李甘 張茜茹 梁志開 金能

摘要：為提升水電站電氣二次專業(yè)出圖質量與效率，深入研究了國內外相關設計平臺，提出并設計了一種用于水電站的電氣二次智能設計平臺。該平臺從設計人員的實際需求出發(fā)，采用信息化手段解決電氣二次設計過程中的低效率環(huán)節(jié)，基于私有云服務及數(shù)據(jù)挖掘技術，實現(xiàn)了從人海戰(zhàn)術到數(shù)據(jù)跑路、從拼體力到拼算力的轉變，在設計校核智能化、成果標準化、交付一體化方面取得較大成效。該平臺已成功應用于多個大型水電站工程，取得了良好的社會經(jīng)濟效益。

關鍵詞：電氣二次智能設計; 水電站; 原理圖; 端子圖

中圖法分類號：TV736;TP31 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.010

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0053 - 05

0 引 言

水電站電氣二次設計專業(yè)的主要制圖類型有原理圖和端子圖。傳統(tǒng)的制圖方法中，從原理圖到端子圖的設計與出圖工作是基于CAD等軟件開展的，但CAD等軟件僅發(fā)揮了“繪圖板”作用，圖紙內容仍需設計人員手動設計，同時由于電氣二次專業(yè)出圖周期短、圖紙量大、原理復雜等因素，往往造成圖紙正確率低、人力資源浪費、投入成本高等問題。對于大型水電站或國際水電站項目，電氣二次圖紙要求反映的信息越來越多，傳統(tǒng)的非智能出圖方式越來越無法滿足需求。

目前，國內外軟件廠商進行了大量的研發(fā)工作，在產(chǎn)品設計[1-3]和變電電氣二次設計[4-7]中已有相對成熟的應用，但在水電站電氣二次設計[8]的智能匹配、智能校核與圖紙自動更新等功能上仍顯薄弱。因此，開展水電站電氣二次智能設計平臺的研究對于提高生產(chǎn)效率、節(jié)省設計時間、保證設計準確性和成果標準化等方面都具有重要意義。

1 水電站電氣二次智能設計問題分析

水電站工程的電氣二次設計是一個基于系統(tǒng)原理、控制邏輯、閉鎖條件和設備圖紙等進行集成設計的過程。國際知名的電氣輔助設計軟件（如Eplan，Promis-E）多是從產(chǎn)品的角度開發(fā)，小到每個元器件的每個針腳，大到整個工程項目，整個設計過程需要定義的數(shù)據(jù)與接口較多，體系相對封閉，操作流程復雜，適合做產(chǎn)品設計，并不適合做集成設計。從設計單位的角度來看，即使僅使用其中一部分功能，也要承擔從上到下、完整的數(shù)據(jù)定義與設計任務，把產(chǎn)品設計工作重復做一遍，工作量巨大。對于大型水電站工程項目來說，使用的機電產(chǎn)品種類繁多，尤其在多個單位協(xié)同設計時，不同廠家提供的圖紙質量也參差不齊，難以有效開展工作。設計軟件應最大程度上適應不同商家的圖紙，但這對于復雜、封閉的國外電氣輔助設計軟件是很難做到的。

近年來，隨著BIM技術的不斷發(fā)展，國際上主流的工程BIM設計平臺可實現(xiàn)或借助插件實現(xiàn)部分電氣二次輔助設計功能[9]，但集成設計的過程中同樣存在需要重新定義大量基礎數(shù)據(jù)與接口的問題。目前各廠家的電氣二次原理圖大多是原理設計、邏輯設計，原理圖大多也都是平面圖紙，與BIM設計平臺存在水土不服的情況。

國內電氣輔助設計軟件由于起步較晚，多基于AutoCAD或Revit等成熟平臺二次開發(fā)，功能雖不如國際知名軟件強大，卻比較有針對性，在輸變電電氣二次設計中有較為成熟的產(chǎn)品，但由于水電站工程的標準化程度不高，鮮有適用于水電站的電氣二次設計平臺。

針對上述需求，水電站電氣二次智能設計平臺需重點解決以下問題。

（1） 簡單實用。水電站電氣二次設計工作量極大，智能設計平臺不應過于復雜，即使在智能設計平臺工作前期還需增加一部分基礎工作量，最終總體上也應能切實減輕設計人員低效、重復的工作負擔。

