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AutoGroundDesign 自动化接地设计软件
    AutoGroundDesign工程软件包是一个能够在各个设计阶段不需要用户介入的全自动分析和设计接地系统的软件包。

    该软件包可以帮助电力工程师快速有效地设计安全的任意形状的接地系统。在自动接地系统设计中使用了多步法。程序首先生成一个具有最小阻抗的金属平板,如果可以满足安全要求,则将其作为计算起始点。如果可满足安全限值,就计算包含最少导体的接地系统。从这些结果中,基于SES参考数据库、其他智能规则或者用户手动指定,可以得到一个初步设计。然后,使用基于规则的技术和算法对初始设计进行改进以保证其性能符合安全约束条件,同时降低接地网的整体费用。程序中包含了大量预先定义、计算完成的接地系统,如果需要用户可方便地进行更新。程序对搜索策略进行了改进,可以在找到恰当接地系统的同时保证数据库容量最小化,从而可以保证在使用该自动技术和恰当数据库时,使用最少的计算时间和最佳的接地系统尺寸。

本软件包基于组件开发,从一个简单地网的接地阻抗计算到一个变电站复杂接地系统的全套安全性分析,您都可以使用本软件包,集中地解决您的直接需求。只需简单地添加更多的组件便可以满足您不断提升的需求!典型的AutoGroundDesign软件包包括以下组件:

  • AutoGroundDesign (简化版): 入门级的组件包,用于计算接地系统的阻抗或者预估出满足既定接地阻抗的接地系统的尺寸或结构。它可以支持均匀土壤中的接地系统的多种预定义结构。对于着重关注接地阻抗快速估算和接地系统预测,而对土壤电位、接触和跨步电压不感兴趣的用户,该组件包是最为理想的。
  • AutoGroundDesign (均匀土壤): 该组件包用于分析位于均匀土壤中的任意形状的水平放置的接地系统。它可以计算出接地系统的阻抗和电位升,以及贯穿接地系统区域的土壤电位。同时,它也允许您对地网内外任意位置的接触电压和跨步电压进行全面的安全性分析。
  • AutoGroundDesign (均匀土壤&故障电流分布):该组件包具有均匀土壤组件包中的全部特性,并且添加了另一个强大的模块,该模块可以计算出接地系统和其他金属路径(如架空地线、屏蔽线、中性导体或者电缆护套和铠装)之间的故障电流分布情况。
  • AutoGroundDesign (水平双层土壤&土壤电阻率):该组件包具有均匀土壤组件包中的全部特性,并在此基础上增加了模拟水平双层土壤结构的能力。此外,还增加了土壤电阻率测量值分析模块,可以将测量数据转化为适当的土壤模型。
  • AutoGroundDesign (水平双层土壤&故障电流分布):该组件包具有均匀土壤组件包中的全部特性,并在此基础上增加了模拟水平双层土壤结构的能力。此外还添加了另一个强大的模块,该模块可以计算出接地系统和其他金属路径(如架空地线、屏蔽线、中性导体或者电缆护套和铠装)之间的故障电流分布情况。需注意,可以将测量数据转化为适当的土壤模型的土壤电阻率测量值分析模块并没有包括在该软件包中。
  • AutoGroundDesign (水平双层土壤、土壤电阻率&故障电流分布):该软件包具有前述所有水平双层土壤组件包中的全部特性。
  • AutoGroundDesign(多层土壤及故障电流分布):该组件包具有其他全部组件包的全部特性,并且添加了模拟水平多层土壤结构的功能。该软件包购买时必须包括土壤电阻率分析模块和故障电流分布模块。

以上所有软件包均包括导体载流量计算模块(Ampacity)和其他有用的工具。

1. 介绍

      在得到安全的接地系统前需要进行多次迭加。因此,这可能会相当耗时,因为需要考虑可能会影响接地系统性能的大量参数(如,接地系统的形状和尺寸、埋深、土壤结构类型和特性,以及接地网导体(水平导体和垂直接地棒等)的材料等)。 AutoGroundDesign专业软件包提供了可以帮助电力设计工程师快速有效设计安全接地系统的工具,在设计的各个阶段中均不需要人为控制。AutoGroundDesign充分考虑了不同的分析策略和技术,从而可以计算和设计任意形状的接地系统。下图给出了定义任意水平接地系统顶点位置的示意图。

