from 01.01.2004 to 01.01.2023
kaluga, Russian Federation
from 01.01.2024 to 01.01.2024
Kaluga, Kaluga, Russian Federation
Russian Federation
The article considers the development of a web application for designing power distribution points. This solution will reduce the cost of producing objects by simulating them in a virtual environment and, as a result, speed up the release of finished products to the market. Diagnostic maintenance of objects will allow timely avoidance of abnormal situations in the equipment operation. The main functional features of the developed web application for designing power distribution points are indicated: from receiving technical specifications, an object template to converting the initial data into the digital form in the format required by the customer, testing and identifying inaccuracies and errors in the design, issuing recommendations for correcting errors. Examples of implementing the development results are given. The proposed solution has a simple, intuitive interface and can be applicable as an opportunity to train personnel. One of the additional features is the joint use of the application with the geographic information system for managing power supply networks, developed by the Kaluga power grid company.
power distribution point, PDF format, JSON format, web application, digital city
Введение
В результате активного развития информационных технологий наблюдается возрастание глобального рынка цифровых двойников. Этот тренд охватывает не только мировое сообщество, но также затрагивает и Россию.
Цифровой двойник представляет собой динамическую виртуальную реплику материального объекта, процесса, системы или окружения, обладающую внешними параметрами и характеристиками оригинала. Позволяя захватить данные и имитировать процессы, он обеспечивает возможность прогнозирования реальных выходов продукта и выявления потенциальных проблем [1, 2].
В работе представлена разработка веб-приложения, предназначенного для автоматизации проектирования распределительных пунктов электросетей, реализуемая как часть экосистемы цифрового двойника предприятия электросетей в г. Калуга.
Процесс проектирования объекта электроэнергетики носит длительный характер, исходными данными являются чертежи преимущественно на бумажных носителях. Позже стали появляться графические редакторы, которые были не предназначены или частично предназначены для проектирования схем объектов электроэнергетики [3]. Несмотря на то, что их появление и активное применение облегчило процесс проектирования, позволяя перемещать, удалять и быстро изменять внешний вид компонентов, существовал ряд недостатков, которые не позволяли приложениям быть эталонными.
- самостоятельное проектирование внешнего вида компонентов и комплектующих. Для начала работы, необходимо было настроить среду и самостоятельно создать целую библиотеку специализированных компонентов;
- отсутствие автоматизации ряда действий: автоматизация расчетов, формирование рекомендаций, автоматическое изменение внешнего вида компонента в зависимости от выбранных комплектующих.
Следует отметить отсутствие кроссплатформенности у некоторых приложений, что могло накладывать ограничения на использование ОС. В связи с этим, существует необходимость в реализации специализированного веб-приложения, меняющего подход к проектированию распределительного пункта, имеющего библиотеку готовых компонентов для облегчения проектирования и модуль самопроверки, который будет помогать инженеру с автоматизированными расчётами и выбором комплектующих.
Веб-приложение может быть интегрировано в экосистему компании, став ее модулем и работать вместе с веб-геоинформационной системой для управления сетями электроснабжения. Например, пользователь может по карте найти нужный ему распределительный пункт, нажать на иконку и перейти в модуль для дальнейшей оперативной работы с документацией, связанной с распределительным пунктом (РП).
Таким образом, приложение идеально подходит для электросетевых компаний. В современном мире, где точность и эффективность играют важнейшую роль, использование программного обеспечения, способного автоматически проверять себя, представляет собой значительное преимущество. Этот аспект особенно ценен для молодых специалистов, только вступивших в профессиональную деятельность. Новички, еще только набирающиеся опыта, получают возможность оперировать инструментом, который не только помогает избежать ошибок, но и способствует их дальнейшему профессиональному росту. Программа представляет собой не просто инструмент проектирования объекта, но позволяет выполнять задачи контроля проекта, расчетов.
Проектирование объекта
Распределительный пункт (РП) – электроустановка, предназначенная для распределения электрической энергии внутри распределительной сети, представляющая собой разделенные на секции сборные шины, определенного количества ячеек (присоединений) и коридора управления [4]. Сложность реализации ЦД РП заключается в том, что распределительных пунктов много и они имеют множество различных параметров контроля: уровни напряжения; количество ячеек; номинальный ток; ток динамической стойкости и др.
Ячейки служат для размещения в них: выключателей, трансформаторов тока, линейных, шинных и секционных разъединителей; предохранителей; трансформаторов напряжения; приборов защиты и другого электрооборудования. Каждое электрооборудование тоже имеет множество своих характеристик [5, 6].
