變電工程三維設計系統(tǒng)二次專業(yè)解決方案探討

國網(wǎng)無錫供電公司 顧水福

中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司 趙智成

0 引言

隨著電網(wǎng)建設難度的增加、設計的競爭日趨激烈，迫切的要求采用更先進的技術來解決好變電工程的設計、施工及運行中涉及到諸多相關的因素，提高變電工程設計的水平和服務質(zhì)量。基于三維信息技術開展變電工程設計，既是電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，又是時代進步的必然。

目前我國的電力行業(yè)，發(fā)電廠工程的三維輔助設計經(jīng)過十多年的摸索和實踐已經(jīng)趨于成熟，并且在設計中體現(xiàn)出了效率和效益。而在電網(wǎng)工程方面，三維輔助設計尚處于起步階段，國家電網(wǎng)公司相關部門也已陸續(xù)發(fā)布電網(wǎng)工程的數(shù)字化移交規(guī)范。

目前圍繞變電站三維設計問題已有大量學者開展了相關工作，并取得了一定進展。文獻[1]、[3]通過工程實例探索了變電站的三維設計及數(shù)字化移交工作，實現(xiàn)了三維建模、二三維貫通、碰撞檢查、自動工程量統(tǒng)計、三維漫游等功能；文獻[2]以MICROSTATION為基礎數(shù)據(jù)庫平臺，提出協(xié)同設計管理的基本思路，實現(xiàn)“三維設計、二維出圖”；文獻[4]對三維數(shù)字化設計技術的應用效果進行了介紹，對輸變電工程應用三維數(shù)字化設計技術存在的問題提出了建議；文獻[5]對變電站設備模型庫的建設內(nèi)容、建設方法進行了研究和探討；文獻[6]通過對Promis-e軟件的開發(fā)運用，繪制變電站電氣二次典型間隔的施工圖，并論述了設計流程、效果及軟件優(yōu)缺點。

目前對變電站三維數(shù)字化的研究主要集中在協(xié)同設計的流程管理及電氣一次、土建專業(yè)的三維設計研究方面，系統(tǒng)二次專業(yè)由于更多的是體現(xiàn)功能原理，難以具象為三維實物模型，其三維數(shù)字化設計方案研究還比較少。本文基于二次系統(tǒng)數(shù)字化設計現(xiàn)狀，研究變電站二次專業(yè)的三維設計工作流程及實施方案，實現(xiàn)三維快速建模，二維三維有機高效協(xié)同的數(shù)字化設計手段，為施工、調(diào)試、運維提供更好的支撐。

1 系統(tǒng)二次專業(yè)數(shù)字化設計現(xiàn)狀及提升思路

1.1 二次主要設計軟件應用情況

目前，設計人員開展系統(tǒng)二次設計時，直接基于廠家提供的原理圖及屏柜端子圖，利用CAD工具完成端子到端子的連接。隨著技術的成熟，目前借助數(shù)字化設計工具，如上海欣電生產(chǎn)的面向傳統(tǒng)變電站的硬接線設計工具ELEC，可方便的完成端子排-電纜的設計，并可生成電纜清冊、端子排接線表、端子排接線圖。隨著智能變電站的發(fā)展，需開展光纜的設計與虛回路設計。目前，開展光纜設計與虛回路設計主要采用容弗科技、長園深瑞、五采生產(chǎn)的設計軟件。主要面向智能變電站完成光纜設計、虛回路設計、虛實對應、導出光纜清冊、自動生成IPMAC地址，自動劃分VLAN，生成SCD文件等功能。

隨著三維技術的不斷發(fā)展，基于三維數(shù)字化設計變電站被廣泛認為具有直觀、增強現(xiàn)實的優(yōu)點，是未來變電站工程設計的趨勢。基于三維數(shù)字化的變電站設計在很多地區(qū)被試點應用，當前主流的三維設計軟件有Bently公司生產(chǎn)的Bentley Substation 、博超數(shù)字化三維變電設計平臺STD等。

