三維數字化設計在寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程中的應用

于明國，嚴福章

（國網北京經濟技術研究院，北京市，100052）

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程是世界上第一個±660 kV電壓等級的直流輸電工程，是國家電網公司以打造精品工程為目標的重點建設項目。本工程兩端的換流站和變電站，是國家電網系統首次全面采用三維數字化設計的變電工程。傳統的二維設計，是依賴設計者的空間想象力和制圖技能完成空間設計的，對工程總體空間布置的經濟技術比較和優化缺乏控制，很難適應堅強智能電網的要求。三維設計是以數據庫為核心，以三維模型為依托，通過數據驅動模型，直接進行三維布置，從三維提取二維圖紙和數據。三維數字化設計具有精準、直觀、高效的優點，提高了設計單位為工程建設延伸增值服務能力。三維數字化設計提升了變電工程的設計手段，改變了傳統的設計理念，是變電工程設計的革命性技術進步。三維數字化設計在提供設計成品的同時，還移交一個終生存儲工程信息的管理平臺，對工程建設過程的精細化管理和工程全壽命周期管理具有重要意義[1-5]。

目前，三維數字設計軟件漸趨成熟，已經能夠實現具有弧度要求的軟導線設計，以及對導線的弧垂、擺動和帶電距離進行設計校驗，能夠較為準確地在三維模型中表達帶有弧垂的導線、連接線等，軟件技術的進步為變電工程全面開展三維數字化設計提供了可能。本文介紹了寧東—山東±660 kV直流輸電工程的三維數字化設計過程，總結了三維設計應用的技術要點，并進行了工程應用效益對比分析。

1 變電工程三維數字化設計過程

1.1 工程建模

（1）創建設備圖形庫。設備圖形庫包括符號、典型圖和設備類型。用專業軟件繪制智能主接線系統圖，圖中的符號和圖例與對應的工程數據關聯。主接線系統圖是系統設計過程的核心文件，圖中的工程設備編碼是保證工程信息在工程全壽命周期應用的關鍵數據，是實現與運行、維護系統銜接的關鍵元素。

（2）建立工程設備的三維模型。為了提高三維建模的工作效率，須先根據工程的需要建立設備列表，設備列表主要分為電氣設備建模一覽表和建構筑物建模一覽表。按照節省資源，保證模型的視覺效果，滿足關鍵部位碰撞檢查的前提下，確定建模精度。在滿足模型精細度的要求下，設備模型應盡可能采用簡單的實體模型構建。

（3）賦予三維模型屬性，同時考慮賦予的屬性具有可擴展性。屬性信息包含了工程設備編碼、屬性、外形和位置等，其中編碼和屬性是按照工程信息編碼規則編寫和填寫屬性表的方式賦予，外形信息是以設備的外形尺寸對設備或設備的重要部分模型實現參數化設計，位置信息是在統一的工程坐標系中，用于確定設備模型插入基準點，一般采用設備的底面或頂面中心的三維坐標，支架等設施采用場平標高面上通過支架中軸線的點，插入基準點的操作可以使用軟件功能確定設備的物理中心。

（4）確定設備的真實材料。根據不同的材料及實際刷漆的顏色，給定設備元件在模型中的層和顏色，以方便渲染時統一賦材質。給模型賦顏色，模型顏色以反映設備的實際外觀為標準。全站主色彩為綠色、灰色和金屬灰，色標采用勞爾色卡-K7系列，顏色統一設定為啞光。模型實例如圖1所示。

圖1 直流斷路器三維數字模型Fig.1 The 3D numerical model of DC disconnector

1.2 電氣三維布置及場地數字化設計

電氣三維布置就是采用設備模型庫分區域進行電氣設備布置，區域組裝是將一個區域內的多專業三維模型組裝到一起。區域主要分為直流場、閥廳及換流變、交流濾波器場、交流配電場等，區域內包括電氣主設備、構支架、導線、避雷線、主接地網等。全站土建部分建構筑物主要包括閥廳、主控樓、綜合樓等，主要建構筑物建模集成關鍵建構筑物信息，便于三維空間的材料統計，輔助生產區建筑物只表示建筑結構外形即可。場地數字化設計先將二維地形圖轉換為三維數字地形，用Geoper進行場地平整，區域道路及場地豎向設計，在場地設計完成后賦予地面材質。對站內道路和電纜溝建模，在場地內統一布置。在區域場地內的電氣組裝和建構筑物的組裝，與區域場地的道路、廣場、建構筑物、通風空調設備和圍墻，地下設施包括建構筑物基礎、電纜溝和地下管網統一布置，形成總裝模型。三維模型按專業組裝—區域組裝—總裝的順序依次組裝。總裝模型是將區域組裝模型按照各區域統一的坐標系按位置對接，并連接各區域間接口。

