變電站數字化設計研究

鄭海濤

摘 要 隨著信息技術、網絡技術的快速發展，智能電網、數字化變電站等新理念、新技術的不斷深入，對設計手段、設計理念提出了更多的新的要求。如何提升變電工程的設計手段，提高設計效率和設計質量，滿足業主日益增長的成品信息量的需求，實現變電站全過程、全生命周期的管理，成為越來越多的設計企業研究的方向。文章以阿克塞民主330kV變電站工程為依托，利用STD變電數字化設計平臺對變電站數字化設計的方法和手段進行了研究，并對數字化設計技術在變電工程設計中的應用價值和意義進行了探討。

【關鍵詞】變電站 數字化設計 應用價值

傳統的變電站設計是用各種設計圖紙、文本標注設計內容，而其設計成果數據準確性只能依靠人工校核來實現。數字化的變電站設計是利用建模技術、信息技術、網絡技術來對設計數據進行加工、管理，其設計過程也是構造數字化成果數據的過程。

1 數字化設計技術

數字化設計技術是建模技術、信息技術、網絡技術在設計領域的集成創新；是以變電站設計對象數字化表達為基礎，實現變電站基礎信息集成化，設計過程智能化，設計平臺一體化，專業設計協同化，設計成果數字化、可視化，應用成果全程化，形成包含設計對象數據、工程過程信息等內容的數字化設計成果。

數字化設計是工程全生命周期的要求，設計過程生產的所有數據，在工程全生命周期的后半程更具價值。設計階段是數據產生的源頭，數據產生機制會直接影響整個全生命周期數字化應用的水平。

我院在幾年前采購了北京博超公司的STD變電三維數字化設計平臺，目前本院大多數750kV變電工程均采用該平臺進行設計，平臺應用效果良好。

STD數字化三維變電設計平臺是以數據庫為核心、以三維技術為手段，結合標準化知識管理體系的精細化變電設計平臺。平臺通過設計數據驅動與共享實現設計流程的自動化，借助三維技術實現設計成果的精細化，進而實現全專業模型級的協同設計。

2 實際工程數字化設計

2.1 工程背景

阿克塞民主330kV變電站是阿克塞哈薩克族自治縣重要的電力樞紐，連接著光伏、風電等電力能源供應和鐵路、工業等重要電力用戶。工程本期規模為主變2*360MVA，2回330kV線路接入沙洲750kV變電站，預留當金山南方向2回330KV出線位置，預留西北方向各1回330KV出線位置，110kV出線6回。工程遠景規模3*360MVA，330KV進出線6回，110KV進出線20回。圍墻內用地面積3.3897公頃，站址總用地面積3.9219公頃。

2.2 設備建模和入庫

設備三維建模一般是由工程師參照廠家提供的設備安裝圖，通過設計平臺提供的工具進行建模。設備建模時，模型尺寸應以毫米為單位，比例為1：1，設備部件顏色應合理，同類部件顏色應統一，設備模型的各重要部件應有相應的類型標識，比如帶電體、接地體、絕緣體、支架、機構箱等，便于后續安全凈距檢查等設計優化。

2.3 主接線設計

主接線設計有兩種方式，一是調用典型回路或典型方案的基礎上進行設計，另一種是參數化設計。其中，參數化設計是一種快速靈活的設計方式，可以輸入工程的電壓等級、變壓器臺數、接線方式、進出線數量和回路樣式，就可以自動形成一個主接線方案。

2.4 工程設備編碼

為使電網工程建設各方與業主或運營方共享工程信息，確保在電網工程建設和運行維護過程中信息的可識性和共享性，提高電網工程的數字化管理和安全運行水平，需要為工程中主要設備進行編碼。

2.5 數字化協同設計

變電站設計需要多個專業共同完成設計，數字化設計同樣需要進行協同設計。數字化協同設計需要在同一個平臺下進行，在平臺上進行數字化協同設計，首先要建立協同工作空間，然后在協同空間里建立協同樹，包括總的部分、各配電裝置區域和主控樓，再細分為各個專業和專業內的主體內容等。然后，再在各協同節點設置負責人和權限，各負責人在各自的協同工作空間下開展設計工作。

2.6 總圖設計

總圖設計依賴于數字化地形圖，設計開始首先要導入本工程的數字化地形圖。在數字化地形圖上進行場地平整和土方量計算。并進行總圖規劃設計，包括各配電裝置區域、進出線位置、主控樓和大門、道路、圍墻、排水溝等。

總圖設計完成后，設計成果需遷入到工程數據庫中，各配電裝置區域設計時均需以總圖設計成果為基準，在總圖中規劃的區域上進行各配電裝置的設計和布置。

2.7 配電裝置設計

配電裝置設計時可以直接利用主接線設計成果進行設計。可自動獲取間隔和回路信息、設備信息進行軸網設計；可以根據軸網確定設備布置點，按照設備類型、相間距和支架高度可自動進行設備布置。然后，進行導線連接完成配電裝置設計。配電裝置設計的設計成果可以通過協同工作空間遷入到工程數據庫中，并自動更新到三維總平圖上。