圖1 現(xiàn)階段二次數(shù)字化設計流程Fig.1 Current digital design process of secondary system

目前二次主要設計軟件存在以下突出問題，一是每一個軟件都針對一個領域完成了部分設計功能，各專業(yè)的設計工具不能單獨支撐起整個變電站的設計；二是每個專業(yè)數(shù)字化設計數(shù)據(jù)相互獨立，缺乏數(shù)字化設計數(shù)據(jù)共享機制，不能充分相互利用各專業(yè)數(shù)據(jù)；三是數(shù)字化設計軟件在一定程度上提升了設計效率，但效率提高還有很大空間。

1.2 現(xiàn)階段二次主要設計軟件應用情況

二次數(shù)字化設計應用的主要軟件為采用深度定制的電回路設計軟件ELEC、自主研發(fā)的全景模型光回路設計軟件Smartdesigner以及深度定制的敷設軟件Autolay，并且通過開發(fā)軟件模塊接口，實現(xiàn)了二次系統(tǒng)三維數(shù)字化設計全覆蓋及大部分的數(shù)據(jù)共享。軟件之間接口及配合如圖2所示。

圖2 二次數(shù)字化軟件應用現(xiàn)狀Fig.2 The application of secondary system digital softwares

除圖2中虛線部分的數(shù)據(jù)暫未實現(xiàn)接口以外，其余均已實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和共享。但是各部分均有提升空間，根據(jù)多年的應用經(jīng)驗，提升最主要的需求來自于以下三方面：跨專業(yè)數(shù)據(jù)及功能模塊共享、基于通用設計與模板庫的二次系統(tǒng)自動構建、基于平臺海量數(shù)據(jù)的應用拓展。

1.3 二次專業(yè)三維設計總體提升思路

為充分利用各專業(yè)數(shù)字化設計的優(yōu)勢與設計成果，避免重復建模帶來的額外勞動，大幅提升設計效率與設計質(zhì)量。本文提出與當前三維數(shù)字化設計系統(tǒng)定制接口，利用當前系統(tǒng)中標準格式的一次接線圖模型、總平面圖、變電站通用設計規(guī)范開展二次設計工作。

圖3 提升后的二次設計流程圖Fig.3 Secondary system digital design process after lifting

為提高設計效率，建立設備、端口、屏柜通用圖元庫，快速完成變電站二次裝置配置、組屏，形成原理設計的基礎數(shù)據(jù)。利用廠家ICD、IPCD、端子排實例化裝置圖元與屏柜，同時與已有的虛回路設計軟件進行接口約定，將設計虛回路結果，導入到本系統(tǒng)，自動開展裝置端口、物理回路、虛回路的對應，形成施工圖。

在完成上述設計各環(huán)節(jié)的設計工作后，三維平臺中逐步集成了變電站土建、電氣一次、電氣二次數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可為變電站施工、調(diào)試、運維、改擴建提供業(yè)務價值數(shù)據(jù)。通過利用三維數(shù)字化設計集成的設計數(shù)據(jù)，根據(jù)設計、施工調(diào)試、運維作業(yè)的業(yè)務特點，為不同的使用者呈現(xiàn)不同的業(yè)務數(shù)據(jù)，如對施工階段線纜敷設的數(shù)據(jù)支撐、標牌吊牌的數(shù)據(jù)支撐、對改擴建運維檢修的仿真數(shù)據(jù)支撐、對調(diào)試運維環(huán)節(jié)提供二次故障排查的支撐數(shù)據(jù)等，通過為后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)提供直觀的數(shù)據(jù)支撐，進一步將設計的價值延伸到變電站的全生命周期（見圖3）。

