于明國，嚴福章

（國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市，100052）

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程是世界上第一個±660 kV電壓等級的直流輸電工程，是國家電網(wǎng)公司以打造精品工程為目標的重點建設(shè)項目。本工程兩端的換流站和變電站，是國家電網(wǎng)系統(tǒng)首次全面采用三維數(shù)字化設(shè)計的變電工程。傳統(tǒng)的二維設(shè)計，是依賴設(shè)計者的空間想象力和制圖技能完成空間設(shè)計的，對工程總體空間布置的經(jīng)濟技術(shù)比較和優(yōu)化缺乏控制，很難適應(yīng)堅強智能電網(wǎng)的要求。三維設(shè)計是以數(shù)據(jù)庫為核心，以三維模型為依托，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，直接進行三維布置，從三維提取二維圖紙和數(shù)據(jù)。三維數(shù)字化設(shè)計具有精準、直觀、高效的優(yōu)點，提高了設(shè)計單位為工程建設(shè)延伸增值服務(wù)能力。三維數(shù)字化設(shè)計提升了變電工程的設(shè)計手段，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計理念，是變電工程設(shè)計的革命性技術(shù)進步。三維數(shù)字化設(shè)計在提供設(shè)計成品的同時，還移交一個終生存儲工程信息的管理平臺，對工程建設(shè)過程的精細化管理和工程全壽命周期管理具有重要意義[1-5]。

目前，三維數(shù)字設(shè)計軟件漸趨成熟，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)具有弧度要求的軟導線設(shè)計，以及對導線的弧垂、擺動和帶電距離進行設(shè)計校驗，能夠較為準確地在三維模型中表達帶有弧垂的導線、連接線等，軟件技術(shù)的進步為變電工程全面開展三維數(shù)字化設(shè)計提供了可能。本文介紹了寧東—山東±660 kV直流輸電工程的三維數(shù)字化設(shè)計過程，總結(jié)了三維設(shè)計應(yīng)用的技術(shù)要點，并進行了工程應(yīng)用效益對比分析。

1 變電工程三維數(shù)字化設(shè)計過程

1.1 工程建模

（1）創(chuàng)建設(shè)備圖形庫。設(shè)備圖形庫包括符號、典型圖和設(shè)備類型。用專業(yè)軟件繪制智能主接線系統(tǒng)圖，圖中的符號和圖例與對應(yīng)的工程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。主接線系統(tǒng)圖是系統(tǒng)設(shè)計過程的核心文件，圖中的工程設(shè)備編碼是保證工程信息在工程全壽命周期應(yīng)用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)與運行、維護系統(tǒng)銜接的關(guān)鍵元素。

（2）建立工程設(shè)備的三維模型。為了提高三維建模的工作效率，須先根據(jù)工程的需要建立設(shè)備列表，設(shè)備列表主要分為電氣設(shè)備建模一覽表和建構(gòu)筑物建模一覽表。按照節(jié)省資源，保證模型的視覺效果，滿足關(guān)鍵部位碰撞檢查的前提下，確定建模精度。在滿足模型精細度的要求下，設(shè)備模型應(yīng)盡可能采用簡單的實體模型構(gòu)建。

（3）賦予三維模型屬性，同時考慮賦予的屬性具有可擴展性。屬性信息包含了工程設(shè)備編碼、屬性、外形和位置等，其中編碼和屬性是按照工程信息編碼規(guī)則編寫和填寫屬性表的方式賦予，外形信息是以設(shè)備的外形尺寸對設(shè)備或設(shè)備的重要部分模型實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，位置信息是在統(tǒng)一的工程坐標系中，用于確定設(shè)備模型插入基準點，一般采用設(shè)備的底面或頂面中心的三維坐標，支架等設(shè)施采用場平標高面上通過支架中軸線的點，插入基準點的操作可以使用軟件功能確定設(shè)備的物理中心。

