朱曉峰，袁敏，徐偉明，方景輝，呂勤

（嘉興恒創(chuàng)電力設(shè)計(jì)研究院，浙江嘉興 314033）

基于3D－CAD技術(shù)的智能變電站三維數(shù)字化設(shè)計(jì)探索

朱曉峰，袁敏，徐偉明，方景輝，呂勤

（嘉興恒創(chuàng)電力設(shè)計(jì)研究院，浙江嘉興 314033）

基于浙江嘉興110千伏新生智能變工程設(shè)計(jì)的深化應(yīng)用，提出了數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)與移交平臺(tái)，對(duì)3D－CAD技術(shù)在變電設(shè)計(jì)與光電纜敷設(shè)中深化應(yīng)用做了詳細(xì)分析。由于面向全壽命周期，全過(guò)程采用一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模型，涵蓋電氣各專(zhuān)業(yè)并實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，開(kāi)創(chuàng)了智能變電站設(shè)計(jì)技術(shù)的新天地。

3D－CAD；數(shù)字化設(shè)計(jì)；協(xié)同設(shè)計(jì)；全壽命周期；光電纜敷設(shè)

0 引 言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)憑借其可視化、精細(xì)化等優(yōu)勢(shì)，在工廠、電廠設(shè)計(jì)中得以推廣應(yīng)用，逐漸成為設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)［1］。

從電網(wǎng)項(xiàng)目全壽命周期管理的角度看，設(shè)計(jì)過(guò)程是工程信息建立的過(guò)程，其信息將作用于采購(gòu)、施工、運(yùn)行、維護(hù)和資產(chǎn)管理等全壽命周期，也就是說(shuō)“設(shè)計(jì)是電網(wǎng)信息的源頭”。

1 智能變電站設(shè)計(jì)需求

1．1 傳統(tǒng)變電設(shè)計(jì)工具

傳統(tǒng)變電設(shè)計(jì)以二維圖紙為表達(dá)模式，主要依賴(lài)設(shè)計(jì)者的空間想象力和制圖技能完成空間設(shè)計(jì)，對(duì)工程總體空間布置的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較和優(yōu)化缺乏控制，同時(shí)與以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的電網(wǎng)信息化系統(tǒng)很難對(duì)接。

1．2 智能電網(wǎng)與智能變電站設(shè)計(jì)需求

在國(guó)網(wǎng)公司提出“智能堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)”、“數(shù)字繪畫(huà)電網(wǎng)”后，特別是智能變電站建設(shè)進(jìn)入推廣應(yīng)用階段，對(duì)電網(wǎng)設(shè)計(jì)的技術(shù)創(chuàng)新、效率與質(zhì)量提出了前所未有的要求。

在信息技術(shù)日新月異的今天，只有作為源頭的電網(wǎng)設(shè)計(jì)率先實(shí)現(xiàn)信息化，才能為整個(gè)電網(wǎng)的信息化提供強(qiáng)勁的數(shù)字化引擎。

因此，如何在智能化變電站建設(shè)中利用新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，提高電網(wǎng)工程信息管理整體水平，已成為各電力設(shè)計(jì)單位關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

2 數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)與移交平臺(tái)

數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)與移交平臺(tái)［2］以專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件為主體、以數(shù)字化為核心、以三維為手段，以大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，將變電設(shè)計(jì)中包含的電氣、結(jié)構(gòu)、建筑、水工、暖通、總圖等專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)工作集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)上，具有數(shù)字化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、可視化等五項(xiàng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

圖1 平臺(tái)集成架構(gòu)

整個(gè)平臺(tái)架構(gòu)［3］由項(xiàng)目管理子平臺(tái)、全專(zhuān)業(yè)七個(gè)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)子平臺(tái)、專(zhuān)業(yè)化的協(xié)同設(shè)計(jì)子平臺(tái)、數(shù)字化移交平臺(tái)等組成，所有子平臺(tái)和功能模塊都采用統(tǒng)一的大型工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理，所有子平臺(tái)統(tǒng)一規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)，形成具有完整的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)流程，如圖1。

3 3D－CAD技術(shù)在智能變電站設(shè)計(jì)中應(yīng)用

數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)與移交平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，避免由于傳統(tǒng)互提文件資料方式帶來(lái)的信息不一致的問(wèn)題。

