新基建下變電工程數字化建設中設計模型應用

王波

（貴州電網公司，貴州 貴陽 520002)

“數字電網”是讓數字化、智能化為電網運營賦能，提高電網安全穩定運行水平，提高對復雜大電網的駕馭能力，實現電網全環節和生產全過程的數字化[1]。

生產全過程數字化從構建數字孿生變電站開始，就是把變電站的各種設備數據匯聚，構建一個變電站的孿生仿真鏡像，而所有數據需要一個載體，一個能承載這些數據的直觀物理對象，就是變電站工程數字化模型。因此實現變電站全過程的數字化勢必應從數字化建設開始。

隨著電子技術、信息技術、網絡通信技術的高速發展，變電站設計正在向著以數據、信息模型為核心的三維數字化設計方向轉變。設計對象數字化已是最為基礎性的工作，特別是設計對象模型的通用性、數據可交換性等要求是符合南方電網公司在輸變電工程數字化移交標準中的重要要求。因此，有必要從數字工程建設角度對變電工程三維數字化設計成果的模型范圍、深度、標準化要求及應用前景進行深入分析研究。

1 三維數字化設計建模范圍和深度

1.1 總體原則

變電工程模型是由多個設備模型構成的一個完整的數據，包含了設備之間的邏輯關系、屬性信息等。三維數字化設計模型包含幾何信息、屬性信息、附加文件等。三維設計模型框架包括4部分內容，分別是：屬性集、組件類、物理模型、工程模型[2]。

屬性集包括工程參數、電氣參數、力學參數、材料參數、幾何參數、位置參數等。

幾何信息可采用基本圖元、參數化模型、實體模型進行描述。

初步設計階段應建立滿足初步設計內容深度規定要求的設備設施通用模型。

施工圖及竣工圖設計階段應建立滿足施工圖設計內容深度規定要求的設備設施產品模型，其中電氣主設備應根據中標廠家實際產品外形建立三維模型，建構筑物及基礎應根據實際外形建立三維模型。

1.2 電氣一次

1.2.1 建模范圍

包括變壓器、斷路器、隔離開關及接地開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、電抗器、電容器、支柱絕緣子、開關柜、架空導線、母線等設備以及布置的三維模型及其主要屬性信息。

1.2.2 建模深度

建立設備模型，包括設備本體、安裝底座、絕緣子套管、接線端子、均壓屏蔽裝置等主要外輪廓，安裝底座、接線端子板的開孔信息、操作機構箱、二次接線盒、表計安裝方位信息、均壓裝置、接地端子等信息。

1.3 二次系統

1.3.1 建模范圍

包括屏柜、裝置、蓄電池、端子箱等設備及布置的三維模型及其主要屬性信息。

1.3.2 建模深度

屏柜應根據外形尺寸建立柜體、柜門及柜內主要裝置信息。端子箱應根據外形尺寸建立箱體和箱門，表現外形及安裝高度、安裝方向信息。

1.4 土建部分

1.4.1 建模范圍

總圖：基于電網地理信息系統，建立包括場地、道路、圍墻、大門、電纜通道、護坡、擋墻、站區排水等三維模型及主要模型屬性信息。

建筑物及建筑結構：包括墻體、幕墻、門、窗、樓板、屋面板、樓梯、電梯、臺階、坡道等。柱、梁、鋼結構主要桿件等三維模型及主要模型屬性信息以及部分制造模型。

構（支）架及設備基礎：包括鋼柱、鋼梁，變壓器、電抗器防火墻及基礎，GIS基礎等三維模型及主要模型屬性信息以及部分制造模型。

水工、暖通：建筑物內給排水、采暖通風的主要管道、設備、主要閥門、閥門井和管道井等設備設施的三維模型及主要模型屬性信息。

1.4.2 建模深度

總圖：模型應表示外形尺寸信息，施工工藝做法可以關聯標準做法圖紙。

建筑物及建筑結構：建筑實施的施工工藝做法可以關聯標準做法圖紙。鋼結構制造模型應包含節點及螺栓信息，可采用關聯三維數字化設計文件的方式表達。

構（支）架及設備基礎：鋼結構制造模型應包含節點及螺栓信息，可采用關聯三維數字化設計文件的方式表達。

水工、暖通：管道及設施應按照真實外形尺寸建模。

2 三維數字化設計模型應用要求

結合變電站工程數字化建設全過程對模型數據的應用要求，三維設計成果模型應充分考慮：規范性、標準性、需求性、平衡性、遞增性[3]。

三維設計模型分為通用模型和產品模型。通用模型適用于初步設計階段，基于通用設備要求，包含幾何信息、屬性信息的模型。產品模型適用于施工圖和竣工圖設計階段。基于實際產品外形，包含幾何信息、屬性信息的模型。結合工程對通用模型和產品模型提出了要求，產品模型是在通用模型基礎上明確了設備、設施的安裝部件尺寸、設備端子板的實際尺寸、接地裝置等信息。

