基于三維模型的變電站二次電纜模擬敷設(shè)方法及其應(yīng)用

張嘯宇,趙 曄,王 強(qiáng),張立云,周雪濤

(河北省送變電有限公司,河北 石家莊 050051)

變電站電纜敷設(shè)的常規(guī)施工方式為設(shè)計單位按照敷設(shè)電纜要求出具圖紙,施工單位按照設(shè)計圖現(xiàn)場施工。傳統(tǒng)方式下,電纜設(shè)計精度難以達(dá)到施工安裝工藝精度要求;電纜路徑規(guī)劃常存在不合理情況,交叉線路多和電纜超容,施工難度大;電纜長度不精確,易造成材料浪費,工程電纜造價難以有效控制;施工過程未實現(xiàn)提前模擬,安裝過程不可逆,出現(xiàn)問題難以修正;無法滿足數(shù)字化運維對于電纜管理的需要。使用三維模擬施工仿真軟件進(jìn)行電纜敷設(shè),利用三維模型與物理實體的一致性,對電纜敷設(shè)過程進(jìn)行模擬和三維展示,可以有效減少電纜交叉,施工人員可以在實際敷設(shè)前根據(jù)模擬效果對電纜位置、施工方案進(jìn)行及時調(diào)整[1]。

1 電纜模擬敷設(shè)方法

1.1 三維模型的建立

按照Q/GDW 11810.1—2018《輸變電工程三維設(shè)計建模規(guī)范 第1部分:變電站(換流站)》建立與電纜敷設(shè)相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施三維模型,具體包括電纜附屬模型(電纜橋架/支架)、場地及周邊設(shè)施模型(地下溝道、電纜通道)及電纜連接兩端的電氣設(shè)備模型。三維模型建立完成后,需要對所需要的電氣設(shè)備以及電纜通道利用KKS(電廠標(biāo)識系統(tǒng),用來標(biāo)識變電站零部件的輔助系統(tǒng))進(jìn)行編碼,并建立電氣的相互連接點。隨后將其導(dǎo)入至電纜清單中,根據(jù)清單中的內(nèi)容核對用電設(shè)備中的連接點是否已架設(shè)完成,如果有連接點未建立,三維模型就會立刻提示。連接點建設(shè)完成后,開始建立電纜通道,即建立一個可以分層、涵蓋電纜路徑的大通道。電纜通道分層不需要考慮電纜支架,可以等待電纜敷設(shè)后再通過軟件進(jìn)行分層處理[2]。

1.2 最短路徑優(yōu)化算法

電纜通道布置完成后,以設(shè)備連接點為電纜始端、末端開始電纜路徑搜索。電纜路徑搜索算法需滿足下列要求:一是,路徑搜索自動進(jìn)行,搜索速率不低于1 000條/min,保證模擬敷設(shè)效率;二是,路徑規(guī)劃規(guī)則可配置,滿足多種敷設(shè)規(guī)則,即最短原則、優(yōu)先順序、電纜類型(等級)匹配、容積率限制等;三是,敷設(shè)結(jié)果支持人工調(diào)整,保證敷設(shè)方案的可實施性。經(jīng)過論證選擇以粒子群算法為基礎(chǔ)進(jìn)行二次電纜模擬敷設(shè)平臺的二次開發(fā)。

在粒子群算法中,任何一種優(yōu)化之后的結(jié)果都是粒子群在空間搜索中所處的位置,即粒子的運動方式?jīng)Q定了粒子運動過程中的方位以及長度,所有粒子群都跟蹤著當(dāng)前最優(yōu)粒子群,并通過自身的運動方式在空間中搜索最優(yōu)的過程。所以,關(guān)于粒子在更新后的頻率及其所占位置的計算方法,如式(1)和式(2)所示。

根據(jù)式(1)、式(2)可知,粒子群算法在電纜敷設(shè)過程中,可以使其敷設(shè)的總路徑達(dá)到最小的數(shù)值。粒子群算法是在粒子移動過程中被提出來的,假設(shè)粒子在移動過程中有2條路徑,路徑1與路徑2的長度存在些許的差異,路徑1的整體長度要更短一點。而粒子在進(jìn)行路徑選擇過程中,大多情況是隨機(jī)選擇,粒子在移動過程中會將自身存在的某一特征分散至路徑1或者路徑2上,在相同時間內(nèi),由于路徑1的長度相對較短,就會導(dǎo)致路徑內(nèi)會吸引到更多的粒子。根據(jù)上述提出的粒子群原理,可以將最短路徑的問題進(jìn)行轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化之后可以用幾何問題進(jìn)行表示,具體如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)化為幾何問題后示意

