張力架線計算及動態仿真軟件系統架構設計

王杰

摘要：輸電線路張力架線是輸電線路施工中的一個重要環節，開發輔助設計軟件，有利于提高施工效率。目前，施工架線的方式已經成熟，但已有的工程軟件在實際使用過程中，不能較好貼合工程施工人員實際操作需求，缺乏對連續上下山放線過程的動態顯示，導致可用性不高。本文在綜合輸電線路張力架線施工及技術支持需求的基礎上，對貼合工程實際的輸電線路張力架線計算及動態仿真系統的軟件架構進行了分析，提出了軟件實現的框架，給出了軟件計算模塊的計算原理，并基于C++和AutoCAD的俄二次開發實現了軟件開發。

關鍵詞：張力放線計算與動態仿真軟件架構

中圖分類號： Te832文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10 （C）-0000-00

0引言

我國目前的電力供應存在供需不平衡的問題，而電力供需的不平衡會影響到未來經濟社會的穩定與發展。采用超高壓、特高壓輸電線路將分散的電力系統連接起來進行適當容量的互聯輸電，對降低發電成本、提高供電可靠性、最大限度的滿足國民經濟發展和社會用電需求有重要意義。隨著電網的不斷的擴大與發展，而在電力系統建設中輸電線路設是非常重要的一個環節，因此越來越多的受到各電力系統的高度關注與重視。并且國家建設部門也在將大量的資金投入輸電線路的建設方面，建成了一批110KV/220kV、330kV、500kV、750kV超高壓輸電線路，并且它們正成為配電網的主干網架，隨著±800kV、1000kV的特高壓輸電線路不斷的在電力系統中使用。但是，布線施工效率較低的問題普遍存在在輸電線路架設設計與施工過程中，需要為張力架線提供更方便施工人員使用、更貼近施工關切數據計算的計算軟件及架線仿真系統。

1系統功能分析

輸電線路張力架設仿真系統要實現的的功能有：張力放線施工計算、顯示校正、放線施工作業圖繪制和三維仿真。本系統能夠信息提取智能化，具備友好的操作和顯示界面，能夠提取架設導線的掛點，轉向點坐標信息，對危險點進行設置并且校正，具有生動的三維仿真顯示。

根據工程需要，軟件應具備放線張力計算和觀測弧垂計算相關計算的能力。主要功能包含：①自動識別CAD圖；

②常用導線、導引繩、鋼絲繩以及放線滑車參數的點選；③張力機、牽引機以及桿塔掛點手動點選；④放線區段控制弧垂點手動點選；⑤能夠自動找到最大張力控制點；⑥牽引繩牽放導線過每一基塔對應的曲線圖；⑦牽引繩與導線用兩種顏色顯示，能夠顯示每基滑車包絡角和垂直荷載；⑧針對耐張塔雙滑車掛距差，能夠顯示大小號方向；⑨連續上下山滑車口垂高及緊線張力手動輸入，顯示絕緣子偏移方向；⑩輸電線路張力架線牽放動態顯示。

2 軟件架構設計

輸電線路張力架線計算及動態仿真系統是一款工程應用軟件，要具有工程項目管理的功能，對已存在CAD圖紙中的數據進行讀取和標準，同時，實現張力架線的相關計算和連續上下山放線過程的動態仿真。本節對軟件的主要功能模塊進行設計。

2.1主要功能塊

對輸電線路張力架線計算及動態仿真系統必須實現的功能進行分析，將系統分為六個主要功能塊，即文件讀取模塊、數據提取模塊、參數計算模塊、表格生成模塊、曲線繪制模塊和動態仿真模塊，如圖1所示。

文件處理功能主要針對DWG型文件，以下4點為必須實現的功能：1）必須能夠識別并打開 DWG 文件；2）必須具有測量的功能，能夠在 DWG 文件上制定繪圖的比例；3）必須具有校正的功能：能夠對標注完畢的 DWG 文件進行校正，以下為校正的5個部分內容：重設牽引方式、重設控制點、更改相對凈空距離、更改繩索參數及設備參數、更改滑車參數。4） 必須能夠標注計算結果，包括：導線張力、導引繩張力、牽引繩牽引導線時牽引繩張力、掛雙滑車塔位、導引繩牽引牽引繩時牽引繩張力、上揚塔位的上揚繩索類型和上揚力。

數據提取的功能主要是在計算模塊中提取出所需要的初始數據，要求實現以下2點：1） 在 DWG 文件提取桿塔的坐標；2） 在 DWG 文件中設置危險點，具有設置相對凈空距離的功能；

在對應的圖例中繪制的曲線，能夠直觀反映牽引繩，系統必須能夠繪制圖形來顯示計算結果，包括：1）展放導線時的牽引繩放線曲線；2）導線放線曲線；3） 牽引繩的放線曲線；4） 展放牽引繩的導引繩放線曲線。

