.1 計算機在電力系統(tǒng)中的應用 1）起步早，發(fā)展迅速 2） 應用范圍不斷擴大 1.1.2 計算機在廠礦供電中的應用 1）供電系統(tǒng)及變電所輔助設

3、計 2） 廠礦供電系統(tǒng)及變電所監(jiān)控 3）廠礦供電系統(tǒng)信息管理,1.1.3 電力及廠礦供電系統(tǒng)計算機應用的發(fā)展趨向 1）分級管理的分布式集成監(jiān)測診斷系統(tǒng) 2） 高速發(fā)展和逐步完善的電力信息網(wǎng)絡 3） 面向對象的圖示化計算機輔助設計技術與生產(chǎn)過程仿真技術 4） 數(shù)字電力系統(tǒng)（Digital power system） 數(shù)字電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)描述、控制和管理的最新模式，其基本內容可涵蓋已有的EMS（能量管理系統(tǒng)）、DTS（數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)）、SCADA（數(shù)據(jù)采集）、MIS（管理信息）、GIS（地理信息）等諸多方面。目前尚處于研究建模階段。,1.2 電力及廠礦供電CAD技術概要介紹 1.2.1 基本概念和模

4、式特點 CAD計算機輔助設計（Computer Aided Design）的簡稱，是研究綜合應用計算機幫助人們進行工程和產(chǎn)品設計的技術，是一門多學科綜合應用的新技術。電力及廠礦供電CAD就是利用計算機及其軟件對電力及廠礦供電工程進行分析，計算與仿真、繪圖及文檔制作的現(xiàn)代設計技術。,基本工作模式 電氣工程設計的傳統(tǒng)模式如圖1.1所示。,圖1.1電氣工程傳統(tǒng)設計模式,電氣工程設計的傳統(tǒng)模式： （1）全部設計都由設計者手工完成。 （2） 設計方案取決于設計者的個人經(jīng)驗，難以獲得最優(yōu)方案。 （3） 難以完成分析計算復雜的項目 CAD工作的主要內容有以下三方面： （1）建立工程設計數(shù)據(jù)庫 （2） 建立多

5、功能交互式圖形程序庫。 （3）建立分析計算應用程序庫,圖1.2是一個典型的人機交互式電氣工程CAD系統(tǒng)流程圖。,圖1.2 人機交互電氣工程CAD系統(tǒng),主要部分說明： （1）建立設計模型 元件描述模型：主要元件有發(fā)電機、變壓器、開關、電抗器、調相機及線路。 網(wǎng)絡描述模型：用節(jié)點和支路來描述，并用便于計算機查詢處理的編號規(guī)則表示。 （2） 方案設計完成工程設計而提出和擬定實現(xiàn)目標的可行方案的過程。 工程分類： 新電力或廠礦供電系統(tǒng)設計； 擴建改造； 增設局部電源，負荷或線網(wǎng)； （3） 工程分析、計算 （4）評價審定與優(yōu)化設計 （5）文檔編制及圖形輸出,3) 特點 （1）CAD技術與計算機軟件、硬件

6、技術的發(fā)展及工程設計改革密切相關。 （2）CAD技術是現(xiàn)代工程設計的迫切需要。 （3）能高速完成復雜、勞動量大及人工難以完成的工作。 （4）把設計人員的創(chuàng)造思維、知識經(jīng)驗、判斷分析能力同計算機強大的存儲記憶、信息處理、高速運算及圖形功能相結合，大大提高設計效率和質量。,1.2.2 電氣工程CAD的作用與功能 1) CAD的作用 提高設計質量和效率、縮短設計周期。 表1.1 人與計算機的比較,優(yōu)點： （1）具有計算機的優(yōu)點。 設計者能立即看到和糾正錯誤； 可監(jiān)視設計計算過程或修改輸入數(shù)據(jù)； 可人工干預計算過程； 可以圖文并茂、可視化操作。 （2）速度快、效率高、周期短，一般可節(jié)省2/39/10的

7、時間。 （3）可看到設計的階段成果。 （4）有利于電網(wǎng)結構設計的多方案比較、提供最佳方案。 （5）有利于發(fā)揮人的創(chuàng)造性。 （6）有利于設計方案的標準化、系列化、通用化。 2) CAD系統(tǒng)的基本功能 （1）輸入輸出功能 （2）交互功能,（3）圖形顯示功能 （4）信息存儲及傳輸管理功能 （5）分析計算功能 3) CAD的基本內容 （1）數(shù)學模型構造。 （2）工程計算分析和對設計的模擬、驗證、優(yōu)化。 （3）工程信息的存儲、數(shù)據(jù)庫管理。 （4）工程制圖及文檔生成。 （5）知識庫基礎上的專家及人工智能的引用。,1.2.3 CAD的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1) CAD技術的發(fā)展歷史 20世紀60年代初，美國麻

8、省理工學院（MIT）林肯實驗室的I. E. Sutherland首次提出了計算機圖形學、交互技術、分層存儲的數(shù)據(jù)結構等新思想及CAD的概念。 1958年 美國calcomp公司研制出了滾筒式繪圖儀，Gerber公司研制出了平板繪圖儀，并開始了交互圖形學的研究。 20世紀60年代 交互式計算機圖形學蓬勃發(fā)展的時期。 1970年 美國Applicon公司推出了第一個完整的CAD系統(tǒng)。 20世紀70年代末 美國CAD工作站安裝數(shù)量超過12000臺。 20世紀80年代 微型機和圖形工作站的大量涌現(xiàn)。日本有80%公司不同程度應用了CAD技術。 80年代末美國實際安裝CAD系統(tǒng)達到63000套。 1989