2 系統(tǒng)二次三維設計技術實現(xiàn)方案

2.1 二次回路設計提升關鍵技術

為提高二次系統(tǒng)三維設計效率及設計質(zhì)量，需引入接口技術，三維圖元庫技術、通用規(guī)則庫應用技術、典型間隔連接關系配置等技術。

2.1.1 與其它設計模塊的數(shù)據(jù)及模型接口

二次回路三維設計開展前，為提升設計質(zhì)量與提高設計效率，需充分利用其他專業(yè)模塊的設計成果。

一是與系統(tǒng)圖設計模塊、三維模型布置設計模塊約定數(shù)據(jù)與模型接口，獲取總平面圖、一次接線圖以及配置的圖元、組裝的屏柜信息及模型。

二是開發(fā)與電纜敷設模塊接口，為電纜設計軟件提供屏柜信息、端子排信息，并可獲取連接好的電纜設計數(shù)據(jù)。

三是二次設計模塊的設計結果（設備清冊、光纜清冊、電纜清冊、網(wǎng)線清冊、二次設計模型數(shù)據(jù)）可反向提供給三維設計平臺進行設計數(shù)據(jù)集成、關聯(lián)展示以及業(yè)務數(shù)據(jù)組織與應用。

2.1.2 三維圖元庫技術

為提高設計效率，對標準設備、屏柜、元件建立通用圖元庫，開展二次回路設計時，利用通用圖元庫進行裝置配置、組屏、設計回路。

（1）通用智能裝置圖元（IED）

圖4 通用智能裝置圖元Fig.4 General intelligent device graphic element

不同類型的二次裝置擁有不同的屬性，如表1：

表1 裝置模型屬性表（部分）Table 1 Property table of device models(part)

（2）屏柜圖元的定義：

屏柜作為智能裝置的容器單獨建模，二次屏柜的規(guī)格相對固定，屏柜圖元包含屏頭、屏體、底座三部分。二次系統(tǒng)三維建模時，根據(jù)組屏方案把屏柜圖元和智能裝置圖元進行組裝。

（3）智能裝置端口、接頭的定義

裝置端口有光口、電口之分。裝置端口與智能裝置組合時，電口默認單列排布，光口默認雙列排布。

圖5 光口及電口圖元Fig.5 Optical and electrical interface graphic elements

光口接頭、電口接頭分別對應著光纖的端子和以太網(wǎng)的水晶頭。分別對這兩種類型的接頭進行建模。

圖6 光口及電口接頭圖元Fig.6 Optical and electrical adapter connector graphic elements

2.1.3 二次設備配置規(guī)則庫

初步設計階段當主接線、總平面布置確定后，根據(jù)通用設計規(guī)范二次配置部分，行成二次設備配置規(guī)則庫，自動完成裝置配置及組柜。

圖7 二次裝置配置規(guī)則庫示意圖Fig.7 The schematic diagram of the secondary device configuration rules

圖8 二次屏柜組柜規(guī)則庫示意圖Fig.8 The schematic diagram of the cabinet configuration rules

2.1.4 典型間隔屏柜連接經(jīng)驗庫

組柜完成后，利用典型間隔連接經(jīng)驗庫，可自動完成同類型間隔的屏間原理接線，包括光纜接線、電纜接線，根據(jù)工程情況適當調(diào)整后，即可自動形成光纜連接表、電纜連接表。

圖9 光纜連接經(jīng)驗庫Fig.9 Optical cable connection experience base

圖10 電纜連接經(jīng)驗庫Fig.10 Cable connection experience base

2.2 設計實現(xiàn)方案

2.2.1 初步設計階段

初步設計階段的主要設計提升在于：基于通用設計、通用設備創(chuàng)建完成二次裝置配置規(guī)則庫、二次屏柜組柜規(guī)則庫后，當主接線及總平面確定，即可自動完成二次設備配置及組柜數(shù)據(jù)及模型。

而后根據(jù)光、電纜連接經(jīng)驗庫，可生成典型間隔連接圖和光電纜連接表；根據(jù)站控層交換機、站控層間隔層設備的配置識別，可自動生成站控層網(wǎng)絡拓撲和網(wǎng)線連接表。