變電3D－CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)由協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、數(shù)字化移交接口子系統(tǒng)構(gòu)成。其中專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)涵蓋了電氣一次設(shè)計(jì)、電氣二次設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總圖設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、水工設(shè)計(jì)、暖通設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件。

3．1 數(shù)字化主接線設(shè)計(jì)

由主接線圖自動(dòng)提取短路計(jì)算阻抗圖，進(jìn)行短路電流計(jì)算。將設(shè)計(jì)圖紙中的信息上傳到網(wǎng)絡(luò)工程數(shù)據(jù)庫(kù)中，使得圖紙內(nèi)容與數(shù)據(jù)庫(kù)信息一致。并與布置模型聯(lián)動(dòng)。主接線數(shù)字化設(shè)計(jì)流程［4］如圖2。

圖2 主接線數(shù)字化設(shè)計(jì)流程

3．2 創(chuàng)建三維變電站布置圖

在進(jìn)行三維設(shè)備布置時(shí)，主接線模塊自動(dòng)從項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取設(shè)備清單，以列表形式顯示，方便選取。二維原理圖和三維布置圖的設(shè)備參數(shù)可以實(shí)時(shí)共享，并相互導(dǎo)航。若二維原理圖發(fā)生更改，通過(guò)刷新數(shù)據(jù)庫(kù)信息，三維布置圖可以自動(dòng)進(jìn)行更改。

3．3 防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用折線法和滾球法完成避雷針及避雷線的聯(lián)合保護(hù)計(jì)算，生成防雷保護(hù)范圍圖和計(jì)算書(shū)，在三維界面上查看設(shè)計(jì)成果，如圖3。

3．4 安全凈距校驗(yàn)

采用全專(zhuān)業(yè)的三維設(shè)計(jì)模式［5］，創(chuàng)建包括3D設(shè)備、導(dǎo)線、金具、絕緣子串、控制樓、道路等信息模型，基于三維的變電站信息模型，采用關(guān)鍵點(diǎn)的效驗(yàn)方式，靈活完成效驗(yàn)工作。效驗(yàn)過(guò)程中，軟件可從底層數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取到允許的安全值，以方便校驗(yàn)；安全值標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)可以擴(kuò)充和編輯，如圖4所示。

圖3 防雷設(shè)計(jì)三維模擬仿真

圖4 安全靜距校驗(yàn)

針對(duì)智能變電站的全新特點(diǎn)，智能變電站二次設(shè)計(jì)模塊［6］的設(shè)計(jì)方法主要分為IED設(shè)備信息流圖（圖5）、IED設(shè)備虛端子圖、IED設(shè)備邏輯連線圖、IED設(shè)備配置表共4部分內(nèi)容。該模塊直接讀取廠家的IED設(shè)備的接點(diǎn)信息，由設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)軟件界面上進(jìn)行接線信息定義，設(shè)計(jì)結(jié)果直接保存在項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)中。依據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，軟件可以自動(dòng)生成IED設(shè)備邏輯連線圖、交換機(jī)端口接線圖和IED設(shè)備連接信息表。

圖5 IED設(shè)備虛端子圖

4 全壽命周期管理與數(shù)字化移交

變電項(xiàng)目全壽命周期管理的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)變電工程信息在全壽命周期的流動(dòng)與共享。全壽命周期的源頭是設(shè)計(jì)，在信息化設(shè)計(jì)時(shí)代，設(shè)計(jì)階段不僅僅是完成常規(guī)的設(shè)計(jì)工作，也是整個(gè)工程信息的建立過(guò)程，沒(méi)有設(shè)計(jì)的信息化，就沒(méi)有數(shù)字化移交，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)工程的全壽命周期管理。

圖6 全壽命周期管理

變電工程全壽命周期管理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，由規(guī)劃設(shè)計(jì)、采購(gòu)施工、運(yùn)行維護(hù)等不同階段組成，如圖6。數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)與移交平臺(tái)的工程數(shù)據(jù)庫(kù)中具有所有設(shè)備完整的工程信息、參數(shù)信息與編碼信息，平臺(tái)從工程數(shù)據(jù)庫(kù)中提取完整的信息，根據(jù)業(yè)主指定的移交對(duì)象的系統(tǒng)要求，定制數(shù)據(jù)通道（接口），由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字化移交。上下游階段之間相互關(guān)聯(lián)的信息系統(tǒng)間的數(shù)字化移交，就構(gòu)成工程的全壽命周期的管理的基礎(chǔ)。

