三維設計在電網工程建設中的應用研究

關鍵詞： 三維設計 電網工程建設 設計平臺 關鍵技術

中圖分類號： TM63 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0082-04

自改革開放以來，我國電網企業的發展速度大幅度加快，已經逐漸建設形成一套相對完善的電力系統，為群眾的生活和工作提供了更多的保障。電網企業通過借助人工智能技術與信息技術等建立完善的電力系統，不僅能夠保障電力系統的正常運行，還能夠為相關技術與設計工程的實施提供數據支撐。將三維設計應用于電網工程建設中，不僅能較好地改善和解決傳統二維設計存在的設計結構不規范、數據供給不完善的問題，還能借助三維設計中軟件技術的優勢，從元件庫中提取想要的對象，輸入各專業的初設條件、總圖、設備布置圖、設備條件圖等進行3D 模型的建設，從而為后續的工程建設提供數據與模型支撐[1]。當前，三維設計在電網工程建設中已經被廣泛應用，其本身擁有的強大的數據庫功能可滿足電網企業的實際發展需求。因此，針對三維設計在電網工程建設中的應用進行分析能夠較好地展現出三維設計的優勢，同時也能為相關的電網工程建設提供保障，促進其健康、穩定地發展。

1 三維設計的特點分析

目前，我國數字技術、信息技術和計算機技術取得了巨大的進步和創新，電力已經成為人們生活及生產過程中不可或缺的、重要的組成部分。電力需求量在不斷增加的同時，對智能化電網工程的建設也提出了更高的標準與要求。傳統的電網工程設計主要是通過使用二維設計進行開展的，但二維設計在實際應用過程中存在效率低下、質量不高等問題，無論是設計方式還是后續的操控都存在一定的不足，無法實現在電網工程建設的全周期的數字化傳遞，而三維設計的應用是在傳統二維設計的基礎上進行重新優化。三維設計主要是使用軟件來創建三維對象或形狀的數學表示形式的過程，創建對象稱為三維模型，這些三維模型用于計算機生成（CG）設計。以電網工程為例，三維設計技術的使用是基于建筑信息模型（BIM）創建和管理建筑資產信息的整體流程開展的，能夠將結構化、多領域數據整合在一起，以在其整個生命周期內生成資產的數字表示，為后續的工程建設提供一定的數據支撐，優化了智能三維信息設計平臺的建設[2]。在電網工程建設中的變電站的設計包含建筑物、結構、電纜保護管等，借助數據結構模型的優勢能夠實現針對性的計數與操控，提升設計的精度與準確性。例如：在變電站的工程建設中應用三維設計技術優勢，不僅能有效地融合電氣、建筑和結構等各項應用，同時還能借助三維設計中數據處理的優勢創建有針對性的數據庫，綜合數據庫設計出相應的三維模型，以實現自動繪圖、鏈接更新、凈距檢查和三維數字協作，對提升設計質量與效率有著重要的意義。

2 三維設計在電網工程建設中的應用現狀分析

《中國制造2025》中要求將數字化研發設計工具普及率達到84%，現階段，我國應把現代的各種信息化、人工智能技術都應用起來，發揮優勢和長處，建設數字中國，推動數字經濟的發展。工程數字化與信息化的發展已經成為當前我國發展的重點內容。數字化與信息化在發展過程中重視信息技術的高效利用是一個非常重要的過程，而三維設計理念與技術的優勢恰好能夠滿足我國工程數字化的實際發展需求。將三維設計應用于電網工程建設當中已經有5 年的時間，2017 年，國家電網公司首次提出將采用三維設計幫助實現設計走向一個新的階段。通過借助完成設計成果全信息仿真，集成技術并提升工程建設管理水平。隨著我國移動互聯網的高速發展，各種信息技術、云技術以及大數據技術的不斷普及，三維數字化設計不僅能較好地改善和解決傳統二維設計中存在的質量不高等問題，同時還能使整個電網工程建設變得更加高效化、專業性，能夠滿足現階段電網工程建設的實際需要。

