數(shù)字化三維技術(shù)在輸變電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王成明

（上海國孚電力設(shè)計(jì)工程股份有限公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著數(shù)字仿真技術(shù)、模擬三維建模軟件和高效能計(jì)算機(jī)硬件平臺的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，數(shù)字化三維技術(shù)已經(jīng)開始在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用起來，并且發(fā)揮出了非常重要的作用和價(jià)值。我國國家電網(wǎng)公司也開始在各項(xiàng)電力工程中應(yīng)用數(shù)字化三維技術(shù)，并進(jìn)行電網(wǎng)數(shù)字化的研究工作，這一研究在全球數(shù)字化變電站以及智能電網(wǎng)試點(diǎn)建設(shè)中取得了非常不錯的成績，并且這一研究已經(jīng)開始進(jìn)行全面的推廣。電力系統(tǒng)數(shù)字化程度在不斷提升，數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)在未來的發(fā)展中將成為輸變電工程設(shè)計(jì)的主流。

1 數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)在輸變電工程設(shè)計(jì)中的發(fā)展

1.1 三維數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用和普及，各行各業(yè)發(fā)展都有了新的活力，在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和行業(yè)進(jìn)步過程中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸影響了各個(gè)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析等成為現(xiàn)代社會發(fā)展的主流。在各個(gè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工等過程中，載體正在向著信息模型轉(zhuǎn)變，而這一轉(zhuǎn)變的核心就是信息數(shù)據(jù)技術(shù)，當(dāng)架構(gòu)統(tǒng)一之后，搭建平臺就需要依靠工作流、資金流以及物資流等，以此來實(shí)現(xiàn)信息資源共享的目標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上達(dá)到設(shè)計(jì)、采購、施工以及科學(xué)管理的目的，并促進(jìn)設(shè)計(jì)工程的順利開展，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工項(xiàng)目一體化的發(fā)展[1]。

在數(shù)字化工程建設(shè)中最為基本和重要的技術(shù)就是三維數(shù)字化技術(shù)，該技術(shù)主要是依靠信息圖形影響技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為依托，并通過各項(xiàng)工作流程中相關(guān)的操作人員和設(shè)計(jì)人員相互配合工作來實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目精細(xì)化和精準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)輸變電工程設(shè)計(jì)的數(shù)字三維可視化和信息技術(shù)一體化的發(fā)展，數(shù)字三維設(shè)計(jì)技術(shù)如圖1所示。

數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著明顯的區(qū)別，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要將很多的信息數(shù)據(jù)等內(nèi)容在圖紙上羅列出來，并且還需要對這些數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行說明標(biāo)注，這樣不僅耗費(fèi)時(shí)間和精力，還會造成信息數(shù)據(jù)的分散。在輸變電工程設(shè)計(jì)的不同階段，都需要大量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)這些工作就需要人工來進(jìn)行，這種人工數(shù)據(jù)分析比較容易出現(xiàn)問題。而通過數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)，不僅可以節(jié)省大量的人力投入和時(shí)間還可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中缺陷，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過程中通過信息模型來進(jìn)行統(tǒng)一的管理和設(shè)計(jì)來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)階段所有信息數(shù)據(jù)的有效性和完整性。

圖1 數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)

1.2 數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)在輸變電工程設(shè)計(jì)中的發(fā)展情況

數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)在電力行業(yè)中已經(jīng)引起了多方的重視，2016年數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)開始在電力行業(yè)中得到應(yīng)用和推廣，并被應(yīng)用在了工程數(shù)據(jù)中心的建設(shè)中，2017年國家電網(wǎng)又在全國范圍內(nèi)進(jìn)行了數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)的調(diào)研，對當(dāng)前電力行業(yè)中數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用和需求進(jìn)行了分析[2]。為了提高數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用，很多數(shù)字化三維技術(shù)企業(yè)開始轉(zhuǎn)型，對設(shè)計(jì)資源、建造資源以及運(yùn)維過程中的資源進(jìn)行整合，這樣不僅可以滿足設(shè)計(jì)單位的需求，同時(shí)還使數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)得到了創(chuàng)新發(fā)展。

2 數(shù)字化三維設(shè)計(jì)在變電站工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

以某220 kV變電站設(shè)計(jì)工作為例，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中對數(shù)字化三維設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

2.1 全站三維設(shè)計(jì)模型

通過相關(guān)的設(shè)計(jì)軟件提供的設(shè)備參數(shù)化功能，把電氣設(shè)備及土建構(gòu)架進(jìn)行參數(shù)化建模，這樣可以更加方便、快捷地進(jìn)行各種尺寸和類型的三維設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)通過三維導(dǎo)線連接功能將自動捕捉到的設(shè)備接線端子進(jìn)行連接，并對弧垂和線夾的角度進(jìn)行核定，這樣可以使繪制的圖面更加規(guī)范和詳細(xì)。設(shè)備及構(gòu)架等都是按照實(shí)際尺寸進(jìn)行繪制的，并且所有的設(shè)備中都附帶相應(yīng)的參數(shù)信息，設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的審核，并讓業(yè)主和施工人員進(jìn)行全方位的了解。

2.2 三維安全距離校驗(yàn)

在三維數(shù)據(jù)中還對變電站工程設(shè)計(jì)中所有的內(nèi)容進(jìn)行了校對和核算，如在三維模型中對所有項(xiàng)目的參數(shù)信息進(jìn)行了定義，這樣就可以隨時(shí)選擇需要核算的項(xiàng)目，還可以校驗(yàn)相關(guān)的范圍。通過對不同項(xiàng)目以及參數(shù)信息的核算和校對來找出其中不合理的地方，并進(jìn)行標(biāo)注修正。