5 3D－CAD技術(shù)在光電纜敷設(shè)中深化應(yīng)用

5．1 光電纜敷設(shè)現(xiàn)狀

光電纜敷設(shè)是電氣設(shè)計(jì)中較為復(fù)雜繁瑣的環(huán)節(jié)。光電纜的路徑敷設(shè)，長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)，光電纜清冊(cè)的編制，光電纜走向、根數(shù)、編號(hào)、型號(hào)規(guī)格等工程參數(shù)的標(biāo)注全部需要手工完成，需要耗費(fèi)大量的人工。即便如此，在工程設(shè)計(jì)中還是無(wú)法保證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確，更談不上設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。

三維協(xié)同設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，目前普遍采用的二維設(shè)計(jì)手段無(wú)法滿(mǎn)足空間碰撞檢查的要求，而采用國(guó)外三維工廠設(shè)計(jì)軟件繪制橋架，只解決了光電纜橋架與工藝管線等的空間碰撞檢查，但與電氣專(zhuān)業(yè)的橋架設(shè)計(jì)和光電纜敷設(shè)不能關(guān)聯(lián)，因此仍然無(wú)法滿(mǎn)足電氣專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)要求。

5．2 光電纜三維敷設(shè)軟件技術(shù)

本研究存在的不足：（1）相關(guān)指標(biāo)的最優(yōu)截點(diǎn)值得選取不一，本研究采用ROC曲線兼顧敏感性和特異性來(lái)取截點(diǎn)值，其他方法獲取的截點(diǎn)值可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。（2）本研究屬于單中心回顧性研究，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)選擇偏倚，故需多中心的前瞻性隨機(jī)對(duì)照研究進(jìn)一步證實(shí)這些炎性指標(biāo)在預(yù)測(cè)胃癌患者生存預(yù)后中的重要價(jià)值。

數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)與移交平臺(tái)的光電纜敷設(shè)軟件模塊旨在解決光電纜敷設(shè)智能化及空間協(xié)同設(shè)計(jì)的難題。通過(guò)讀取電纜清冊(cè)的邏輯信息，結(jié)合平面設(shè)備布置及路徑，自動(dòng)進(jìn)行電纜優(yōu)化敷設(shè)、精確統(tǒng)計(jì)電纜長(zhǎng)度，從根本上杜絕了人為失誤，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)速度提高80%以上。

5．3 光電纜敷設(shè)軟件模塊的主要功能

光電纜敷設(shè)軟件模塊可參數(shù)化完成三維光電纜通道系統(tǒng)（橋架、埋管、光電纜溝等）的創(chuàng)建；可參數(shù)化創(chuàng)建多層橋架；可修改、編輯三維光電纜通道系統(tǒng)；可完成三維光電纜通道系統(tǒng)的材料統(tǒng)計(jì)、各種方案的成本分析；可優(yōu)化光電纜通道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如調(diào)節(jié)橋架層數(shù)、截面等。設(shè)計(jì)模塊可以準(zhǔn)確地計(jì)算出光電纜通道系統(tǒng)及光電纜的材料?？砂凑漳J(rèn)規(guī)則（容積率限定、電壓匹配、最短路徑）自動(dòng)完成光電纜敷設(shè)，生成電纜清冊(cè)。光電纜及橋架庫(kù)采用簡(jiǎn)捷方便的工具進(jìn)行編輯和擴(kuò)充，方便地完善數(shù)據(jù)庫(kù)。其詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 光電纜敷設(shè)軟件模塊功能

5．4 光電纜敷設(shè)軟件的設(shè)計(jì)流程

光電纜敷設(shè)軟件模塊采用優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程，所有設(shè)計(jì)信息均能從已有設(shè)計(jì)結(jié)果中自動(dòng)提取，無(wú)需手工輸入，如圖7。

圖7 光電纜三維敷設(shè)設(shè)計(jì)流程

5．5 光電纜敷設(shè)軟件模塊的技術(shù)特點(diǎn)（見(jiàn)圖8）

（1）采用二、三維一體化的技術(shù)，既具有三維設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，又充分兼容二維設(shè)計(jì)習(xí)慣，能完成全部相關(guān)施工圖設(shè)計(jì)；