（1）與當前各專業(yè)設計系統(tǒng)的接口

要求當前三維數(shù)字化設計軟件可輸出帶有標識的標準三維模型，同時滿足U3D的通用3D圖形格式標準。

利用文件描述作為接口的數(shù)據(jù)交互，采用XML標準格式，對關鍵信息進行定義，確保接口文件的可讀性。

（2）配置及組柜模塊實現(xiàn)

根據(jù)變電站電壓等級、一次接線圖，按照《110（66）kV～220kV智能變電站設計規(guī)范》與《330kV～750kV智能變電站設計規(guī)范》，自動形成站控層、過程層、間隔層的主機、交換機、保護裝置、測控裝置、合并單元、智能終端、故障錄波裝置等二次裝置的數(shù)量配置及通用裝置的配置，自動完成典型間隔組屏。

圖11 裝置自動配置與組柜Fig.11 Automatic device configuration and cabinet

屏柜信息按照三維設計平臺提供的接口的數(shù)據(jù)中的區(qū)域、小室分類管理。

配置完成過程中，完善圖元以下屬性：

表2 初步設計階段智能裝置模型屬性表（部分）Table 2 Intelligent device model property table at preliminary design stage(part)

通過建立典型間隔光纜連接關系，電纜連接關系典型庫，根據(jù)電壓等級、間隔類型、接線形式建立典型間隔規(guī)則庫，根據(jù)典型間隔規(guī)則庫自動生成相同類型間隔的屏柜間連接關系。同時根據(jù)交換機配置，自動構建站控層網(wǎng)絡。最終完成光纜清冊、電纜清冊、網(wǎng)線清冊，為進一步的光電纜敷設、線纜長度估算提供準確的數(shù)據(jù)。

2.2.2 施工圖設計階段

施工圖設計階段，需要根據(jù)廠家資料對裝置進行實例化，即為裝置和屏柜導入準確參數(shù)（如屏柜的端子排、裝置的背板、端口、裝置配置文件等），實例化完成后依據(jù)初步設計階段的原理設計結果，完成裝置端口到端口的連接，最終完成詳細的物理回路設計。

（1）裝置實例化

依據(jù)廠家提供的裝置配置文件ICD、IPCD的裝置型號、裝置背板端口對裝置進行實例化。利用IPCD配置描述文件中的信息，填充個設備屬性的背板、端口；利用ICD描述文件完善廠家信息、型號信息、軟件版本信息。同時，實例化過程中，在初設階段的基礎上，完善各裝置的屬性信息。

圖12 裝置實例化示意圖Fig.12 Device instantiation diagram

屏柜實例化的具體方法就是對端子排功能區(qū)域的定義、功能區(qū)端子數(shù)量的調(diào)整、免熔接光配的端口數(shù)量的定義（默認根據(jù)光纜線芯自動定義端口數(shù)量，根據(jù)使用情況調(diào)整）。

圖13 屏柜實例化圖Fig.13 Cabinet instantiation diagram

（2）光回路設計模塊

基于初步設計的設備連接圖，通過屏間的光纜或者尾纜的操作，展示光纜兩側的屏柜，及柜內(nèi)免熔接光配、設備背板，同時展示免熔接光配各端口的詳細定義，以指導設計人員完成端口到端口的連接。

以本間隔連接為典型間隔數(shù)據(jù)，可通過間隔復制實例化其他間隔的端口連接。對于關聯(lián)到公用間隔設備的端口，按順序自動推出可能連接的設備背板，放大端口區(qū)域，方便設計人員快速完成公用間隔設備的端口鏈接。

系統(tǒng)通過自學習算法，自動記憶各廠家的設備端口與定義的免熔接光配之間的連接關系，在后續(xù)設計時，出現(xiàn)相同的設備，自動進行對應連接。

（3）電回路設計模塊

電回路設計延用現(xiàn)有軟件功能，根據(jù)原理圖自動生成端子排，同時進行功能提升：利用初設階段電纜連接的設計結果，根據(jù)屏柜實例化以后導入的端子排，進行具體的電纜兩端端子號配置，而后生成端子排，并更新相應原理圖庫的端子號。

