Интеграция цифровых технологий в процесс проектирования систем электроснабжения горнопромышленных предприятий

Введение

Электротехнические комплексы горнопромышленных предприятий должны отвечать особым требованиям, которые обусловлены не только необходимостью обеспечения эффективности и безопасности, но и сложностью технологических процессов добычи и переработки минерального сырья [1]. К числу таких ключевых требований относятся надежность, устойчивость, безопасность, качество электроэнергии, экономичность, удобство эксплуатации и гибкость с возможностью модернизации. Однако разработка систем электроснабжения (СЭС), удовлетворяющих этим критериям, сопряжена с решением комплекса уникальных задач, не имеющих универсальных решений. Это связано с совокупностью факторов, включающих многообразие геотехнологий, вариативность технологических цепочек, а также геологическую и географическую уникальность месторождений, что в целом исключает возможность создания инвариантных подходов [2–4]. Поэтому формализация новых методик проектирования, адаптирующихся к специфике конкретного объекта и интегрирующих современные цифровые инструменты, представляется актуальной научно-практической задачей.

Современные цифровые технологии проектирования систем электроснабжения объектов промышленности представляют собой комплекс специализированных программ (СП) в составе программного обеспечения (ПО), которые используют компьютерные методы для создания, изменения, анализа и оптимизации проектных решений. Тем самым обеспечивается разработка более точных моделей СЭС, улучшается взаимодействие между участниками процесса проектирования и реализуется возможность визуализации проектов.

Для цифровых технологий проектирования используют специализированные программы: BIM-системы (Revit, nanoCAD BIM, ArchiCAD); системы автоматизированного проектирования (AutoCAD, nanoCAD, SketchUp); инструменты визуализации (Lumion, V-Ray) и т.д.¹.

В целях выявления ключевых особенностей процесса ведения проектирования электроснабжения промышленных предприятий, его сильных и слабых сторон, обоснования актуальности данной темы и определения степени ее проработки был проведен анализ современных исследований [5‒7], отражающих основные подходы к автоматизации инженерных расчётов в области проектирования электроснабжения [7–9]:

• релевантность тематики проекта (расчёт нагрузок, подбор оборудования, САПР) [7];
• практическая направленность (используемые инструменты, архитектура, языки программирования) [8‒10];
• нормативная база (соответствие ГОСТ, ПУЭ и СП);
• ориентация на актуальные технологии (BIM, интеграция с Excel, nanoCAD) [11‒13].

Проанализированные материалы охватывают широкий спектр решений ‒ от узкоспециализированных расчётных программ для сетей напряжением 6–10 кВ до BIM-интегрированных платформ общего проектирования. Большинство из них направлены на повышение точности и скорости инженерных расчётов за счёт автоматизации и формализации методик, регламентированных нормативными документами [14‒16].

Основные направления развития в области цифровизации, совершенствования и практической реализации ПО на основе интеграции цифровых технологий в процесс проектирования электротехнических систем промышленных предприятий включают в себя следующие позиции [17‒19]:

1. Автоматизация расчётов электрических нагрузок и токов короткого замыкания. Это базовый функционал почти всех рассматриваемых систем. Во многих случаях реализован в средах, поддерживающих простую интеграцию с Excel или другими табличными форматами² [18, 19].
2. Подбор оборудования (кабелей, автоматов, трансформаторов). Подходы варьируются: от ручного подбора по табличным данным до полуавтоматических модулей, завязанных на продукцию конкретных производителей. Универсальных и независимых решений – крайне мало.
3. Разработка интерфейсов и обеспечение совместимости. Значительное внимание уделяется взаимодействию с альтернативными средами, в особенности – с nanoCAD. Некоторые проекты реализуют интеграцию через Excel (как универсальный формат), другие – через API BIM-платформы. Простота и доступность интерфейса – важнейшие факторы практического применения.
4. Способность представления систем в модульной архитектуре и возможность их масштабируемости. Наиболее продвинутые решения строятся по принципу расширяемых модулей, что позволяет поэтапно внедрять новые функции и адаптироваться под задачи заказчика.
5. Разработка нового программного обеспечения с учетом развития языков программирования. Встречаются как устаревшие среды (например, C++ в связке с Access), так и современные подходы на С#. Налицо разрыв между академическими разработками и рыночными решениями: первые часто тяжеловесны и неудобны для внедрения, вторые – закрытые и монобрендовые.

