李志海

（中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410007）

隨著應(yīng)用數(shù)學(xué)仿真技術(shù)、模擬三維建模軟件以及高效能計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，如今數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)融入到社會(huì)生產(chǎn)、建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮出無以倫比的強(qiáng)大功效。處于世界電力行業(yè)領(lǐng)先地位的中國國家電網(wǎng)公司及南方電網(wǎng)公司目前正以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，開展電網(wǎng)數(shù)字化研究，在全球率先進(jìn)行數(shù)字化變電站及智能電網(wǎng)試點(diǎn)建設(shè)，目前已進(jìn)入推廣階段[1]。隨著電力系統(tǒng)數(shù)字化程度的進(jìn)一步提高，數(shù)字化三維變電站設(shè)計(jì)技術(shù)必將成為中國各電網(wǎng)電力工程設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的下一目標(biāo)。

1 數(shù)字化三維變電站設(shè)計(jì)技術(shù)

數(shù)字化三維變電站標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是以專家設(shè)計(jì)庫為基礎(chǔ)，以電網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備為依托，結(jié)合實(shí)際工程需求特點(diǎn)，利用高性能計(jì)算機(jī)三維建模軟件進(jìn)行變電站整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，然后通過高端數(shù)學(xué)仿真計(jì)算軟件結(jié)合專家?guī)旌瘮?shù)、電力系統(tǒng)規(guī)程規(guī)范要求校驗(yàn)核準(zhǔn)設(shè)計(jì)結(jié)果，并提出修改、優(yōu)化意見與方案，最終以三維直觀模型、傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)圖紙、智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)采購與管理接口文件等多種方式輸出設(shè)計(jì)成果，滿足各種工程成品輸出要求，響應(yīng)后續(xù)電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行管理的需求。其中數(shù)字化三維變電站標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要包括智能標(biāo)準(zhǔn)化知識(shí)管理技術(shù)、高性能三維調(diào)控軟件及仿真計(jì)算軟件應(yīng)用技術(shù)等。

圖1 數(shù)字化三維變電站設(shè)計(jì)框圖

1.1 智能標(biāo)準(zhǔn)化知識(shí)管理技術(shù)

日積月累的技術(shù)成果與紛繁的實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是電力設(shè)計(jì)工作的指導(dǎo)核心和精華所在，而標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是提高電力工程設(shè)計(jì)效率的惟一手段。數(shù)字化三維變電站設(shè)計(jì)的智能標(biāo)準(zhǔn)化知識(shí)管理技術(shù)就是融合工程專家積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與已完成的經(jīng)典模板工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目成果，揉入標(biāo)準(zhǔn)化工程設(shè)計(jì)模塊，建立能夠適應(yīng)各種實(shí)際工程需求的變電站專家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)平臺(tái)。在專家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，工程師可以調(diào)用典型工程模板或典型工程分體模塊，根據(jù)當(dāng)前所設(shè)計(jì)工程的實(shí)際情況，進(jìn)行選用或組合，然后通過校驗(yàn)計(jì)算、選型計(jì)算等仿真校核后確定具體設(shè)備參數(shù)及布置方式，最終借助更新軟件自動(dòng)將工程中所有設(shè)備替換成本工程選定的設(shè)備，并同時(shí)自動(dòng)更新包括平面圖、斷面圖、安裝圖、材料表在內(nèi)的所有相關(guān)圖紙。在這個(gè)流程中，每一個(gè)操作環(huán)節(jié)都將通過中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的校核與審批管理，最終通過設(shè)定數(shù)據(jù)庫維護(hù)權(quán)限、工程訪問權(quán)限、數(shù)據(jù)更改權(quán)限可以構(gòu)成一套完整的設(shè)計(jì)流程管理體系。

變電站設(shè)計(jì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)施過程，同時(shí)也是標(biāo)準(zhǔn)化成果的歸納和整理過程，最終將形成：標(biāo)準(zhǔn)化典型設(shè)計(jì)工程庫、標(biāo)準(zhǔn)化通用設(shè)備庫、標(biāo)準(zhǔn)化制圖規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式與模型、標(biāo)準(zhǔn)化變電編碼。以各標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫與模型為依據(jù)，將實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)化控制。

1）制圖標(biāo)準(zhǔn)化

能夠制定符合國標(biāo)及電力行業(yè)制圖標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)制圖標(biāo)準(zhǔn)，保證圖紙圖層、顏色、圖例符號(hào)、文字、標(biāo)注等制圖元素的標(biāo)準(zhǔn)化，為多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

