數字化設計在±400 kV拉薩換流站中的應用

李越茂，姚楓，宋佩珂，朱紋羲

(西南電力設計院，成都市 610021)

0 引言

青海格爾木—西藏拉薩±400 kV直流聯網工程，是迄今為止在世界上最高海拔、高寒地區建設的規模最大的直流輸電工程，是國家西部大開發項目中23項重點工程之一。±400 kV拉薩換流站位于林周縣甘河鎮，距拉薩市區約18 km(公路里程約80 km)，是青藏直流聯網工程的受端換流站。±400 kV拉薩換流站初期容量為600 MW，最終容量為1 200 MW，已于2011年底順利投運。

±400 kV拉薩換流站工程站址海拔高，站內布置緊湊，施工工期緊、難度大、要求高。傳統的變電二維設計因受到設計手段的限制，難以滿足業主單位對變電工程全生命周期管理的需要。為體現工程最新設計理念和建設管理的最高水平，實施工程的數字化移交，在各專業設計過程中采用數字化設計技術，建立了帶有參數信息的全站布置模型。同時，在數字化設計過程中實現了流程化設計和專業協同，減少了施工中的“錯、漏、碰、缺”等問題。完成設計后，采用了工程的數字化移交［1-2］，在工程信息產生時就對其進行了有效的管理［3］，為該工程的全生命周期管理［4］提供了數據支撐。

1 變電數字化設計介紹

1.1 數字化設計的概念

數字化設計通過數字化的面向對象技術，使各類圖元及數據具有全息信息，并將該三維模型轉化為相應的全數據模型，再采用網絡數據庫，將數據模型存儲到數據庫中，方便工程中的各種信息讀取與調用。數字化設計技術保證了數據的正確性與一致性，并且為設計的信息化管理提供了基礎信息，為工程全生命周期管理提供了信息保障。

1.2 傳統變電設計及成品資料移交的局限性

目前，設計院普遍采用的傳統二維設計工作是依靠設計人員的空間想象力和基本制圖技能完成空間設計。這種工作模式缺乏直觀的視覺效果和可定量的模型基礎，對詳細布置的經濟性和優化缺乏控制，效率較低;各專業的軟件各自獨立，缺乏數據庫的支持，集成性能較差;各專業之間的配合工作采用人工方式完成，限制了設計效率的提高，并導致“錯、漏、碰、缺”等問題發生，造成了施工的停滯和反復，給工程建設帶來損失。

目前，行業內部只有各參與單位針對各自階段的生產、經營和管理構建的獨立的信息系統，尚無可以兼容相關信息的統一平臺。項目的信息數據通常在各參與單位內部或各階段中采用電子數據格式流轉，但當數據需要傳遞給下一單位或下一階段時，因兩者的信息系統無法兼容，數據不得不轉化成紙質數據，數據接收方又需要將紙質數據轉化成所采用信息系統可識別的電子格式。數據在雙方傳遞過程中經歷了“電子數據—紙質數據—電子數據”的轉換過程，造成了項目數據在各階段流通傳遞不暢、各階段提取上階段信息困難和不準確等問題。因此，傳統的二維設計技術所能提供的設計產品已經難以適應業主對現代化企業制度和管理水平的要求，在變電設計中推行數字化設計顯得越來越重要。

1.3 開展變電數字化設計的目的

(1)完成主接線圖、三維模型的建立，生成結構化數據。對工程中所有的設備、材料、土建構支架、建筑物建立其符號和模型，同時將它們與工程相關的信息加入到屬性中，將這些符號、模型和各類屬性存儲到項目數據庫中。完成工程的三維數字化模型的建立，并生成整個工程結構化的數據信息后，可根據需要，方便地進行各種查詢，可完成各種平、斷面圖和各種報表，滿足業主的各類成品移交的需求。

(2)提高設計質量，實現關聯修改。在數字化設計中，建立的是工程的1∶1三維實體模型，全方位地展現了設備及建構筑物在工程中的布置信息，可以很方便地進行帶電距離校驗，解決了各專業設備及建構筑物之間碰撞問題［5］，避免了傳統二維設計中因設計人員空間想象不到位、施工階段才發現帶電距離不足或碰撞等現象，大大地提高了設計成品的質量。

由于有數據庫的支持，在工程中發生的所有修改都會隨之對數據庫中對應的項進行關聯修改，且修改可一次完成。利用軟件可以很方便地對各專業的設備和材料進行精確統計，如可以生成電氣設備材料清冊，各類構架和設備支架的鋼材量、建筑物門窗、管道及暖通風道等的報表。不僅節約了人力，還提高了材料統計的精確性，解決了傳統的定性數據多、定量數據缺乏的問題。

