水力發電廠電氣二次接線智能設計研究

喬文濤，趙 茂，李全勝

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

傳統的水力發電廠電氣二次設計依托于AutoCAD[1]，主要存在以下弊端：①收到的資料格式不統一，需要花費大量時間確認、識別；②電氣二次各個系統分屬多個工程師設計，配合工作多，協同性差，而且所有配合的信息都需要手動填寫，自動化程度低；③制圖工作需要純手動完成，電纜敷設表需要對幾千根電纜逐一測量長度、填寫路徑等信息，導致制圖工作效率低下。

基于以上弊端，考慮借助三維數字化手段進行電氣二次接線智能化設計。然而，電氣二次接線智能設計由于關聯的系統多，涉及的邏輯規則復雜[2，3]，已是整個電氣設計領域的深水區。經過調研和查閱已有文獻，發現目前常用的電氣設計軟件沒有電氣二次接線功能，大型設計院定制開發的電氣二次模塊還沒有全面成熟應用。基于現實需求和市場現狀，本文針對水力發電廠電氣二次接線智能化設計進行了深入研究。

1 技術框架

吸納汽車、飛機行業數字化的經驗，結合水電行業的特點和實際需求，通過對3DE 平臺進行二次開發，創建了水電廠電氣二次接線智能設計系統[4，5]。整個系統分為標準化輸入、智能化處理和格式化輸出三大環節。通過導入標準化信息為系統提供原始數據，依托智能接線模塊實現工程師高效工作，借助智能電纜敷設系統（以下簡稱CIL）提供的電纜通道實現電纜統計，自動生成電纜表。整個系統的技術框架如圖1 所示。

2 系統介紹

針對廠家提供的資料格式不統一問題，研究制定了標準化信息導入模板，該模板以通用的Excel表格型式承載，如圖2 所示。表格中的信息可實現在3DE 平臺上一鍵導入，智能設計系統能自動識別并存儲數據，從而為電氣二次正向化設計提供基礎支撐。

圖2 標準化信息導入模板

智能化處理離不開輔助系統的支撐。依托于規程規范，并融入設計院多年的設計經驗，建立了專家系統，用于保障整個智能設計系統安全高效運行。比如，根據GB 50217-2018《電力工程電纜設計標準》等規范，建立了電纜選型規則，系統根據規則可實現對電纜自動選型，替代了傳統手動輸入。數字化設計需要對各種信息進行規范化編碼，由此建立了一系列編碼規則。比如，電氣設計中必不可少的電纜編號，通過參考有關規定并借鑒之前的項目經驗，建立了電纜編號規則。系統根據該規則可實現電纜自動編碼，既可用于系統對電纜的識別，又可用于施工圖的信息輸出。每個工程的電纜型號不同，如阻燃/低煙無鹵/耐火、聚氯乙烯絕緣/聚乙烯絕緣等，智能化系統可根據每個工程實際需求，快速修改源程序，實現每個項目此類參數的自定義修改。系統的另一個重要支撐是標準設備庫，結合主流產品參數，建立了相關電氣設備的三維模型，并豐富了設備信息，比如增加電纜外徑、重量等參數，以便于正向化多專業協同設計過程中的信息調用。

基于以上輔助系統的支撐，建立電氣二次接線智能設計模塊，它同時展示了電纜兩端的信息，可在一個界面實現1 端到N 端的數據訪問。該模塊具有以下4 個亮點功能：①系統可以給每根電纜自動賦色，提高辨識度；②工程師只需根據專業知識選取要連接的信息點，系統自動拾取遠端信息，對側自動更新；③電纜型號和電纜編號根據智能化輔助決策系統自動選型，對側自動更新；④左下角的區域支持自定義修改，可以對自動生成的信息進行手動修改，系統會優先采用人工設定值。

通過利用已開發的CIL 系統在三維環境中快速建立電纜通道，然后將智能化處理后的二維邏輯圖與三維環境進行映射，借助BIM 模型中規劃的電纜通道進行電纜自動敷設，最后可一鍵生成Excel 型式的電纜敷設表。該表經過格式化處理，包含電纜始端、終端、電纜型號、編號、長度、路徑等全部電氣二次電纜敷設需要的信息，完全可滿足現場施工需求。同時，為了滿足國內傳統的施工圖型式需要，智能化系統也可生成傳統的端子接線圖。

3 應用前景

研究成果能夠實現數據快速讀取、電氣二次設計“一張圖”、信息自動生成、輸出格式化等，可極大提高水力發電廠電氣二次設計效率和出圖質量，能為減少設計周期、縮短調試時間、實現早日發電提供重要保障。本成果不受行業限制，可廣泛應用于水電、變電站、火電、核電等的電氣二次設計工作。

同時需要指出的是，電氣二次接線智能化系統的應用，一方面需要依賴于廠家按照標準化信息導入模板提供端子信息，這需要在招標階段進行明確。另一方面，電纜的自動敷設需要借助于BIM 模型，這就需要整個項目能提供三維數字化支撐。

4 結語

本文針對傳統水力發電廠電氣二次接線設計存在的弊端，提出了數字化設計新模式。研究成果主要有以下創新點：①吸納了汽車、飛機等行業電氣二次數字化的經驗，結合水電行業的特點及自身實際設計模式，提出了水電行業電氣二次數字化設計框架。②融合大量專業規范和工程經驗，結合工程師實際需求，打造了電氣二次智能化設計模板。可實現在“一張圖”上實現端子圖設計工作，包括兩端信息同界面查找、提取和連線，電纜自動選型，電纜編號自動生成等。③大膽創新，建立了3DE 應用新模式。首次在3DE 平臺上實現Excel 表格導入的信息符號化顯示，該模式不僅可應用于水電廠電氣二次設計，還可以用于其他行業和專業的3DE 平臺數字化設計。