城市配電網三維數字化設計技術探討及研究

深圳供電規劃設計院有限公司 宋光華

目前主流的配電網勘察設計采用CAD 二維設計，傳統CAD 二維設計在設計階段普遍存在諸如圖紙冗繁、錯誤率高、變更頻繁、協作溝通困難等缺點，二維設計暴露的弊端越來越多。傳統設計使用平面、立面、剖面等二維視圖展現成果，各個構件的信息在圖紙上采用線條繪制表達，構造型式需設計、施工、監理、業主等使用人員自行想象，識圖相對困難，容易帶來理解偏差。隨著城市現代化建設不斷深化，地下管線繁多，布置縱橫交錯，沿路徑建設10kV 電纜線路影響因素多，設計人員無法充分利用地下管線勘測成果，導致新建電纜通道與周邊管線安全距離不足，或者現有管線埋深較深，新建電纜通道可以在其上方實施，二維設計會因有管線而放棄該路徑方案。

非開挖水平定向鉆大量應用于配電網工程建設，由于復雜環境，埋于地下的管線未進行系統化管理。水平定向鉆走向平面圖及剖面圖難于反映與地下管線的相對關系，近年發生多起碰撞燃氣管道的施工事故，水平定向鉆作業如同一顆“定時炸彈”，成為設計和施工的巨大風險。

配電網三維數字化設計技術讓配電網設計從二維真正走向三維，對于配電網設計方法是一次重大變革。通過配電網三維數字化設計技術的使用，設計人員不在困惑于如何用傳統的二維圖紙表達復雜的三維形態這一難題，深刻的對復雜三維形態的可實施性進行了拓展。而配電網三維數字化設計的重要特性之一可視化，使得設計人員對于自己的設計思想既能夠做到“所見即所得”，而且能夠讓客戶捅破技術壁壘的“窗戶紙”，隨時了解到自己的投資可以收獲什么樣的成果。

1 配電網三維數字化設計在不同專業上的應用

1.1 配電線路設計

1.1.1 電力線路三維設計

集成傾斜攝影數據、激光點云數據等技術，整合1：50000的航空遙感影像數據、1：2000的無人機航飛數據，實現20kV 及以下配電架空線路工程路徑三維設計（圖1）。以工程項目為單位進行工程信息錄入、工程資料整理，通過多方案路徑比選進行選線，結合數字化定位進行架空三維排桿；通過各項電氣約束條件進行電氣安全距離校驗，根據各項統計計算及出圖標準進行材料統計、最優展示路徑出圖、最合理基礎配置統計及計算等功能。

圖1 架空線路三維設計成果

1.1.2 電纜線路三維設計

將地下管線物探成果提供的管線節點坐標和管線埋深數據自動轉化為WGS84坐標節點，按管線節點屬性自動將相應的三維模型族庫圖形導入平臺，在平臺中按管線直徑、輪廓自動形成三維線路連接相關節點，生成地下管線三維圖形，并對不同專業管線進行碰撞檢查和提醒。在三維場景中，通過人工指定或APP 移動數據導入確定線路路徑起點、終點和轉角點，并將相關定點自動連線，并實時顯示線路與地表建筑物間水平距離。

在同一場景中繪制、保存多條線路路徑方案。平臺自動判據線路路徑的終端和轉角位置，自動匹配工作井至三維設計場景中；依據給定工作井間距(范圍值)以及工作井模塊類型，沿線路路徑進行自動工作井排位。通過節點選取、路徑比選完成電纜自動布線（圖2）；通過地下管線安全距離約束條件進行管線碰撞檢查，完成地下管線的可視化設計；根據各項統計計算及出圖標準進行材料統計、最優展示路徑出圖、修復、損耗計算等功能。

圖2 電纜線路三維設計成果

1.2 配電站設計

將“配電系統二維數字化設計”成果自動導入三維設計平臺，將Revit 三維設計軟件搭建的建筑類配電站（開關站）整體（含電房結構、電氣設備等）模型族庫進行調用，完成各類型標準及非標準配電站、開關站的搭建，實現對站內電氣設備、土建基礎、安健環、照明、排水、通風、消防、避雷及接地等相關設備的布置及優化，以及與外線專業的對接，并實現電氣距離約束條件下的安全校驗；結合激光點云數據的管理及運用，高效準確還原現狀配電站空間結構；跟據各項統計計算及出圖標準進行材料統計、最優展示及節點大樣安裝、二三維布置平面出圖等功能。