(3)提高設計效率。數字化設計軟件平臺可以實現各類計算、設計軟件的集成。軟件和平臺間都建立了相應的接口，將計算結果以一定的格式存儲到數據庫相應的數據表格中，方便后續計算軟件調用。各專業在設計過程中，實時地參照其他專業的設計，并行進行各自負責內容的設計。改變了以往的上游專業設計完成、提出資料后，下游專業才開展后續設計的傳統設計方式［6］，進一步提高了工程的設計速度，實現了整體設計和專業設計的聯動，全方位地提高了設計水平。

2 數字化設計的工程應用

±400 kV拉薩換流站工程中采用的數字化設計技術，是以專業設計軟件為主體、以數字化為核心、以三維為手段的具有自動化設計和精細化設計的變電數字化設計技術。工程中建立的三維數字化模型，由工程數據庫支撐，具有詳盡的工程設備信息，通過專業設計軟件的解讀與處理，可以針對模型直接進行計算、校驗、材料統計和抽取平斷面施工圖、安裝圖和土建專業提資圖表。

2.1 各專業數字化設計的應用

2.1.1 電氣一次專業

在拉薩換流站工程的數字化設計中，電氣一次專業主要完成了設備材料庫的創建、智能電氣主接線的繪制、設備的布置和接線，并進行了各類計算，實現了平、斷面出圖，完成了設備材料的統計等工作。

(1)設備元件符號、三維模型庫的建立。在數字化設計初期，對本工程中不同電壓等級的電氣一次設備進行了分類整理，結合常用電氣設計圖形符號和電氣設備廠家資料圖紙，先后建立了本工程所有電氣一次設備的元件符號和三維實體模型。

(2)電氣主接線設計。在創建智能電氣主接線時，所有的電氣一次設備元件符號均從設備元件庫中調用。電氣主接線中的設備元件符號均采用電氣線將前后設備進行連接，在電氣主接線中，就建立了電氣設備間的邏輯關系，通過一個設備可以檢索查詢到相鄰設備的信息。

(3)短路電流計算。采用短路電流計算軟件，繪制好短路電流計算系統圖，輸入系統阻抗和變壓器阻抗后，進行短路電流計算。短路電流計算結果直接存儲于項目數據庫，可應用于后續的設備導體選型和接地設計中。

(4)全站電氣設備布置。在完成了設備選型校驗后，進行了全站三維模型的布置，采用統一的坐標體系和原點坐標，分區域進行設備的布置和接線。設備布置和導線連接的過程中，利用三維設計即時性的特點，通過對模型進行實時瀏覽，檢查設備布置中有無“錯、漏、碰、缺”等現象，以及空間布置的合理性。圖1為拉薩換流站工程直流場及交流濾波器場布置圖。

圖1 直流場及交流濾波器布置Fig.1 Layouts of DC field and AC filter

(5)三維帶電距離校驗。為保證設備布置及導線連接的正確性，采用了三維帶電距離校驗模塊，按照各電壓等級的安全凈距值，對在平斷面圖中難以校核的關鍵區域的帶電距離進行了校驗，保證了設備布置及接線的正確性。圖2為拉薩換流站工程中進行的三維帶電距離校驗結果圖。

圖2 三維帶電距離校驗結果Fig.2 Verification result of 3D clearance checking

(6)三維防雷設計。為檢查各區域電氣設備及導線是否處于防雷保護范圍之內，在全站三維布置模型上布置了獨立避雷針、構架避雷針和避雷線，程序自動在全站三維布置模型中生成三維防雷保護范圍圖，可實時地查看到設備、導線是否處于防雷保護范圍內。圖3為拉薩換流站工程中的三維防雷保護效果圖。

圖3 220 kV GIS區域三維防雷效果Fig.3 3D lightning protection of 220 kV GIS yard

(7)接地設計。按照不均勻地網布置的算法，布置了全站主接地網，并統計了主接地網接地干線的總長度。結合站區土壤電阻率和短路電流計算結果，進行了接地計算，得出了本工程的接出電勢和跨步電勢，對專業設計的接地方案及計算結果進行了校核。

(8)導線拉力計算。采用導線拉力計算功能模塊對導線進行了拉力計算，計算結果直接保存在項目數據庫中。結構專業通過數據平臺查詢到構架荷載數據后，作為輸入條件直接應用于構架梁柱的建模計算。

(9)平、斷面出圖。在完成全站三維布置模型總裝后，參照施工圖出圖深度，抽取直流場的軸測圖和平、斷面圖。實現了斷面圖和全站三維布置模型的動態關聯，任何電氣設備和土建設施發生調整后，都能夠在斷面圖中實時地完成修改，避免了因設備布置或接線調整引起的平、斷面布置圖的重復性修改，保證了斷面圖和三維布置模型的統一性，提高了設計成品的質量。

