空心电抗器计算机辅助设计系统的开发.pdf

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1、空心电抗器计算机辅助设计系统的开发朱 敏,魏新劳,王永红,刘文山(哈尔滨理工大学,黑龙江 哈尔滨150040)摘 要:在提出合理的空心电抗器计算机辅助设计模型的基础上,用Visual C+开发了Windows平台下空心电抗器计算机辅助设计系统。软件开发过程中采用了面向对象的设计方法,主体计算利用多线程技术实现,利用数据库技术实现资源共享和数据维护,图形绘制选用OpenG L(开放图形语言)。关键词:电抗器;计算机辅助设计;Visual C+;面向对象;多线程;数据库;OpenG L中图分类号:TM551 文献标识码:A 文章编号:1002-1663(2003)05-0344-04Develop

2、ment of CAD system for hollow reactorsZHU Min,WEI Xinlao,WANG Y onghong,LIU Wenshan(Harbin University of science And Technology,Harbin 150040,China)Abstract:From the CAD model established for hollow reactors,a CAD system has been developed under Windowsplatform for hollow reactors using Visual C+,Ob

3、ject-oriented is used for development of software,multi-threadtechndogy is used for realization of primary calculation,database technology is used for share-out of resources andmaintenance of data,and graphs are plotted using OpenG L.Key Words:reactor;CAD;Visual C+;object-oriented;multi-thread;datab

4、ase;OpenG L 随着电力工业的发展,工业用电的增加,城乡电气化建设的加快,电力系统对电力电抗器的需求量较之以前大大增加。主要表现在以下3个方面:a.电力系统电压等级的提高,导致系统容性无功增加,使空载和轻载时线路电压升高,需要并联电抗器进行补偿以改善线路电压分布。b.电力系统从提高经济效益、减少线损角度出发,无功功率补偿装置大量使用,需要大量串联电抗器配套。c.大量非线性负荷的使用,导致系统谐波污染越来越严重,为了改善电能质量,大量无源电力滤波器投入使用,相应地需要配套的滤波电抗器。如图1所示的干式空心电力电抗器,以其独特的结构和优良的电气性能得到电力系统用户的认可。但由于层与层之间有

5、强烈的互感存在,使这种电抗器的设计工作非常复杂,几乎无法手工完成。随着计算机及其应用技术的发展,这种空心电力电抗器才得以开发和应用。1 空心电抗器计算机辅助设计的要求与现状空心电力电抗器的基本设计要求是:在满足技术参数的条件下,要确定包封个数、各包封的尺寸及参数、包封内导线的层数、各层的尺寸及参数、选择合适的导线线径等等。由于各参数之间相互联系、相互制约,使得设计过程很复杂。目前,有一些程序已能辅助完成某一环节的计算工作,也有一些软件能针对某种类型的电抗器进行设计。这些软件和程序大多只能完成单一的功能,且多基于DOS平台,没有交互和扩充能力。就电抗器设计核心计算部分来说,目前已有软件的基本数学

6、模型还不够完善。因此,电抗器制造业要向前发展,对于大型的、功能完备的、界收稿日期:2003-01-06。作者简介:朱敏(1978-),女,现为哈尔滨理工大学高电压与绝缘技术专业硕士研究生。研究方向为空心电力电抗器设计计算相关问题及计算机辅助设计。443Vol.25,No.5Heilongjiang Electric PowerOct.2003 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图1 干式空心电抗器结构简图及其等值电路面友好的电抗器计算机辅助设计系统的需求迫

7、在眉睫。2 软件开发关键技术Windows已经成为主流操作系统。视窗操作平台带来了友好的用户界面,而且操作简便,功能强大。Windows下的软件开发工具Visual C+已经被实践证明是开发大型软件产品的极优秀的开发工具。因此,选用Windows平台和Visual C+开发工具进行电抗器计算机辅助设计系统的开发是合适的。2.1 采用面向对象的设计方法计算机辅助设计软件为用户使用提供极大的方便和灵活性,传统的面向过程的软件开发方法已经无法胜任。而面向对象技术在稳定性、可修改性和可重用性方面,更有优势。面向对象技术使开发软件的方法与过程尽可能接近人类认识问题和解决问题的方法与过程。因此,为了使电抗

8、器计算机辅助设计系统具有更大的灵活性和可维护性,这里采用面向对象的设计方法。空心电抗器一般由多个同轴绕组包封组成,所有包封在电气上是并联的。在每个包封中有若干层并联连接的线圈,每层线圈又由数根小截面金属导线(一般为铝导线)并绕而成。根据电抗器的实际结构形式,采用面向对象的方法将电抗器的物理模型进行分割,然后多层次分类提取、封装。由于电抗器的结构比较规则,所以采用对象封装的方案非常适宜,结构清晰。经过反复研究,得出了一个合理的分类封装方案。采用这种方案进行开发,可以使设计的各个部分巧妙地融合在一起,而不是生硬地拼凑,其中,设计参量的相互制约关系也变得很清晰,不至于混乱。为将来该产品的改进与扩充打