這是標(biāo)準(zhǔn)化工作中最具價(jià)值的工作，主要通過國網(wǎng)典設(shè)及專家設(shè)計(jì)成品積累的經(jīng)典設(shè)計(jì)案例提取典型設(shè)計(jì)。主要包括變電站電氣主接線、布置模型、安裝圖及典型問題處理方案。

3）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化

選用專業(yè)化的計(jì)算軟件作為有效版本，結(jié)合設(shè)計(jì)與設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，保證計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)化、計(jì)算模型標(biāo)準(zhǔn)化、計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)果與表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化。

4）設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)電力行業(yè)集中招標(biāo)采購供應(yīng)商的產(chǎn)品目錄，定制符合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)特色和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求的設(shè)備數(shù)據(jù)庫和設(shè)備圖庫。

5）編碼標(biāo)準(zhǔn)化

編碼是智能化設(shè)計(jì)和數(shù)字化移交的基礎(chǔ)，編碼包括工程設(shè)備碼和物料碼兩類。工程設(shè)備碼用于智能化設(shè)計(jì)和運(yùn)行、資產(chǎn)等系統(tǒng)的數(shù)字化移交，物料碼用于采購系統(tǒng)與概預(yù)算軟件的數(shù)字化移交。

6）信息標(biāo)準(zhǔn)化

要實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)與數(shù)字化移交，還需要制定標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)信息。主要包括：設(shè)備描述信息標(biāo)準(zhǔn)化，提供系統(tǒng)規(guī)格文件 SSD（System Specification Document）及全站配置標(biāo)準(zhǔn)文件等多種運(yùn)行管理規(guī)范格式文件[2]，用于智能電網(wǎng)的智能化管理與數(shù)字化移交；模塊接口信息標(biāo)準(zhǔn)化，用于智能化設(shè)計(jì)；專業(yè)接口信息標(biāo)準(zhǔn)化，用于協(xié)同設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)接口信息標(biāo)準(zhǔn)化，用于設(shè)計(jì)管理信息化系統(tǒng)。

1.2 高性能三維調(diào)控軟件與仿真計(jì)算軟件應(yīng)用技術(shù)

數(shù)字化三維變電站設(shè)計(jì)平臺(tái)主要由工程管理模塊、數(shù)字化主接線設(shè)計(jì)軟件、三維變電裝置布置軟件、精細(xì)化設(shè)計(jì)模塊、輔助設(shè)計(jì)模塊和成果展示平臺(tái)六部分組成，該六部分的后臺(tái)主體支撐軟件為高性能的三維調(diào)控軟件與仿真計(jì)算軟件。

1）高性能三維調(diào)控軟件的應(yīng)用技術(shù)

三維設(shè)計(jì)是原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)最直觀的集成表現(xiàn)平臺(tái)，是各種信息最好的流通載體[3]。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在軟件平臺(tái)中得到控制存儲(chǔ)后，再結(jié)合三維模型就可以做到精細(xì)化設(shè)計(jì)，通過三維空間的安全距離檢查和材料統(tǒng)計(jì)達(dá)到二維設(shè)計(jì)不能達(dá)到的設(shè)計(jì)精度和正確性；集方案、初設(shè)、施工圖與一體的三維變電站模型，提供了真實(shí)的展示效果與全景參數(shù)校驗(yàn)。作為專業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，變電站三維軟件調(diào)控平臺(tái)采用的三維技術(shù)不是單純地建立三維模型，而是構(gòu)建了一個(gè)包含所有專業(yè)信息的對象。這樣的三維對象是可以計(jì)算的模型、可以統(tǒng)計(jì)的模型、可以提取施工圖的模型，是專業(yè)的設(shè)計(jì)結(jié)果在三維形態(tài)下的真實(shí)調(diào)控體現(xiàn)。

（1）全站三維模型技術(shù)

變電裝置布置是變電站設(shè)計(jì)的主體，工作量大、復(fù)雜程度高。在設(shè)計(jì)中通常按照電源種類分為交流（開關(guān)）變電站與直流換流站兩類；按照布置方式分為戶外布置與戶內(nèi)布置兩類。三維變電裝置布置模型技術(shù)基本功能為：變電裝置布置模型的檢索與調(diào)用、模型的間隔與設(shè)備編輯、設(shè)備參數(shù)替換（與主接線聯(lián)動(dòng)）、工程編碼、材料統(tǒng)計(jì)、抽取二維施工圖（平面圖、斷面圖、安裝圖）等功能。