Исследования демонстрируют устойчивый интерес к автоматизации процессов проектирования, однако в большинстве решений прослеживается ряд ограничений:

• зависимость от производителя. Многие разработки ориентированы на использование оборудования конкретных брендов (Schneider, SIEMENS, ABB и др.), что ограничивает их применение в проектных организациях, где применяются компоненты от разных поставщиков;
• сложность или избыточность интерфейса. Некоторые продукты, такие как Eplan, обладают чрезмерно сложной архитектурой, требующей обучения, в то время как основная потребность – быстрое выполнение типовых расчётов без глубокой адаптации;
• отсутствие независимого модуля подбора оборудования. Во многих случаях подбор кабелей и аппаратов осуществляется вручную или полуавтоматически с применением ограниченных баз данных. В проекте, разрабатываемом в рамках стартапа, планируется реализовать автоматизированный подбор по обобщённым характеристикам, что повышает гибкость и точность расчётов;
• слабая адаптация под BIM-среду. Несмотря на актуальность различных софтов для BIM-моделирования в инженерной практике лишь малая часть решений поддерживает интеграцию с этими платформами напрямую. Проект, в рамках которого проводится НИР, предлагает экспорт данных в Excel, полученных из nanoCAD, что существенно упрощает связку расчётов с моделями;
• ограниченное распространение открытых решений. Академические разработки часто не доводятся до рабочего прототипа, не сопровождаются документацией и не масштабируются.

На данный момент в существующем комплексе проектирования СЭС промышленных и горнопромышленных предприятий несмотря на современный уровень развития технологий остаются процессы, требующие продолжительной, монотонной работы человека. В основном причина этой проблемы – необходимость вручную переносить одни и те же данные между различными ПО, а зачастую не по одному разу, т. к. проектирование неразрывно связано с внесением множества изменений, созданием нескольких итераций и т. д. Такие этапы в процессе проектирования не только усложняют работу человека, требуют высоких трудозатрат и большого количества времени, но и ввиду своей монотонности и часто больших объемов приводят к огромному числу ошибок при многократном переносе данных.

Большая часть существующих ПО выпущена производителями электротехнического оборудования, что лишает расчеты объективности и привязывает пользователя к бренду. При этом, как правило, компании-заказчики имеют свои бренд-листы и требуют использования в проектах оборудования и материалов определенных производителей.

Программы-аналоги часто имеют сложную структуру, непонятный интуитивно интерфейс, требуют неоправданного вложения сил и времени для ознакомления с ними.

Цифровизация открывает широкий спектр в реализации инновационных решений и оптимизации непосредственно процесса проектирования, что позволяет добиться более точных расчётов, уменьшить количество ошибок и улучшить эффективность проектов. Это особенно важно в условиях, когда скорость строительства и экономия ресурсов играют ключевую роль.

Цифровые технологии в проектировании СЭС не только улучшают качество работ, но и существенно влияют на общие бюджеты проектов. Применение автоматизированных систем и программ сокращает временные издержки на разработку проекта до 30 %.

Кроме того, снижение количества ошибок и переделок благодаря более точным расчётам и моделированию снижает риск дополнительных затрат. Это оставляет гораздо больше простора для манёвра в пределах установленного бюджета и может использоваться для внедрения ещё более эффективных технологических решений.