當前，我國二維設計技術的使用已經變得更加的完善和成熟，但二維設計中的AutoCAD 技術已經無法滿足現階段工程全生命周期設計與生產的實際需求。將三維技術應用于電網工程設計建設當中能夠使用自動化的流程替代手動制圖，可在計算機上以三維方式使用一組點精確表示和可視化展示對象，達到精細化、智能化以及可視化的建設標準[3]。當前，三維設計技術已經在我國的建筑、鐵路以及其他的市政工程中得到了較為廣泛的應用，但是在電網工程建設中由于深入性研究的范圍較窄，還處于初步的研究當中。例如：將三維技術應用于電網工程建設的專業化協同發展與設計交互等領域還很難滿足現階段的實際發展需求。將三維設計技術應用于電網工程建設當中使用的軟件類型主要為Bently 公司的Substation 和Autodesk 公司的Revit Structural、MEP、Autodesk Navisworks、AutodeskBIM 360 Glue 等，這些技術在實際使用過程中能夠實現對數據的高效化處理；ProjectWise 協同處理平臺通過建立以數據為中心的處理技術，堅持數據驅動圖形理念的設計平臺，可達到高效化設計和處理的目的。

3 三維設計在電網工程建設中的關鍵技術

3.1 電網工程建設設計平臺

當前，我國絕大部分電網企業所使用的三維設計的平臺功能和設計主要包含有基礎功能、拓展功能、變電設計以及線路設計這4 個板塊，其設計平臺開發具體見表1。傳統的工程設計平臺在實際應用過程中不能實現對所有的功能進行互通的特點，同時對于協同管理優勢的體現也存在一定的限制。很多電網企業應用傳統的設計技術的過程中無法達到全過程的管理，不僅增加了設計的成本，對后續的管理也存在較大的影響。三維設計以ProjectWise 平臺為例，該平臺作為協同管理平臺的一個重要組成部分，能夠把貫穿項目全生命周期中所有的信息進行集中有效的管理。整合BIM 全生命周期中各專業軟件產生的圖形與數據，在電網工程中的施工進度管理、質量管理、安全管理以及物資管理等場景中都能得到較好的應用，能夠實現BIM 整個生命周期的協同工作，達到預定的目標[4]，其本身具有集成化、標準化、完整化、實時性、安全性以及多樣性查詢的優勢。

3.2 數據模型采用統一標準

電網工程建設當中包含的內容、專業較為復雜，不同的單位需要在協同工作背景下開展對應的建設，以滿足工程建設的實際需要。但是就現階段我國電網企業在應用設計平臺和專業軟件過程中呈現出來的模式顯示，軟件的使用還存在一定的交互困難的情況。為更好地解決這一難題，國際協同聯盟建立了IFC 等統一標準，通過將三維設計作為電網工程建設的平臺，針對設計、勘探、造價、制造、施工、運維等專業的輔助設計計算、地理信息、工程量清單、設備模型、施工模型、數字化移交等工作進行整合，達到數據交互的目的[5]。

4 三維設計在電網工程建設中的實踐應用

4.1 線路最優路徑選擇中的應用

將三維設計技術應用于電網工程建設中的路徑選擇，可以直接利用三維技術對整個被建設場所的地形、地貌等進行分析，通過利用地形實測數據以及遙感、航拍構建更加精細的地形三維模型，在構建模型的過程中還能綜合地貌的實際情況選擇對應的水文、公路、房屋以及基建等因素在內，直觀地體現出最佳的路線方案，為后續建設施工的開展提供便捷。

4.2 變電站設計、建設中的應用

當前，我國在電網工程中將三維設計應用于變電站的技術主要是以建模技術、信息技術、網絡技術等為主的一種方式，這種設計方式能夠在整個設計和產生中進行使用，對電網工程的生命周期應用具有較好的使用效果。

首先，變電站在進行三維建模的過程中需要綜合變電站的實際情況來制定工程建模的基點，各專業、各區域的基點要唯一。建立統一的基點之后采用參照或鏈接的方式集成模型，設計人員再按照統一的項目基點進行設計，這樣的方式可較好地改善模型為主不準確的問題。例如：基于AnyCAD 的AnyCAD DesignerSuite（ADS）套件為三維設計者提供了從模型設計、模型組裝、場景設計、場景漫游以及二次開發接口完整的解決方案。設計人員在實際設計時可以直接通過AnyCAD 模型腳本設計語言，可以設計出精確的三維模型；結合AnyCAD 自定義屬性機制，可實現動態模型。此外，還可以直接通過AnyCAD 腳本設計語言進行三維動畫模擬。圖1 為AnyCAD 模型腳本設計的模型圖。