通過數(shù)字化三維變電站軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，完全顛覆傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，給予設(shè)計(jì)人員一種全新的三維設(shè)計(jì)理念。軟件提供的設(shè)備參數(shù)化功能，從電氣設(shè)備到土建構(gòu)架，完全實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，設(shè)計(jì)人員只需輸入?yún)?shù)即可生成三維模型，可以快捷、靈活的生成各種尺寸、型號(hào)的三維設(shè)備，模擬設(shè)備與實(shí)際設(shè)備外形基本一致。

（2）三維模型精細(xì)化設(shè)計(jì)校驗(yàn)技術(shù)

①三維安全凈距校驗(yàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對于設(shè)備的安全距離檢查沒有三維概念，完全憑借設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)以及簡單二維下的計(jì)算來進(jìn)行安全距離檢查工作，無法提供最安全、最優(yōu)化的解決方案，而建立在全站三維模型基礎(chǔ)上的“三維安全凈距校驗(yàn)”，能夠很好的彌補(bǔ)這一缺陷。軟件程序按照不同的電壓等級(jí)，自動(dòng)尋找三維設(shè)備之間的最短帶電距離，全面校核設(shè)備間各項(xiàng)限定數(shù)據(jù)，保證設(shè)計(jì)的安全性，提供最優(yōu)的解決方案。

②自動(dòng)生成平斷面圖。以往的設(shè)計(jì)方法需要繪制多張斷面圖，而電氣設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)只需要設(shè)計(jì)人員繪制一張三維圖形，其它所有間隔斷面圖能夠根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行任意剖切，并自動(dòng)生成，有效保證平面圖和斷面圖的一致性。同時(shí)所生成的間隔斷面圖能夠自動(dòng)對設(shè)備支架、設(shè)備間距、設(shè)備與土建距離進(jìn)行標(biāo)注，大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

③三維導(dǎo)線連接。設(shè)計(jì)時(shí)直接放置三維設(shè)備模型，通過“三維導(dǎo)線連接功能”，程序自動(dòng)捕捉設(shè)備接線端子直接進(jìn)行接線，并可以同時(shí)鎖定弧垂及線夾角度，使得繪圖圖面更加規(guī)范，與現(xiàn)場實(shí)際情況更加一致。

④精確的材料統(tǒng)計(jì)。不論設(shè)備、導(dǎo)線還是金具，材料統(tǒng)計(jì)功能都能準(zhǔn)確無誤的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在統(tǒng)計(jì)后，自動(dòng)對斷面圖中的設(shè)備進(jìn)行設(shè)備編號(hào)標(biāo)注，和材料表中的編號(hào)完全一一對應(yīng)。

（3）多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

土建接口軟件根據(jù)總平面設(shè)計(jì)圖能夠自動(dòng)生成三維的提資圖，土建專業(yè)根據(jù)電氣提資進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，完成架構(gòu)計(jì)算、力學(xué)分析等工作后，最終生成架構(gòu)透視圖，返資給電氣專業(yè)，實(shí)現(xiàn)三維模型下的土建和電氣的協(xié)同設(shè)計(jì)。

2）高性能仿真計(jì)算軟件應(yīng)用技術(shù)

強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算為變電站的全數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了可靠快速的選型、校驗(yàn)手段。通過仿真軟件載入專家?guī)旌瘮?shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程規(guī)范約束數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)電氣計(jì)算與校核，解決以往人工計(jì)算量大、出錯(cuò)率高的問題，提高工程質(zhì)量與工程效率[4]。

（1）數(shù)字化主接線設(shè)計(jì)及校驗(yàn)仿真計(jì)算

主接線是變電站的邏輯模型，變電站的接線關(guān)系和設(shè)備參數(shù)都在這個(gè)階段建立完成，所以主接線是變電站的靈魂。同時(shí)主接線是變電裝置布置、材料統(tǒng)計(jì)和數(shù)字化移交的信息基礎(chǔ)，也是變電站仿真計(jì)算的重點(diǎn)。該部分計(jì)算主要包括以下幾個(gè)方面：短路電流計(jì)算、設(shè)備選型校驗(yàn)、母線選型計(jì)算、過載條件仿真、故障情況仿真校驗(yàn)等[5]。

（2）三維配電裝置電氣校驗(yàn)仿真計(jì)算

采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)的最根本的目的就是通過針對三維模型的精細(xì)化設(shè)計(jì)手段應(yīng)用高性能仿真計(jì)算軟件，提高設(shè)計(jì)水平、確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。該部分主要包括以下內(nèi)容：三維安全距離檢查、導(dǎo)線力學(xué)計(jì)算、管母計(jì)算、三維防雷設(shè)計(jì)軟件、接地設(shè)計(jì)、三維電纜敷設(shè)軟件、站用電設(shè)計(jì)、二次設(shè)計(jì)、照明設(shè)計(jì)等部分[6-7]。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