Перспективным направлением в области внедрения цифровых технологий в процесс проектирования СЭС промышленных предприятий является сочетание искусственного интеллекта и больших данных, которые позволят реализовать автоматизацию корректировок проектов в реальном времени и интеграцию с новыми источниками энергии, такими как солнечные панели и ветрогенераторы, для более эффективного использования возобновляемых источников.

¹ Проект электрики: цифровые технологии и их роль в современном строительстве. Energy-systems.
Российские BIM-технологии: проектирование систем электроснабжения в Model Studio CS. Хабр. URL: https://habr.com/ru/companies/nanosoft/articles/581434/         

² Руководящий технический материал "Указания по расчету электрических нагрузок" от 30.07.1992 № РТМ 36.18.32.4–92. ВНИПИ ТЯЖПРОМЭЛЕКТРОПРОЕКТ; 1992.

Цели и задачи исследования

Целью исследования является разработка архитектурных и методических решений для интеграции цифровых технологий в процесс проектирования электротехнических систем горнопромышленных предприятий на основе адаптации программного обеспечения для расчета электрических нагрузок и подбора элементов системы электроснабжения.

Основные методы исследования: сравнительный анализ (оценка функциональности и ограничений современных программных комплексов: BIM, САПР, расчетные системы); математическое моделирование (разработка алгоритмов расчета нагрузок и токов КЗ по нормативной методике); алгоритмизация и программирование (создание на C# модульного ПО для автоматизации расчетов, подбора оборудования и интеграции с Excel/nanoCAD); экспериментальная апробация (тестирование ПО на реальных данных проекта электроснабжения золотоизвлекательной фабрики «Кумроч»); системный подход (оптимизация процесса проектирования как единого цикла с исключением ручных операций и интеграцией этапов).

В процессе разработки ПО необходимо решить следующие задачи.

1. Выявление системных проблем, ограничений и оценка функциональности современных программных комплексов.
2. Формализация и алгоритмизация методики расчёта электрических нагрузок и токов короткого замыкания в соответствии с нормативной базой, а также разработка алгоритмов подбора элементов СЭС.
3. Реализация на языке C# интегрированного программного комплекса, обеспечивающего автоматизацию расчетов, подбор оборудования и двустороннюю интеграцию с платформами (nanoCAD, Excel) для исключения ручного переноса данных.
4. Апробация элементов ПО на реальных данных проекта электроснабжения горнопромышленного предприятия.

Ожидаемый результат – программный комплекс, позволяющий на основании исходных данных в виде таблицы Excel получить расчет нагрузок и автоматически подобрать рекомендуемые параметры оборудования с учетом нагрузок, токов коротких замыканий и конфигурации системы.

Областью применения продукта являются горнопромышленные компании на этапе разработки или технического перевооружения. Потенциальные потребители – проектные организации, занимающиеся проектированием СЭС предприятий горнопромышленного комплекса.

Архитектура комплекса проектирования СЭС

Рассмотрим процесс проектирования на примере схемы, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема текущего комплекса проектирования электротехнической части

Исходные данные поступают, как правило, в виде перечня электроприемников с указанием: типа; номинальной электрической (или механической) мощности; номинального напряжения питания; коэффициента полезного действия; коэффициента мощности; режима работы; места управления; категории надежности электроснабжения по ПУЭ; числа часов работы в год; местоположения.

На этапе 1 технические характеристики используются для расчета нагрузок. Расчет осуществляется на базе Microsoft Excel по методу коэффициента максимума и использования номинальной мощности. Хотя использование ПО позволяет автоматизировать расчет, все же необходимо участие человека: вручную производится, во-первых, распределение потребителей по распределительным щитам; во-вторых, подбор коэффициента расчетной нагрузки (коэффициента максимума) по коэффициенту использования и эффективному числу электроприемников из таблицы.

