數字化三維技術在輸變電工程設計中的應用

王成明

（上海國孚電力設計工程股份有限公司濟南分公司，山東 濟南 250000）

0 引言

隨著數字仿真技術、模擬三維建模軟件和高效能計算機硬件平臺的不斷創新和發展，數字化三維技術已經開始在各個領域中應用起來，并且發揮出了非常重要的作用和價值。我國國家電網公司也開始在各項電力工程中應用數字化三維技術，并進行電網數字化的研究工作，這一研究在全球數字化變電站以及智能電網試點建設中取得了非常不錯的成績，并且這一研究已經開始進行全面的推廣。電力系統數字化程度在不斷提升，數字化三維設計技術在未來的發展中將成為輸變電工程設計的主流。

1 數字化三維設計技術在輸變電工程設計中的發展

1.1 三維數字設計技術

隨著計算機技術在各行業中的應用和普及，各行各業發展都有了新的活力，在產業生產和行業進步過程中，計算機網絡技術逐漸影響了各個行業的技術發展，數據庫、大數據分析等成為現代社會發展的主流。在各個工程項目的設計、施工等過程中，載體正在向著信息模型轉變，而這一轉變的核心就是信息數據技術，當架構統一之后，搭建平臺就需要依靠工作流、資金流以及物資流等，以此來實現信息資源共享的目標，并在此基礎上達到設計、采購、施工以及科學管理的目的，并促進設計工程的順利開展，最終實現設計施工項目一體化的發展[1]。

在數字化工程建設中最為基本和重要的技術就是三維數字化技術，該技術主要是依靠信息圖形影響技術、數據庫技術以及網絡技術等多種現代化計算機應用技術為依托，并通過各項工作流程中相關的操作人員和設計人員相互配合工作來實現工程項目精細化和精準化的設計目標，從而實現輸變電工程設計的數字三維可視化和信息技術一體化的發展，數字三維設計技術如圖1所示。

數字化三維設計技術和傳統的設計有著明顯的區別，主要表現在傳統的設計需要將很多的信息數據等內容在圖紙上羅列出來，并且還需要對這些數據和信息進行說明標注，這樣不僅耗費時間和精力，還會造成信息數據的分散。在輸變電工程設計的不同階段，都需要大量的數據信息進行分析，而傳統的設計這些工作就需要人工來進行，這種人工數據分析比較容易出現問題。而通過數字化三維設計技術，不僅可以節省大量的人力投入和時間還可以彌補傳統設計中缺陷，在進行數據處理的過程中通過信息模型來進行統一的管理和設計來進行數據管理，實現工程設計階段所有信息數據的有效性和完整性。

圖1 數字化三維設計技術

1.2 數字化三維設計技術在輸變電工程設計中的發展情況

數字化三維設計技術在電力行業中已經引起了多方的重視，2016年數字化三維設計技術開始在電力行業中得到應用和推廣，并被應用在了工程數據中心的建設中，2017年國家電網又在全國范圍內進行了數字化三維設計技術的調研，對當前電力行業中數字化三維設計技術的應用和需求進行了分析[2]。為了提高數字化三維設計技術在電力行業的應用，很多數字化三維技術企業開始轉型，對設計資源、建造資源以及運維過程中的資源進行整合，這樣不僅可以滿足設計單位的需求，同時還使數字化三維設計技術得到了創新發展。

2 數字化三維設計在變電站工程設計中的應用

以某220 kV變電站設計工作為例，在實際的工程設計中對數字化三維設計進行了分析。

2.1 全站三維設計模型

通過相關的設計軟件提供的設備參數化功能，把電氣設備及土建構架進行參數化建模，這樣可以更加方便、快捷地進行各種尺寸和類型的三維設計。在設計時通過三維導線連接功能將自動捕捉到的設備接線端子進行連接，并對弧垂和線夾的角度進行核定，這樣可以使繪制的圖面更加規范和詳細。設備及構架等都是按照實際尺寸進行繪制的，并且所有的設備中都附帶相應的參數信息，設計人員可以隨時進行數據的審核，并讓業主和施工人員進行全方位的了解。