（4）確定設(shè)備的真實材料。根據(jù)不同的材料及實際刷漆的顏色，給定設(shè)備元件在模型中的層和顏色，以方便渲染時統(tǒng)一賦材質(zhì)。給模型賦顏色，模型顏色以反映設(shè)備的實際外觀為標準。全站主色彩為綠色、灰色和金屬灰，色標采用勞爾色卡-K7系列，顏色統(tǒng)一設(shè)定為啞光。模型實例如圖1所示。

圖1 直流斷路器三維數(shù)字模型Fig.1 The 3D numerical model of DC disconnector

1.2 電氣三維布置及場地數(shù)字化設(shè)計

電氣三維布置就是采用設(shè)備模型庫分區(qū)域進行電氣設(shè)備布置，區(qū)域組裝是將一個區(qū)域內(nèi)的多專業(yè)三維模型組裝到一起。區(qū)域主要分為直流場、閥廳及換流變、交流濾波器場、交流配電場等，區(qū)域內(nèi)包括電氣主設(shè)備、構(gòu)支架、導線、避雷線、主接地網(wǎng)等。全站土建部分建構(gòu)筑物主要包括閥廳、主控樓、綜合樓等，主要建構(gòu)筑物建模集成關(guān)鍵建構(gòu)筑物信息，便于三維空間的材料統(tǒng)計，輔助生產(chǎn)區(qū)建筑物只表示建筑結(jié)構(gòu)外形即可。場地數(shù)字化設(shè)計先將二維地形圖轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字地形，用Geoper進行場地平整，區(qū)域道路及場地豎向設(shè)計，在場地設(shè)計完成后賦予地面材質(zhì)。對站內(nèi)道路和電纜溝建模，在場地內(nèi)統(tǒng)一布置。在區(qū)域場地內(nèi)的電氣組裝和建構(gòu)筑物的組裝，與區(qū)域場地的道路、廣場、建構(gòu)筑物、通風空調(diào)設(shè)備和圍墻，地下設(shè)施包括建構(gòu)筑物基礎(chǔ)、電纜溝和地下管網(wǎng)統(tǒng)一布置，形成總裝模型。三維模型按專業(yè)組裝—區(qū)域組裝—總裝的順序依次組裝?？傃b模型是將區(qū)域組裝模型按照各區(qū)域統(tǒng)一的坐標系按位置對接，并連接各區(qū)域間接口。

1.3 專業(yè)間配合校驗

模型組裝時，需進行不同專業(yè)間的配合校驗，通過直觀地顯示與工藝專業(yè)的配合，對專業(yè)模型進行設(shè)計校核。校驗主要包括設(shè)備與支架的對應(yīng)性、設(shè)備位置的對應(yīng)性、設(shè)備與支架的外形大小、端子箱的位置及支架與電纜溝的位置等。經(jīng)過專業(yè)間配合校驗的文件，作為設(shè)計成品存放在出版文件和提供外專業(yè)資料文件夾中。校驗前的專業(yè)設(shè)計文件存放在區(qū)域設(shè)計文件夾，里面的文件不是為方便查找和保證安全性，主要是方便各專業(yè)的分區(qū)域設(shè)計及每個區(qū)域的專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計。在進行區(qū)域組裝時，對各專業(yè)模型在場地位置進行配合校驗，專業(yè)間接口進行校驗。總裝時對區(qū)域模型位置及區(qū)域接口進行校驗，發(fā)生位置沖突的設(shè)備重新定位，專業(yè)間接口矛盾由專業(yè)配合修改。修改后的模型經(jīng)重新校驗后保存在出版文件夾和提供外專業(yè)資料文件夾中，這2個文件夾存放的只能是成品文件，這樣首先是方便查找，其次是這些文件均應(yīng)設(shè)置為只讀，即成品文件具有不可修改性，或者只給少數(shù)人修改權(quán)限，這樣就保證了文檔的安全性和有效性。