2. 特性

     AutoGroundDesign 具有如下独特的特性:

  • 基于变电站站场的简单描述可进行接地系统设计。具有最少的输入数据:环境设置、土壤数据、接地网区域、接地网的故障入地电流、安全数据以及自动设计参数和控制。
  • 模拟接地系统并评估其特性;只要可忽略接地导体的纵向阻抗,就可以使用AutoGroundDesign进行分析和设计。
  • 可以分析和设计任意形状的接地系统,接地系统中可以包含位于均匀和多层土壤中水平和垂直排列的裸导体。程序通过可处理任意形状的自动网格法实现。
  • 通过良好的用户交互界面也可以方便指定任意的接地系统区域,在界面中可以定义并实时显示已定义的区域。通过拖拽可以将每个顶点进行移动,数据网格中的数据也会立即进行更新,反之亦是如此。
  • 可使用多种算法进行自动设计,如自动、中点、线性和用户自定义方法等。这些算法将恰当的定义自动设计过程特性、使用的接地网数据库、优化搜索算法、方法和用户指定的标准和约束条件。
  • 允许用户定义在最终设计中是否使用接地棒以及接地棒的特性。如果使用接地棒,会使用一些新算法,如对于接地棒间的最大间距,程序会使用相应的算法更好的控制接地棒位置。
  • 可通过自动定义或用户指定的形式计算指定土壤位置(观测点)处的地电位,从而可以更方便并容易控制计算所需的时间。
  • 同时提供了其它三种操作模式,即估算器、结构和尺寸预测模式。从而可以快速和精确的估计不同接地系统(如接地网、垂直接地棒的阵列、星形电极和圆环等)的电阻,或分析要达到特定的电阻值需要的接地系统尺寸或结构。
  • 在最终结果报告中包含了接地系统、土壤电阻率和故障电流分布计算的中间过程,从而可以通过查看自动设计过程中的这些中间结果更好的理解最终的计算结果。

  

3. 软件发展史

     SES在上世纪九十年代早期首先开发出首个接地网自动设计软件。该软件具有基于字符(基于DOS)的菜单界面,名称为AutoGrid。该软件仅能分析位于均匀和水平两层土壤中的矩形接地系统。对于此类自动设计的系统而言,计算时间是最主要的障碍。

    在2004年,SES推出首款基于Windows的专业软件包AutoGroundDesign。该软件具有更强的针对性,此前SES推出了一种全新、独特的自动计算方法,从而可以显著降低接地系统设计过程所需的时间。然而,此时的AutoGroundDesign仅能应用于多层土壤中的矩形接地系统。同时该版本中不能进行土壤电阻率测量解释以及故障电流分布分析模块,此时需要由用户指定土壤结构特性和故障入地电流,给软件的使用带来不便。

     在2005年发布的AutoGroundDesign版本中,已经将土壤电阻率测量解释,故障电流分布分析以及安全计算评估模块添加至此版本中。同时也增加了一种新的迭代方法和观测点选择方式,大大提高了计算速度。不仅如此,还可以模拟金属盘,改进了计算的鲁棒性和可靠性,并可指定非均匀分布的接地棒。但是,此时的AutoGroundDesign软件包还是只能处理矩形的接地网格。

     现在,SES很高兴地宣布,在2012年,AutoGroundDesign可以处理任意形状的水平接地系统了。

4. 接地系统设计技术与步骤

     首先考虑了变电站接地系统设计的常规流程。基于已有经验以及变电站接地的相关要求,首先创建一个初步接地系统结构并进行分析,随后查看计算结果是否满足所有的设计需要。如果未满足所有的要求,或者具有明显的优化可能性,则会对于接地系统进行修改设计,会再次启动设计分析过程。

     为对现有方案进行优化设计,我们需要更好地了解土壤结构和实际流入变电站的故障电流。同样地,其它一些参数也很重要,如接地网的几何尺寸、埋深、接地导体类型、接地棒是否与接地网相连等。

     自动接地系统设计中使用了多步法。

  • 首先,将接地系统设置为参考金属板形式。这样可得到特定尺寸的接地系统可达到的最小接地阻抗值,并确定此时是否可以达到期望的接地阻抗值和安全限值。如果不能,就会停止计算,程序会提示使用者如果不采用额外的缓解措施将不可能满足设计要求。