1.3 專業間配合校驗

模型組裝時，需進行不同專業間的配合校驗，通過直觀地顯示與工藝專業的配合，對專業模型進行設計校核。校驗主要包括設備與支架的對應性、設備位置的對應性、設備與支架的外形大小、端子箱的位置及支架與電纜溝的位置等。經過專業間配合校驗的文件，作為設計成品存放在出版文件和提供外專業資料文件夾中。校驗前的專業設計文件存放在區域設計文件夾，里面的文件不是為方便查找和保證安全性，主要是方便各專業的分區域設計及每個區域的專業間的協同設計。在進行區域組裝時，對各專業模型在場地位置進行配合校驗，專業間接口進行校驗。總裝時對區域模型位置及區域接口進行校驗，發生位置沖突的設備重新定位，專業間接口矛盾由專業配合修改。修改后的模型經重新校驗后保存在出版文件夾和提供外專業資料文件夾中，這2個文件夾存放的只能是成品文件，這樣首先是方便查找，其次是這些文件均應設置為只讀，即成品文件具有不可修改性，或者只給少數人修改權限，這樣就保證了文檔的安全性和有效性。

1.4 設備硬碰撞檢查

傳統的二維設計模式，各專業負責自己的設計范疇，經常發生由于缺乏溝通，考慮不周而導致的碰撞問題。三維數字化設計各專業協同設計，經過模型組裝后可以對不同專業的設計內容直接觀察，基本消滅了設計階段的硬碰撞。硬碰撞主要檢查電氣設備是否與其他專業三維模型發生位置沖突，包括土建結構或者建筑物位置沖突，電纜橋架是否與鋼結構、各類管道沖突等。設備開合的操作范圍建模時用扇面表示，設為隱藏層，僅供校驗使用。將設備的操作或者檢修空間實體化，并通過硬碰撞檢查確認其位置，如接地開關的動觸頭開合空間等。本工程通過對青島直流場的硬碰撞檢查，發現了5處碰撞。碰撞檢查實例如圖2所示。

1.5 帶電距離校驗

圖2 排水管線檢查井與避雷線塔基礎碰撞檢查Fig.2 Collision inspection of inspection shafts for drainage pipes and lightning protection tower foundation

在進行帶電距離校驗前，先將組裝好的模型的絕緣部分關閉，這樣顯示的帶電體直觀清晰，方便操作。軟碰撞檢查不需要畫斷面圖即可校驗任意點的帶電距離，我們需要校驗的帶電距離是空間的線，二維設計無法進行測量，三維設計可以直接進行任意三維空間的直線或曲線測量。帶電距離校驗在檢查空氣凈距大于安全距離的同時，還可以驗證設備間距不是過大，避免場地的浪費。帶電距離校驗是分區域進行的三維空間測量，由于軟導線等帶有弧度的帶電體與其他帶電體的最短距離人為判斷很困難，在設定好需要校驗的2個帶電體后，用軟件的最短距離計算進行測量。全部帶電校驗完成后，根據校驗結果編寫三維帶電距離校驗報告。

2 三維數字化設計的技術要點

2.1 建立統一的管理平臺

在數字化設計軟件平臺上，為了使設計、管理人員高效地進行文件的存放和交流，必須建立統一的工程設計管理平臺。工程文件的存放應該是層次結構清晰，既滿足三維協同設計的要求，提高設計效率，又要專業分區明確，方便查找和實現文檔的權限設置。文件管理還應考慮通過權限的關聯設置來實現各專業設計文件的設計、校核、審核、出圖和提交專業資料等設計流程的方便。本工程設立了5層結構的工程文件管理。第1層包括設備符號庫文件夾、設備模型庫文件夾和工程文件夾，主要考慮符號庫和模型庫是可以供各個工程調用的，所以與工程文件夾平行存放。第2層是按專業分別設置的設備符號庫和設備模型庫，工程文件夾按設計階段進行劃分。下一層次在設計階段劃分的基礎上，按照傳統的設計方式，根據設計功能，對應不同的設計階段設立功能文件夾。在區域文件夾下設全站分區域設計文件夾，分區域設計文件夾下設專業設計文件夾和區域設計共享文件夾。各工程可以根據具體情況和需求，文件夾的設置宜從上至下逐步細化，參考設置。

2.2 設備建模技術

為提高設備建模效率，須先按功能對設備進行分類，統計同一區域設備種類，由專人負責同類設備的建模。在專業建模時，建模者要事先在頭腦中對設備進行合理的分拆，將設備分成合適的建模單元，然后，按建模單元選擇最合適的工具建模。模型的精細程度既要考慮工程設計和演示的需要，也要考慮適應電腦硬件和模型整體運行的需求。建模宜盡量使用基本體如立方體、圓柱體、球體等，避免使用復雜形體如旋轉體、拉伸體等。建模過程中不宜進行開孔和切割等操作，復雜模型采取模型組合的方式實現。設備建模時應區分帶電體和絕緣體，如將設備的絕緣瓷套與金屬法蘭部分分別設置在不同的層，并賦予不同的顏色，這樣便于進行帶電距離校驗。如500 kV帶電體均在20層，顏色標號“XXX”，絕緣體等均在30層，顏色標號“XXX”。建模時注意以上操作要點，可以提高建模效率，有效地減少模型占用空間，有利于模型的組裝和校驗，提高整體模型的運行速度。