На этапе 2 с использованием исходных данных потребители вручную добавляются в трехмерную модель производственного комплекса на базе BIM-платформы. Затем в модели вручную для каждого электроприемника назначается источник. Траектории кабельных трасс создаются также автоматически, поэтому в некоторых случаях требуют корректировки человеком.

На этапе 3 подготавливаются планы расположения электрооборудования. Это происходит полуавтоматически: человек настраивает секущие диапазоны для отображения каждой части производственного комплекса на отдельном плане.

На этапе 4 исходные данные используются для создания полной принципиальной однолинейной схемы электроснабжения. Схема вручную составляется из отдельных блоков (электроприемников, кабельных линий, секций шин, коммутационных аппаратов и т. д.), забиваются технические характеристики приемников, а также длины кабелей, рассчитанные на этапе 2, а коэффициенты подбираются таким образом, чтобы привести расчетные значения в соответствие с расчетом нагрузок, выполненным на этапе 1.

На этапе 5 собираются однолинейные принципиальные схемы для каждого распределительного щита. Длины кабелей от щита до приемника вставляются в схемы автоматически на основе расположения электрооборудования в модели. Также программа осуществляет подбор сечения кабеля и номинального тока автоматических выключателей. К сожалению, многие ПО не отображают для пользователя расчет токов КЗ, из-за чего приходится прибегать либо к иным программам для подбора кабеля и коммутационной аппаратуры, либо выполнять его вручную. В рассматриваемой схеме это происходит на этапе 4. В схемах в ручном режиме прописываются корректные параметры аппаратов, сечения кабелей; для щита добавляются параметры, рассчитанные на этапе 1: значения расчетных активной, реактивной, полной мощностей, расчетного тока, коэффициента мощности, коэффициента использования.

На этапе 6 с помощью встроенных функций BIM-платформы подготавливается спецификация изделий и материалов.

На этапе 7 составляется кабельный журнал с помощью BIM-платформы.

Таким образом, существующая схема проектирования требует многократного повторения одинаковых монотонных действий по переносу информации из одного ПО в другое и приведению ее в соответствие между ними. Это не только усложняет труд, но и приводит к многочисленным ошибкам, допущенным вследствие неизбежного влияния человеческого фактора.

Очевидно, что организация процесса требует оптимизации. По результатам проведенного анализа можно сделать вывод, что одним из наиболее целесообразных вариантов упрощения процесса будет совмещение этапов 1 и 4 с помощью сторонней программы. Структурная схема процесса проектирования в таком случае примет вид, показанный на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема оптимизированного комплекса проектирования электротехнической части

Ключевые изменения:

• исключены этапы 1 и 4 исходной схемы за счет их автоматизации;
• данные передаются между Excel и ПО BIM-моделирования без ручного вмешательства;
• расчет токов КЗ и подбор оборудования интегрированы в единый алгоритм.

Такое преобразование значительно сократит объем работ, требующих участия человека, упростит процесс проектирования, снизит вероятность появления ошибки при передаче больших объемов данных.

Рассмотрим подробнее технологический процесс, осуществляемый в ПО (рис. 3).

Рис. 3. Обобщённая блок-схема алгоритма расчетной программы

Блок-схема отражает структуру программы для автоматизации расчета электрических нагрузок и подбора оборудования в соответствии с нормативными требованиями. Она объединяет этапы ввода данных, расчета параметров, выбора аппаратуры и формирования отчетности, что соответствует целям НИР: минимизация ручного труда, повышение точности и интеграция с существующими инструментами.

Вводные данные для программы – таблица в формате Excel-файла, содержащая данные об электрических параметрах потребителей, источнике питания, длине питающего кабеля, которая автоматически собирается по данным, занесенным в ПО BIM-моделирования.

Далее активируется модуль расчета электрических нагрузок. В нем выполняется расчет по методике, соответствующей нормативу РТМ 36.18.32.4-92, с учетом классификации потребителей (группы электроприемников, РУНН и щиты), расчетных коэффициентов, типов мощностей (активной, реактивной, полной) и токов. На этом же этапе осуществляются расчет мощности компенсирующих устройств и выбор мощности трансформаторов.