1.4 設(shè)備硬碰撞檢查

傳統(tǒng)的二維設(shè)計模式，各專業(yè)負責自己的設(shè)計范疇，經(jīng)常發(fā)生由于缺乏溝通，考慮不周而導致的碰撞問題。三維數(shù)字化設(shè)計各專業(yè)協(xié)同設(shè)計，經(jīng)過模型組裝后可以對不同專業(yè)的設(shè)計內(nèi)容直接觀察，基本消滅了設(shè)計階段的硬碰撞。硬碰撞主要檢查電氣設(shè)備是否與其他專業(yè)三維模型發(fā)生位置沖突，包括土建結(jié)構(gòu)或者建筑物位置沖突，電纜橋架是否與鋼結(jié)構(gòu)、各類管道沖突等。設(shè)備開合的操作范圍建模時用扇面表示，設(shè)為隱藏層，僅供校驗使用。將設(shè)備的操作或者檢修空間實體化，并通過硬碰撞檢查確認其位置，如接地開關(guān)的動觸頭開合空間等。本工程通過對青島直流場的硬碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)了5處碰撞。碰撞檢查實例如圖2所示。

1.5 帶電距離校驗

圖2 排水管線檢查井與避雷線塔基礎(chǔ)碰撞檢查Fig.2 Collision inspection of inspection shafts for drainage pipes and lightning protection tower foundation

在進行帶電距離校驗前，先將組裝好的模型的絕緣部分關(guān)閉，這樣顯示的帶電體直觀清晰，方便操作。軟碰撞檢查不需要畫斷面圖即可校驗任意點的帶電距離，我們需要校驗的帶電距離是空間的線，二維設(shè)計無法進行測量，三維設(shè)計可以直接進行任意三維空間的直線或曲線測量。帶電距離校驗在檢查空氣凈距大于安全距離的同時，還可以驗證設(shè)備間距不是過大，避免場地的浪費。帶電距離校驗是分區(qū)域進行的三維空間測量，由于軟導線等帶有弧度的帶電體與其他帶電體的最短距離人為判斷很困難，在設(shè)定好需要校驗的2個帶電體后，用軟件的最短距離計算進行測量。全部帶電校驗完成后，根據(jù)校驗結(jié)果編寫三維帶電距離校驗報告。

2 三維數(shù)字化設(shè)計的技術(shù)要點

2.1 建立統(tǒng)一的管理平臺

在數(shù)字化設(shè)計軟件平臺上，為了使設(shè)計、管理人員高效地進行文件的存放和交流，必須建立統(tǒng)一的工程設(shè)計管理平臺。工程文件的存放應(yīng)該是層次結(jié)構(gòu)清晰，既滿足三維協(xié)同設(shè)計的要求，提高設(shè)計效率，又要專業(yè)分區(qū)明確，方便查找和實現(xiàn)文檔的權(quán)限設(shè)置。文件管理還應(yīng)考慮通過權(quán)限的關(guān)聯(lián)設(shè)置來實現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計文件的設(shè)計、校核、審核、出圖和提交專業(yè)資料等設(shè)計流程的方便。本工程設(shè)立了5層結(jié)構(gòu)的工程文件管理。第1層包括設(shè)備符號庫文件夾、設(shè)備模型庫文件夾和工程文件夾，主要考慮符號庫和模型庫是可以供各個工程調(diào)用的，所以與工程文件夾平行存放。第2層是按專業(yè)分別設(shè)置的設(shè)備符號庫和設(shè)備模型庫，工程文件夾按設(shè)計階段進行劃分。下一層次在設(shè)計階段劃分的基礎(chǔ)上，按照傳統(tǒng)的設(shè)計方式，根據(jù)設(shè)計功能，對應(yīng)不同的設(shè)計階段設(shè)立功能文件夾。在區(qū)域文件夾下設(shè)全站分區(qū)域設(shè)計文件夾，分區(qū)域設(shè)計文件夾下設(shè)專業(yè)設(shè)計文件夾和區(qū)域設(shè)計共享文件夾。各工程可以根據(jù)具體情況和需求，文件夾的設(shè)置宜從上至下逐步細化，參考設(shè)置。