假如,將平面中某一給定原始點集合設(shè)為Q,隨后再將平面中新增的輔助點集合設(shè)為D,那就需要尋找?guī)缀紊系囊粋€點在連接過程中的最短軌跡。將電纜敷設(shè)過程中最短線路問題轉(zhuǎn)變?yōu)樯蓸渲凶钚∧繕?biāo)數(shù)值的問題,就需要設(shè)H(B,R,E)為經(jīng)過賦權(quán)之后沒有路徑的形狀,B={1,2,3,…,n}為平面圖形內(nèi)部所有數(shù)據(jù)點的全部集合,E為網(wǎng)絡(luò)矩陣,R為邊集。假定當(dāng)變量cij=0時,點(i,j)不在最短路徑上;而當(dāng)變量cij=1時,點(i,j)在最短路徑上。那么,就可以將電纜敷設(shè)的最短路徑利用式(3)、式(4)進(jìn)行表示。

式中:A為電纜敷設(shè)過程中產(chǎn)生的路徑;eij為矩陣E中的相關(guān)元素信息[4]。

1.3 模擬敷設(shè)步驟

對電纜敷設(shè)的最短路徑進(jìn)行優(yōu)化之后,需要利用此路徑對電纜進(jìn)行模擬敷設(shè)。而電纜模擬敷設(shè)的過程主要是調(diào)取幾種類型的數(shù)據(jù),電纜自身的本體數(shù)據(jù)、電纜通道和起點終點設(shè)備所處位置的數(shù)據(jù)[5]。而在對電纜進(jìn)行模擬敷設(shè)之前,還需要對工井的尺寸進(jìn)行確定。工井尺寸與電纜彎曲半徑相關(guān),利用電纜半徑以及中心線間距離,確定工井最終尺寸

式中:J為排管與接頭之間平面的距離;m為電纜彎曲部分的最小半徑;f為電纜的外部直徑。根據(jù)式(5)可以計算出電纜的彎曲程度,并根據(jù)相關(guān)設(shè)備所需要的適應(yīng)面積,來最終確定工井的尺寸。

電纜模擬敷設(shè)主要分2步進(jìn)行:第1步明確敷設(shè)方向;第2步明確具體位置,同時考慮電纜支架層數(shù)及每一層的排列情況。電纜敷設(shè)參照GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,按照如下要求:電纜路徑選擇在滿足安全要求條件下,應(yīng)保證電纜路徑最短;電纜在任何敷設(shè)方式及其全部路徑條件的上下左右改變部位,均應(yīng)滿足電纜允許彎曲半徑要求;同一通道內(nèi)電纜若在同一側(cè)的多層支架上敷設(shè),宜按電壓等級由高至低的電力電纜、強(qiáng)電至弱電的控制和信號電纜、通信電纜“由上而下”的順序排列,且同一重要回路的工作與備用電纜應(yīng)配置在不同層或不同側(cè)的支架上;同一層支架敷設(shè)時,控制和信號電纜可緊靠或多層疊置。

對長電纜和短電纜加以區(qū)別。長電纜是指變電站室內(nèi)和室外相連接的電纜或長度大于30 m的電纜;短電纜是指室內(nèi)不同設(shè)備之間相互連接的電纜、室外各個設(shè)備之間連接的電纜或長度小于30 m的電纜。根據(jù)電纜敷設(shè)的不同區(qū)域,使用長電纜進(jìn)行排列順序:對某一處相對復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行集中、統(tǒng)一敷設(shè),隨后再分批對其他區(qū)域進(jìn)行電纜敷設(shè)。對一個地區(qū)內(nèi)的長電纜加以排列:以一個地區(qū)內(nèi),電纜的出入口為單元,決定這個地區(qū)內(nèi)長電纜的敷設(shè)次序。根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的敷設(shè)次序,并充分考慮每一區(qū)域內(nèi)電纜出入口的轉(zhuǎn)向狀況,來決定電纜管道左右二端支架的相對位置,然后再從近至遠(yuǎn)來對敷設(shè)的次序做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。確定電纜在變電站內(nèi)部支架上所在的位置,而所在位置所對應(yīng)的層級排列順序,大多數(shù)情況都是由內(nèi)向外的[6]。

基于電纜分層、分側(cè)敷設(shè)原則,標(biāo)準(zhǔn)化配置電纜自動化排列方案并存入模型庫中;依照不同電纜通道中排列算法,根據(jù)電纜分層、分側(cè)、容積率限制、敷設(shè)順序、最短路徑等原則進(jìn)行電纜自動排列,實現(xiàn)全站電纜三維數(shù)字化自動敷設(shè)。

2 應(yīng)用分析

為了測試變電站施工中電纜模擬敷設(shè)方法的準(zhǔn)確性和應(yīng)用效果,使用模擬實驗平臺進(jìn)行試驗分析,選擇該變電站中某一區(qū)域的電纜為測試對象,代替實際變電站,降低測試的風(fēng)險。

