Современные технологии проектирования ЛЭП

Проектирование воздушных линий электропередачи (ЛЭП) на начальном этапе остро нуждается в обработке сведений по геодезии, геологии и гидрологии местности. Применение современных информационных моделей и программных продуктов помогает без лишних сложностей справиться с этими комплексными расчетами.

Проблематика

Текущие возможности на этом объеме работы заключаются в применении инженерно-технических методик многолетней давности. При разработке документации проектировщики сталкиваются с такими их недостатками как:

• ступенчатость и даже частичность анализа (приходится рассматривать каждый раздел отдельно от остальных);
• фактическое отсутствие информационной стыковки разделов, что негативно отражается на общем результате;
• низкий уровень автоматизации расчетно-графических процессов, сложности с оптимизацией разработки и продукта в целом.

Добавляет сложности возраст нормативно-правовой базы. Проектная документация создается на основе требований, которые не менялись десятки лет. Сегодня качественные параметры воздушных линий нуждаются в уточнении и обновлении нормативных актов – но пока остаются на прежнем уровне. Инструментальная база находится на архаичном уровне: стандартные электронные системы проектирования и слабо автоматизированные расчетные средства.

В начале 2000-х было отмечено появление нескольких программных продуктов для автоматизированной разработки ЛЭП. Проектирование с их помощью было более качественным с точки зрения предыдущих возможностей, однако дальнейшего роста производительности и качественного скачка в развитии отрасли не произошло.

Особенность сложившейся специфики разработки состоит в почти полном отсутствии новых или уникальных технических решений. Фундаменты, металлоконструкции, электротехническая часть и защитные системы планируются из уже существующих и прошедших проверку конструкций. Основное техническое решение (ОТР) подбирается из «альбома», поэтому не всегда на 100% удовлетворяет требованиям исходного задания. Интересно, что часто условия складываются не в пользу оптимального варианта, а просто наиболее подходящего.

Разработка качественного нового предложения требует продолжительных и дорогостоящих научно-исследовательских конструкторских работ (НИОКР). Они заметно повышают стоимость проекта ВЛ, поэтому часто конечный результат основывается на типовой конструкции. Заказчик со своей стороны имеет определенные требования – по соблюдению условий эксплуатации, срокам возведения ЛЭП и стоимости проекта.

Наложение этих обстоятельств друг на друга сегодня приводит при проработке проекта к появлению следующих тенденций:

• ОТР становится все больше похожим на детальную проектную документацию;
• техническая документация разрабатывается уже на этапе тендера (конкурса);
• подготовка расчетно-графического пакета усложняется добавлением сторонних разделов (к примеру, информации, относящейся уже к этапу реализации проекта).

Для снижения общего уровня трудозатрат предлагается технология так называемого цифрового (электронного) проектирования. С ней создание и возведение ЛЭП становится гораздо более оперативной и качественной.

Суть цифровой технологии проектирования

Создание инженерного продукта в виде сооружения с заданными функциями и ресурсом требует отдельную технологию. Она заключается в комплексном применении целого ряда алгоритмов, инструментов и мероприятий.

Цифровая технология основывается на исторически сложившихся принципах обработки информации и представляет собой электронное моделирование требуемого результата. Ее главные достоинства: упрощение внутренних процессов, качественное улучшение организации и ускорение благодаря мощной автоматизации.

Такая технология помогает получить удобную цифровую модель для каждого необходимого объекта:

• структурированно складывающийся набор информации можно обновлять, дополнять и редактировать;
• здесь содержатся координаты, расчеты, геометрия и детальные схемы;
• необходимые компоненты можно быстро находить и анализировать.

Сканирование местности современными способами (аэронавигация, спутниковые средства, лазерные инструменты) дополняют сведения высокоточными измерениями. В результате цифровая модель становится пакетом информации, которая отличается полнотой, достоверностью и согласованностью. Мощно возрастает оперативность в вопросах, относящихся к проектированию, строительству, эксплуатации.

И даже сильные отличия разных объектов энергетической инфраструктуры не создают проектировщикам проблем. Каждая стадия жизненного цикла компонента ВЛ отрабатывается по всем требованиям, устанавливаемым как в самом начале проектирования, так и возникающим уже в ходе разработки. Это делает закономерности применения цифровой модели крайне схожими с инструментами для сферы строительства.

Мероприятия по организации

Для гарантированного получения удовлетворительного технического результата необходимо разработать организационные мероприятия и решения. К ним выдвигаются следующие требования:

• общая среда для создания, редактирования и утверждения различных материалов и предложений (так, в распоряжении «Россети ФСК ЕЭС» имеется ряд программных комплексов, которые, к сожалению, слабо или вообще никак не связаны друг с другом);
• структура проектной команды и распределение ролей в разработке проекта;
• формат данных, их качественное и количественное наполнение;
• цифровые средства для разработки и реализации проектных решений, создания документации, обмена материалами между всеми участниками.