2.2 三維安全距離校驗

在三維數據中還對變電站工程設計中所有的內容進行了校對和核算，如在三維模型中對所有項目的參數信息進行了定義，這樣就可以隨時選擇需要核算的項目，還可以校驗相關的范圍。通過對不同項目以及參數信息的核算和校對來找出其中不合理的地方，并進行標注修正。

2.3 三維防雷保護設計

在變電站工程設計中防雷保護設計是非常重要的，而通過數字化三維設計技術可以在全站三維模型中進行防雷模塊設計，數字化三維技術程序可以自動識別構架上的避雷設備，如避雷針等。另外還可以通過三維技術來實現避雷針自動聯合保護范圍計算[3]。通過數字化三維技術可以更加直觀地看到變電站建設完成后的防雷效果，在很大程度上提高了變電站的設計質量和設計效率。

2.4 精細化三維智能設計

一般來說，使用傳統的設計方式來對變電站進行設計需要繪制很多圖紙，而數字化三維設計技術只需要三維設計人員通過專門的設計軟件來繪制一張三維圖就可以體現變電站的全部內容，設計人員只需要對平面圖進行剖切就可以很直觀地看到變電站中各個方面的結構和內容，保證了平面圖和斷面圖的一致性。此外，在變電站三維設計中所有的間隔斷面都是自動對設備間距進行標注的，這樣就大大的減少了設計人員的設計時間，提高變電站工程設計的效率[4]。另外三維軟件還可以從三維模型中直接對所需要的數據進行提取，生成可以供施工用的施工圖紙和相關材料表，并且還可以通過三維模型來向二維總平面圖進行轉換，保障施工圖紙的準確性。

2.5 生成設備安裝圖

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

3 數字化三維設計在輸電線路工程設計中的應用

3.1 數字化三維設計線路選線

一般情況下，在輸電線路設計的過程中，選擇線路路徑主要是根據工作人員主觀經驗來進行的，通過數字化三維技術可以采取動態化的規劃思路將比較復雜的問題簡單處理，從而實現過程的優化設計。如在線路比較長的工程中，線路經過的地形也會相對比較復雜，這就需要選線的精確性，而三維技術可以模擬多樣的復雜路線，實現選線的快速性和準確性，并對線路的設計進行優化排序。

首先進行起始點和終止點的選擇，然后通過數字化三維技術建立適量的地理信息，并對路障的緩沖半徑進行設置，數字化三維技術可以通過自動化技術對工程中所有線路的路徑進行優選，并對可能會影響的輸電線路的村鎮、廠房和農田等進行分析，盡可能避開一些有障礙的地段。此外在線路設計中如果出現問題，系統會自動在短時間內發出警告，重新選擇路徑。另外設計人員通過數字三維技術進行設計可以大大降低工作的時間，提高工作效率和工作的精確度，在進行變電站站點選擇的時候還可以自動計算出所有選擇的范圍內最近的緩沖區距離[5]。

3.2 數字化三維設計的實際應用

數字化三維技術在輸變電工程設計中的應用包括了STD數字化三維變電站設計平臺和TLD數字化三維送電設計平臺；其中，STD數字化三維變電設計平臺主要依托的是AutoCAD技術，其核心是對工程數據的分析，通過把變電站設計中的數據和基本元素進行綜合利用來逐漸實現全面的三維數字化協同設計平臺。STD數字化三維變電設計平臺通過對數據參數等驅動的設計和共享來實現設計的自動化、精細化，并促使全專業模型的協同設計。

TLD數字化三維送電設計平臺依托的是開放的平臺構架，其核心是工程數據和參數，一般會在工程項目的調研、初設和施工圖階段使用，還可以進行集選線、設計、數字化移交于一體的完整方案的設計。

4 結語

在輸變電工程設計的各個環節中，數字化三維技術的應用已經開始普及，并且朝著不斷深化和完善的方向發展。在輸變電工程設計中數字化三維技術的應用已經實現了各個節點成果的融合，并降低了輸變電工程設計中各種問題的發生概率，減小了設計人員的工作壓力，提高了設計工作的效率，實現了資源整合能力的提升。數字化三維技術在輸變電工程設計中的應用在未來的發展過程中會越來越好，并且還會有更為廣闊的空間，會成為電力行業實現高效發展的新動力和新希望。