(10)設備材料統計。因為在主接線設計、電氣設備布置及接線時，調用的均是工程數據庫中的設備及導體，每1臺設備、每1根導線各自均對應1條數據記錄，可以分區域、分設備材料類型并很方便地進行設備材料統計，可對電氣一次設備材料進行核實。

2.1.2 電氣二次專業

電氣二次數字化設計可以應用數字化設計軟件，通過繪制電氣原理圖，自動生成端子排圖、電纜清冊和設備材料表，將設計人員從繁瑣、機械的重復勞動中解脫出來，集中精力于電氣系統的設計和優化，為工程設計質量的提高提供保障。

在拉薩換流站工程的數字化設計中，電氣二次專業主要完成了包括電氣符號庫、典型回路庫、產品型號庫、電纜型號庫的創建和端子排模板、報表模板的設計等。

2.1.3 結構專業

結構專業在拉薩換流站工程的數字化設計中完成了計算優化、三維建模及專業協同。結構專業和其他專業的配合全部在同一個設計平臺內完成，所有的荷載資料、構支架位置、埋件、孔洞都十分直觀準確。計算時，在構件的選型上可以做到恰到好處，杜絕了以往工程中的“肥梁胖柱”現象，提高了設計質量，為業主節約了投資。

通過參數化的方式建立了全站的構架、地線柱及設備基礎支架的三維數字化模型，模型中包含了土建設施的主要參數信息，便于和其他專業的銜接，并可準確地查詢到土建設施的各類信息。

2.1.4 總圖專業

采用數字化地形軟件，利用勘測數據生成數字化地形圖，快速進行高程分析、坡向分析、坡度分析、流域分析和徑流分析。利用精確算法，計算出場地平整的土方量，生成土方調配圖表。根據場地的豎向布置、道路、建筑基底及其他控制點標高，生成場地三維設計效果圖。圖4和圖5分別為拉薩換流站工程數字化設計中生成的數字化地形和場地方格網。

2.1.5 建筑專業

建筑專業在±400 kV拉薩換流站工程的數字化設計中建立了包含參數信息的全站建筑物的三維模型，包括主控制樓、GIS室、繼電器室等建筑，并從這個模型中自動地提取出所需要的建筑平、立、剖面圖。圖6為拉薩換流站工程主控樓三維模型。

圖6 主控樓三維模型Fig.6 3D model of main control building

2.1.6 供水、暖通專業

供水和暖通專業參考建筑、結構模型，在三維空間內布置暖通、給排水管線系統，并與其他管道進行多專業管線綜合碰撞檢查。

2.2 基于數字化設計平臺的流程化設計及專業配合

2.2.1 流程化設計

在進行±400 kV拉薩換流站工程數字化設計的過程中，基于數字化設計平臺，實現了專業內的流程化設計，完成了專業間的實時配合。在完成全站智能電氣主接線的設計后，基于主接線完成了全站電氣設備的布置，進行了短路電流計算。短路電流的計算結果又可作為設備選型校驗、接地計算的依據。同時，三維防雷設計、接地設計、三維帶電距離校驗、導線拉力計算和設備材料統計均可在已經建立好的三維模型中進行。初步實現了項目數據在專業內部的流轉，基本實現了專業內的流程化設計，提高了設計效率。

2.2.2 專業協同

設計單位的設計成果在各個階段有不同的內容，在同一個階段，不同專業的成果也不一樣。同時，后一階段的設計基于前一階段的成果，某一專業的設計也會與另外的專業相關［7］。

各專業在各自負責的設備及設施的布置過程中，采用了統一的坐標系統，實時地參照了外專業的布置，并及時地與其他專業設計人員進行溝通和交流，避免了傳統設計中專業間溝通不足、專業配合不到位的問題，提高了專業配合的精度。

2.2.3 碰撞檢查

運用數字化設計手段，建立了拉薩換流站完整的三維數字化模型。通過對三維模型的瀏覽，可檢查設計范圍的完整性，并充分利用三維模型可視化、實時共享的優勢，實現了拉薩換流站工程內各專業的碰撞檢查。

在數字化設計過程中，利用軟件硬碰撞檢查功能，共檢查出地下給排水管網與電纜溝、設備基礎的35處碰撞。經過逐一確認，及時對碰撞處進行了修改和調整，避免了各設備和土建設施之間的碰撞，解決了以往要在現場施工時才能發現的碰撞問題。圖7為拉薩換流站工程的碰撞檢查圖。