  • 第二步,分析最少导体情况,如,沿着接地网外围布置导体,在接地网内部不布置或者布置很少的导体,以查看这种稀松布置的形式是否可以达到期望的接地阻抗和安全限值。如果可以满足要求,则可以很快完成设计过程,不需要参考设计数据库以及智能迭代技术。

  • 第三步,基于SES参考数据库、其它智能规则或用户手动来选择一个恰当的初始接地网形式。程序基于使用者提供的输入数据,如接地网的尺寸和几何结构、土壤结构类型、入地故障电流和要求的安全标准等参数使用参考数据库。

  • 最后,使用基于规则的技术和智能算法对初始方案进行优化设计,以提高接地网性能,并在满足安全要求的前提下尽可能的降低接地网成本。

    在AutoGroundDesign中,具有如下的独特特性、策略和技术:

  • 开发出一种自动筛选任意多边形接地系统的方法,基于与先前矩形接地网设计时相似的方法来优化筛选参数。
  • 引入了新的接地棒分析方法。现在可以在其它计算方法中指定接地棒间的最大距离,从而可以更好地控制接地棒位置。
  • 我们开发了行之有效的智能技术来生成不同类型的观测点,从而可以在提高计算精度的同时减少迭代过程的计算时间。在迭代过程中,可创建三组不同的观测点。第一组观测点在任意形状接地区域内部,并沿着水平方向放置。第二组观测点沿着接地网边缘放置,并位于接地区域范围内部。最后一组观测点位于接地系统区域范围外侧,并沿着边缘放置。在最终的结果中,观测点面积一片能覆盖任意接地系统边框的矩形区域(即,能够完全覆盖接地系统的最小矩形)。通过这些观测点,使用者可以以3D或2D色块图形方式查看计算结果。
  • 可以由程序自动或使用者手动方式定义迭代过程和最终计算步骤中的观测点首选设置(如,观测点间距),从而可以更好的控制计算时间。

5. 自动接地系统设计结构

    自动接地系统软件中集成了如下模块,结构示意图如下所示。

自动接地设计核心模块

    该核心和控制模块的界面很简单,允许使用者快速启动自动接地系统设计。该模块的最终目标是管理和协调输入数据、安全标准和进程确定,以便得到满足所有安全要求的接地系统。该模块控制了整个自动设计参数,以选择接地系统初始设计的方法、指定自动设计中使用的接地网数据库方法,并指定迭代的最大数目以及接地网格变化的比率。

接地分析模块

     该模块用于分析不同土壤结构中,受AC或DC入地故障电流影响的接地系统网络。该模块计算了接地网的安全特性,包括GPR、接触电压和跨步电压等。因为我们假设该接地网是一个等电位结构,所以电流在接地网格中的注入点位置并不重要,即接地导体的纵向阻抗可以忽略不计。

土壤分析模块

     该模块主要是基于测量的土壤电阻率数据,创建电气等效的土壤结构模型。本模块能够生成多层水平土壤模型,也可以生成垂直和指数分布的土壤模型。

故障电流分布分析模块

     该模块可基于少量的信息和简单的网络数据,计算故障电流在多个终端、传输线和配电馈线间的分布情况。本模块提供了实际流入接地网的故障电流,以及流入避雷线、杆塔基础和电缆护套中的电流。同样也可以计算避雷线和电缆护套的子阻抗和互阻抗值。

安全模块

     该模块可根据IEEE标准80、IEC标准479、用户自定义标准或上述标准组合的方式创建安全阈值。通过该安全电压限值来决定是停止设计过程还是继续进行计算。决定安全电压限值的参数主要包括:故障清除时间、地表覆盖层(比如,碎石)的电阻率、地表覆盖层厚度,表层等效电阻率(地表覆盖层下方土壤的电阻率)、人体电阻、脚电阻和防护服电阻(任选,如手套或者靴子)以及心室颤抖电流阈值计算方法。

查看,绘图以及报告工具

     通过基于CAD的模块可以查看或编辑由直线导体组成的3D接地网格。直线段可为金属导体或是观测线。可在任意方向,以各种方法进行查看。报告和图像模型也可作为输出处理器,其可以各种图像或打印格式显示计算结果。在该模块中可以查看输入数据,也可以启动接地分析模块。

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