電氣設備三維模型應按照基本圖元要求建模。基本圖元是指三維建模時使用的最小基本圖形單元，例如絕緣子、長方體、球體、圓柱、圓環、圓錐、棱臺等，可通過設定參數進行建模，并通過組合、拼接得到所需模型，確保了模型的統一性及可數據交換性。

三維數字化設計模型均應包含幾何信息和屬性信息，需要滿足各建設單位各專業各階段對三維模型數據應用需求。然而現階段受到計算機硬件及軟件發展以及成本因素等條件的制約，三維模型顆粒度需要做一定取舍，由各階段的需求而定，在不同的應用階段進行加工完善。模型的拆分應參照施工、運維要求，在移交后能夠繼續在設計模型上附加施工、運維信息，滿足后續系統的二次加工應用。

三維數字化設計模型貫穿到工程規劃、設計、采購、施工、運維等工程建設全壽命周期的各個階段。模型應隨著工程實施階段的深入而不斷細化和擴充，其精細化程度和屬性量應呈現逐步遞增的趨勢。

三維數字化設計讓設計深度前移。初步設計階段的三維數字化設計成果，其建模范圍及深度已不再是傳統意義的初步設計范圍內的設計內容，為了保障優化方案的可行性，設計方案的合理性，三維數字化設計建模范圍及深度已經向現行施工圖階段延伸。較為明顯的是土建專業、水暖消防專業。例如：為了完成軟、硬碰撞檢查，增加建模內容主要有：設備基礎、構支架基礎、地下管溝、事故油池、消防設備、消防管道、通風設備、二次盤柜建模到裝置級。

3 三維數字化設計成果應用前景

3.1 獨立的數據格式

數字化設計成果具有獨立的數據格式，才能實現各階段各環節各應用場景跨軟件平臺的數據流轉。現階段行業內已經普遍接受電網信息模型（GIM）標準。GIM技術以數據庫為基礎，研究通用的模型接口技術和統一的編碼系統，建立貫穿輸變電工程全過程的信息模型[4,5]。以此為數據傳遞基礎，才能打破工程建設各環節的數據孤島，將模型信息屬性在工程全生命周期傳遞下去，數據因此才具有了全生命周期性。

3.2 數字化采購

通過導入數字化設計成果數據進行分析，進而提取有效信息，包括提取工程的所有工程量信息，分析提取工程量對應的造價信息，通過獲取施工單位的管理信息，可以按施工進度分批次采購相應的設備材料等。

3.3 數字化建造

基于數字化設計成果數據，以項目建設管理單位為主體，針對項目管理部門、設計、監理、施工、物資等五個項目管理維度，從根本上解決了項目各參與方信息交流形成的“信息斷層”和應用該系統之間“信息孤島”問題；可以實現進度管理、安全管理、技術管理、質量管理、造價管理等協同可視化管理。

3.4 數字化移交

工程數字化建設過程中產生的龐大數據信息，需要建立符合生產實際及后期運用的統一移交格式，使得信息完整有效的傳遞到運維階段，實現項目全生命周期信息共享，建設真正意義上的數字電網。

通過統一數據平臺對數字工程移交信息進行管理，覆蓋數字化勘測、設計、采購、建造等各建設階段；涉及規劃文件及技術經濟指標等信息、三維地理數據（DEM、DOM、DTM）、工程設計數據（IFC、GIM）、采購數據、施工數據等進行管理，如圖2所示。

數字化工程移交內容分為勘察設計數據和施工過程數據，記錄變電工程從前期規劃到竣工投運全部建造過程的有關數據，上述數據通過統一的數字化平臺進行管理，各工程參與方按照統一標準和各自權限進行數據的讀出和寫入操作。

數字化建設成果——工程數據信息模型的移交，給項目管理部門提供一個反應工程建設全過程的且數據完整、真實、可編輯、可擴展的數字孿生變電站雛形。

3.5 數字化運維

高效運維已經成為數字化轉型的重要驅動力，三維數字化設計成果，從源頭實現了設計信息的數字化，為工程項目全生命周期管理效能和水平的提升創造了條件。數字化運維核心動力在于數據驅動，可以在數字資產管理、設備維護、移動巡檢、大數據分析等方面采用和以往不同的數字化手段，打破原有慣性管理思路，實現變電站高級運行支持平臺以統一的方式對運維進行實時調整，實現最優運維管理。

4 結束語

數字化工程建設是依托工程完整的數字化設計成果數據完成。從前期項目規劃立項、數字化勘察、數字化設計、數字化物資采購、數字化建造、數字化移交及后期為數字化運維服務等工程建設全生命周期的數據管理。其中，作為信息數據的源頭——數字化設計成果數據的準確性、信息的可擴展性、編碼的標準化等技術手段使得數字化設計成果數據為工程建設提供更多的服務成為可能。通過二次接口開發進行設施及模型編碼互譯，各參與方按照各自業務需要對設計成果數據進行加工利用，以達到數據價值的最大化利用，從而實現電網數據流從勘測設計向基建施工、運行維護及電網數字資產全生命周期管理貫通，為“數字電網”的建立提供數據基石。