配合蒙東220kV變電站設(shè)計(jì)工作，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用數(shù)字化三維變電站設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行模型搭建與協(xié)同設(shè)計(jì)。

1）全站三維設(shè)計(jì)模型

利用設(shè)計(jì)軟件提供的設(shè)備參數(shù)化功能，從電氣設(shè)備到土建構(gòu)架，完全實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，輸入?yún)?shù)即可生成三維模型，可以快捷、靈活的生成各種類型、尺寸的三維設(shè)備，模擬設(shè)備與設(shè)備實(shí)際外形基本一致。設(shè)計(jì)時(shí)直接放置三維設(shè)備模型，通過“三維導(dǎo)線連接功能”，將自動(dòng)捕捉設(shè)備接線端子直接進(jìn)行接線，并可以同時(shí)鎖定弧垂及線夾角度，可使得繪圖圖面更加規(guī)范。設(shè)備、導(dǎo)線、構(gòu)架全部按照真實(shí)尺寸繪制，并且每個(gè)設(shè)備附帶詳細(xì)的參數(shù)信息，可隨時(shí)查看。最終形成全站三維化，使業(yè)主和施工人員對全站一目了然。

圖2 變電站三維設(shè)計(jì)圖

2）三維安全距離校驗(yàn)

平臺(tái)中列出了規(guī)范中所有相關(guān)的校核內(nèi)容，可以選擇需要校驗(yàn)的項(xiàng)目，也可以選擇需要校驗(yàn)的范圍。經(jīng)過校核，提出不符合安全距離要求的地方，并用顏色和框線標(biāo)識(shí)出來，如圖3所示。

圖3 三維安全距離校驗(yàn)

3）三維防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

建立在全站三維模型基礎(chǔ)上的防雷設(shè)計(jì)模塊，程序自動(dòng)識(shí)別構(gòu)架上避雷針、場地避雷針等，實(shí)現(xiàn)三維防雷設(shè)計(jì)，也可以在變電站三維模型上直接進(jìn)行三維防雷設(shè)計(jì)。多根避雷針之間自動(dòng)生成聯(lián)合保護(hù)范圍。還可以直觀的看到三維效果，設(shè)計(jì)人員對保護(hù)情況一目了然，極大的提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)效率，如圖4所示。

圖4 三維防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

4）精細(xì)化三維智能設(shè)計(jì)

常規(guī)設(shè)計(jì)方法，需要繪制多張斷面圖，而變電站數(shù)字化三維設(shè)計(jì)軟件只需要設(shè)計(jì)人員繪制一張三維圖形，其它所有間隔斷面圖完全由設(shè)計(jì)人員任意進(jìn)行剖切，保證了平面圖和斷面圖的一致性。所生成的間隔斷面圖自動(dòng)對設(shè)備支架、設(shè)備間距、設(shè)備與土建距離進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)注準(zhǔn)確無誤，大量縮短設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高工作效率。軟件可以從三維模型中直接提取所需的各種成果。能夠自動(dòng)生成滿足施工圖要求的圖紙及材料表，可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)三維材料總表，還可以根據(jù)三維模型轉(zhuǎn)二維總平面圖。土建專業(yè)可直接從三維總平面模型中提取各類土建資料，還可以生成架構(gòu)透視圖，圖中根開、尺寸、標(biāo)高等全部自動(dòng)標(biāo)注，如圖5所示。

圖5 三維智能生成間隔斷面圖

5）生成設(shè)備安裝圖

斷面圖完成后，可以生成安裝圖，點(diǎn)擊安裝圖生成，軟件自動(dòng)把安裝圖生成到相應(yīng)卷冊里面，圖紙編號(hào)也是自動(dòng)完成的，每個(gè)設(shè)備安裝圖都自動(dòng)調(diào)出來，如圖6所示。

圖6 三維設(shè)計(jì)模型智能生成設(shè)備圖

3 結(jié)論

變電站數(shù)字化三維設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例表明：通過該平臺(tái)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確率大幅提高、設(shè)計(jì)成果安全可靠，成品文件直觀方便，輸出接口文件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可直接用于智能電網(wǎng)的建設(shè)與管理[8]，真正實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的高端數(shù)字化電網(wǎng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。今后將結(jié)合全國智能電力市場的發(fā)展建設(shè)，進(jìn)行全面的推廣與應(yīng)用，對電力工程設(shè)計(jì)持之以恒的加以優(yōu)化與改進(jìn)，力爭在應(yīng)用新方法、新技術(shù)的同時(shí)推進(jìn)電力設(shè)計(jì)行業(yè)水平的進(jìn)步。

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