鄭海濤 賈云輝 任鵬飛 何科峰

（中國能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計院有限公司 ）

變電站數(shù)字化設(shè)計研究

鄭海濤 賈云輝 任鵬飛 何科峰

（中國能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計院有限公司 ）

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)、數(shù)字化變電站等新理念、新技術(shù)的不斷深入，對設(shè)計手段、設(shè)計理念提出了更多新的要求。如何提升變電工程的設(shè)計手段，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，滿足業(yè)主日益增長的成品信息量的需求，實現(xiàn)變電站全過程、全生命周期的管理，成為越來越多的設(shè)計企業(yè)研究的方向。文章以阿克塞民主330kV變電站工程為依托，利用STD變電數(shù)字化設(shè)計平臺對變電站數(shù)字化設(shè)計的方法和手段進(jìn)行了研究，并對數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在變電工程設(shè)計中的應(yīng)用價值和意義進(jìn)行了探討。

變電站；數(shù)字化設(shè)計；應(yīng)用價值

0 引言

國家“十二五”計劃將建設(shè)智能化堅強(qiáng)電網(wǎng)列為重要目標(biāo)，智能電網(wǎng)、特高壓、直流輸電、數(shù)字化變電站、新能源等新理念、新技術(shù)、新產(chǎn)品無不對電網(wǎng)設(shè)計能力提出更高的技術(shù)要求，使得我們原有的設(shè)計經(jīng)驗和手段已經(jīng)不能滿足工程設(shè)計需求，只有大力推行數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)精細(xì)化協(xié)同設(shè)計，才能應(yīng)對當(dāng)前電網(wǎng)建設(shè)的復(fù)雜性，從技術(shù)上支撐堅強(qiáng)電網(wǎng)的建設(shè)。

數(shù)字化設(shè)計以其先進(jìn)的設(shè)計理念強(qiáng)大的信息模型基礎(chǔ)，契合了智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。智能電網(wǎng)首先必須是數(shù)字化電網(wǎng)，通過數(shù)字化的傳感器連接資產(chǎn)和設(shè)備，并建立集成了數(shù)據(jù)收集、整合、分析、決策系統(tǒng)的雙向通行網(wǎng)絡(luò)。這意味著要求對電網(wǎng)中的每一個元器件進(jìn)行控制和描述，而這種要求，必須在電力系統(tǒng)的設(shè)計階段就要求予以充分考慮。

傳統(tǒng)的變電站設(shè)計是用各種設(shè)計圖紙、文本標(biāo)注設(shè)計內(nèi)容，而其設(shè)計成果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性只能依靠人工校核來實現(xiàn)。數(shù)字化的變電站設(shè)計是利用建模技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來對設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、管理，其設(shè)計過程也是構(gòu)造數(shù)字化成果數(shù)據(jù)的過程。

數(shù)字化是為項目工程全生命周期服務(wù)的，設(shè)計是一個項目數(shù)字化數(shù)據(jù)輸入和應(yīng)用的環(huán)節(jié)。利用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)進(jìn)行變電站設(shè)計的目標(biāo)不是為了單純設(shè)計圖紙，而是利用數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字化的仿真展現(xiàn)一個完整變電站的設(shè)計內(nèi)容，把變電站中的所有物體分解為最小單位，通過設(shè)備屬性、設(shè)計屬性、邏輯屬性等展現(xiàn)，從而為變電工程全生命周期進(jìn)行服務(wù)。

1 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是建模技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域的集成創(chuàng)新；是以變電站設(shè)計對象數(shù)字化表達(dá)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)變電站基礎(chǔ)信息集成化，設(shè)計過程智能化，設(shè)計平臺一體化，專業(yè)設(shè)計協(xié)同化，設(shè)計成果數(shù)字化、可視化，應(yīng)用成果全程化，形成包含設(shè)計對象數(shù)據(jù)、工程過程信息等內(nèi)容的數(shù)字化設(shè)計成果。