（2） 適應大規(guī)模協(xié)同設計。水電站電氣二次設計涉及多個子專業(yè)、子系統(tǒng)，往往需要復雜的多人協(xié)同設計。在趕工期的情況下，可能會集中設計人員大規(guī)模協(xié)同設計。智能設計平臺應能在穩(wěn)定性、實時性、響應性等方面適應大規(guī)模協(xié)同設計的要求。

（3） 成果質量高。隨著工程設計咨詢行業(yè)的快速發(fā)展以及與國際的逐步接軌，對設計成果的要求也越來越高。雖然水電站工程本身的標準化程度不高，但應能借助智能設計平臺實現(xiàn)電氣二次原理信息的智能糾錯、端子接線的自動生成，將設計信息準確、規(guī)范、充分、智能地反映在各項設計成果及衍生成果中，以滿足對成果質量的高要求。

2 水電站電氣二次智能設計技術要點

2.1 電纜編號

電氣二次圖紙信息量大，智能設計平臺將積累大量數(shù)據(jù)，如何清晰地定義并梳理這些數(shù)據(jù)是決定智能設計平臺應用效果的技術要點之一。其中，電纜編號尤為重要，它是協(xié)同設計中設計人員互相理解和智能設計平臺自動匹配校核的關鍵。

傳統(tǒng)的電纜編號是由“高層代號”“位置代號”“分隔符”“順序號”等組成，可在電纜編號中加入功能代號以加強編號可讀性，即由 “高層代號”“位置代號”“分隔符”“功能代號”“順序號”組成電纜編號。電纜功能代號推薦編號規(guī)則如表1所示。

大型水電站中電氣二次電纜數(shù)量巨大，在電纜編號中加入功能代號不僅有助于提高電纜編號的可讀性，還有利于圖紙的批量復用，極大提升智能設計平臺的出圖效率。

2.2 定義側劃分

定義側劃分即確定電纜的起點設備，該電纜的選型、編號、功能定義等工作都將由起點設備側（定義側）的主設人負責，終點設備側（非定義側）的主設人僅負責將指向該終點設備的所有電纜芯線連接至相應端子。水電站電氣二次設計需要多人協(xié)同設計，合理劃分定義側將極大地提升設計效率。

傳統(tǒng)的設計思維是由功能供給側作為定義側，這種方法有利于提前規(guī)劃電氣回路，典型的例子是：在電源配電屏中通常以空開編號來定義回路電纜的編號，但實際上這種做法存在一定的盲目性，且可讀性較差，導致電纜與電源配電屏的空開回路綁定。同型號的空開回路是具有互換性的，但對于電源回路的需求側設備來說，電源電纜是不可或缺的，該電纜的選型、使用芯數(shù)都與需求側設備的實際需求密切相關，因此推薦將功能需求側作為電纜的定義側，如圖1所示。

將功能需求側作為定義側使“定義”本身具有實際意義，且可與非定義側設備解耦，充分復用定義側設備圖紙，極大提高設計效率。

3 水電站電氣二次智能設計技術路線

3.1 設計流程

標準圖框制定、圖紙編號、設備編號、電纜編號、功能編號、回路編號等一系列項目初始化工作是電氣二次智能設計邏輯性、正確性的重要保障。水電站電氣二次智能設計平臺的設計流程如圖2所示。

原理圖的智能設計、校核與自動更新是整個設計流程中最核心的部分，涉及到廠家圖紙的集成與數(shù)字化，設備、端子、電纜等的智能設計，以及多人協(xié)同模式下的智能校核等大量工作。端子圖及其他相關衍生成果均根據(jù)原理圖的信息提取生成。

將服務器放在公司私有云上，不僅可以提高協(xié)同設計效率，也便于圖紙的存儲與歸檔。

3.2 原理圖

電氣二次原理圖包含的信息量十分巨大，如果能做到原理圖的數(shù)字化，而不是停留在“點線面”的應用層次，無論是對原理圖本身的圖紙復用、提高繪圖效率，還是對智能校核與糾錯、提高圖紙質量等都有極大的幫助。

原理圖數(shù)字化的工作量極大，基于簡單實用的原則，應僅對核心的、與智能校核以及成果生成有直接關聯(lián)的各類信息數(shù)字化，如圖框信息（圖紙編號、圖紙名稱等）、設備信息（設備編號、設備名稱、設備位置等）、端子信息（端子編號、端子跳線等）、電纜信息（電纜編號、電纜起止設備、電纜型號、敷設路徑、各芯功能及其使用情況等）。原理圖的設計流程如圖3所示。