9、 年 美國國家工程科學院將CAD技術評為當代十項杰出的工程技術成就之一。,2) CAD技術的應用現(xiàn)狀 典型應用例子是美國波音公司對波音777飛機的設計，達到飛機設計史上的最高階段“無紙”飛機設計。 美國福特汽車公司1985年已有一半以上產(chǎn)品設計工作使用圖形終端實現(xiàn)；法國雷諾汽車公司95%的設計工作由該軟件完成。 我國較工業(yè)發(fā)達國家晚了約10年，科技部在CAD應用工程2000年規(guī)劃綱要中提出，加快應用CAD等新技術對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造。 國內高校和科研院所在CAD支撐和應用軟件開發(fā)上擔任了重要角色。,3) CAD技術特征. （1）高難度 （2） 高知識密集 （3） 高速度、高效率 （4） 更新快，大

10、約每四年更新一屆。 （5） 高滲透性。 4) CAD技術的發(fā)展趨勢 CAD是一門多學科交叉滲透的新領域，特點是： （1）范圍不斷擴大，日益普及； （2）系統(tǒng)性能價格比不斷提高，硬件成本下降，軟件成本提高，約為1:4； （3）網(wǎng)絡化、普編采用有強大圖形功能的工作站和分布式網(wǎng)絡CAD系統(tǒng)；,（4）圖形和數(shù)據(jù)接口標準化，CAD軟件集成化、智能化； （5）虛擬設計技術引用。 虛擬設計 以CAD技術為基礎，利用虛擬現(xiàn)實技術，減少實物模型與樣件的制造，縮短周期，節(jié)省制造成本。美國通用汽車公司、波音公司，奔馳福特公司等都采用了這項先進技術。 1.3 電力及廠礦供電CAD系統(tǒng) 1.3.1 電力及廠礦供電的特點

11、及其設計內容 1） 行業(yè)特點 （1）結構復雜性.范圍大、元件多、模型復雜。 （2）地域分布性. （3）系統(tǒng)分塊性及電力系統(tǒng)與廠礦供電系統(tǒng)的區(qū)別.,表1.2 電力系統(tǒng)與廠礦供電系統(tǒng)比較,2）傳統(tǒng)設計 電氣工程設計項目主要有： （1）增建發(fā)電廠（水電站、火電廠）或變電站。 （2）發(fā)電廠或變電站擴建、改造。 （3）增設或改造配電線路。 （4）新增廠礦用戶供電系統(tǒng)。 （5）其他電氣工程項目 以廠礦供電設計為例，說明傳統(tǒng)電氣設計的內容和步驟。 (1) 廠礦供電設計目的.根據(jù)用戶要求及負荷與電源分布情況，按國家有關供用電設計規(guī)定解決企業(yè)安全、可靠、經(jīng)濟供電的問題。 (2) 傳統(tǒng)設計內容.結線、電壓等級、變

12、配電所位置、布置等項設計，電氣設備及導線電纜的選擇。 (3) 傳統(tǒng)設計過程：設計過程如下圖1.3所示：,3） 傳統(tǒng)設計過程：設計過程如下圖1.3所示：,4）初步設計階段及內容 1 、初步設計：調研、可行性論證、規(guī)劃、初步方案設計； 2、 施工設計：技術設計階段；制圖制表、預算統(tǒng)計、說明書編制。 說明書內容一般包括: 1 、設計任務、依據(jù)、原始資料，設計范圍、內容； 2 、電力負荷分析計算方法和結果； 3 、電源方案選擇和電壓等級確定； 4 、變配電所和系統(tǒng)方案擬定及分析論證； 5 、主要電氣設備選擇及主要材料所需數(shù)量； 6 、工程總概算及說明； 7 、施工條件及協(xié)作配合條件； 8 、工程技術經(jīng)

13、濟指標分析。,初步設計圖表包括： 1、 系統(tǒng)總體布置圖，包括負荷分布，變配電所位置及線路布局； 2 、系統(tǒng)單線結線圖； 3 、變配電所平面布置圖； 4 、變配電所負荷分配和總的負荷計算表； 5 、主要設備材料表。 5）施工設計階段內容：即技術設計與施工圖繪制 1 、施工說明書； 2 、各項工程平斷面圖； 3 、各電氣設備安裝圖； 4 、各部件的制選和安裝圖； 5 、設備材料明細表； 6、 工程總預算。 注：規(guī)模較小時，可采用一個階段完成，即擴大初步設計加施工安裝圖。,6）實施步驟 1 、收集基礎資料、負荷計算，向電業(yè)部門提用電申請并簽供用電協(xié)議； 2、 電壓確定、變配電所位置及主變臺數(shù)、容量確定； 3、 主結線及配電系統(tǒng)設計，草擬系統(tǒng)圖及配電系統(tǒng)平面布置圖； 4 、功率因數(shù)補償裝置設計：補償容量、電容規(guī)格數(shù)量、放電裝置； 5 、短路計算、設備選擇，繪出主結線系統(tǒng)圖； 6 、繼電保護及二次接線設計； 7 、防雷與接地裝置設計； 8 、變電所室內外總體布置設計，繪變電所總平面布置圖； 9 、所用電及操作照明電設計； 10 、專題設計，如自動調壓、監(jiān)控裝置等； 11 、列設備、材料明細表、工程概算；若不合要求則返回第四步重新設計方案。 12、 編寫設計說明書。,1.3.2 電力及廠礦供電CAD的特點 1) 數(shù)據(jù)量大 2) 模型復雜計算