水電站電氣二次智能設(shè)計(jì)平臺研究與應(yīng)用

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(zhì)量與效率，深入研究了國內(nèi)外相關(guān)設(shè)計(jì)平臺，提出并設(shè)計(jì)了一種用于水電站的電氣二次智能設(shè)計(jì)平臺。該平臺從設(shè)計(jì)人員的實(shí)際需求出發(fā)，采用信息化手段解決電氣二次設(shè)計(jì)過程中的低效率環(huán)節(jié)，基于私有云服務(wù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從人海戰(zhàn)術(shù)到數(shù)據(jù)跑路、從拼體力到拼算力的轉(zhuǎn)變，在設(shè)計(jì)校核智能化、成果標(biāo)準(zhǔn)化、交付一體化方面取得較大成效。該平臺已成功應(yīng)用于多個大型水電站工程，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：電氣二次智能設(shè)計(jì); 水電站; 原理圖; 端子圖

中圖法分類號：TV736;TP31 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(nèi)容仍需設(shè)計(jì)人員手動設(shè)計(jì)，同時由于電氣二次專業(yè)出圖周期短、圖紙量大、原理復(fù)雜等因素，往往造成圖紙正確率低、人力資源浪費(fèi)、投入成本高等問題。對于大型水電站或國際水電站項(xiàng)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(nèi)外軟件廠商進(jìn)行了大量的研發(fā)工作，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)[1-3]和變電電氣二次設(shè)計(jì)[4-7]中已有相對成熟的應(yīng)用，但在水電站電氣二次設(shè)計(jì)[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(shè)計(jì)平臺的研究對于提高生產(chǎn)效率、節(jié)省設(shè)計(jì)時間、保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和成果標(biāo)準(zhǔn)化等方面都具有重要意義。

1 水電站電氣二次智能設(shè)計(jì)問題分析

水電站工程的電氣二次設(shè)計(jì)是一個基于系統(tǒng)原理、控制邏輯、閉鎖條件和設(shè)備圖紙等進(jìn)行集成設(shè)計(jì)的過程。國際知名的電氣輔助設(shè)計(jì)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(xiàng)目，整個設(shè)計(jì)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(fù)雜，適合做產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并不適合做集成設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)單位的角度來看，即使僅使用其中一部分功能，也要承擔(dān)從上到下、完整的數(shù)據(jù)定義與設(shè)計(jì)任務(wù)，把產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作重復(fù)做一遍，工作量巨大。對于大型水電站工程項(xiàng)目來說，使用的機(jī)電產(chǎn)品種類繁多，尤其在多個單位協(xié)同設(shè)計(jì)時，不同廠家提供的圖紙質(zhì)量也參差不齊，難以有效開展工作。設(shè)計(jì)軟件應(yīng)最大程度上適應(yīng)不同商家的圖紙，但這對于復(fù)雜、封閉的國外電氣輔助設(shè)計(jì)軟件是很難做到的。

近年來，隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，國際上主流的工程BIM設(shè)計(jì)平臺可實(shí)現(xiàn)或借助插件實(shí)現(xiàn)部分電氣二次輔助設(shè)計(jì)功能[9]，但集成設(shè)計(jì)的過程中同樣存在需要重新定義大量基礎(chǔ)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(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)，原理圖大多也都是平面圖紙，與BIM設(shè)計(jì)平臺存在水土不服的情況。

國內(nèi)電氣輔助設(shè)計(jì)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(qiáng)大，卻比較有針對性，在輸變電電氣二次設(shè)計(jì)中有較為成熟的產(chǎn)品，但由于水電站工程的標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，鮮有適用于水電站的電氣二次設(shè)計(jì)平臺。

針對上述需求，水電站電氣二次智能設(shè)計(jì)平臺需重點(diǎn)解決以下問題。

（1） 簡單實(shí)用。水電站電氣二次設(shè)計(jì)工作量極大，智能設(shè)計(jì)平臺不應(yīng)過于復(fù)雜，即使在智能設(shè)計(jì)平臺工作前期還需增加一部分基礎(chǔ)工作量，最終總體上也應(yīng)能切實(shí)減輕設(shè)計(jì)人員低效、重復(fù)的工作負(fù)擔(dān)。

（2） 適應(yīng)大規(guī)模協(xié)同設(shè)計(jì)。水電站電氣二次設(shè)計(jì)涉及多個子專業(yè)、子系統(tǒng)，往往需要復(fù)雜的多人協(xié)同設(shè)計(jì)。在趕工期的情況下，可能會集中設(shè)計(jì)人員大規(guī)模協(xié)同設(shè)計(jì)。智能設(shè)計(jì)平臺應(yīng)能在穩(wěn)定性、實(shí)時性、響應(yīng)性等方面適應(yīng)大規(guī)模協(xié)同設(shè)計(jì)的要求。

（3） 成果質(zhì)量高。隨著工程設(shè)計(jì)咨詢行業(yè)的快速發(fā)展以及與國際的逐步接軌，對設(shè)計(jì)成果的要求也越來越高。雖然水電站工程本身的標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，但應(yīng)能借助智能設(shè)計(jì)平臺實(shí)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(shè)計(jì)信息準(zhǔn)確、規(guī)范、充分、智能地反映在各項(xiàng)設(shè)計(jì)成果及衍生成果中，以滿足對成果質(zhì)量的高要求。

2 水電站電氣二次智能設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 電纜編號

電氣二次圖紙信息量大，智能設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)平臺應(yīng)用效果的技術(shù)要點(diǎn)之一。其中，電纜編號尤為重要，它是協(xié)同設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員互相理解和智能設(shè)計(jì)平臺自動匹配校核的關(guān)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(qiáng)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(fù)用，極大提升智能設(shè)計(jì)平臺的出圖效率。