當前原理圖制圖普遍的原則是以設備為對象，即同一個卷冊的圖紙均表示同一設備的信息，這樣有利于理解該設備所有原理，也有利于該設備后期的運行維護。但整個系統(tǒng)的電氣二次回路一般較為復雜，可能由多個設備互相連接組成，不便于在一張圖中完全表示整個回路信息。為區(qū)分設計責任、便于協(xié)同設計，可將本圖紙卷冊中的設備劃分為本側設備（定義側）和對側設備（非定義側），本側設備、電纜、端子的信息由本側設備主設人各自獨立完成，對側設備、電纜、端子等信息則由智能設計平臺自動匹配提取并更新至圖紙中，如圖4所示。

在智能設計平臺中，所有的對側信息無需人工查找補全（這在傳統(tǒng)制圖方法中是很大的工作量），且能由程序保證鏈接匹配的正確性，實現(xiàn)智能校核、糾錯與圖紙自動更新。數(shù)據(jù)匹配的核心在于電纜編號以及各芯的功能編號（或回路編號），因此在任意2臺設備之間的功能編號（或回路編號）不能重復。

3.3 端子圖

在原理圖全面數(shù)字化的基礎上，充分利用數(shù)據(jù)挖掘的技術，可實現(xiàn)端子圖的全自動生成，大幅節(jié)省端子圖的制圖工作量，在軟件算法的支持下，理論上只要原理圖正確，端子圖就不會出錯。

由于電子表格相較CAD圖紙更容易實現(xiàn)標準化、模塊化、智能化制圖，且電子表格也是受廣泛認可的端子圖形式之一，可基于電子表格的形式繪制端子圖。利用數(shù)據(jù)挖掘技術在云端數(shù)據(jù)庫中分析計算，將提取的信息根據(jù)成果需求組合后輸出至標準化的Excel端子圖模板，即可全自動批量生成所需的端子圖。將以上數(shù)據(jù)根據(jù)所需要的成果類型重新組合后，即可生成各類衍生成果，如電纜清冊、信息表等。

為了便于指導現(xiàn)場施工，端子圖應針對各設備一一出圖，做到每個設備都有圖紙可依，以指導施工。端子圖自動生成的流程如圖5所示。

4 應用實例

基于第3節(jié)技術路線，長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司與上海欣電信息技術有限公司聯(lián)合開發(fā)了“水電站電氣二次智能設計平臺”，在烏東德水電站、葛洲壩水電站（改造）、老撾謝攀水電站等國內外多個水電站工程中得到了廣泛應用，均能夠較好地服務于電氣二次專業(yè)大規(guī)模高效制圖。

以烏東德水電站為例，所有電氣二次原理圖均基于電氣二次智能設計平臺多人協(xié)同制圖，6 000余張原理圖全部數(shù)字化（圖6），生成2 000余條數(shù)據(jù)庫內設備信息（圖7），8 000余條電纜信息，庫內信息可靈活查詢，圖紙可根據(jù)索引信息自動跳轉，各設備的端子圖、電纜清冊等全部由智能設計平臺根據(jù)智能校核后的原理圖信息自動生成，成果質量明顯提高，很大程度上避免了現(xiàn)場安裝調試中的返工，保障了電站的建設和運行。

5 結 語

水電站電氣二次專業(yè)復雜的設計輸入輸出條件限制了“大而全”設計平臺的功能應用。本文介紹了一種適用于水電站的電氣二次智能設計平臺，在多個大型水電站工程中取得了良好的社會經(jīng)濟效益，為切實有效地提高水電站電氣二次專業(yè)的出圖質量與效率提供了一種新思路。

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Research and application of electrical secondary smart design platform

for hydropower station

LI Gan1，ZHANG Qianru2， LIANG Zhikai1， JIN Neng1

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China; 2. CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：In order to improve quality and efficiency of electrical secondary drawings， the domestic and foreign relevant design platforms were deeply studied， and an electrical secondary smart design platform suitable for hydropower station was proposed and designed. Starting from the actual needs of designers， the platform was committed to using information technology to solve the inefficient links in the electrical secondary design process. Based on private cloud services and data mining technology， it could realize data running from huge-crowd strategy， the change of computing power from physical strength， and great achievements have been made in smart design and verification， standardization of results， and integration of delivery. The platform has been successfully applied to many large-scale hydropower stations andgood social and economic benefits has been? achieved.

Key words： electrical secondary smart design; hydropower station; schematic diagram; terminal diagram