三維設計在電網和變電站建設中的應用與實踐

曹盛 楊睿博

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200001)

1 三維設計的特點

(1)數字化時代的到來，使得職能電網在建設過程中對變電工程提出了更高的要求，如今，國網公司中已經逐漸建立起了數字化移交系統和工程數據中心，同時，要求在新建工程中實現設計成果的數字化移交。在傳統的CAD模式下，使用圖紙修復制的作業模式，無法進一步提升其質量和效率，設計成果也便失去了生命周期的數字化移交能力。變電站的建筑物和設備在三維設計技術條件下，能夠從三維空間中建造出來，并且能夠結合變電站所涉及到的各個專業。在協同設計工作平臺中，各個專業能夠掌握其他設計人員的成果，通過進行專業之間的溝通，可以對工程方案予以完善。(2)變電站的三維設計工作中包含了電氣、結構、建筑以及水暖等功能，將工程數據庫作為主要內容，可以通過數據來驅動三維模型，最終完成自動出圖效果，從而有效提升設計工作質量和設計工作效率[1]。

2 數字化三維設計技術在電網和變電站中的發展情況

快速發展起來的數字化三維設計技術以及設計方法越來越受到了電力行業的廣泛關注，對于數字化三維設計技術，電網行業提出了更加嚴格的要求。于2016年，電網行業針對數字化三維設計明確提出了推廣計劃，并且積極開展了工程數據中心的建設工作，提出了在變電站設計中創新使用三維設計技術的要求，確保工程數據中心建設工作有目標、有計劃地開展。于2017年，在全國范圍內又開展了和數字化三維技術有關的調研活動，其中，活動的內容包含書面和實地調查兩種，針對目前電力企業、施工單位以及設計部門關于數字化三維技術的需求和使用展開了探究，為了能夠順應我國的電力行業發展趨勢，一些設計單位開始轉型，在此過程中還融入了建造資源、設計資源、運維環節資源以及采購資源等方面的內容，以此來滿足設計單位的基本業務需要，這樣一來不僅提升了設計單位的設計水平，同時也拓寬了設計單位的服務范圍[2]。

3 三維設計在電網和變電站建設中的應用與實踐

3.1 數字化三維設計線路選線

對于傳統的電網設計工作而言，線路路徑的優選主要是憑借工作人員的自身經驗來完成的，而數字化三維設計技術的使用能夠用動態的規劃思路解決比較復雜的問題，整個優化過程會用到遞推的方法來予以分段，從而確保整個過程最優化，以此來為企業決策管理人員實時決策工作提供可靠的依據。就我國電網線路的鋪設工作而言，南方和北方的電網線路鋪設存在著差異，南方沿途地形比較復雜，需要鋪設的電路相對較長，線路鋪設準確度極高，能夠對輸電線路實現快速、準確的優化排位，在選擇好起始點和終點之后，需要在數字化三維系統中建立矢量地理信息，同時，還應該合理設置障礙物的緩沖半徑，數字化三維系統的使用能夠自動選擇出滿足該工程的多條線路路徑，分析輸電線路可能帶來的影響，并且在設計交互的過程中也能夠有效避免自然保護區以及風景名勝區等重點設施，一旦出現問題就會及時發出警告[3]。智能完成多條路徑的選擇之后，還需要結合手動選項的方式來優化智能選項的路徑。

3.2 搭建基于IPD模式的項目協同機制

將IPD協同管理模式應用到變電站項目建設工作中，能夠建立出一個具有多方合同契約關系的單一目標實體，也就是由各個項目參建方建立一個團隊，這樣一來，各個參與方就擁有一個共同目標的責任實體，而不再是孤立的關系，如圖1所示。設計院，供電公司，施工方以及其他項目參與方的項目領導小組負責項目管理工作，為各項具體工作的開展提供支持。

圖1 SPE組織模型

圖2 變電站總平面三維圖

3.3 編制基于BIM的三維協同設計流程

BIM建筑信息模型技術作為國際項目管理界公認的一項能夠推動工業生產力革命的技術，能夠有效解決長期影響項目管理工作開展的大量基礎信息以及工作中遇到的難題，從而真正實現信息集成化。BIM技術的使用，能夠使供電公司在原有變電站業務流程繼續開展的基礎上，對三維協同設計流程予以優化。同時，供電公司還應該編制《設計變更管理規定》、《設計過程控程序》以及《三維數字化設計平臺數據管理制度》等制度，對變電站的建設過程予以規范，為開展快數據協同工作，跨專業工作提供可靠的依據，以此來有效強化變電站項目建設工作質量和建設效率[4]。

3.4 搭建三維數字化設計平臺系統

三維數字化設計平臺的搭建，應該以變電站的實際需求為導向，并且對所用軟件從數字化功能、三維設計以及服務支持等方面進行評價。通過業務專家的專審評估，以此來確定三維數字化設計平臺的建設工作。在完成輸變電工程數字化設計平臺一期搭建工作之后，還應該實施全專線設計、碰撞檢測、實時協作以及開放接口和CAD出圖。