2.3 三維防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

在變電站工程設(shè)計(jì)中防雷保護(hù)設(shè)計(jì)是非常重要的，而通過數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)可以在全站三維模型中進(jìn)行防雷模塊設(shè)計(jì)，數(shù)字化三維技術(shù)程序可以自動識別構(gòu)架上的避雷設(shè)備，如避雷針等。另外還可以通過三維技術(shù)來實(shí)現(xiàn)避雷針自動聯(lián)合保護(hù)范圍計(jì)算[3]。通過數(shù)字化三維技術(shù)可以更加直觀地看到變電站建設(shè)完成后的防雷效果，在很大程度上提高了變電站的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

2.4 精細(xì)化三維智能設(shè)計(jì)

一般來說，使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式來對變電站進(jìn)行設(shè)計(jì)需要繪制很多圖紙，而數(shù)字化三維設(shè)計(jì)技術(shù)只需要三維設(shè)計(jì)人員通過專門的設(shè)計(jì)軟件來繪制一張三維圖就可以體現(xiàn)變電站的全部內(nèi)容，設(shè)計(jì)人員只需要對平面圖進(jìn)行剖切就可以很直觀地看到變電站中各個(gè)方面的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，保證了平面圖和斷面圖的一致性。此外，在變電站三維設(shè)計(jì)中所有的間隔斷面都是自動對設(shè)備間距進(jìn)行標(biāo)注的，這樣就大大的減少了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高變電站工程設(shè)計(jì)的效率[4]。另外三維軟件還可以從三維模型中直接對所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，生成可以供施工用的施工圖紙和相關(guān)材料表，并且還可以通過三維模型來向二維總平面圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保障施工圖紙的準(zhǔn)確性。

2.5 生成設(shè)備安裝圖

在間隔斷面形成后，數(shù)字化三維技術(shù)還可以生成安裝圖，并存入到相應(yīng)的圖冊中，圖紙的編號也是按照相應(yīng)的順序自動生成的，這樣就可以更加方便地把每個(gè)設(shè)備安裝圖紙自動調(diào)出來供人們使用。

3 數(shù)字化三維設(shè)計(jì)在輸電線路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 數(shù)字化三維設(shè)計(jì)線路選線

一般情況下，在輸電線路設(shè)計(jì)的過程中，選擇線路路徑主要是根據(jù)工作人員主觀經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的，通過數(shù)字化三維技術(shù)可以采取動態(tài)化的規(guī)劃思路將比較復(fù)雜的問題簡單處理，從而實(shí)現(xiàn)過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。如在線路比較長的工程中，線路經(jīng)過的地形也會相對比較復(fù)雜，這就需要選線的精確性，而三維技術(shù)可以模擬多樣的復(fù)雜路線，實(shí)現(xiàn)選線的快速性和準(zhǔn)確性，并對線路的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化排序。

首先進(jìn)行起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的選擇，然后通過數(shù)字化三維技術(shù)建立適量的地理信息，并對路障的緩沖半徑進(jìn)行設(shè)置，數(shù)字化三維技術(shù)可以通過自動化技術(shù)對工程中所有線路的路徑進(jìn)行優(yōu)選，并對可能會影響的輸電線路的村鎮(zhèn)、廠房和農(nóng)田等進(jìn)行分析，盡可能避開一些有障礙的地段。此外在線路設(shè)計(jì)中如果出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會自動在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出警告，重新選擇路徑。另外設(shè)計(jì)人員通過數(shù)字三維技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以大大降低工作的時(shí)間，提高工作效率和工作的精確度，在進(jìn)行變電站站點(diǎn)選擇的時(shí)候還可以自動計(jì)算出所有選擇的范圍內(nèi)最近的緩沖區(qū)距離[5]。

3.2 數(shù)字化三維設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用

數(shù)字化三維技術(shù)在輸變電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用包括了STD數(shù)字化三維變電站設(shè)計(jì)平臺和TLD數(shù)字化三維送電設(shè)計(jì)平臺；其中，STD數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)平臺主要依托的是AutoCAD技術(shù)，其核心是對工程數(shù)據(jù)的分析，通過把變電站設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)和基本元素進(jìn)行綜合利用來逐漸實(shí)現(xiàn)全面的三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺。STD數(shù)字化三維變電設(shè)計(jì)平臺通過對數(shù)據(jù)參數(shù)等驅(qū)動的設(shè)計(jì)和共享來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的自動化、精細(xì)化，并促使全專業(yè)模型的協(xié)同設(shè)計(jì)。

TLD數(shù)字化三維送電設(shè)計(jì)平臺依托的是開放的平臺構(gòu)架，其核心是工程數(shù)據(jù)和參數(shù)，一般會在工程項(xiàng)目的調(diào)研、初設(shè)和施工圖階段使用，還可以進(jìn)行集選線、設(shè)計(jì)、數(shù)字化移交于一體的完整方案的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

在輸變電工程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，數(shù)字化三維技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)開始普及，并且朝著不斷深化和完善的方向發(fā)展。在輸變電工程設(shè)計(jì)中數(shù)字化三維技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)成果的融合，并降低了輸變電工程設(shè)計(jì)中各種問題的發(fā)生概率，減小了設(shè)計(jì)人員的工作壓力，提高了設(shè)計(jì)工作的效率，實(shí)現(xiàn)了資源整合能力的提升。數(shù)字化三維技術(shù)在輸變電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用在未來的發(fā)展過程中會越來越好，并且還會有更為廣闊的空間，會成為電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)展的新動力和新希望。