2.8 土建專業設計

土建專業設計包括建筑、水暖、結構、總圖，各專業可以在各自的協同工作空間下開展各自專業的設計工作，也可以利用各自常用的專業軟件進行計算校核，比如Midas、巖拓、PKPM、飛時達等專業軟件。設計完成后，可以通過接口將設計成果導入到平臺完成土建專業設計內容。

2.9 計算校核

設計完成后需要對設計成果進行計算校核。在數字化的設計成果上，設備模型的屬性信息和空間位置關系獲取非常方便，可以直接進行計算校核。

2.9.1 計算

設計完成后，可直接從數字化設計成果上直接獲取屬性信息和空間位置關系進行計算，比如防雷計算、導線力學計算、管母力學計算、支撐管母計算、母線感應電壓計算、導體相間距離計算、跳線相間距離計算、跳線相地距離計算等。

2.9.2 安全距離檢查

在數字化設計成果上，其設備模型的空間位置關系表達的更加直觀、更加準確，進行電氣安全距離檢查是傳統二維設計無法比擬的，對于空間狹窄、各電壓等級設備設施對象多、空間關系復雜的環境，可以發揮獨特的優勢，從而大大減少設計事故和返工。

2.9.3 碰撞檢查

碰撞檢查分為軟碰撞和硬碰撞，其中硬碰撞是設備設施實體之間直接發生位置沖突，包括電氣設備與土建結構的碰撞、電纜溝與碰撞基礎、水工暖通與建筑、水工暖通管道之間的碰撞等；軟碰撞是設備設施之間空間距離不能滿足相關規范要求。針對數字化設計成果進行碰撞檢查可以精確到對象級，碰撞檢查精度較高，可以避免工程設計中各種碰撞問題。

2.10 成果輸出

變電站工程數字化設計完成后，可以輸出以下主要設計成果：

（1）全站三維數字化設計模型。

（2）站址平整土方量計算結果表。

（3）主接線設計圖紙。

（4）總平圖和間隔斷面圖，包括三維總平圖、電氣總平圖、土建總平圖、間隔斷面圖、各配電裝置平面圖。

（5）材料統計表，包括全站主要設備材料表和電氣材料表、各配電裝置主要設備材料表和電氣材料表、電纜清冊、工程量統計表等。

（6）計算結果表和計算書，包括短路電流計算表和計算書、高壓設備選型表、防雷保護表、接地計算書、導體力學計算書等。

（7）安全凈距校核和碰撞檢查。

（8）全站三維漫游。

（9）數字化移交成果。

3 數字化設計優勢

（1）數字化設計具有形象化、具象化的視覺效果，可以避免二維設計所不能解決的問題，減少人為的設計錯誤，提高設計質量。

（2）數字化設計是對三維設計和信息技術的綜合應用，可實現在信息模型上直接進行安全距離校驗、導體力學計算、防雷設計、碰撞檢查等重要計算和校核，彌補常規設計的缺陷，為業主提供更優秀的解決方案。

4 數字化設計意義

變電站工程采用數字化設計技術，不僅可以提升設計手段，還可以在為業主提供常規二維設計成品的同時，提供一個可以支撐工程全生命周期應用的三維數字化設計成果，包括工程信息、全站三維模型信息、所有設備設施屬性信息及關聯設計圖紙資料、完整的設計圖檔。業主可以利用工程數字化設計成果指導施工、運維、檢修和退役等。

數字化設計不僅是提升設計企業技術能力的主要手段，還是設計企業全面進入電網信息化服務領域，拓展以設計成果數字化移交為手段的電網全生命周期信息化服務盈利模式的主要舉措。這將開拓設計企業面向未來的生存與發展能力。

5 結論

變電站三維數字化設計是面向變電站工程全設計階段，從可研、初設、施工圖和竣工圖設計到數字化成果移交，均采用同一套設計模型，可以實現設計過程的自動化和智能化。

數字化設計技術是以數字化為根本，采用數據庫管理模式，在變電站設計的過程中存儲了從變電站邏輯模型、變電站布置模型、設備參數到工程量等各類數據，可以直接用于采購、施工、運行維護、退役等，實現為工程全生命周期服務的目標。

參考文獻

[1]林榕，李中，蔡桂華.智能變電站三維設計系統構建[J].中國電業技術，2012/6 P27.

[2]王志毅.智能化三維變電設計平臺的應用[J].華東電力，2011/5 0750.

[3]冉瑞江.如何通過三維設計實現變電站精細化設計[J].行業與應用2012/3 P20.

[4]李穎瑾 李波 王樂天 變電站三維設計的應用探討[J].中國電業（技術版）2012/4 P182.

作者單位

中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司 甘肅省蘭州市 730050