2.2 定義側(cè)劃分

定義側(cè)劃分即確定電纜的起點(diǎn)設(shè)備，該電纜的選型、編號、功能定義等工作都將由起點(diǎn)設(shè)備側(cè)（定義側(cè)）的主設(shè)人負(fù)責(zé)，終點(diǎn)設(shè)備側(cè)（非定義側(cè)）的主設(shè)人僅負(fù)責(zé)將指向該終點(diǎn)設(shè)備的所有電纜芯線連接至相應(yīng)端子。水電站電氣二次設(shè)計(jì)需要多人協(xié)同設(shè)計(jì)，合理劃分定義側(cè)將極大地提升設(shè)計(jì)效率。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維是由功能供給側(cè)作為定義側(cè)，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(shí)際上這種做法存在一定的盲目性，且可讀性較差，導(dǎo)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(cè)設(shè)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(cè)設(shè)備的實(shí)際需求密切相關(guān)，因此推薦將功能需求側(cè)作為電纜的定義側(cè)，如圖1所示。

將功能需求側(cè)作為定義側(cè)使“定義”本身具有實(shí)際意義，且可與非定義側(cè)設(shè)備解耦，充分復(fù)用定義側(cè)設(shè)備圖紙，極大提高設(shè)計(jì)效率。

3 水電站電氣二次智能設(shè)計(jì)技術(shù)路線

3.1 設(shè)計(jì)流程

標(biāo)準(zhǔn)圖框制定、圖紙編號、設(shè)備編號、電纜編號、功能編號、回路編號等一系列項(xiàng)目初始化工作是電氣二次智能設(shè)計(jì)邏輯性、正確性的重要保障。水電站電氣二次智能設(shè)計(jì)平臺的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

原理圖的智能設(shè)計(jì)、校核與自動更新是整個設(shè)計(jì)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(shè)備、端子、電纜等的智能設(shè)計(jì)，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(guān)衍生成果均根據(jù)原理圖的信息提取生成。

將服務(wù)器放在公司私有云上，不僅可以提高協(xié)同設(shè)計(jì)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(diǎn)線面”的應(yīng)用層次，無論是對原理圖本身的圖紙復(fù)用、提高繪圖效率，還是對智能校核與糾錯、提高圖紙質(zhì)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(shí)用的原則，應(yīng)僅對核心的、與智能校核以及成果生成有直接關(guān)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(shè)備信息（設(shè)備編號、設(shè)備名稱、設(shè)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(shè)備、電纜型號、敷設(shè)路徑、各芯功能及其使用情況等）。原理圖的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

當(dāng)前原理圖制圖普遍的原則是以設(shè)備為對象，即同一個卷冊的圖紙均表示同一設(shè)備的信息，這樣有利于理解該設(shè)備所有原理，也有利于該設(shè)備后期的運(yùn)行維護(hù)。但整個系統(tǒng)的電氣二次回路一般較為復(fù)雜，可能由多個設(shè)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(shè)計(jì)責(zé)任、便于協(xié)同設(shè)計(jì)，可將本圖紙卷冊中的設(shè)備劃分為本側(cè)設(shè)備（定義側(cè)）和對側(cè)設(shè)備（非定義側(cè)），本側(cè)設(shè)備、電纜、端子的信息由本側(cè)設(shè)備主設(shè)人各自獨(dú)立完成，對側(cè)設(shè)備、電纜、端子等信息則由智能設(shè)計(jì)平臺自動匹配提取并更新至圖紙中，如圖4所示。

在智能設(shè)計(jì)平臺中，所有的對側(cè)信息無需人工查找補(bǔ)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(shí)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(shè)備之間的功能編號（或回路編號）不能重復(fù)。

3.3 端子圖

在原理圖全面數(shù)字化的基礎(chǔ)上，充分利用數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)，可實(shí)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化制圖，且電子表格也是受廣泛認(rèn)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(shù)在云端數(shù)據(jù)庫中分析計(jì)算，將提取的信息根據(jù)成果需求組合后輸出至標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)現(xiàn)場施工，端子圖應(yīng)針對各設(shè)備一一出圖，做到每個設(shè)備都有圖紙可依，以指導(dǎo)施工。端子圖自動生成的流程如圖5所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

基于第3節(jié)技術(shù)路線，長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司與上海欣電信息技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)了“水電站電氣二次智能設(shè)計(jì)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(nèi)外多個水電站工程中得到了廣泛應(yīng)用，均能夠較好地服務(wù)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(shè)計(jì)平臺多人協(xié)同制圖，6 000余張?jiān)韴D全部數(shù)字化（圖6），生成2 000余條數(shù)據(jù)庫內(nèi)設(shè)備信息（圖7），8 000余條電纜信息，庫內(nèi)信息可靈活查詢，圖紙可根據(jù)索引信息自動跳轉(zhuǎn)，各設(shè)備的端子圖、電纜清冊等全部由智能設(shè)計(jì)平臺根據(jù)智能校核后的原理圖信息自動生成，成果質(zhì)量明顯提高，很大程度上避免了現(xiàn)場安裝調(diào)試中的返工，保障了電站的建設(shè)和運(yùn)行。

5 結(jié) 語

水電站電氣二次專業(yè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)輸入輸出條件限制了“大而全”設(shè)計(jì)平臺的功能應(yīng)用。本文介紹了一種適用于水電站的電氣二次智能設(shè)計(jì)平臺，在多個大型水電站工程中取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，為切實(shí)有效地提高水電站電氣二次專業(yè)的出圖質(zhì)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