2.2 設(shè)備建模技術(shù)

為提高設(shè)備建模效率，須先按功能對設(shè)備進行分類，統(tǒng)計同一區(qū)域設(shè)備種類，由專人負責同類設(shè)備的建模。在專業(yè)建模時，建模者要事先在頭腦中對設(shè)備進行合理的分拆，將設(shè)備分成合適的建模單元，然后，按建模單元選擇最合適的工具建模。模型的精細程度既要考慮工程設(shè)計和演示的需要，也要考慮適應(yīng)電腦硬件和模型整體運行的需求。建模宜盡量使用基本體如立方體、圓柱體、球體等，避免使用復雜形體如旋轉(zhuǎn)體、拉伸體等。建模過程中不宜進行開孔和切割等操作，復雜模型采取模型組合的方式實現(xiàn)。設(shè)備建模時應(yīng)區(qū)分帶電體和絕緣體，如將設(shè)備的絕緣瓷套與金屬法蘭部分分別設(shè)置在不同的層，并賦予不同的顏色，這樣便于進行帶電距離校驗。如500 kV帶電體均在20層，顏色標號“XXX”，絕緣體等均在30層，顏色標號“XXX”。建模時注意以上操作要點，可以提高建模效率，有效地減少模型占用空間，有利于模型的組裝和校驗，提高整體模型的運行速度。

2.3 建立設(shè)備關(guān)系庫

在三維數(shù)字化設(shè)計軟件平臺，任何一個設(shè)備都以2種表現(xiàn)形式存在，即二維符號和三維模型。在Substation中，每個設(shè)備與二維符號、三維模型的調(diào)用關(guān)系是通過一個唯一的Part_Number來實現(xiàn)的，即設(shè)備與 Part_Number是一一對應(yīng)的關(guān)系，一個Part_Number就是一條關(guān)聯(lián)記錄信息。所有設(shè)備的Part_Number統(tǒng)一存放在part-database文件里面，這個part-database文件就是這里所說的設(shè)備關(guān)系庫。當然，也可以理解為，此文件存放本工程的所有設(shè)備，與設(shè)備的二維符號庫和三維模型庫是不同的。二維符號庫和三維模型庫只是設(shè)備的表現(xiàn)形式，只是一個圖形，本身不具有設(shè)備的任何屬性。只有通過Part_Number將二維符號和三維模型建立起關(guān)聯(lián)關(guān)系后，才具備設(shè)備的屬性。另外，值得討論的是，Part_Number既然是通過對二維符號和三維模型的調(diào)用來表征一個設(shè)備，那么這個設(shè)備對于各個工程來說肯定是通用的。從這個層面理解，設(shè)備關(guān)系庫也可以像設(shè)備符號庫和設(shè)備模型庫那樣，獨立于工程之外存放。本文認為，每個工程設(shè)立自己的part-database文件夾更科學，這樣便于對工程設(shè)備按工程單獨管理，避免設(shè)備調(diào)用發(fā)生混亂。

2.4 工程信息提取

三維數(shù)字化設(shè)計軟件有設(shè)備材料自動統(tǒng)計功能，當三維模型發(fā)生變化時，設(shè)備材料表可同步更新。生成的設(shè)備材料表，須包含安裝所需的所有設(shè)備和安裝材料。設(shè)備材料統(tǒng)計應(yīng)留有安裝位置碼和設(shè)備材料編碼系統(tǒng)的接口。通過本工程的三維設(shè)計實踐，在專業(yè)設(shè)計階段進行設(shè)備材料統(tǒng)計是準確的，從組裝模型提取的材料表由于軟件功能的限制，目前還不能保證信息的準確性。