2.3 建立設備關系庫

在三維數字化設計軟件平臺，任何一個設備都以2種表現形式存在，即二維符號和三維模型。在Substation中，每個設備與二維符號、三維模型的調用關系是通過一個唯一的Part_Number來實現的，即設備與 Part_Number是一一對應的關系，一個Part_Number就是一條關聯記錄信息。所有設備的Part_Number統一存放在part-database文件里面，這個part-database文件就是這里所說的設備關系庫。當然，也可以理解為，此文件存放本工程的所有設備，與設備的二維符號庫和三維模型庫是不同的。二維符號庫和三維模型庫只是設備的表現形式，只是一個圖形，本身不具有設備的任何屬性。只有通過Part_Number將二維符號和三維模型建立起關聯關系后，才具備設備的屬性。另外，值得討論的是，Part_Number既然是通過對二維符號和三維模型的調用來表征一個設備，那么這個設備對于各個工程來說肯定是通用的。從這個層面理解，設備關系庫也可以像設備符號庫和設備模型庫那樣，獨立于工程之外存放。本文認為，每個工程設立自己的part-database文件夾更科學，這樣便于對工程設備按工程單獨管理，避免設備調用發生混亂。

2.4 工程信息提取

三維數字化設計軟件有設備材料自動統計功能，當三維模型發生變化時，設備材料表可同步更新。生成的設備材料表，須包含安裝所需的所有設備和安裝材料。設備材料統計應留有安裝位置碼和設備材料編碼系統的接口。通過本工程的三維設計實踐，在專業設計階段進行設備材料統計是準確的，從組裝模型提取的材料表由于軟件功能的限制，目前還不能保證信息的準確性。

3 三維數字化設計優勢

3.1 縮短工程建設周期

三維數字化設計是變電全專業參與，按傳統設計工作模式，設計依建筑、結構、暖通、電氣、室內、圖紙會審等工序順序進行，可以部分并行，設計周期較長。數字化協同設計工作模式是專業獨立建模，多專業并行設計，協同整合。本工程由于有學習軟件的過程，設備模型庫從零開始，工程前期用時較長。模型庫是所有工程通用的，今后工程不必重新建庫，只需根據需要擴充必要的新模型。隨著三維設計軟件的完善和使用技術的不斷提高，多數模型如果能實現參數化建模，那么同類不同規格的設備，只需改變模型參數即可獲得新模型。在本工程后期設計過程中，提取各類斷面圖和二維設計圖紙變得既簡單又方便，能明顯感覺到設計速度的提高。隨著設備模型庫的不斷補充完善，設計流程的簡化，設計勞動強度的降低，設計速度會成倍地提高。三維數字化設計起到了提高設計功效，壓縮設計時間，縮短工程建設周期的作用。

3.2 支持決策

在工程建設過程中，項目決策對項目取得預期經濟、社會效益起著關鍵作用。項目決策階段所需的信息量是最大的，特別是決策階段所需要的工程技術和經濟等設計信息大多只能根據同類工程的信息進行預測，這樣的預測結果與工程實際存在差異，導致決策的科學性降低。三維數字化設計在決策階段就可以利用已有的模型庫，進行簡單的增補即可進行全站模型的整合。利用模型提取設計圖紙、工程用地、工程量統計，進行工程造價計算和技術經濟比較，以豐富詳實的信息支撐決策，是三維數字化設計區別于傳統設計的優勢所在。

3.3 降低工程建設費用

根據以往工程建設經驗，設計變更的費用與在設計和建設過程中發現的時間呈遞增關系。在工程建設過程中，設計錯誤發現的越晚，用于改正錯誤的成本就越高。三維數字化的多專業并行設計和設計過程的高效溝通，極大地降低了設計錯誤發生的風險。如本工程在專業間配合校驗中，發現的設備底標高與支架頂標高不一致，端子箱位置不正確等問題。在全站的碰撞檢查過程中，通過檢查發現了5處地下管線與基礎的碰撞。這些問題在設計過程中及時發現及時解決，極大地減少了設計變更，本工程目前還沒有發生因設計原因引起的返工，加快了工程建設，降低了工程建設費用。

4 結語

變電工程應用三維數字化設計的優勢是顯而易見的，但目前三維設計軟件還不夠成熟，形狀復雜的實體占用的空間較大，影響組合后整體模型的運轉。軟導線和金具的設計不令人滿意，特別是多分裂導線的設計還不能實現，需要軟件的逐步完善。受軟件和應用環境限制，模型的參數化部分沒有實現，需在今后的設計過程中不斷完善設備模型的參數化，利于通用建模。通過不斷的探索，使三維數字化設計的優勢得以充分地發揮，推進三維數字化設計在變電工程的廣泛應用。

致謝

本文得到了中南電力設計院變電數字化設計項目組的大力支持，在此表示感謝！

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