Чтобы получить такой комплексный программный продукт, необходимо как минимум следующее:

• модульная программа для разработки элементов ВЛ: получение ОТР, создание уникальных конструкций и отдельных элементов опор, проработка строительной и монтажной документации, расчетно-графический анализ по кабелю и заземлению;
• автоматизированная система создания конструкторских документов с учетом построенной электронной модели;
• привязка и адаптация существующей системы управления к новому инструменту с учетом собственной специфики пользователя, или разработка подходящей системы с нуля.

Последнее требование не лишнее: даже самый современный и качественный продукт необходимо грамотно встроить в макропроцесс предприятия, а также эффективно его применять.

Основные компоненты цифровой технологии

Для снижения затрат времени, ускорения процесса проработки и согласования материалов оптимально применять так называемую «среду общих данных». Она представляет собой систему с общим или ограниченным для отдельных сотрудников доступом.

Главное достоинство такого подхода – структурированность всех процедур от составления технического задания до выдачи документов на производство элементов ЛЭП. При этом коллектив уходит от долгого чтения больших документов в сторону рассмотрения конкретных проблем.

Цифровая модель

Цифровая (электронная) модель является объемным источником всех необходимых данных, которые интересны участникам планируемого проекта. Металлопрокат, кабельная продукция, материалы для крепления и бетонирования – качество и количество компонентов, подтверждаемые сертификатами, всегда находятся «под рукой».

Напомним, подход рассматривается для ускорения и упрощения проектных работ на стадии предварительной конкурсной заявки – но от него будет польза на каждой стадии жизненного цикла ВЛ. Технологическая часть и зависящие от нее материально-технические запросы составляются и применяются не только на момент начала разработки, но и спустя много лет.

Первая задача для получения цифровой модели – разработать программное обеспечение (ПО) для работы с документацией, графическими схемами и инженерными расчетами. Далеко не лишним будет инструмент, позволяющий визуально увидеть проектируемое ОТР.

Эти запросы сравнительно легко реализуются с помощью уже существующих программ. Энергетическая отрасль в этом вопросе отстает. ПО для моделирования такого уровня больше применяется в строительстве и машиностроении. Поэтому целесообразно адаптировать их для нужд и специфики электроэнергетики.

При этом необходимо обратить внимание на следующие условия:

• физически изготовленная ВЛ будет располагаться на какой-то местности, поэтому ажно начать построение с геодезической информации – 3D-съемки, моделирование, отметки высот: все это важно задействовать максимально эффективно;
• сопутствующие сведения – геология, гидрология, климат и другие особенности: размещаются в модели как ее неотъемлемая часть, или подключаются в модульном формате;
• для улучшения взаимодействия всей системы рекомендуется наладить взаимообмен информацией между частями, связанными с расчетами, конструкторской и рабочей документацией (CAE, CAD, CAM);
• целесообразно стремиться к максимальной автоматизации цифровой среды.

«Самостоятельное» получение этим методом удовлетворяющее ОТР сегодня невозможно. Поэтому создать такое ПО – значит получить универсальный цифровой инструмент для электроэнергетики.

Создание ОТР

Основное техническое решение – это целевой результат, дающий ответ на вопросы и требования задания.

«Россети ФСК ЕЭС» (как и многие другие организации, одновременно эксплуатирующие инженерные сооружения и стремящиеся их модернизировать) видят в ОТР постепенно формирующийся облик высоковольтной линии. Сюда в первую очередь входят тип фундамента, конструкция опоры, провода и система их подвешивания, грозотрос, электроизоляция, заземление и т.д. По мере выполнения технической части становится возможным дать результату финансовую оценку.

Цифровая разработка такого высокотехнологичного продукта как ЛЭП нуждается как минимум в следующих частях.

Конструкция трассы

Варианты прокладываемой трассы формируются на основании следующих параметров:

• климат в данной местности;
• состояние рельефа, расположение водных бассейнов и критичных ограничений;
• близость природоохранных, рекреационных и жилых зон.

Как правило, обстоятельства общей ситуации приводят к рассмотрению нескольких вариантов. Оцениваются наиболее подходящие конструкции фундаментов, опор, изоляции, защитных систем:

• затраты на возведение «под ключ» или до определенной степени готовности;
• сроки и условия строительно-монтажных работ;
• воздействие на атмосферу, земельные и водные ресурсы;
• прочие не учтенные, но заметно влияющие на ситуацию условия.

Подбор конструкций, узлов, деталей и материалов оптимально вести по регулярно обновляемым базам данных.