Веб-приложение предоставляет удобный функционал, позволяющий с лёгкостью проектировать ячейки (шкафы) распределительного пункта, которые прикрепляются к секциям, что в конечном итоге, позволяет собирать из готовых элементов схему распределительного пункта. Данный функционал в окружении браузера реализуется с помощью технологии drag-n-drop. Drag-n-drop представляет собой способ управления элементами пользовательского интерфейса с помощью устройства ввода, такого как мышь или сенсорный экран [6]. Перемещение ячеек и добавление их в секции осуществляется с помощью специальных событий. Помимо этого, пользователю предоставляется возможность заполнять и изменять атрибуты каждой ячейки: определить её тип, комплектное распределительное устройство 10(6) кВт и их характеристики. В приложении имеется база данных типовых решений, что значительно сокращает время проектирования, однако использование типовых решений не всегда удовлетворит проектировщика, поэтому в систему включен модуль свободного проектирования, который совместно с электронным архивом комплектующих ведущих мировых производителей позволяет быстро решить поставленную задачу. На рис. 1 приведен пример меню выбора вакуумных выключателей.
Рис. 1. База данных готовых типовых решений вакуумных выключателей
Fig. 1. Database of ready-made standard solutions for vacuum circuit breakers
База данных готовых типовых решений позволяет пользователю подобрать готовый существующий вариант, кликнув мышью на нужную строку. На рис. 2 представлена демонстрация работы модуля свободного проектирования.
Рис. 2. Демонстрация работы модуля свободного проектирования
Fig. 2. Demonstration of the operation of the free design module
Модуль свободного проектирования позволяет заполнять или изменять уже имеющиеся свойства, если нужного решения не нашлось в базе данных готовых типовых решений.
Также приложение позволяет производить экспорт построенной схемы в PDF-формат. Имеется возможность экспорта и импорта файла с настройками в JSON-формат. Для более комфортного процесса визуализации РП имеется возможность добавить на рабочую область приложения отсканированный чертеж в формате jpg, png, который будет использоваться в качестве шаблона. Также приложение позволяет автоматически формировать опросные листы для завода-изготовителя.
Работа с шаблонами
Для работы с шаблонами достаточно импортировать изображение. На рис. 3, 4 представлены этапы добавления шаблона на рабочую область.
Рис. 3. Выбор шаблона из проводника
Fig. 3. Selecting a template from the Explorer
Можно выбрать только форматы с расширением jpg или png. Импорт изображений с другими расширениями запрещен. На рис. 4 представлен результат импортирования шаблона.
Рис. 4. Импортированный шаблон
Fig. 4. Imported template
Данное изображение можно перемещать с помощью технологии drag-n-drop, а также, менять размер. Для более удобной работы может понадобиться возможность вычленения определенного куска шаблона. На рис. 5 представлен результат данный функции.
Рис. 5. Результат вычленения части шаблона
Fig. 5. The result of isolating a part of the template
Проверки и расчёты
Для самопроверок и формирования рекомендаций используется несколько формул: формула для расчета первичного тока для выбора измерительного трансформатора тока:
(1)
где P – мощность, кВт; U – напряжение, В; I – ток, кА; cos φ – коэффициент мощности.
На рис. 6, 7 представлена работа самопроверки, связанной с выборами измерительных трансформаторов тока.
Рис. 6. Уведомление о несоответствии комплектующих с заданными параметрами
Fig. 6. Notification of non-compliance of components with the specified parameters
Оператор ввёл номинальное значение 4000 в поле «суммарная мощность всех электроприборов». Учитывая, что напряжение 10 кВ, коэффициент мощности cos φ примем равным 1. Данное значение является идеальным и обеспечивает наиболее благоприятный режим работы системы [7]. Система самопроверок дала рекомендацию выбрать трансформаторы тока с значением первичного тока больше, чем 230,94. Проверим значения, подставив в формулу (1).
, что верно
На рис. 7 представлен запрет выбора из базы данных готовых типовых решений.
Рис. 7. Запрет выбора определенных комплектующих из базы данных готовых типовых решений
Fig. 7. Prohibition of the selection of certain components from the database of ready-made standard solutions
Строки, которые не рекомендуются к использованию, визуально выделены (имеют меньшую прозрачность), а также, по клику мыши по таким строкам не будет заполнения свойств.
На рис. 8, 9 представлена реализация формирования рекомендации по выбору типа коммутационного аппарата.
Рис. 8. Ошибка, связанная с выбором типа коммутационного аппарата
Fig. 8. Error related to the choice of the type of switching device
Текущая ячейка имеет тип «СВ», что означает секционный выключатель. Коммутационный аппарат является выключателем, т.е. ячейка с типом СВ просто не может не иметь никакого выключателя. В связи с этим, формируется уведомление и обводка места ошибки красным цветом. На рис. 9 представлены правильные варианты выбора типа коммутационного аппарата.
