配電裝置數字化設計聯動技術研究

雷翼龍，余濤

（四川大學錦江學院，四川 眉山 620860）

隨著計算機信息技術的深入發展，計算機在工程行業的應用深度和廣度得到不斷拓展[1]。傳統的CAD設計，相較之前的手工制圖方式，從設計效率、設計準確率、時間人力成本等方面均有極大的提升，為目前工程普遍采用。三維數字化設計技術近年在各個領域的推廣應用，其技術日趨成熟，逐漸被各領域認可。

目前二維CAD設計，依靠設計工程師的空間思維和基本制圖技能完成空間設計[2]，相關問題逐漸凸顯；例如精確碰撞檢查三維電氣安全距離校核、數字化移交、專業間協同設計等[3]。變電工程引入三維數字化設計技術，首先要從底層數據庫設計著手，通過數據驅動的方式解決以下幾個問題。

①邏輯模型與布置模型聯動，即二維符號與三維模型聯動問題。主接線元件符號即邏輯模型需要與三維布置模型一致，兩者是整個變電工程模型的不同表達方式；邏輯模型與布置模型一起構建變電工程數字模型。

②布置模型與二維視圖聯動，因現階段工程實施的很多環節仍然以二維圖紙為載體，存在數字化化模型與二維圖紙之間的聯動關系；二維視圖是三維布置模型的投影，兩者之間存在唯一對應關系，并應支持實時聯動更新。

③布置模型與設備材料統計聯動，設備材料體現于現場施工安裝所需的二維視圖，但其數據記錄來源于底層數據庫，該數據記錄對應唯一的布置模型，同時支持實時聯動更新。

1 配電裝置數字化設計流程

變電工程設計的核心是配電裝置設計，配電裝置數字化設計主要分為2個板塊，即系統設計與布置設計，系統設計包含電氣接線設計；布置設計包含設備建模、設備模型空間布置、導線連接及相關校核等；配電裝置數字化設計簡要流程如圖1。

圖1 配電裝置數字化設計簡要流程

2 邏輯模型與布置模型聯動

2.1 邏輯模型

傳統接線設計，用符號化的圖形來表示設備，輔以參數標注進而完成全站配電裝置電氣原理設計示意。三維數字化設計中的接線除了能完成上述基本設計功能外，還賦予接線中的圖例元件符號特定屬性（鼠標懸停能夠自動顯示相應賦值信息）；接線中的任一設計信息，對應三維模型布置中的唯一對象，使得接線的任何修改均能反映到三維模型布置上。某工程經賦值、標注后主接線如圖2所示。

圖2 帶屬性參數的電氣接線局部示意

2.2 布置模型

2.2.1 設備建模

通過三維設計，可以按照設備的精確尺寸在軟件平臺中建立1∶1三維實體模型，可以按照工程需要賦予模型通用設備參數[4]，諸如材質、電氣接線點、電壓等級、相序等信息。設備建模時應遵循相應規范，對其部件及其精細程度進行三維表達。按照我院內部標準，避雷器設備建模應表達的部件有：安裝底座（基本圖元：長方體）、放電計數器/在線監測裝置及其支架（基本圖元：長方體）、絕緣套管（基本圖元：瓷套）、壓力釋放裝置（基本圖元：長方體、棱柱）、接線端子版（基本圖元：長方體）、接地端子（基本圖元：長方體）、吊耳（若有）（基本圖元：圓環）。避雷器的三維物理模型如圖3所示。

圖3 220kV氧化鋅避雷器模型

設備模型入庫時，需對模型的各個部件分別進行定義。如上述避雷器，對各部件分別定義如下：a.均環（110kV，帶電體）；b.支柱瓷瓶（普通組件）；c.放電計數器（普通組件）；d.支架（接地體）。將定義完成的設備模型存入數據庫，待搭建全站模型時調用。完整的避雷器設備模型屬性見表1。

2.2.2 設備模型布置

通過軟件平臺的軸網功能進行模型在三維空間中的精確定位，能夠快捷準確的將各個配電裝置區域模型快速布置。軸網設計功能應支持設計人員通過輸入設備定位的坐標進行精確定位，通過以圍墻為參考邊界進行站內軸網的相對位置設計；由于設備模型存放于工程庫中，而主接線賦值的參數也源于本工程庫；工程庫的唯一性確保主接線圖例符號與三維設備模型一一對應。某工程500kV高壓并聯電抗器模型布置示意圖如圖4所示。

避雷器屬性參數表 表1

圖4 500kV高壓并聯電抗器模型布置示意

2.2.3 導線連接

全站設備模型布置完畢之后。需進行導線連接工作；包含設備間連線，跨線、引下線、引出線、跳線等連接；導線連接時軟件會自動判斷所連接兩端設備端子板的相序，相序一致方可進行連接。某工程35kV并聯電容器組導線連接示意圖如圖5所示。