變電站工程采用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，不僅可以提升設(shè)計手段，還可以在為業(yè)主提供常規(guī)二維設(shè)計成品的同時，提供一個可以支撐工程全生命周期應(yīng)用的三維數(shù)字化設(shè)計成果，包括工程信息、全站三維模型信息、所有設(shè)備設(shè)施屬性信息及關(guān)聯(lián)設(shè)計圖紙資料、完整的設(shè)計圖檔。業(yè)主可以利用工程數(shù)字化設(shè)計成果指導(dǎo)施工、運(yùn)維、檢修和退役等。

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外設(shè)計行業(yè)變電三維數(shù)字化設(shè)計還處于發(fā)展階段，其所采用工具和手段也不盡相同。下面以市場上常見的幾款變電三維數(shù)字化設(shè)計軟件為例進(jìn)行介紹。

Bentley公司的Substation軟件是一個用于變電工程三維數(shù)字化設(shè)計軟件，在國內(nèi)應(yīng)用始于2008年寧東-山東直流輸變電工程。該平臺采用Microstation圖形平臺，整合了ProjectWise、STAAD、 Promis-e等多種軟件，實現(xiàn)了三維布置、三維校驗、數(shù)據(jù)庫管理，支持?jǐn)?shù)字化移交。其優(yōu)點是軟件結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、運(yùn)行穩(wěn)定，缺點是變電站設(shè)計能力不強(qiáng)，流程、操作不符合國內(nèi)電力設(shè)計院現(xiàn)有流程，國內(nèi)工程設(shè)計師上手困難。

1.2 選用平臺簡介

我院在幾年前采購了北京博超公司的STD變電三維數(shù)字化設(shè)計平臺，目前本院大多數(shù)750kV變電工程均采用該平臺進(jìn)行設(shè)計，平臺應(yīng)用效果良好。

STD數(shù)字化三維變電設(shè)計平臺是以數(shù)據(jù)庫為核心、以三維技術(shù)為手段，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化知識管理體系的精細(xì)化變電設(shè)計平臺。平臺通過設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動與共享實現(xiàn)設(shè)計流程的自動化，借助三維技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計成果的精細(xì)化，進(jìn)而實現(xiàn)全專業(yè)模型級的協(xié)同設(shè)計。

2 實際工程數(shù)字化設(shè)計

2.1 工程背景

阿克塞民主330kV變電站是阿克塞哈薩克族自治縣重要的電力樞紐，連接著光伏、風(fēng)電等電力能源供應(yīng)和鐵路、工業(yè)等重要電力用戶。工程本期規(guī)模為主變2×360MVA，2回330kV線路接入沙洲750kV變電站，預(yù)留當(dāng)金山南方向2回330kV出線位置，預(yù)留西北方向各1回330kV出線位置，110kV出線6回。工程遠(yuǎn)景規(guī)模3×360MVA，330kV進(jìn)出線6回，110kV進(jìn)出線20回。圍墻內(nèi)用地面積3.3897公頃，站址總用地面積3.9219公頃。

2.2 設(shè)備建模

變電站數(shù)字化設(shè)計是基于三維、信息化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)開展的一種創(chuàng)新設(shè)計模式。設(shè)計開展首先要對工程設(shè)備進(jìn)行三維建模。設(shè)備三維建模一般是由工程師參照廠家提供的設(shè)備安裝圖，通過設(shè)計平臺提供的工具進(jìn)行建模。對于簡單的設(shè)備可以直接通過平臺工具進(jìn)行參數(shù)化建模，比如避雷器、電流互感器、電壓互感器等。