張力計算功能包含整個放線計算過程的相關計算，以下13點為必須實現的功能：1）要求各種所需放線參數的配置：導線、地線、地錨、牽引繩、張力機和牽引機的參數選擇；2）要求配置轉角度數的輸入接口，在放線參數的計算過程中充分應用轉角度數；3）要求配置滑車摩擦系數的輸入接口，在放線參數計算的過程中充分應用滑車的摩擦系數；4）對張力場的左右兩邊進行初算，分析粗算的結果并且選擇合適的張力場位置。5）牽展計算過程所需的參數包括：雙滑車計算、導線、牽引繩放線線長、張力機出口張力、導線、牽引繩水平張力、控制檔張力、導線、牽引繩曲線方程、牽引機最大入口牽引力、上揚力計算；6） 完成牽引級數的推薦，即牽引的級數和各個等級牽引繩的規格；7）要求具有報警的功能，在相應長生的表格中用顯眼的顏色標注，在計算過程中出現如下情況時進行報警：牽引繩受力超標、張力機或牽引機超載、導線張力超標、控制點設置不當；8）依據影響牽引方式的因素導線根數、牽引繩規格和牽引相數進行粗算，根據粗算的結果來確定牽引方式；9）完成牽展計算，并根據計算結果確定工具集，工具集包括張牽設備配置表和牽引繩配置表。10）能夠在不同區段的不同溫度值下實現緊線弧垂、線夾移位和竣工弧垂的計算；11）能夠完成對地錨的計算，即計算張牽設備的各個錨點埋設深度；12）能夠完成對布線的計算，提供合理的放線方案；13）能夠完成對布線結果的標注，能夠更加生動直觀顯示布線后壓接管位置；

表格生成模塊主要將計算結果以工程圖表的方式保存起來，主要包含：1）地線掛點坐標；2）放線計算表；3）掛點坐標；4）張力架線施工工器具表。

最后，動態仿真功能必須實現的功能主要概括為以下4點：1） 放線參數；2） 滑車參數；3） 動態展放；4） 回放。

2.2張力架線計算軟件系統模塊設計

除了文件處理模塊、張力參數計算模塊（包含數據讀取、曲線繪制和表格生成等）和動態仿真模塊，增加工程管理模塊對系統進行設計，主要包含新建工程和打開工程，實現對整個工程項目的管理。根據工程思想所構造出來的工程項目管理模塊允許用戶以工程的形式創建、設置與保存組態文件。用戶可以根據需求構建模型并且保存起來，從而避免了重復構建的工作。軟件設計時必須重點考慮工程管理模塊，針對張力放線計算及動態仿真系統，工程管理模塊對工程和區段兩個層次進行管理，一個工程可能有多個區段，可以對已有工程進行新增、刪除和新建區段的操作。文件處理模塊實現DWG文件的數據提取和DWG信息標注。DWG數據提取對DWG文件中的數據進行提取。包括：控制點設定、繩索及設備參數導入、桿塔掛點坐標提取、圖紙比例設定等。DWG信息標注：對DWG 文件內信息標注和校正。包括：放線的曲線繪制、雙滑車標注、上揚力標注、受力結果標注等。其組成如圖2所示。

圖3是張力計算模塊組成框圖，其主要包括8種計算，即放線區段控制檔計算、張力機出口張力計算、由出口張力反算任意檔的放線張力、牽引導線時牽引繩力計算、放線滑車上揚校核、放線時所需導線長度計算、直線塔及耐張塔懸掛雙放線滑車判斷和連續傾斜地形放線計算。將曲線方程以及受力結果提供給DWG處理模塊來進行信息標注。

在仿真系統各個模塊之間，通過文件形式實現數據的交互，從導入原始DWG圖紙，到最終包含標注信息信息流，如圖4所示：

用戶界面完成對DWG前臺處理模塊的設計，DWG前臺處理模塊包括DWG 圖紙的數據提取，DWG圖紙導入導出和DWG圖紙的信息標注。整理提取的數據，供參數后臺計算模塊進行計算，對生成的作業圖表進行曲線的繪制和信息的標注。參數后臺計算模塊能夠實現牽展計算、布線計算以及地錨計算的功能。首先從DWG處理模塊中讀取所需數據，然后將各步計算結果輸出，生成作業圖表，供DWG處理模塊進行曲線繪制和信息標注。

2.3系統軟件實現技術分析

該軟件主要考慮以下三點因素：第一，平臺的多樣性，盡可能使該軟件能夠在主流的Windows平臺下運行，例如目前的Windows XP，Vista以及即將發布的Windows 7及Windows 10，其用戶的數量都比較大。那么最好就使用Net Framework2.0版本，因為比較成熟并且安裝程序較小。第二，由于要讀取的 DWG 文件中的數據，這就需要使用AutoCAD 平臺，通過后臺調用AutoCAD 操作 DWG 圖紙，這就要求使用過程中支持盡可能高版本的CAD軟件或者能兼容多種CAD軟件。第三，參數計算要求較高的專業性，依靠經驗設計流程流程，關鍵是保證設計流程的合理可靠。基于以上分析，該軟件的實現技術如表1所示：

3 小結

本文首先對輸電線路張力架設仿真系統的需求進行分析，對軟件應該實現的功能進行了描述；然后對系統進行架構設計，首先進行軟件功能結構設計，然后基于需求分析進行主要模塊劃分以及分解模塊組成，最后給出了系統實現的相關技術需求，為軟件的實現奠定了基礎。