完成電纜連接后，形成支撐施工的電纜接線指導數(shù)據(jù)—電纜連接表、裝置連接模型。將完整的連接模型和電纜回路數(shù)據(jù)導入三維設計平臺，與屏柜關聯(lián)，支撐現(xiàn)場施工，一方面可在端子排接線時實現(xiàn)直觀的一一對應，另一方面，可與實際敷設路徑對應，便于問題查找。

2.2.3 基于三維設計數(shù)據(jù)的作業(yè)支撐方案

（1）施工接線指導

施工接線圖、以屏柜為中心，提供每個裝置的端口對應表，指導端口接線。提供設備的三維模型及詳細接線信息，在移動終端上展示施工人員操作的設備，直觀的指導施工人員完成現(xiàn)場接線、線纜敷設。

圖14 施工接線指導示意圖Fig.14 Construction connection guidance

圖15 邏輯故障定位示意Fig.15 Logical fault location

（2）基于三維全景數(shù)據(jù)的故障定位

利用設計形成的施工圖階段的數(shù)據(jù)，為施工、調(diào)試人員提供支持故障定位的數(shù)據(jù)支撐。通過某信息回路的檢索，提供查找故障的關鍵回路信息：區(qū)域-屏柜-裝置-端口到端口的回路信息。高亮展示整個回路及設備（見圖15）。

3 結論

本文基于二次三維數(shù)字化設計技術現(xiàn)有實施方案及大量工程實施經(jīng)驗，針對初步設計、施工圖設計階段設計需求，從跨專業(yè)數(shù)據(jù)及功能模塊共享、基于通用設計與模板庫的二次系統(tǒng)自動構建、基于平臺海量數(shù)據(jù)的應用拓展三方面開展研究，提出二次三維設計手段提升方案。

通過模塊化功能設計、數(shù)字化手段延伸，提高設計效率，實現(xiàn)二次三維數(shù)字化設計目標。通過創(chuàng)建基于通用設計、通用設備和工程設計數(shù)據(jù)的設備配置原則庫及標準間隔連接庫，實現(xiàn)配置組柜模塊、自動連接模塊設計，完成二次系統(tǒng)主要設備配置和典型間隔接線自動構建、纜材清冊自動生成，設計效率可提升30%，控纜及光電纜分型號估算準確率可達90%，初步設計即達到施工招標深度要求。

[1]李穎瑾,李波,李紹生.變電站三維設計的應用探討[J].中國電業(yè)(技術版),2012(04):26-28.LI Ying-jin,LI Bo,LI Shao-sheng. Discussion on Application of the Substation Three Dimensional Design[J].China Electric Power(Technology Edition) ,2012(04):26-28.

[2]項玲,邵俊偉,譚海蘭,李思浩.智能變電站的三維協(xié)同設計[J].中國電業(yè)(技術版),2012(11):454-459.

[3]郝倩.基于Bentley的三維數(shù)字化變電設計平臺的設計與實現(xiàn)[D].電子科技大學,2013.Hao Qian.Design and realization of bentley-based 3D digital power transformation design platform[D].University of Electronic Science and Technology of China,2013.

[4]郄鑫,齊立忠,胡君慧.三維數(shù)字化設計技術在輸變電工程中的應用[J].電網(wǎng)與清潔能源,2012,28(11):23-26.QIE Xin,QI Li-zhong,HU Junhui.Application of 3D Digital Design Technology in Power Transmission Project[J].Power System and Clean Energy,2012,28(11):23-26.

[5]李思浩,周元強.變電站三維設計中的設備模型庫建設研究[J].電工文摘,2017(03):7-8.

[6]郭小蓉,張潔.基于Promis-e軟件變電站電氣二次三維數(shù)字化設計[J].低碳世界,2015(32):37-38.