Изыскания

Подобранное ОТР нуждается в «притирке» к местности. Выполняются геодезические, климатические и прочие инженерные изыскания, задача которых – определить оптимальную ось планируемой трассы. Для этого задействуются самые современные измерительные и диагностические средства. Результаты съемок подаются на проверку совместимости ОТР и предстоящих условий его работы.

Параллельно с этим проектируется индивидуальное решение. Практика разработки уникальных вариантов ВЛ показывает, что такой подход может сэкономить до сотен миллионов рублей. Его создание ведется по принципам формообразования, которые утверждены соответствующими структурами «Россети ФСК ЕЭС». Конструкция при этом оптимизируется по целому своду принципов – для получения наиболее безопасных и устойчивых характеристик.

Суть оптимизации – в применении определенных расчетных методик и алгоритмов конструирования. Специалистами подбираются поперечные сечения элементов, конструкционные и защитные материалы, рассчитывается каждое соединение. В перспективе такую ЛЭП можно построить быстрее и дешевле, чем типовую.

Завершенное индивидуальное техническое решение оценивается по главным показателям эффективности возведения. Для оценки технологичности подготавливается конструкторская документация, а для проверки надежности выполняются испытания.

Сложность составления уникального варианта заключаются в необходимости завершить базовые работы до подачи материалов на конкурс.

Уточнение оси и ОТР

Выбранное ОТР (типовое или спроектированное вновь) нуждается в окончательном уточнении. Для этого выполняются:

• уточнение координат расположения каждой опоры и углов поворота трассы;
• проектирование пересечений водных бассейнов, естественных и искусственных преград;
• финальное определение типов фундамента, опоры, провода;
• расчет грозоупорности;
• технико-экономическая оценка возведения ВЛ.

На этом этапе проводится полный расчет, а после геологических и гидрологических изысканий – точный. Разница между ними не должна быть более 10%.

Следующий шаг – размещение на основе результатов подготовки. Пакет документов и объем ОТР уже достаточны для подачи материалов на конкурс. Окончательные технические и экономические параметры рассчитываются при подготовке полноценной проектной документации с учетом всех данных по геофизике местности.

После этого этапа составляется финальное технико-экономическое задание на проектирование. В нем отражаются имеющиеся наработки по трассе ВЛ, ее коридору и составу. Информация обо всем этом уже частично находится в цифровой базе данных, поэтому остается наращивать глубину проработки проекта.

Завершение проектирования

Следующий шаг – финальное проектирование. Ведется плотная работа с геологией и гидрологией, уточняются технические показатели.

Интересно, что проектная документация составляется параллельно рабочему пакету. Сведения по всем стадиям создания будущего объекта при этом собираются в единый пакет. Программные продукты помогают вести разработку в формате единой стадии и под контролем ограниченной группы специалистов. В результате весь процесс отличается высокой эффективностью, а результат – максимально возможным качеством.

Универсальное и узкоспециализированное программное обеспечение, с помощью которого выполняется создание информационной модели, позволяет в автоматизированном режиме:

• уточнять расстановку планируемых опор;
• готовить монтажную часть ЛЭП;
• детально рассчитывать провода, заземление и прочие линейные компоненты;
• рассчитывать строительную часть (нагрузки на грунт и фундамент, тип и количество опорных элементов);
• готовить технические решения по защите от ударов молний и .т.д.

Основное достоинство программного комплекса заключается в том, что проектировщики и другие специалисты высвобождаются от «рутинной» работы. При этом варианты решений:

• формируются из баз данных и новых элементов;
• имеют оптимальный баланс между степенью унификации конструкции и ее стоимостью;
• автоматически сопровождаются всеми необходимыми расчетами;
• подкрепляются монтажными и рабочими схемами.

Такое развитие событий возможно только при наличии системы, которая способна самостоятельно вести обмен данными между комплексами для расчета (САЕ) и подготовки производства (САМ). Цель – максимальное ускорение изготовления на задействованных заводах.

Польза цифрового комплекса

Составление и дальнейшее применение цифровой модели высоковольтной линии помогает:

• создать необходимые и достаточные условия для сопровождения ЛЭП на каждой стадии жизненного цикла;
• перейти к проектированию в виртуальном пространстве, что поможет избавиться от устаревших технологий и приемов работы;
• получить оптимальное техническое решение для планируемой ВЛ или спроектировать уникальное решение (которое подойдет больше, чем типовое);
• снизить сроки и себестоимость разработки, производства, строительства и эксплуатации любого энергетического объекта;
• повысить эффективность эксплуатации ЛЭП;
• перейти на проактивную работу с ВЛ.

У цифровых продуктов есть будущее, которое видно уже сегодня.