圖7 拉薩換流站工程碰撞檢查圖Fig.7 Result of collision checking in Lhasa converter station

2.3 編碼系統在拉薩換流站工程中的應用

2.3.1 編碼系統的應用意義

在變電工程的設計中采用合理的編碼系統，不僅可以方便在設計過程中對設備材料進行科學有效的管理，提高設計的準確率和設計效率，還可以為業主的物資采購、工程建設及后期運行維護提供科學有效的管理手段，對變電工程全生命周期的管理起到十分重要的作用。一般說來，變電站的編碼系統可分為物料編碼和站標識系統編碼。

對工程中設備進行物料編碼，可以在工程設計中方便地進行各類設備材料的統計，根據需要生成各類設備材料表，準確地統計出工程中設備材料的數量，便于編制出準確的工程概預算書，有利于工程的精細化管理。

站標識系統編碼是將變電站內各系統及設備采用規范的標識方法，用一定位數的字符數字組合表示出來，其編碼具有唯一性、擴展性、簡短性、規范性、適應性、穩定性、兼容性、可操作性和預見性等特點。站標識系統編碼從設計規劃開始就貫穿工程的全生命周期中，在變電站設備采購、設備制造、施工安裝、運行維護過程中均采用同一編碼系統，保證了編碼的延續性和唯一性，為工程后期運行維護的方便提供了有效的支撐。

2.3.2 拉薩換流站工程物料編碼

拉薩換流站工程物料編碼系統由7部分組成，形式如下:

物料編碼中的N代表數字，A代表字母。第(1)組表示全國網省公司代碼;第(2)組表示交直流工程類型;第(3)組表示工程中的交、直流設備或公用設備;第(4)組表示電壓等級;第(5)組表示設備類型;第(6)組表示廠家名;第(7)組表示設備規格。

例如，拉薩換流站220 kV電容式電壓互感器(桂林電容器廠)，物料編碼為:

72 1 AC 33 0314 GRC 0000

2.3.3 拉薩換流站工程標識系統編碼

根據我國《電網工程設備標識系統編碼規范(送審稿)》，為了滿足電網工程中系統和設備標識，電氣和監控設備安裝點標識，以及建構筑物標識的各種不同需要，標識系統分為工藝相關標識、安裝點標識和位置標識3種不同類型標識［8-10］。

拉薩換流站工程的設備標識編碼實例如圖8所示。

圖8 拉薩換流站工程標識系統編碼實例Fig.8 Example of coding of engineering identification system in Lhasa converter station

3 數字化移交

3.1 數字化移交的概念及移交形式

變電數字化設計與移交平臺的工程數據庫中具有所有設備完整的工程信息、參數信息與編碼信息，平臺從工程數據庫中提取完整的信息，根據業主指定的移交對象的系統要求，定制數據通道，由此實現數字化移交。圖9為變電工程數字化移交數據流程圖。

圖9 變電工程數字化移交數據流程Fig.9 Flow chart of digital transfer for transformation project

3.2 數字化移交平臺簡介

為滿足業主對于數字化移交的需要，建立了科學的數字化移交平臺，可以在工程設計的各個階段，根據業主的需要，采用合理的數字化移交方式，提供滿足業主需要的變電站數據信息。數字化移交的內容是業主、承包商、供應商為保證項目設計、采購、建造、安裝、調試等階段順利實施，創建和維護的典型階段版本及最終版本的工程文件、數據和模型。圖10為拉薩換流站工程數字化全站鳥瞰圖。

圖10 拉薩換流站工程全站鳥瞰圖Fig.10 Airview of Lhasa converter station

4 結語

在拉薩換流站工程數字化設計中，采用數字化設計平臺建立了本工程的項目數據庫，數據庫中存儲了本工程的設備元件、三維模型、材料、各類計算結果，以及工程的三維布置模型信息。這樣可以滿足業主對本工程數字化移交的需要，為本工程的建造、運行和維護的全壽命周期管理提供了數據支持。

在拉薩換流站工程的數字化設計過程中，及時地與各專業人員進行配合，對全站的總平面布置方案進行了優化，使設備布置得更加緊湊、更加合理，同時又滿足了運行和檢修要求。

拉薩換流站工程在數字化設計完成時，輸出了照片級的渲染效果圖，以及真實的三維動畫，展現了工程的全貌。為業主提供了工程直觀的實體布置模型，在工程的設計階段就讓業主對整個工程有一個形象的認識，方便業主對工程的順利實施提出決策性意見。

通過對變電站數字化設計的探索與創新，可以將變電設計推向標準化、智能化、數字化、自動化的全新高度，并為國網公司直流工程的建設提供堅實有效的數據基礎支持。

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