（2）采用獨(dú)創(chuàng)的優(yōu)化算法，內(nèi)嵌多種敷設(shè)規(guī)則，包括電壓匹配原則、容積率限定原則、最短走線原則、強(qiáng)制走線原則，根據(jù)不同規(guī)則組合進(jìn)行優(yōu)化敷設(shè)，具有自動(dòng)敷設(shè)和強(qiáng)制敷設(shè)功能；

圖8 二次設(shè)備室光電纜橋架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（3）實(shí)現(xiàn)高壓、低壓、控制、信號(hào)電纜的自動(dòng)分層敷設(shè)，敷設(shè)結(jié)果精確到橋架的每一層。電纜長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)精確，在綜合考慮各種余量的基礎(chǔ)上進(jìn)行匯總；

（4）與數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)和移交平臺(tái)的其他設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)縫對(duì)接，完成基于整個(gè)三維數(shù)字模型的深度共享，實(shí)現(xiàn)雙向碰撞檢查與材料匯總。

（5）擁有完善的橋架及接頭數(shù)據(jù)庫(kù)，包含大量橋架及接頭形式與外形數(shù)據(jù)，自動(dòng)處理各種復(fù)雜空間走向。

（6）基于標(biāo)準(zhǔn)電纜選型表，完成電纜選型校驗(yàn)功能；可自動(dòng)生成電纜清冊(cè)及橋架系統(tǒng)材料表。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)與移交平臺(tái)的應(yīng)用，使得智能電站設(shè)計(jì)更加快捷有效，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。數(shù)字化三維設(shè)計(jì)平臺(tái)是電網(wǎng)變電設(shè)計(jì)技術(shù)的一個(gè)里程碑，它開(kāi)創(chuàng)了變電設(shè)計(jì)技術(shù)的新天地，將電網(wǎng)設(shè)計(jì)推向標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化的新高度，為智能電網(wǎng)的深入實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

［1］張振．論三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．科技資訊，2010，8（26）：135．

［2］王志毅．智能化三維變電設(shè)計(jì)平臺(tái)的應(yīng)用［J］．華東電力，2011，39（5）：750－752．［3］林榕，李中，蔡桂華，等．智能變電站三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建［J］．中國(guó)電業(yè)（技術(shù)版），2012，2（6）：27－30．

［4］冉瑞江．Bentley軟件在變電站三維數(shù)字化設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用與探討［J］中國(guó)電業(yè)2012（5）：43－45．

［5］李文杰，付華臣，史歡，等．基于Microstation的變電站三維數(shù)字化設(shè)計(jì)．［J］電氣時(shí)代：供配用電，2012（6）：84－86．

［6］李穎瑾，李波，李紹生，等．變電站三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用探討［J］．中國(guó)電業(yè)，2012（4）：26－28．

An Exploration of 3－dimensional Digital Design of 3D－CAD-based Smart Substations

ZHU Xiao-feng，YUAN Min，XUWei-ming，F(xiàn)ANG Jing-hui，LYU Qin
（Jiaxing Hengchuang Electric Power Design＆Research Institute，Jiaxing Zhejiang 314033，China）

Based on in-depth application of engineering design at Zhejiang Jiaxing 110kV Xinsheng smart substation，this paper presents a 3－dimensional digital substation design and handover platform，and makes a detailed analysis on in-depth application of 3D－CAD technology in substation design and optical cable laying．As it serves the entire life-cycle，the platform adopts a unified designmodel in the whole process，covering all electrical domains and realizing collaborative design．Thus，it opens up a new field for smart substation design technology．

3D－CAD；digital design；collaborative design；entire life-cycle；optical cable Laying

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．020

TM76

A

1000－3886（2014）04－0059－03

朱曉峰（1982－），男，浙江海鹽人。工程師，碩士，主要從事電氣設(shè)計(jì)工作。 袁敏（1985－），男，江蘇揚(yáng)州人，助理工程師，碩士，主要從事電氣設(shè)計(jì)工作。 徐偉明（1983－），男，浙江德清人，工程師，碩士，主要從事變電二次設(shè)計(jì)及智能變電站設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究。 方景輝（1981－），男，陜西西安人，高級(jí)工程師，本科，主要從事電氣設(shè)計(jì)技術(shù)研究與管理。 呂勤（1971－），女，浙江嘉興人，高級(jí)工程師，本科，主要從事電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)管理。

定稿日期：2013－10－22