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电气CAD技术 绪言 一 本课程的性质 任务和目的CAD技术的基本知识和技能是高校电气类专业毕业生必须掌握的 通过本课程 使学生掌握电气CAD的概念 组成和结构原理 掌握计算机绘图 工程数据管理 电气工程建模 分析处理算法等 本课程以电网的辅助分析及厂矿电网设计为主要的内容 介绍了智能化 网络化及基于地理信息系统的CAD新技术 使学生在掌握电气CAD基本概念和理论的基础上 还能掌握电气CAD软件的应用与开发方法 提高实际操作和动手能力 二 本课程的基本要求和主要内容1 电力及厂矿供电CAD系统的构成2 电气CAD绘图基础及交互处理技术 3 电气工程中AutoCAD绘图软件应用与二次开发4 电气CAD中工程数据的组织和管理5 电气CAD中高级绘图及图形与数据库的链接6 电力及厂矿供电CAD软件开发7 电力及厂矿供电CAD中基本建模与处理方法8 图示化电力CAD潮流及网损软件9 图示化电网多功能短路电流计算软件介绍三 学习方法以课堂讲授为主 辅以课外作业及必要的现场教学与机辅教学 本书中电气CAD应用软件的研究得到中国电力基金会 许继奖教金 的大力资助 第一章概述1 1计算机在电力及厂矿供电系统中的应用1 1 1计算机在电力系统中的应用1 起步早 发展迅速2 应用范围不断扩大1 1 2计算机在厂矿供电中的应用1 供电系统及变电所辅助设计2 厂矿供电系统及变电所监控3 厂矿供电系统信息管理 1 1 3电力及厂矿供电系统计算机应用的发展趋向1 分级管理的分布式集成监测诊断系统2 高速发展和逐步完善的电力信息网络3 面向对象的图示化计算机辅助设计技术与生产过程仿真技术4 数字电力系统 Digitalpowersystem 数字电力系统 电力系统描述 控制和管理的最新模式 其基本内容可涵盖已有的EMS 能量管理系统 DTS 数据传输系统 SCADA 数据采集 MIS 管理信息 GIS 地理信息 等诸多方面 目前尚处于研究建模阶段 1 2电力及厂矿供电CAD技术概要介绍1 2 1基本概念和模式特点CAD 计算机辅助设计 ComputerAidedDesign 的简称 是研究综合应用计算机帮助人们进行工程和产品设计的技术 是一门多学科综合应用的新技术 电力及厂矿供电CAD就是利用计算机及其软件对电力及厂矿供电工程进行分析 计算与仿真 绘图及文档制作的现代设计技术 基本工作模式电气工程设计的传统模式如图1 1所示 图1 1电气工程传统设计模式 电气工程设计的传统模式 1 全部设计都由设计者手工完成 2 设计方案取决于设计者的个人经验 难以获得最优方案 3 难以完成分析计算复杂的项目CAD工作的主要内容有以下三方面 1 建立工程设计数据库 2 建立多功能交互式图形程序库 3 建立分析计算应用程序库 图1 2是一个典型的人 机交互式电气工程CAD系统流程图 图1 2人机交互电气工程CAD系统 主要部分说明 1 建立设计模型 元件描述模型 主要元件有发电机 变压器 开关 电抗器 调相机及线路 网络描述模型 用节点和支路来描述 并用便于计算机查询处理的编号规则表示 2 方案设计 完成工程设计而提出和拟定实现目标的可行方案的过程 工程分类 新电力或厂矿供电系统设计 扩建改造 增设局部电源 负荷或线网 3 工程分析 计算 4 评价审定与优化设计 5 文档编制及图形输出 3 特点 1 CAD技术与计算机软件 硬件技术的发展及工程设计改革密切相关 2 CAD技术是现代工程设计的迫切需要 3 能高速完成复杂 劳动量大及人工难以完成的工作 4 把设计人员的创造思维 知识经验 判断分析能力同计算机强大的存储记忆 信息处理 高速运算及图形功能相结合 大大提高设计效率和质量 1 2 2电气工程CAD的作用与功能1 CAD的作用提高设计质量和效率 缩短设计周期 表1 1人与计算机的比较 优点 1 具有计算机的优点 设计者能立即看到和纠正错误 可监视设计计算过程或修改输入数据 可人工干预计算过程 可以图文并茂 可视化操作 2 速度快 效率高 周期短 一般可节省2 3 9 10的时间 3 可看到设计的阶段成果 4 有利于电网结构设计的多方案比较 提供最佳方案 5 有利于发挥人的创造性 6 有利于设计方案的标准化 系列化 通用化 2 CAD系统的基本功能 1 输入输出功能 2 交互功能 3 图形显示功能 4 信息存储及传输管理功能 5 分析计算功能3 CAD的基本内容 1 数学模型构造 2 工程计算分析和对设计的模拟 验证 优化 3 工程信息的存储 数据库管理 4 工程制图及文档生成 5 