4 三維設計在變電站工程的應用

4.1 應用實例

(1)如下以某220kV新建模塊化的智能變電站攻城為例，對三維設計在工程項目中的應用展開探討，并且結合了變電一次，變電二次以及土建等專業的協同設計，對目前三維設計工作中存在的優點以及不足之處展開了論述。

(2)變電一次，變電二次以及土建專業在工程設計階段，可以借助設計平臺固定基準點的方法，在變電站總平面上協同開展設計工作。基于變電站工程項目的實際情況，土建專業應該結合國家電網模塊化的建設需要，分別落實裝配式的大門，圍墻，構筑物模塊以及建筑物的設計工作。并且要對變電站建筑物圍墻大砌塊石、建筑物墻板、門窗型式以及墻體裝飾板等材質和尺寸進行賦值；對變電站中電纜埋管布置、站內墻體開洞以及站內事故油池等實現三維設計與展示。電氣專業還應該按照國網公司的通用設備模型，有效落實電氣設計工作，并且使用各種設備參數進行賦值。三維設計平臺不僅能夠校驗導線拉力，同時還能夠計算常規短路電流以及計算蓄電池容量等，通過使用軟件完成計算工作并且在將計算書自動導出，不需要單獨開展計算賦值工作，該項工作的實施能夠在一定程度上有效縮短設計周期[5]。不同專業的設計人員設計工作的執行應該嚴格遵循國網公司提出的“三通一標”的要求，同時，設備廠家也應該根據國網公司的通用設備來制定生產計劃。如此一來，才能夠將各個專業之間的設計工作實現無縫對接。與此同時，由三維設計平臺所提供的CAD圖紙導出功能和二維視圖界面功能，能夠為設計人員根據需要進行選擇提供便利，圖2是變電站三維總平面圖。

(3)完成變電站總平面圖的設計工作之后，各個建筑物的正面圖，俯視圖以及立面圖都能夠根據工程項目的實際需要自行生成。而電氣專業的間隔斷面圖以及配電裝置圖不需要再次繪制，只需要從總平面圖中進行切割即可，各項設備的參數也能夠自動生成。如果需要調整總平面圖，各個斷面圖以及配電裝置圖都能夠自行調整完成，在此過程中，無需大量的人工操作，從而有效降低設計過程中可能出現錯誤的幾率。

4.2 現階段三維設計的不足之處

從上述內容分析可得，變電站三維設計平臺的使用具有明顯的優勢，并且已經被越來越多的設計單位廣泛采用，和常規的二維設計平臺相比，三維設計平臺的使用不僅能夠有效提升設計工作效率，同時還能夠最大限度降低可能出現設計錯誤的幾率，從而有效確保工程設計質量。除此之外，盡管三維設計具有很好的使用前景，但是，目前仍然處于試點應用階段，在實際運用的過程中仍然存在著以下方面的問題：(1)國網公司的設備模型庫不健全，盡管主要的設備模型都有，但是一些輔助設備缺失，比如，消弧線圈，變壓器中性點設備以及保護測控等二次設備模型。這些模型的不統一現象就會造成各個設計人員和廠家建模形式的多樣化。(2)設備建模的技術要求和深度仍然需要進一步加以明確，建模的基本圖元不明確。(3)各個設計單位的三維設計成果如何才能實現信息共享、三維設計移交之前的范圍、工程竣工資料以及三維設計的深度和格式要求仍然需要進一步明確。

5 三維數字化的發展階段和目標

可以將電網工程的三維數字化設計分為起步階段，發展階段以及成熟階段。如今，我國三為數字化設計已經度過了起步階段，正在經歷著發展階段，這一階段正是攻堅克難的時期：(1)起步階段使用了三維數據化設計相關概念，并且初步用到了電網工程，這一階段需要實現的目標是完成可視化展示以及設計成果的數字化移交。(2)發展階段逐步實現了各項標準的制定，完成的數據交互，平臺功能以及信息處理等問題，該階段需要達成的目標是深度應用重點工程，以此來有效提升設計工作質量火綜合效益，并且逐步實現整個產業鏈的參與。(3)成熟階段形成了完善的行業標準體系以及國家體系，確保工程設計全面實現了數字化，并且實現了對設計成果的廣泛應用[6]。

6 結語

總而言之，目前三維設計工作仍然處于試點階段，但是，其推廣使用已經勢在必行。在后期發展過程中，國網公司應該嚴格按照“三通一標”的要求，對通用設備的模型加以細化，并且還應該完善公用設備模型。與此同時，需要做好設計深度要求，模型創建技術要求以及成果移交要求等方面的細化梳理工作，同時還應該出臺相應的文件，真正達到工程項目三維評審、三維設計以及三維移交的目的。