1.3 配電系統設計

通過調用二維族元，實現工程系統圖、接線圖的二維設計工作?；诘湫驮O計模板，結合智能選擇、數字化優化等手段實現配電系統的標準化建設，將標準二維圖元中各類型變壓器、高低壓開關、柜體按標準接線參數化設計、模塊化管理，滿足配電系統的電氣繪制和智能統計工作。

2 配電網三維數字化設計在工程建設全生命周期中的應用

配電網三維數字化設計平臺可以對工程項目管理、工程數據管理、基礎地理信息管理、線路設計、配電站設計、配電系統設計、族庫管理等業務進行管理，適用于前期規劃、施工圖設計、施工建造及運行維護等不同階段。

2.1 在配電網項目前期規劃階段的應用

圖3 配網工程數字化應用流程

在前期規劃階段，配電網三維數字化設計技術對于建設項目在技術和經濟上可行性論證提供幫助，提高論證結果的準確性和可靠性。規劃階段，主要用于現狀建模、成本預算、階段規劃、場地分析、空間規劃等，配電網三維數字化設計技術可以為業主提供概要模型，針對建設項目方案通過設置關鍵節點，自動生成不同線路路徑方案，并對線路路徑方案進行技術經濟比較，提出推薦方案，從而為整個項目的建設降低成本、縮短工期并提高質量。

2.2 在配電網項目設計階段的應用

配電網三維數字化設計是以高精度影像、DEM、基礎地理等數據為基礎，以三維精細化模型為依托，利用無人機航測技術、三維可視化技術和信息集成技術，結合地理信息和工程信息，通過數據驅動模型，以三維數字化的形式，整合地形地貌信息構建真實的三維現場環境。配網三維數字化設計平臺通過現場數據還原、路徑自動布置、平斷面聯動、管線碰撞校驗、安全距離校驗等功能的應用，實現一鍵還原地物管線信息及準確、快速生成設計成果，提升設計工作的效率及準確度。

平臺可以自動輸出線路路徑圖、平斷面圖、工程量統計表等設計成果，并自動生成三維數字化模型，便于設計成果的展示及查閱，同時支持將三維線路路徑設計成果按指定圖例轉化為二維圖（包括中壓系統圖、接線圖、總路徑平面圖、分路徑平面圖、路徑斷面圖、電房平立面圖、關鍵節點大樣圖等），自動調用標準設計成品，標準化出圖布局、圖框及字體高度，保持圖紙完整、圖面整齊美觀。最終達到設計工作可視化、流程化、智能化、數字化的效果，實現優化設計手段。

圖4 新建電纜通道與原有地下管線碰撞檢測

2.3 在配電網項目施工建造階段的應用

圖5 施工現場設計交底

在項目的施工階段，依托三維數字化設計模型，實現圖紙、文檔、工程量信息等內容的集成，以虛擬現實三維場景展現工程面貌，實現施工可視化交底。通過將三維數字化設計模型納入項目主要交付物，為建設階段的數字化管理奠定基礎：實現關鍵節點施工交底及施工工序可視化，有效指導施工。將平時二維圖紙表示的大樣圖以三維的形式直觀表現出來，使施工復雜節點直觀化，降低現場施工交底難度。推演施工工序及自動檢驗施工方案合理性，便于及時調整施工方案不合理環節；提高設計協調性，有效處理各部分設計內容之間的交叉、碰撞問題，在設計變更階段有效對更動內容引起的專業碰撞問題進行協調及控制，實現可視化協同設計變更及各專業、各參建單位的實時信息交流。

2.4 在配電網項目運行維護階段的應用

三維數字化成果依據移交標準一鍵生成GIM 標準文件，統一提取數字化移交所需填寫的屬性進行數字化移交。數字化移交成果有助于客戶利用三維數字化模型實現可視化管理及參數化管理。利用虛擬現實技術，運維人員可實現在運維階段設施維修和安全培訓等數字化仿真應用，協助客戶在虛擬環境中自主定制操作手則、操作流程及安全規程，并通過預先設定任務和操作步驟，實現對新員工的入崗培訓和事故處理演練。

3 結語

配電網三維數字化設計平臺通過現場數據還原、路徑自動布置、平斷面聯動、碰撞檢測、安全距離校驗、一鍵出工程量、管線碰撞校驗、安全距離校驗、APP 移動端等功能的應用以及業務流程管理，最終實現配電工程全生命周期管理應用，達到設計工作可視化、流程化、智能化、數字化的效果，實現優化設計手段，提升設計質量，提高設計效率的目標。不過，配電網三維數字化設計還在起步階段，智能化水平有待提升，大數據風險功能尚未開展，運維階段功能尚需拓展，未來需進一步擴展相應的功能，做到真正的全生命周期管理。