知识库基础上的专家及人工智能的引用 1 2 3CAD的应用现状和发展趋势1 CAD技术的发展历史20世纪60年代初 美国麻省理工学院 MIT 林肯实验室的I E Sutherland首次提出了计算机图形学 交互技术 分层存储的数据结构等新思想及CAD的概念 1958年美国calcomp公司研制出了滚筒式绘图仪 Gerber公司研制出了平板绘图仪 并开始了交互图形学的研究 20世纪60年代交互式计算机图形学蓬勃发展的时期 1970年美国Applicon公司推出了第一个完整的CAD系统 20世纪70年代末美国CAD工作站安装数量超过12000台 20世纪80年代微型机和图形工作站的大量涌现 日本有80 公司不同程度应用了CAD技术 80年代末美国实际安装CAD系统达到63000套 1989年美国国家工程科学院将CAD技术评为当代十项杰出的工程技术成就之一 2 CAD技术的应用现状典型应用例子是美国波音公司对波音777飞机的设计 达到飞机设计史上的最高阶段 无纸 飞机设计 美国福特汽车公司1985年已有一半以上产品设计工作使用图形终端实现 法国雷诺汽车公司95 的设计工作由该软件完成 我国较工业发达国家晚了约10年 科技部在CAD应用工程2000年规划纲要中提出 加快应用CAD等新技术对传统产业的改造 国内高校和科研院所在CAD支撑和应用软件开发上担任了重要角色 3 CAD技术特征 1 高难度 2 高知识密集 3 高速度 高效率 4 更新快 大约每四年更新一届 5 高渗透性 4 CAD技术的发展趋势CAD是一门多学科交叉渗透的新领域 特点是 1 范围不断扩大 日益普及 2 系统性能价格比不断提高 硬件成本下降 软件成本提高 约为1 4 3 网络化 普编采用有强大图形功能的工作站和分布式网络CAD系统 4 图形和数据接口标准化 CAD软件集成化 智能化 5 虚拟设计技术引用 虚拟设计 以CAD技术为基础 利用虚拟现实技术 减少实物模型与样件的制造 缩短周期 节省制造成本 美国通用汽车公司 波音公司 奔驰福特公司等都采用了这项先进技术 1 3电力及厂矿供电CAD系统1 3 1电力及厂矿供电的特点及其设计内容1 行业特点 1 结构复杂性 范围大 元件多 模型复杂 2 地域分布性 3 系统分块性及电力系统与厂矿供电系统的区别 表1 2电力系统与厂矿供电系统比较 2 传统设计电气工程设计项目主要有 1 增建发电厂 水电站 火电厂 或变电站 2 发电厂或变电站扩建 改造 3 增设或改造配电线路 4 新增厂矿用户供电系统 5 其他电气工程项目以厂矿供电设计为例 说明传统电气设计的内容和步骤 1 厂矿供电设计目的 根据用户要求及负荷与电源分布情况 按国家有关供用电设计规定解决企业安全 可靠 经济供电的问题 2 传统设计内容 结线 电压等级 变配电所位置 布置等项设计 电气设备及导线电缆的选择 3 传统设计过程 设计过程如下图1 3所示 3 传统设计过程 设计过程如下图1 3所示 4 初步设计阶段及内容1 初步设计 调研 可行性论证 规划 初步方案设计 2 施工设计 技术设计阶段 制图制表 预算统计 说明书编制 说明书内容一般包括 1 设计任务 依据 原始资料 设计范围 内容 2 电力负荷分析计算方法和结果 3 电源方案选择和电压等级确定 4 变配电所和系统方案拟定及分析论证 5 主要电气设备选择及主要材料所需数量 6 工程总概算及说明 7 施工条件及协作配合条件 8 工程技术经济指标分析 初步设计图表包括 1 系统总体布置图 包括负荷分布 变配电所位置及线路布局 2 系统单线结线图 3 变配电所平面布置图 4 变配电所负荷分配和总的负荷计算表 5 主要设备材料表 5 施工设计阶段内容 即技术设计与施工图绘制1 施工说明书 2 各项工程平断面图 3 各电气设备安装图 4 各部件的制选和安装图 5 设备材料明细表 6 工程总预算 注 规模较小时 可采用一个阶段完成 即扩大初步设计加施工安装图 6 实施步骤1 收集基础资料 负荷计算 向电业部门提用电申请并签供用电协议 2 电压确定 变配电所位置及主变台数 容量确定 3 主结线及配电系统设计 草拟系统图及配电系统平面布置图 4 功率因数补偿装置设计 补偿容量 电容规格数量 放电装置 5 短路计算 设备选择 绘出主结线系统图 6 继电保护及二次接线设计 7 防雷与接地装置设计 8 变电所室内外总体布置设计 绘变电所总平面布置图 9 所用电及操作照明电设计 10 专题设计 如自动调压 监控装置等 11 列设备 材料明细表 工程概算 若不合要求则返回第四步重新设计方案 12 编写设计说明书 1 3 2电力及厂矿供电CAD的特点1 数据量大2 模型复