3 三維數(shù)字化設(shè)計優(yōu)勢

3.1 縮短工程建設(shè)周期

三維數(shù)字化設(shè)計是變電全專業(yè)參與，按傳統(tǒng)設(shè)計工作模式，設(shè)計依建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、電氣、室內(nèi)、圖紙會審等工序順序進行，可以部分并行，設(shè)計周期較長。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計工作模式是專業(yè)獨立建模，多專業(yè)并行設(shè)計，協(xié)同整合。本工程由于有學習軟件的過程，設(shè)備模型庫從零開始，工程前期用時較長。模型庫是所有工程通用的，今后工程不必重新建庫，只需根據(jù)需要擴充必要的新模型。隨著三維設(shè)計軟件的完善和使用技術(shù)的不斷提高，多數(shù)模型如果能實現(xiàn)參數(shù)化建模，那么同類不同規(guī)格的設(shè)備，只需改變模型參數(shù)即可獲得新模型。在本工程后期設(shè)計過程中，提取各類斷面圖和二維設(shè)計圖紙變得既簡單又方便，能明顯感覺到設(shè)計速度的提高。隨著設(shè)備模型庫的不斷補充完善，設(shè)計流程的簡化，設(shè)計勞動強度的降低，設(shè)計速度會成倍地提高。三維數(shù)字化設(shè)計起到了提高設(shè)計功效，壓縮設(shè)計時間，縮短工程建設(shè)周期的作用。

3.2 支持決策

在工程建設(shè)過程中，項目決策對項目取得預期經(jīng)濟、社會效益起著關(guān)鍵作用。項目決策階段所需的信息量是最大的，特別是決策階段所需要的工程技術(shù)和經(jīng)濟等設(shè)計信息大多只能根據(jù)同類工程的信息進行預測，這樣的預測結(jié)果與工程實際存在差異，導致決策的科學性降低。三維數(shù)字化設(shè)計在決策階段就可以利用已有的模型庫，進行簡單的增補即可進行全站模型的整合。利用模型提取設(shè)計圖紙、工程用地、工程量統(tǒng)計，進行工程造價計算和技術(shù)經(jīng)濟比較，以豐富詳實的信息支撐決策，是三維數(shù)字化設(shè)計區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)勢所在。

3.3 降低工程建設(shè)費用

根據(jù)以往工程建設(shè)經(jīng)驗，設(shè)計變更的費用與在設(shè)計和建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)的時間呈遞增關(guān)系。在工程建設(shè)過程中，設(shè)計錯誤發(fā)現(xiàn)的越晚，用于改正錯誤的成本就越高。三維數(shù)字化的多專業(yè)并行設(shè)計和設(shè)計過程的高效溝通，極大地降低了設(shè)計錯誤發(fā)生的風險。如本工程在專業(yè)間配合校驗中，發(fā)現(xiàn)的設(shè)備底標高與支架頂標高不一致，端子箱位置不正確等問題。在全站的碰撞檢查過程中，通過檢查發(fā)現(xiàn)了5處地下管線與基礎(chǔ)的碰撞。這些問題在設(shè)計過程中及時發(fā)現(xiàn)及時解決，極大地減少了設(shè)計變更，本工程目前還沒有發(fā)生因設(shè)計原因引起的返工，加快了工程建設(shè)，降低了工程建設(shè)費用。

4 結(jié)語

變電工程應(yīng)用三維數(shù)字化設(shè)計的優(yōu)勢是顯而易見的，但目前三維設(shè)計軟件還不夠成熟，形狀復雜的實體占用的空間較大，影響組合后整體模型的運轉(zhuǎn)。軟導線和金具的設(shè)計不令人滿意，特別是多分裂導線的設(shè)計還不能實現(xiàn)，需要軟件的逐步完善。受軟件和應(yīng)用環(huán)境限制，模型的參數(shù)化部分沒有實現(xiàn)，需在今后的設(shè)計過程中不斷完善設(shè)備模型的參數(shù)化，利于通用建模。通過不斷的探索，使三維數(shù)字化設(shè)計的優(yōu)勢得以充分地發(fā)揮，推進三維數(shù)字化設(shè)計在變電工程的廣泛應(yīng)用。

致謝

本文得到了中南電力設(shè)計院變電數(shù)字化設(shè)計項目組的大力支持，在此表示感謝！

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