9、下了良好的基础。将电抗器各层次整体及部分的封装称作类。该分类方案如图2所示,将电抗器对象按封装的概念分层提取为电抗器类、线圈类、包封类和层类。其中,电抗器类为第1层,线圈类为第2层,包封类和层类为第3层。电抗器类的数据成员包括电抗器的各种额定参数,线圈类对象,电抗器的类型、功能等属性。线圈类的数据成员包括线圈的结构参数,包封类对象和层类对象。图2 电抗器对象提取方案各个类中不仅定义了数据成员,还定义了接口函数与操作函数。这里,操作函数以设计函数为主。由于对电抗器进行了分类封装,设计过程也分成了不同的层次,有关线圈设计的部分,放在线圈类中实现;有关电抗器总体设计的部分放在电抗器类中实现。2.2

10、主体计算采用多线程实现多线程技术是现代操作系统有别于传统操作系统的重要标志之一。线程作为Windows95(及其它现代操作系统)是Windows95(及以上)程序分配CPU时间片的基本实体。每个进程由一个或多个线程组成,各线程完成指定的操作,并根据其调度优先级分配CPU。因此,多线程技术可以充分利用CPU资源,进行并行计算。特别是应用程序中复杂的计算过程,应该采用多线程技术实现。MFC(微软基础类库)明确区分两种线程:用户界面线程和工作者线程。用户界面线程有一个消息泵,一般用于处理用户界面任务;工作者线程通常用于完成不涉及用户界面的任务。在本设计中,主体计算过程是相当耗时的,如543第25卷

11、第5期 黑龙江电力 2003年10月 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/若不采用多线程技术,不仅降低设计本身的计算速度,也会导致界面无法更新。电抗器的整体设计计算过程包括包封设计、自动排线设计、电感几何系数计算、匝数计算、电流和电流密度计算、线圈各层所受磁场力的计算、损耗和温升的计算等。a.线圈的任意两层之间都存在互感,同轴线圈层间互感的计算公式如下:M12=2 0(R1R2)3/2n1n2(f(R1,R2,Z1)-f(R1,R2,Z2)+f(R1,R2,

12、Z3)-f(R1,R2,Z4)f(R1,R2,Z)=R1R220R21+R22+Z2-2R1R2cosR21+R22-2R1R2cossin2d(1)Z1=H1/2+H2/2+S;Z2=H1/2-H2/2+SZ3=-H1/2+H2/2+S;Z4=-H1/2-H2/2+S函数f(R1,R2,Z1)的计算,可以通过Bartkey变换来求取,既可以保证计算精度,又可以提高计算速度。设电抗器的层数为n,就需要计算n(n+1)2个电感系数,那么,随着n的增大,f函数的计算次数将以平方速度增长。另外,设计过程中还要反复的调整,重算。因此,当层数很大时,这个计算量是可观的。非同轴安装时,计算情况更加复杂。b

13、.利用电抗器的电压方程来确定电抗器每层匝数时,以比较简单的单相电抗器为例,电压方程为:W1W1f11I1+W1W2f12I2+W1W3f13I3+W1Wif1iIi+W1Wnf1nIn=UN/WiW1filI1+WiW2fi2I2+WiW3fi3I3+WiWifiiIi+WiWnfinIn=UN/(2)WnW1fn1I1+WnW2fn2I2+WnW3fn3I3+WnWifniIi+WnWnfnnIn=UN/显然,这是一个n(层数)元二次非线性方程组。另外,求取各层电流时,也是一个解n元方程组的问题,求取电感量控制单时,是一个逐步扩大的方程组反复求解的过程。设计三相电抗器时,这些方程组将变得更加

14、复杂,规模更加庞大。因此,这些方程组的求解使计算量继续增大。c.计算各层线圈所受磁场、磁场力时,通过解析计算公式可以求得空间各点的磁感应强度2:Br(r0,z0)=nj=1Brj(r0,z0)Bz(r0,z0)=nj=1Bzj(r0,z0)(3)其中,Brj(r0,z0)=0rIN2 Fr(r0,r,(z0-H/2)-Fr(r0,r,(z0+H/2)Bzj(r0,z0)=0rIN2 Fz(r0,r,(z0+H/2)-Fz(r0,r,(z0-H/2)Fr(r0,r,z)=10cosdr20+r2+z2-2r0rcosFz(r0,r,z)=10(r-r0cos)r20+r2-2r0rcoszr20