2.1 全站電氣二次數(shù)字化邏輯模型構(gòu)建

將傳統(tǒng)二次系統(tǒng)僅體現(xiàn)功能原理、單一接線、人工畫圖的模式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)賦值、數(shù)字賦能的數(shù)字化二次系統(tǒng)設(shè)計。搭建數(shù)字化電氣二次數(shù)據(jù)庫,利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行電氣原理接線圖設(shè)計(包括電流回路、電壓回路、控制回路、信號回路等),根據(jù)電氣設(shè)備原理圖實現(xiàn)端子排自動生成、設(shè)備接線和電纜清冊自動生成,形成全站電氣二次數(shù)字化邏輯模型。

2.2 三維物理模型與二維數(shù)字化邏輯模型關(guān)聯(lián)

基于電氣二次數(shù)字化邏輯模型、土建和一次三維物理模型文件,開展二次邏輯模型與物理模型即二維與三維數(shù)據(jù)間接口關(guān)聯(lián),實現(xiàn)二、三維設(shè)計數(shù)據(jù)實時交互貫通,獲得全站電纜數(shù)據(jù)庫信息。需要關(guān)聯(lián)的三維模型包括二次屏柜、裝置以及電纜模型,軟件之間通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)接口獲取設(shè)備庫、裝置庫、電纜庫以及對應(yīng)的芯線、端子等信息,同時開發(fā)配套的編號匹配與校驗?zāi)K,將三維模型與二次設(shè)計對象通過編號進(jìn)行關(guān)聯(lián),完成設(shè)備、裝置以及電纜編號的一致性和準(zhǔn)確性校驗。

2.3 全站電纜三維數(shù)字化自動敷設(shè)

將選擇的區(qū)域按照距離進(jìn)行劃分并記錄,隨機(jī)選擇區(qū)域內(nèi)7個不同位置,按照a、b、c、d、e、f、g的順序進(jìn)行標(biāo)記,其橫向距離分別為1.36 m、6.08 m、7.65 m、3.39 m、3.28 m、6.19 m、8.64 m,縱向距離分別為3.82 m、2.86 m、5.47 m、5.28 m、0.59 m、6.82 m、2.55 m。根據(jù)上述所標(biāo)記的橫、縱向距離,分別使用插點法與模擬退火化法進(jìn)行電纜線路敷設(shè),見圖2。圖3為使用本文方法進(jìn)行電纜敷設(shè)的線路。

圖2 使用不同傳統(tǒng)方法電纜敷設(shè)路線

圖3 使用本文方法電纜敷設(shè)路線

為了驗證測試結(jié)果的準(zhǔn)確程度,使用2種傳統(tǒng)方法(插點法和模擬退火化法)的敷設(shè)技術(shù)與本文方法進(jìn)行對比,測試不同方法敷設(shè)線路重疊數(shù)量。實驗共進(jìn)行了10次,表1為實驗測試得出的結(jié)果。

表1 不同方法重疊線路條數(shù)的監(jiān)測結(jié)果 條

根據(jù)表1顯示的檢測結(jié)果可知,使用插點法進(jìn)行電纜敷設(shè)時,重疊的線路在16~20條;使用模擬退火化法進(jìn)行電纜敷設(shè)時,重疊線路在8~11條;使用本文方法進(jìn)行電纜敷設(shè),重疊線路在0~2條。通過上述測試,可看出使用本文方法進(jìn)行電纜敷設(shè)比傳統(tǒng)電纜敷設(shè)重疊線路要少。可見,使用本文方法敷設(shè)的電纜之間沒有明顯碰撞,在節(jié)約時間成本的同時,也讓變電站電纜線路更加安全可靠。

3 結(jié)束語

采用“數(shù)字化信息+三維布置可視化”相結(jié)合,實現(xiàn)二維數(shù)字化與三維模型貫通融合,開展基于BIM模型的變電站二次電纜自動敷設(shè)及排列應(yīng)用研究,實現(xiàn)電纜路徑、回路信息“所見即所得”,直觀指導(dǎo)現(xiàn)場施工,方便運維故障定位,提高電網(wǎng)設(shè)備管理維護(hù)效率,也可為變電站典型事故應(yīng)用案例分析提供支撐。

(1)拓展了電纜設(shè)計精度。根據(jù)施工工藝要求,計算電纜合理走向、長度、真實空間排列位置,實現(xiàn)電纜優(yōu)化設(shè)計。在兼顧傳統(tǒng)施工習(xí)慣的同時支持多種自動排列規(guī)則,不同類型電纜采用不同規(guī)則,自動計算電纜安裝順序及安裝位置。

(2)實現(xiàn)了電纜數(shù)字化施工管控。利用數(shù)字化三維手段,模擬電纜安裝、優(yōu)化施工方案、管控施工過程,以保證施工進(jìn)度、控制施工質(zhì)量、節(jié)省電纜用量。通過配置電纜自動化排列方案并存入模型庫。依照不同電纜通道中排列算法,根據(jù)電纜分層、分側(cè)、容積率限制、敷設(shè)順序、最短路徑等原則進(jìn)行電纜敷設(shè)模擬。