三維設計在輸變電工程中的應用

王沐雪，王紫葉，陳語柔，楊博俊

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，數(shù)字化三維設計技術已成為新一代智能設計平臺的基礎。自90年代以來，它已被廣泛運用于工業(yè)設計、建筑設計與裝備制造等眾多方面[1]。中國輸變電工程設計技術先后歷經圖版制圖、計算機制圖以及計算機輔助制圖等主要階段，如今憑借高質量、高效率以及高可視化等優(yōu)勢逐漸取代傳統(tǒng)設計技術，不斷應用于輸變電工程。根據(jù)國家電網(wǎng)基建〔2018〕585號文件內容，自2018年下半年，國家電網(wǎng)公司要求新建的35 kV及以上輸變電工程全面實施三維設計；在2019年1月31日印發(fā)的國家電網(wǎng)基建技經〔2019〕10號文件中更是明確指出，“從發(fā)文日起，對未按文件要求開展設計招標、應用三維設計的工程，原則上不予安排初步設計評審”。在此發(fā)展趨勢下，研究三維設計技術在輸變電工程中的應用至關重要。鑒于此，本文從三維設計技術入手，著重探討它在輸變電工程中的具體應用，剖析三維設計技術在輸變電工程中的應用前景，以便為日后三維設計技術在電力工程項目中應用水平的提高奠定基礎。

1 三維數(shù)字化設計技術

1.1 三維數(shù)字化設計的內涵

三維數(shù)字化設計技術是基于科學技術高速發(fā)展產生的一種新興高科技技術[2]。所謂三維數(shù)字化設計，是指憑借整合不同時間勘測到的信息數(shù)據(jù)，在挖掘有關數(shù)據(jù)后，最終完成對綜合性數(shù)據(jù)的解析。借助該技術，可以快速傳遞對應數(shù)據(jù)[3]。在此基礎上，對輸變電工程三維設計的內涵進行闡述：在搜集到工程信息、地理信息數(shù)據(jù)的基礎上，通過綜合應用三維建模技術和數(shù)字化協(xié)同設計技術，最終在輸變電工程中不僅實現(xiàn)全過程三維可視化設計，還完成信息一體化。文獻[4]由此對三維設計的特征進行進一步概括：

（1）具有設計標準規(guī)則。一般來說，三維設計標準分為企業(yè)級標準和項目級標準。2017年底，國家電網(wǎng)公司已制定印發(fā)了八項就輸變電工程三維設計展開的標準。

（2）具有設計的模型。作為三維設計技術實施的具體對象，模型標準是約束各方工作、實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳遞的根本，應遵循“標準統(tǒng)一、兼容交互、模型通用”三項原則。

（3）具有大數(shù)據(jù)的支撐。作為三維設計成果的根基，數(shù)據(jù)經由建立數(shù)據(jù)中心達成全業(yè)務的統(tǒng)一意義重大?，F(xiàn)今的數(shù)據(jù)中心一般是指數(shù)據(jù)處理域、數(shù)據(jù)分析域以及數(shù)據(jù)管理域三個方面。

（4）具有不同階段的協(xié)同。三維設計的多專業(yè)協(xié)同要求滿足“一對多”數(shù)據(jù)權限訪問模式。協(xié)同的實現(xiàn)主要依靠應用人員的三維設計技術水平。

1.2 三維數(shù)字化設計的優(yōu)勢

二維設計技術和相應計算機軟件的結合，足以解決輸變電工程中出現(xiàn)的較多問題。但是，在使用二維設計技術時，由于牽涉到空間相對位置，必須通過立體幾何原理，將空間位置以在若干平面上的投影圖的形式呈現(xiàn)。這存在轉換與校驗復雜等問題，會耗費設計人員大量精力。三維設計技術則不會存在此類問題。通過三維建模可以令設計方案以最貼合實際的形象展現(xiàn)出來，大大提高了可視化程度。設計人員可以隨意瀏覽、優(yōu)化設計，施工人員也可以更迅速清楚地掌握設計方案。采用三維設計技術，多樣化專業(yè)的綜合應用有助于提高緊密配合度，便于優(yōu)化改進設計方案，還可從不同方面實現(xiàn)對輸變電工程的精準解析，極大地提高工程的設計質量與效率。