Следующий модуль системы отвечает за подбор коммутационной аппаратуры. На основе расчетных данных и токов короткого замыкания (КЗ) программа определяет сечения кабелей по таблицам ПУЭ и производит выбор номинальных параметров защитных устройств. Все расчеты проходят встроенную проверку на соответствие заданным параметрам, после чего формируются выходные данные.

Выходные данные в формате Excel-файла: расчет электрических нагрузок по форме Ф636–92; кабельный журнал по ГОСТ 21.613–2014; потребность кабелей и проводов по ГОСТ 21.613–2014; перечень необходимого электротехнического оборудования с подобранными характеристиками.

Выбор языка программирования C# обусловлен его широкими возможностями для реализации инженерного ПО: развитой поддержкой работы с табличными данными (в частности, Excel), удобными средствами построения пользовательских интерфейсов и интеграцией с платформой Windows, являющейся стандартом в инженерной среде. C# обеспечивает надёжность расчётов за счёт строгой типизации и контроля ошибок на этапе компиляции, а также позволяет создавать масштабируемую архитектуру с модульной структурой, необходимую для дальнейшего расширения функционала. Это делает его оптимальным инструментом для разработки цифрового программного обеспечения (ЦПО), предназначенного для автоматизации расчётов и подбора оборудования в проектировании систем электроснабжения.

Использование Excel и nanoCAD в рамках данного проекта обусловлено как технологическими, так и практическими соображениями, связанными с требованиями инженерной среды проектирования и стандартами современной САПР-инфраструктуры. Excel выбран в качестве основного инструмента для ввода, хранения и структурирования исходных данных, так как он представляет собой универсальный, гибкий и общепринятый формат табличной информации, легко адаптируемый к различным этапам проектирования. Благодаря встроенным функциям обработки данных Excel позволяет реализовать двустороннюю связь между расчетным модулем и инженерной моделью, исключая необходимость ручного переноса информации и тем самым снижая вероятность ошибок.

Программное обеспечение nanoCAD используется в качестве среды BIM-моделирования, что соответствует требованиям современных проектных организаций и позволяет поддерживать сквозную информационную модель здания или производственного объекта. Выбор софта обоснован его возможностью хранения геометрической и параметрической информации об оборудовании, пространственном расположении кабельных трасс и точках подключения, что делает его незаменимым при комплексном проектировании электрических сетей в рамках общей строительной модели. Кроме того, наличие открытого API дает возможность интеграции с внешними расчетными алгоритмами и позволяет автоматизировать процессы, связанные с трассировкой кабелей, генерацией спецификаций и формированием схем. Таким образом, связка Excel и nanoCAD обеспечивает эффективное сопряжение между расчетной и графической частью проекта, позволяет сократить количество рутинных операций, повысить точность инженерных решений и обеспечить соответствие требованиям нормативной документации.

Таким образом, представленное ЦПО демонстрирует целостный алгоритм проектирования, охватывающий все ключевые этапы от ввода данных до получения расчетных и технических характеристик оборудования. Оно обеспечивает автоматизацию рутинных операций, снижает влияние человеческого фактора и обеспечивает соответствие требованиям нормативных документов. Внедрение данной схемы в программный комплекс существенно упрощает процесс проектирования электрических сетей, повышая его точность, надежность и скорость.

Практическая реализация на примере проекта электроснабжения золотоизвлекающей фабрики

Рассмотрим практическую реализацию проекта на примере проекта электроснабжения золотоизвлекающей фабрики (ЗИФ) «Кумроч». Основным источником электроснабжения для объектов ЗИФ является автономная дизельная теплоэлектростанция (АТЭС) контейнерно-модульного исполнения напряжением 6,3 кВ с системами утилизации, рекуперации тепла.