其次，三維設計應用于變電站的工程建設當中，還可以借助三維設計中的三維模型的全景監視系統對整個變電站的運行情況進行實時監控。通過三維模型融合監測數據，使變電站抽象的運行與設備數據易于工作人員進行直觀監控，同時也能較好地幫助變電站降低人工投入成本，實現高質量的監控標準。

最后，借助三維設計的優勢可以實現對工程建設的精細化管理模式，將其運用到變電站工程項目施工成本管理中，幫助電力企業處理成本控制等問題，實現各環節之間信息的傳遞與共享，為施工成本精細化管理提供新的方法和思路[6]。通過利用三維設計能夠實現對建模流程和規則局部補充與完善，形成正向設計圖模體系。此外，還能直接利用三維設計中的BIM 技術構建出信息模型，將BIM 技術、VR 技術、AI 人工智能技術等有效利用在模型構建中，對項目模型和信息進行增添和刪減，促進工程管理的精細化與合理化，對于高質量的現場施工管理有著重要的作用。

4.3 在輸電線路交叉跨越中的應用

三維設計技術優勢的應用對電網工程建設中跨越架、桿塔、導地線等的建設具有較好的幫助，能夠為后續的施工模擬等提供一定的數據支撐。電力施工人員在進行交叉跨越施工模擬時可以直接綜合輸電線路的規范與要求等設計出導引繩、牽引繩、導地線、防護網的張力、弧垂關系、風偏距離、承載力關系等關鍵數據，并以此為基礎為后續的搭建工作提供位置、尺寸以及規格等保障[7]。施工人員也可以綜合數據選擇對應的施工方案，從而提升輸電線路工程施工的整體質量。

4.4 在特大型輸電線路跨越工程中的應用

以特變電工新能源公司電力設計院參與前期設計的烏魯木齊—尉犁高速公路勝利隧道口施工用電項目為例，作為國家級重點工程，該項目是烏魯木齊市作為自治區首府連接南疆最核心、最便捷和最具有輻射帶動效應的主通道。該項目在設計前期對整個工程的山體縱切、橫切、鐵塔搭建、影像選圖等方面都非常困難。在工程開始前，技術人員通過借助三維設計的優勢對整個施工場所進行三維模型的構建，并模擬了最優的施工方案，與現場搭建和施工的要求一致。現階段，該項目運行的時間已經超過2 年，能夠為地區供電站點提供高質量、高效率的設計服務。圖2 為該項目的三維設計模擬圖。

4.5 集成技術的應用

三維設計在實際應用的過程中相較于傳統的二維設計其本身具有較多的優勢，能夠提升設計質量及效率，但也存在與工程實際不相符的問題，很難真正達到解決電網工程建設實際問題的需求。三維設計模型與GIS 技術在水利水電以及各類市政工程中的應用范圍較廣，但針對電網工程的建設的應用還存在一定的不足。因此，為更好地解決這一問題，有學者將三維設計與AR 技術結合，將三維模型與AR 技術以手機、平板等智能設備進行結合實現了對電網工程1∶1 的模型構建，這樣的技術不僅能夠實現信息的高效化處理，同時對于傳統三維設計中細節處理不當等問題也能得到較好的解決[8]。技術人員在利用三維設計時可以通過工程的區域信息以及施工信息等進行優化設計，對于提升三維技術的高效利用有著重要的意義。

4.6 三維設計評審要點應用

電網工程項目評審是評估整個工程質量的重要標準，當前我國針對電網工程建設的評價體系已經逐漸成熟，具體的內容包含以下3 個方面：第一，結合三維設計評審的深度要求等對三維設計的模型范圍、幾何精度、屬性特性等進行審核核實，確保其精度等能夠達到標準；第二，綜合分析工程的精細化要求是否達到標準，通過利用三維設計模型精細統計量進行統計分析，以減少因人工核算造成的偏差問題，提升工程的整體質量；第三，綜合三維設計的協同性等進行評審，同時針對審核單位質量管理體系建設、人員配備等進行評審，以確保其質量能夠達到標準[9]。

5 結語

三維設計是我國電網工程建設中不可缺少的一個重要組成部分，對提升電網工程質量與效率有著重要的作用。現階段，我國電網工程建設中應用三維設計主要集中在模型建模與后續的施工碰撞等階段，但還有部分地區針對三維設計的優勢使用頻率較低。在未來的發展當中應當重視三維設計技術的應用，結合工程的實際情況選擇對應的三維技術，確保其能夠在滿足設計施工要求的基礎上提升工程的整體質量，促進我國電網工程的穩定發展。