2 具體應用

在輸變電工程中引入三維設計技術，要求在數(shù)據(jù)采集、軟件平臺和模型搭建等方面進一步提升，這大大提高了輸變電工程設計的效率與質量[4]。作為各區(qū)域電網(wǎng)數(shù)字化運轉的技術基礎，三維設計的應用情況主要體現(xiàn)在以下4個方面。

2.1 勘測信息挖掘技術

2.1.1 勘測信息挖掘技術

在輸變電工程中，運用激光點云技術[5]、海拉瓦技術[6]等手段，逐步完成輸變電工程產前和跨越統(tǒng)計的精細化，最終實現(xiàn)輸變電工程勘測信息和挖掘技術更為精密的計算。

2.1.2 軟、硬碰撞檢測

軟、硬碰撞檢測主要用于模擬實體模型之間及其與其他模型之間的銜接情況。例如，辨別電氣距離是否滿足要求，線路交叉跨越是否有效避開。對于存在較多復雜空間的輸變電工程三維設計，軟、硬碰撞檢測可以顯著提高設計質量。

2.1.3 整合各類模型、平臺

在輸變電工程中，運用三維設計技術對導線、金具以及鋼架構等材料進行實體模型統(tǒng)計，可以改變傳統(tǒng)二維設計技術依靠人員自行統(tǒng)計的方法，在不同層面優(yōu)化改善設計質量。同時，三維設計技術將整合各種軟件的信息接口，保證三維設計信息在一次錄用后可以反復選用。依靠射頻識別技術與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，還可以提高工作人員的數(shù)據(jù)統(tǒng)計效率。

2.1.4 優(yōu)化設計和施工方案

可視化三維信息模型可以實現(xiàn)施工風險點的精準分析，幫助制定更有效可靠的防控措施。支持施工進度情況的模擬，進而實現(xiàn)人員、材料以及機具等的合理安排，提高工程進度和造價成本的可控性。

3 三維軟件平臺的配備

在輸變電工程三維設計發(fā)展中，三維軟件平臺的選擇和使用極為重要。就工程設計來說，清晰、簡明且耗資少的軟件是提升工程質量的重要基礎，決定了三維設計技術的可推廣性。三維軟件平臺的應用主要體現(xiàn)在三維渲染繪圖設計和三維建模功能兩方面。下面著重論述實現(xiàn)三維建模功能的三維軟件平臺的選擇。

3.1 基于AutoCAD的三維建模

作為電力行業(yè)目前最普遍的平面繪圖軟件，AutoCAD具備三維繪圖功能。利用AutoCAD可以實現(xiàn)三維繪圖和動態(tài)觀察，還可以檢查較簡單的空間位置關系，特別適用于在工程實際測量結果的基礎上建模，如校驗導線間距與桿塔電氣間隙等。除功能完整外，利用AutoCAD進行三維建模無需再對設計人員進行培訓，且大部分設計單位已經耗資獲得了該軟件的正版，降低了軟件的投入成本，對三維建模的工程化具有一定的現(xiàn)實意義。AutoCAD的三維建模功能如今已趨于成熟，但仍需在其基礎平臺上不斷挖掘、開發(fā)該軟件的三維建模功能。

3.2 引入其他三維設計軟件

能源安全關乎國家命脈。在能源行業(yè)應用區(qū)塊鏈技術，必定會對傳統(tǒng)業(yè)務模式造成沖擊，故國內外對區(qū)塊鏈在能源行業(yè)的應用十分謹慎。要將相關項目落到實處，必須有相關政策和法律的支持。目前，這項新技術在法律使用方面具有不確定性。隨著區(qū)塊鏈技術的不斷發(fā)展，它極可能與法律規(guī)則存在一定程度的不兼容，會限制區(qū)塊鏈的應用。此外，區(qū)塊鏈技術的信任機制全然不同于傳統(tǒng)交易，與之對應的法律尚未制定，一旦產生糾紛，立法、執(zhí)法機構與企業(yè)管理者要如何利用法律手段加以處理有待商榷。因此，引入其他的專業(yè)三維設計軟件如SolidWorks，并開發(fā)出一套針對輸變電工程設計的三維設計系統(tǒng)成為必然的發(fā)展趨勢。