15、+r2+z2-2r0rcosd磁感应强度的计算关键在于函数Fr(r0,r,z)和Fz(r0,r,z)的计算。关于这两个函数的计算,可以用Bartky变换法来实现。求解各层所受的轴向压力时,需要对每层线圈沿轴向各点所受的轴向场力进行叠加。因此,计算时应对线圈沿轴向进行等分,等分的份数越多,也就是计算的点数越多,则计算结果越精确。但是,随着等分份数的增大,计算量也在猛增。由以上分析可知,电抗器的主体计算过程是个复杂的计算过程,不应该放在用户界面线程实现,应单独放在工作者线程中,进行后台运算。2.3 利用数据库技术实现资源共享和数据维护建立产品设计数据库,用来存储设计电抗器产品时所需的各种信息,如线

16、规标准信息、材料属性信息、设计所需的表格、线图等。该数据库可供电抗器CAD作业时检索和调用。采用数据库存储的好处是:a.可以实现数据资源的共享;b.便于数据的管理和维护。如果需要对这些数据进行修改、增添或删除,只需修改数据库中的数据即可,643Vol.25,No.5Heilongjiang Electric PowerOct.2003 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/不必修改主程序。对数据库的访问采用ODBC(开放数据库互连)技术。ODBC是建立在标准化

17、版本的SQL(结构化查询语言)上的。它为关系数据库提供了统一接口,并逐渐成为关系数据库系统接口的标准。MFC对ODBC进行了封装,主要的MFC ODBC类是CRecordset类和CDatabase类,通过封装的MFCODBC类,可以对数据库进行方便的访问和操作。2.4 利用OpenG L进行图形绘制计算机辅助设计的根本任务是为产品的开发和生产建立一个全局信息模型,电抗器计算机辅助设计也不例外。这里面蕴含的一个重要方向就是科学计算可视化(Visualization in Scientific Com2puting)技术。把科学计算数据转换成可视的、能帮助科学工作者理解的信息具有重要的意义。科学

18、计算可视化是通过计算机图形学和图像处理技术实现的。图形是信息交流的最直接的形式。在电抗器计算机辅助设计中,有大量的信息可以用图形来表达,如电抗器的整体结构图、装配图、各包封的温升图、各层的电流图、电流密度图、磁场分布图等,既直观,又可以表达丰富的信息,有助于电抗器的整体优化设计。本设计的图形部分采用OpenG L技术实现。OpenG L是由SGI公司开发的一套三维图形软件接口标准,由于具有体系结构简单、使用方便、与操作平台无关等优点,OpenG L迅速成为一种三维图形接口的工业标准。它具有高性能的图形和交互式视景处理的能力。远远优于MFC(微软基础类库)自身的G DI(图形设备接口)对象类。是

19、计算机辅助设计开发的首选。而且,OpenG L能与Visual C+这样强大的工具相结合,以此来完成复杂的任务。笔者开发了一套具有广泛实用性的图形绘制类。该图形类使用方便,可以由计算给出的数据,根据实际需要绘制出柱状图、曲线图、分布图等。由这些图形,用户可以清晰地看到设计结果的各项性能指标的变化趋势。例如,可以直观地看到各层电流的分配情况,可以了解整体磁场的分布状况等等。3 设计实例下面设计一个单相并联电抗器,技术要求见表1。表1 设计要求属 性值电抗器的额定容量2 000 kVar系统额定线电压35 kV系统额定工作频率50 Hz允许平均温升75许用电流密度1.25 A/mm2电抗器期望高度

20、值2 000 mm电抗器的期望内直径2 000 mm导线材质铜 表2给出了设计结果的包封绕制方案部分。表2 设计结果的包封绕制方案包封号内直径/mm外直径/mm层数轴向并联导线根数线规/mm导线长/m导线质量/kg12 0002 036.9561226 841.6749.65222 076.952 110.94512.2422 266.1780.06632 150.942 184.93512.2421 989.9770.39242 224.932 265.04612.2427 021.3946.6594 结束语综上所述,空心电力电抗器的结构特点决定了它的设计工作十分复杂,本文提出了电抗器计算机

21、辅助设计的开发模型,阐述了软件开发过程中所用到的几项关键技术,利用这些技术,已经成功地开发了电抗器计算机辅助设计系统,本系统具有良好的可维护性和可扩充性。参考文献:1 魏新劳.大型干式空心电力电抗器设计计算相关理论研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2002.2 魏新劳,麻森.多层并联空心电力电抗器磁场的解析计算方法J.变压器),1993,30(2):12-15.3 WEI Xinlao,ZHU Dongbai.COMPUTER AIDED DESIG N OFSCREENING ELECTRODES OF LARGE AIR CORE POWERREACTOR,Proceedingsof Joint ConferenceC.1996 Asian Inter2national Conference on Dielectrics&Electrical Insulation Diagno2sis,Oct 8-11 1996:163-166.(编辑 许辰瑛)743第25卷 第5期 黑龙江电力 2003年10月 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/