Рис. 9. Правильные варианты выбора типа коммутационного аппарата
Fig. 9. Correct options for choosing the type of switching device
Исходя из рисунка видно, что более чёрным тоном выделены 2 пункта: ВВ (Вакуумный выключатель) и ВН (Выключатель нагрузки). Пункты «нет» и «Р» (Рубильник) не соответствуют типу данной ячейки, поэтому их нельзя выбрать, и они имеют большую прозрачность, что визуально подчеркивает запрет их использования системой.
Обобщенная структура веб-приложения
Обобщенная структура приложения представлена на рис. 10.
Рис. 10. Структура веб-приложения
Fig. 10. Web application structure
Для ввода в систему необходима авторизация. Сервер проверяет корректность введенных данных, и если все прошло успешно, то пользователь заносится в базу данных. При успешной авторизации от клиента отправляется запрос на загрузку данных, связанных с распределительным пунктом, и пользователю доступен функционал приложения, в зависимости от его роли. Например, обычный пользователь сможет только просматривать схему подстанции, а администратор, помимо просмотра схемы подстанции, сможет изменять параметры объектов, создавать новые схемы или редактировать существующие, экспортировать схему в PDF-формат или экспортировать данные в JSON, создавать опросные листы в PDF-формате.
Для реализации проекта использовался язык программирования TypeScript. Его главным преимуществом, помимо совместимости с JS, выступает строгая типизация данных [8]. Вместе с ним используется библиотека React. Она обеспечивает высокую отзывчивость веб-сайтов и веб-приложений, позволяя обновлять данные на странице без перезагрузки [9]. Это делает ее отличным выбором для создания динамических пользовательских интерфейсов.
Так как веб-приложение напрямую зависит от подключения к интернету, следует предусмотреть обеспечение частичной оффлайн работы, добавление PWA.
Планируется распределение функционала в зависимости от роли пользователя (оператора):
- обычный пользователь (просмотр в безопасном режиме: можно только просмотреть схему и ее характеристики. Ничего изменять и экспортировать нельзя);
- инженер производственно-технического отдела (проектирует ячейки и всю модель, характеристики. Нельзя экспортировать);
- начальник отдела производственно-технического отдела (может проектировать ячейки, может эскортировать схему в PDF и делать экспорт опросного листа).
Заключение
Разработанное приложение является оптимальным решением для проектирования распределительных пунктов городских электросетей, т.к. позволяет уменьшить затраты на производство, сократить временя выхода на продукции на рынок, повысить качество подготовки персонала. Еще одним важным преимуществом является возможность диагностирования оборудования, что может заблаговременно решить многие проблемы.
Данное приложение может использоваться любыми компаниями в Российской Федерации, в которых на обслуживании присутствуют объекты соответствующего класса напряжения и функционального назначения, т.е. распределительные пункты 10(6) кВ. Такую возможность обеспечивает наличие базы данных типовых решений, так как все комплектующие соответствуют ГОСТ, либо выполняются по техническим условиям, которые должны быть утверждены заводом и управляющим органом.
1. Kokorev D.S. Yurin A.A. Digital Twins: Concept, Types and Advantages for Business. Technical Science. 2019;10(34).
2. Zadorkin SM, Borsuk NA. Advantages of Digitalization in Design Electrical Networks. In: Proceedings of the International Scientific Conference on the Economy of the Future: Trends, Challenges and Opportunities: 2024. p. 773-777.
3. Nazarevich S.A. Automation of Forecasting Development Processes of Complex Technical Systems. Automation and Modelling in Design and Management. 2019;1(3).
4. Popov N.M. Measurements in Power Grids 0.4 ... 10 kV. 2nd ed. Saint Petersburg: Lan; 2023.
5. Vanteev A.I. Maintenance of Electrical Substations: Theory and Practice. Moscow; Vologda: Infra-Engineering; 2021.
6. Sazykin V.G. Technological Design of Power Supply Systems and Power Grid Facilities. Saint Petersburg: Lan; 2024.
7. Sukhov K. HTML5 – a Guide to Technology. 2nd ed. Moscow: DMK Press; 2014.
8. Novikov Yu.N. Basic Concepts, Laws of Circuit Theory, Methods of Analyzing Processes in Circuits. 3rd ed. Saint Petersburg: Lan; 2022.
9. Rozentals N. Learning Typescript 3; Belikova DA, translator. Moscow: DMK Press; 2019.
10. Leon W. Developing a GraphQL Web Application With React, Node.js, and Neo4j. Kiseleva AN, translator. Moscow: DMK Press; 2023.