早在2012年，國內就已經存在利用SolidWorks進行變電站三維設計的實例。該軟件操作簡單方便，上手迅速。為了使AutoCAD用戶可以完成二維設計到三維設計的過渡，SolidWorks還提供AutoCAD模擬器。此外，該軟件還支持自動導出所建立三維模型對應的二維工程圖紙。與傳統(tǒng)直接繪制的二維圖紙相比，它更容易溯源校驗，且更加細致精確。

輸變電設計可以選擇的配套三維軟件種類繁多，且隨著軟件不斷的更新?lián)Q代，越來越多滿足工程需要的新穎技術不斷涌現(xiàn)。從實際應用角度看，結合輸變電工程的具體狀態(tài)決定最恰當匹配的軟件是最好的選擇。例如，在實現(xiàn)繪圖和渲染時，選擇3DMAX展現(xiàn)輸變電工程的實際效果。最終繪制的圖形包括漫游展示和清晰的效果圖。

4 應用前景

設計信息作為勘測信息和工程信息的過渡，促進三維數(shù)字化設計技術的發(fā)展對數(shù)字化電網(wǎng)運行管理的構建意義重大。為了在日后徹底實現(xiàn)三維設計技術應用的推廣，可以考慮從以下方面開展研究工作。

4.1 推進三維模型的普及，強調技術整合

許多廠家仍然主要提供二維模型，三維模型只出現(xiàn)在部分500 kV交流工程和直流閥廳中，對三維模型的推廣尚有許多工作沒有完成。此外，現(xiàn)有的一些三維模型由于建模工程量巨大，難以滿足實際工程的實際進度，實用價值有待提高。作為設計軟件與輔助計算機軟件的信息入口，三維模型的數(shù)據(jù)接口實行統(tǒng)一化為日后軟件的推廣奠定了良好基礎。

4.2 秉承同統(tǒng)一規(guī)劃原則，不斷深化三維技術的應用

三位數(shù)字化設計技術需要各專業(yè)軟件的綜合應用，但不同的專業(yè)軟件系統(tǒng)分屬不同單位。在這種情況下，需要相關部門帶頭對其進行統(tǒng)一指導規(guī)劃。例如：確定三維技術發(fā)展目標和具體的實施步驟，分析明確的專業(yè)知識交叉點，確保軟件接口統(tǒng)一可行，加快多領域技術融合。

4.3 建立數(shù)字化移交標準

為加強三維設計技術的應用水平，提高其研究成果的工程意義，要從統(tǒng)一編碼系統(tǒng)著手，實現(xiàn)三維圖紙標準化管理。要爭取通過將三維設計技術與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合，最終達成輸變電工程從建設、運行到管理全過程的數(shù)字化建設。

5 結 論

在科學技術不斷更新發(fā)展的大環(huán)境下，三維設計技術得以興起，并逐漸應用于社會多個領域。因此，在輸變電工程中引入三維設計技術，是促進電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。本文從輸變電工程三維設計技術的內涵入手，得出該技術可以極大程度地提高設計過程的效率與設計產品的質量，因此將其應用于輸變電工程極具必要性。此外，本文著重探討了在輸變電工程中三維設計技術的四項具體應用和三維軟件的配備問題。其中，具體應用分別為勘測信息挖掘技術、碰撞檢測、優(yōu)化設計和施工方案、將各類模型與平臺進行整合。最后，本文就三維設計技術在輸變電工程中的應用前景展開討論，希望可以促進我國電力行業(yè)向著更加美好的未來發(fā)展，提升我國科技化水平。