ЦПО получает данные о сформированных цепях из 3D-модели и формирует таблицы расчета нагрузок для каждого распределительного пункта на каждом из уровней. Фрагмент таблицы расчета электрических нагрузок для одной из трансформаторных подстанций приведен на рис. 4.

Рис. 4. Фрагмент расчета электрических нагрузок ТП-1

Расчет ведется согласно руководящему техническому материалу «Указания по расчету электрических нагрузок» РТМ 36.18.32.4-92 [18], а его результаты оформляются по установленной форме Ф636-92³.

После формирования расчета нагрузок ЦПО одновременно ведет расчет токов коротких замыканий на всех уровнях системы электроснабжения и подбирает параметры кабельных линий и коммутационной аппаратуры с учетом селективности. Такой метод обеспечивает точность и высокую скорость вычислений. Результаты вычислений ЦПО сводятся в таблицу, удобную для дальнейшей работы проектировщика. Используя рассчитанные с помощью ЦПО параметры, пользователь может легко подобрать оборудование выбранного производителя.  Фрагмент результатов подбора оборудования приведен на принципиальной схеме (рис. 5).

Рис. 5. Фрагмент электрической принципиальной однолинейной схемы ТП-1

Поскольку расчет в программе происходит автоматически и практически не требует дополнительных действий от проектировщика, при необходимости возможно с минимальными трудозатратами многократно обновлять его результаты в случае корректировки исходных данных. Это повышает гибкость процесса проектирования и адаптирует ЦПО к условиям постоянных изменений компонентов системы в течение проработки решений по электроснабжению.  

Основываясь на результатах расчета системы электроснабжения ЗИФ «Кумроч», в работе [20] авторы привели оценку эффективности возможного применения альтернативных источников питания в системах автономного электроснабжения [21].

³ Табл. 4. Руководящий технический материал «Указания по расчету электрических нагрузок» от 30.07.1992 № РТМ 36.18.32.4–92. ВНИПИ ТЯЖПРОМЭЛЕКТРОПРОЕКТ; 1992.

Выводы

Цифровое программное обеспечение позволяет в значительной степени сократить количество этапов ручного переноса данных (до 80 %), не привязывает пользователя к необходимости выбора оборудования из ограниченных каталогов (библиотек), требует минимального вмешательства в процесс со стороны человека, для работы в программе пользователь практически не нуждается в отдельном обучении.

ЦПО автоматизирует процесс проектирования систем электроснабжения (упрощает и ускоряет процесс работы), сводит к минимуму вероятность ошибки ввиду человеческого фактора, повышает точность расчетов. Это – необходимые условия для компании (проектного института), которая хочет сохранять востребованность у клиентов, поддерживать конкурентоспособность и соответствовать уровню развития технологий.

Данное ЦПО имеет преимущество перед существующими программными комплексами, поскольку за счет удобного формата вводных и выводных данных в виде таблиц в формате Excel минимизирует необходимость переноса данных вручную. Это, в свою очередь, упрощает, ускоряет работу и повышает точность выполняемых расчетов.

В отличие от похожих программ, считывание данных автоматизировано, ЦПО подразумевает минимальное вмешательство со стороны человека, что избавляет от необходимости дополнительного обучения по работе с программой, а также активного технического обслуживания и консультаций.

Также в сравнении с аналогами разрабатываемое ЦПО не привязано к производителю электрооборудования, поэтому предоставляет пользователю данные для подбора оборудования, оставляя право выбора бренда за проектировщиком или заказчиком.

Решение обладает значительным потенциалом для внедрения в проектных организациях, так как соответствует стратегии цифровизации энергетики и отвечает потребностям рынка в гибких, независимых и масштабируемых инструментах проектирования.

Перспективы развития связаны с интеграцией искусственного интеллекта для автоматической корректировки проектов в реальном времени и возможностью подключения расчетов для альтернативных источников энергии.