圖5 35kV并聯電容器組導線連接示意

2.3 模型聯動

2.3.1 邏輯模型與布置模型對應關系

工程中的每一個設備對象，都有系統模型表達和三維模型表達，分別對應主接線圖例符號和三維設備模型；在設計過程中兩者通過唯一的電網標識編碼將兩者進行關聯，并通過編碼記錄設備基本信息（型號、廠家、出廠參數等）和設備在工程中信息（相信息、期次、電壓等級等），主接線圖元符號與三維模型都讀取同一套數據信息。工程庫中設備數據記錄及對應的模型預覽見圖6所示。

圖6 工程庫數據記錄與模型預覽圖

2.3.2 邏輯模型與布置模型聯動技術實現方式

從底層數據庫出發，以工程對象為數據記錄單元，每一條數據記錄均映射到圖例符號和設備模型中，確保兩者之間的唯一關聯性。工程對象在數據庫中的組織結構圖7所示。

3 布置模型與二維視圖聯動

3.1 三維布置模型生成二維圖紙

圖7 工程對象數據組織結構

三維布置模型通過剖切生成二維圖紙，設計數據在不同圖紙間可實現動態同步，可以實現設備數據在三維布置圖、間隔斷面圖、設備安裝圖之間共享和同步。二維設計和三維布置可動態關聯，參數共享；三維布置模型可動態剖切為二維施工圖紙，剖切后的二維圖紙和三維模型動態關聯，確保數據的唯一性以及準確性。三維布置模型與二維圖紙聯動對應見圖8與圖9。

圖8 三維布置模型

圖9 二維斷面圖

三維布置是設計的重點，各間隔平、斷面與三維布置動態關聯，當發生設計修改時，只需要在三維布置上進行調整，各間隔平、斷面都可以自動刷新，平臺應支持二維平斷面視圖自動標注、設備材料統計等功能。

3.2 二維/三維模型聯動

在三維數字化設計過程中，二維是三維模型的投影，二維模型與三維模型保持高度關聯，三維圖、平面圖、斷面圖任意一個視圖選中一個設備，其他兩個視圖都處于選中狀態。

圖10 二維/三維模型聯動

4 布置模型與設備材料統計聯動

數字化設計平臺中的工程庫，存放著與本工程相關的設備材料參數；該設備材料參數在邏輯模型設計時，通過設計人員按照工程所需配置并存放于數據庫（見圖11）。工程參與者可以直接打開工程庫修改設備參數，達到修改主接線標注、材料表統計信息的目的。工程庫設備信息調整，例如設備名稱修改后，主接線圖元標注信息中設備名稱隨即發生變化，材料表中設備名稱也相應修改。

圖11 設備參數配置入庫

平臺通過剖切實現三維布置模型轉化為二維視圖平面模型，平臺支持對斷面圖中的設備材料自動識別，并自動生成設備材料表；該材料表格式及要求支持手動配置，以適應不同需求。

圖12 布置模型與設備材料統計聯動

5 總結

三維數字化設計的宗旨在于提高設計效率，優化設計質量，為施工、運維輸送帶有數據信息的三維模型，實現設計成果的最大化利用。利用數據聯動先進技術，可以有效縮短工程師在檢查設計成果錯漏方面的時間，最大化的減少人為失誤；

①聯動技術依靠底層數據庫記錄的唯一性而實現，電氣元件圖例符號是邏輯化的模型，它與三維布置模型均對應數據庫中同一條記錄，邏輯模型與布置模型是同一設備的不同表達方式，兩者構成該設備模型的數字化模型。

②邏輯模型與布置模型聯動技術，可以理解為原理接線與設備布置的一一對應關系，該對應關系通過軟件內部的編碼實現；軟件平臺提供聯動刷新檢查機制從而確保兩者間的一致性。

③布置模型與二維視圖聯動技術，利用可視化技術可以對三維布置模型進行多角度剖切，生成對應的二維視圖；二維視圖是三維布置模型在空間方向的投影，軟件平臺應確保兩者間的聯動關系，實現設備模型修改，同步刷新到相應視圖；同時二維視圖中的修改，也應在三維模型布置中有所體現。

④布置模型與設備材料統計聯動技術，二維視圖中的設備材料統計，其數據取自底層數據庫記錄，該條記錄同時唯一對應二維視圖中的某一類設備。軟件平臺支持按照各分類需求進行設備材料統計，支持設計人員手動配置設備材料統計表格式；以滿足各類工程需要。

聯動技術可以很好的協助工程師完成工程設計與修改工作，這也是三維數字化設計技術在設計階段最大的亮點之一。

二維平面設計過渡到三維空間設計，是設計行業的又一次巨大變革；三維數字化設計迎合工程數字化、信息化、集成化、智能化、可視化、網絡化的時代需求，能夠整合各工程參與方的有關數據信息，提高工程建設的質量和效率；從設計源頭整合集成各參建方數據，支持后期開發利用，能夠服務于工程建設的全生命周期，帶來極大的社會經濟效益。