2.3 工程設(shè)備庫建立

設(shè)備建模完成后，需要將設(shè)備模型和屬性信息進(jìn)行入庫。入庫前需對設(shè)備模型進(jìn)行檢查，包括模型尺寸、比例、角度、顏色等，其中尺寸應(yīng)以毫米為單位，比例為1∶1，角度應(yīng)統(tǒng)一，設(shè)備部件顏色應(yīng)合理，同類部件顏色應(yīng)統(tǒng)一。另外，設(shè)備的各重要部件應(yīng)有相應(yīng)的類型標(biāo)識，比如帶電體、接地體、絕緣體、支架、機(jī)構(gòu)箱等，便于后續(xù)安全凈距檢查等設(shè)計優(yōu)化。設(shè)備屬性信息應(yīng)包含設(shè)計和計算校核所需的全部信息，包括設(shè)備詳細(xì)參數(shù)、生產(chǎn)廠家、物料編碼等，屬性單位應(yīng)與設(shè)備庫中保持一致。

2.4 主接線設(shè)計工程設(shè)備庫建立完成后，就可以開展工程設(shè)計。首先是主接線設(shè)計。主接線設(shè)計有兩種方式，一是調(diào)用典型回路或典型方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，另一種是參數(shù)化設(shè)計。其中，參數(shù)化設(shè)計是一種快速靈活的設(shè)計方式，可以輸入工程的電壓等級、變壓器臺數(shù)、接線方式、進(jìn)出線數(shù)量和回路樣式，就可以自動形成一個主接線方案。當(dāng)然，自動生成的主接線只是一個初步方案，還需要對方案進(jìn)行細(xì)化，包括設(shè)備選型、賦值、標(biāo)注等，進(jìn)而完成主接線設(shè)計。

2.5 工程設(shè)備編碼

為使電網(wǎng)工程建設(shè)各方與業(yè)主或運(yùn)營方共享工程信息，確保在電網(wǎng)工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)過程中信息的可識性和共享性，提高電網(wǎng)工程的數(shù)字化管理和安全運(yùn)行水平。主接線設(shè)計完成后，需要為工程中主要設(shè)備進(jìn)行編碼。工程設(shè)備編碼可參照《GB/T51061-2014電網(wǎng)工程標(biāo)識系統(tǒng)編碼規(guī)范》進(jìn)行，也可由平臺自動完成。

2.6 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計

一個變電站的設(shè)計需要多個專業(yè)共同完成設(shè)計，數(shù)字化設(shè)計同樣需要進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計開始，首先要建立協(xié)同工作空間，在協(xié)同空間里建立協(xié)同樹，包括總的部分、各配電裝置區(qū)域和主控樓，再細(xì)分為各個專業(yè)和專業(yè)內(nèi)的主要內(nèi)容等。然后，再在各協(xié)同節(jié)點設(shè)置負(fù)責(zé)人和權(quán)限，各負(fù)責(zé)人在各自的協(xié)同工作空間下開展設(shè)計工作。

2.7 總圖設(shè)計

總圖設(shè)計依賴于數(shù)字化地形圖，設(shè)計開始首先要導(dǎo)入本工程的數(shù)字化地形圖。在數(shù)字化地形圖的站址規(guī)劃區(qū)域內(nèi)進(jìn)行場地平整和土方量計算，生成平整后的站址地形模型和土方量計算結(jié)果。在平整后的站址地形圖上進(jìn)行總圖規(guī)劃設(shè)計，包括各配電裝置區(qū)域劃分、進(jìn)出線位置確定、主控樓和大門確定、道路、圍墻、排水溝設(shè)計等。

總圖設(shè)計完成后，設(shè)計成果需遷入到工程數(shù)據(jù)庫中，各配電裝置區(qū)域設(shè)計時均需以總圖設(shè)計成果為基準(zhǔn)，在總圖中規(guī)劃的區(qū)域上進(jìn)行各配電裝置的設(shè)計和布置。

2.8 配電裝置設(shè)計

配電裝置設(shè)計時可以直接利用主接線設(shè)計的成果進(jìn)行設(shè)計。主接線設(shè)計完成后，工程信息、間隔和回路信息、設(shè)備信息都會自動保存到工程數(shù)據(jù)庫中。配電裝置設(shè)計時，可以自動獲取間隔和回路信息、設(shè)備信息進(jìn)行軸網(wǎng)設(shè)計；根據(jù)間隔軸網(wǎng)和設(shè)備軸網(wǎng)就可以確定設(shè)備布置點，根據(jù)設(shè)備類型、相間距和支架高度就可以自動進(jìn)行設(shè)備布置。導(dǎo)線連接時，可以自動根據(jù)設(shè)備型號確定可選擇的設(shè)備線夾，根據(jù)構(gòu)架掛點信息確定可選的金具串，選擇導(dǎo)線和間隔棒，確定弧垂就可以完成導(dǎo)線連接。

配電裝置設(shè)計完成后，設(shè)計成果可以通過協(xié)同工作空間遷入到工程數(shù)據(jù)庫中，并自動更新到三維總平圖上。

2.9 土建專業(yè)設(shè)計

土建專業(yè)設(shè)計包括建筑、水暖、結(jié)構(gòu)、總圖，各專業(yè)可以在各自的協(xié)同工作空間下開展各自專業(yè)的設(shè)計工作，也可以利用各自常用的專業(yè)軟件進(jìn)行計算校核，比如Midas、巖拓、PKPM、飛時達(dá)等專業(yè)軟件。設(shè)計完成后，可以通過接口將設(shè)計成果導(dǎo)入到平臺工作空間，并更新到工程數(shù)據(jù)庫中和三維總平圖上，完成土建專業(yè)設(shè)計內(nèi)容。

2.10 計算校核

設(shè)計完成后需要對設(shè)計成果進(jìn)行計算校核。在數(shù)字化的設(shè)計成果上，設(shè)備模型的屬性信息和空間位置關(guān)系獲取非常方便，可以直接進(jìn)行計算校核。

（1）計算

設(shè)計完成后，可直接從數(shù)字化設(shè)計成果上直接獲取屬性信息和空間位置關(guān)系進(jìn)行計算，比如防雷計算時可直接獲取構(gòu)架避雷針和獨立避雷針信息和位置信息進(jìn)行防雷計算，導(dǎo)線力學(xué)計算時可直接獲取導(dǎo)線信息、引下線信息和空間位置信息等進(jìn)行導(dǎo)線力學(xué)計算。此外，其他計算還包括管母力學(xué)計算、支撐管母計算、母線感應(yīng)電壓計算、導(dǎo)體相間距離計算、跳線相間距離計算、跳線相地距離計算等。

（2）安全距離檢查

在數(shù)字化設(shè)計成果上，其設(shè)備模型的空間位置關(guān)系表現(xiàn)的更加直觀、更加準(zhǔn)確，包括設(shè)備模型空間位置，各部件帶電體、絕緣體和接地體之間的位置關(guān)系，與其他建筑、設(shè)施和道路之間的位置關(guān)系。在三維數(shù)字化設(shè)計成果上進(jìn)行電氣安全距離檢查是傳統(tǒng)二維設(shè)計無法比擬的，對于空間狹窄、各電壓等級設(shè)備設(shè)施對象多、空間關(guān)系復(fù)雜的環(huán)境，可以發(fā)揮獨特的優(yōu)勢，從而大大減少設(shè)計事故和返工。

（3）碰撞檢查

對于已完成的數(shù)字化設(shè)計成果，還需要進(jìn)行碰撞檢查。碰撞檢查分為軟碰撞和硬碰撞，其中硬碰撞是設(shè)備設(shè)施實體之間直接發(fā)生位置沖突，包括電氣設(shè)備與土建結(jié)構(gòu)的碰撞、電纜溝與碰撞基礎(chǔ)、水工暖通與建筑、水工暖通管道之間的碰撞等；軟碰撞是設(shè)備設(shè)施之間空間距離不能滿足相關(guān)規(guī)范要求。針對數(shù)字化設(shè)計成果進(jìn)行碰撞檢查可以精確到對象級， 碰撞檢查精度較高，可以避免工程設(shè)計中各種碰撞問題。

2.11 成果輸出

變電站工程數(shù)字化設(shè)計完成后，可以輸出以下主要設(shè)計成果：

1）全站三維數(shù)字化設(shè)計模型；

2）站址平整土方量計算結(jié)果表；

3）主接線設(shè)計圖紙；

4）全站總平圖，包括三維總平圖、電氣總平圖、土建總平圖；

5）間隔斷面圖，可以直接從數(shù)字化設(shè)計成果中剖切出間隔斷面圖，可以滿足施工圖深度要求；

6）材料統(tǒng)計表，可以自動生成材料清冊，包括全站主要設(shè)備材料表和電氣材料表、各配電裝置主要設(shè)備材料表和電氣材料表、電纜清冊、工程量統(tǒng)計表等。

7）計算結(jié)果表和計算書，包括短路電流計算表和計算書、高壓設(shè)備選型表、防雷保護(hù)表、接地計算書、導(dǎo)體力學(xué)計算書等。

8）安全凈距校核和碰撞檢查；

9）全站三維漫游。

10）數(shù)字化移交成果。

3 數(shù)字化設(shè)計優(yōu)勢

3.1 數(shù)字化設(shè)計特點

設(shè)計手段：從二維簡約設(shè)計體系升級到三維精細(xì)化設(shè)計體系。

工程載體：從以圖形為核心的圖形時代升級到以數(shù)據(jù)為核心的信息化時代。

計算方法：從單純的計算軟件升級到基于三維信息化模型的計算與模型一體化的計算模式。

協(xié)同方式：從二維圖紙人工會簽變?yōu)槿S模型協(xié)同設(shè)計，并將事后檢查變?yōu)閷崟r可視化檢查。

3.2 數(shù)字化設(shè)計優(yōu)勢

數(shù)字化設(shè)計具有形象化、具象化的視覺效果，可以避免平面設(shè)計的不直觀效果所帶來的問題，減少人為的設(shè)計錯誤，提高設(shè)計質(zhì)量。

數(shù)字化設(shè)計是對三維設(shè)計和信息技術(shù)的有機(jī)合成，可在信息模型上直接進(jìn)行安全距離校驗、導(dǎo)體力學(xué)計算、防雷設(shè)計、碰撞檢查等重要計算和校核，彌補(bǔ)常規(guī)設(shè)計的缺陷，為業(yè)主提供更優(yōu)秀的解決方案。

數(shù)字化設(shè)計模式相比傳統(tǒng)設(shè)計模式更加高能高效，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，節(jié)約了人力成本、人工損耗，節(jié)約了社會資源。

數(shù)字化設(shè)計手段可以從設(shè)計數(shù)據(jù)庫中按不同需求提取各種材料，實現(xiàn)了精確計算與統(tǒng)計，提高了材料統(tǒng)計的準(zhǔn)確率，精準(zhǔn)了工程裕量，減少了人工統(tǒng)計的錯誤，節(jié)約了工程投資成本與自然資源。

4 結(jié)束語

變電站三維數(shù)字化設(shè)計是面向變電站全部設(shè)計階段，從方案設(shè)計、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、竣工圖設(shè)計到數(shù)字化成果移交，均采用同一套設(shè)計模型，可以實現(xiàn)設(shè)計過程的自動化和智能化。

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是以數(shù)字化為根本，采用數(shù)據(jù)庫管理模式，在變電站設(shè)計的過程中存儲了從變電站邏輯模型、變電站布置模型、設(shè)備參數(shù)到工程量等各類數(shù)據(jù)，可以直接用于采購、施工、運(yùn)行維護(hù)，為工程全生命周期進(jìn)行服務(wù)。

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2016-06-04）