機架式預制艙三維精細化設計探討

趙智成，趙 娜，魯東海，林立鵬，李文杰

（1.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102；2.國網天津市電力有限公司，天津 300010；3.國網天津市電力有限公司建設分公司，天津 300143）

1 概述

當今，智能變電站的建設與發展朝著標準化、模塊化的方向發展，二次設備預制艙、組合式二次設備、前接線前顯示裝置、預制電纜、預制光纜等技術被大量應用于智能變電站的建設中，從而最大程度實現了工廠化加工、模塊化建設，顯著縮短了現場施工及調試周期，提高了智能變電站的建設效率。

模塊化智能變電站看似大量縮減了現場工作量，但實質上只是把現場施工工作量轉嫁給了二次設備廠家。二次設備廠家由過去單純地提供設備裝置，轉變為需要提供全站的二次系統，即在過去的基礎上增加了采購、接線及調試等多個環節。然而，大多數二次設備廠家對于這類“新增業務”并不熟悉，接口對接的準確性較低，變電站的建設存在質量風險；艙內接線由設備廠家在工廠內完成，艙內空間狹小，接線及布線通道緊張，對于預制艙預留接線空間、通道及線纜轉彎半徑常常考慮不足。目前，預制艙以“黑匣子”方式交付業主，業主對預制艙內部結構、接線等詳細情況一無所知，給后期改擴建、運維造成極大困難。

三維數字化設計手段被廣泛認為具有直觀、增強現實的優點，三維建模過程相當于模擬施工，精細化的建模可提前規避施工及質量風險，可以對產品的非直觀可見部分進行展示，且基于三維模型和數據可以開發多種高級應用，充分解決上述問題。目前，國家電網公司對于變電站工程三維設計數字化移交要求日漸嚴格，三維數字化設計是未來變電站工程設計的趨勢。

本文通過三維設計手段精確設計標準化接口，實例化預制艙內、外預制光電纜的布置及連接，實現三維仿真與現場實例的一致性；在工程實施前落實設計思路，可以避免設備缺陷，從而實現預制式二次設備艙現場“零改動”的“即插即用”。

2 三維精細化設計方案

2.1 艙內二次裝置標準接口精細化設計方案

在理想情況下，各二次裝置廠家均按照統一的標準生產，基于標準接口實現不同設備的“即拆即換”和“即插即用”。然而，目前二次裝置尚無統一的標準接口規范，因此，本文提出“零接線”技術方案是各單裝置廠家按照自己的習慣生產單裝置，但需按照統一的對外接口提供裝置接口引出線，見圖1。

2.2 預制艙機架式結構精細化設計方案

機架式結構采用多層次標準化設計體系。最終設計目標是將機架式結構與預制艙本體結構統一制造、安裝。作為結構的頂層，機架整體組成為二次設備承載系統，安裝完成后見圖2。

圖1 對外統一接口技術示意圖

圖2 機架式結構整體安裝示意圖

第二層結構是機架單體（見圖3），采用拼裝式結構，零件設計基于標準化原則，共邊立柱為對稱結構，零部件數量實現最小化，提高生產效率，降低出錯概率。

第三層結構是組成機架單體的片狀部件，單體機架由2個片狀框體結構組成主要受力構件，片狀結構見圖4。

圖3 機架單體結構俯視圖

圖4 片狀構件及其組成的機架單體

2.3 機架式單元的二次設備布置及結構方案

艙內二次設備間的連接采用預制光電纜，避免了端子排的使用，提高了設備接線效率。在每個機架模塊下方預留預制光電纜安裝位置，設置標準接口板作為預制光電纜插座的固定方式（見圖5），實現預制接口結構的標準化。

圖5 屏柜內預制電纜接口板示意圖

以500 kV智能變電站中500 kV斷路器保護測控柜為例：據統計，柜內共14根預制電纜對外接線，交直流電源回路預制電纜采用2×4 mm2（芯數×截面）規格電纜，控制回路采用4×2.5 mm2規格和10×2.5 mm2規格電纜，電流電壓回路采用4×4 mm2規格。在屏柜內設置1塊電纜集中接口板，尺寸為600 mm×223 mm（寬×深），接口板上布置預制電纜航空插座，二次裝置的預制電纜通過此連接器與預制艙內集中配線柜連接，通過配線柜實現與場地智能控制柜接線，詳見圖6。

圖6 預制電纜走線示意圖

3 重點問題解決方案

3.1 機架式單元走線空間布局設計

由機架單元結構二次設備布置及結構可知，機架單元的走線設計主要包括機架單元內、走線槽及機架單元內的接線板。

（1）機架單元內線纜布局

走線槽通道內部線纜除按照間隔分區分束布設外，對不同間隔的線纜進行相應保護，詳見圖7。

圖7 機架單元內線纜布局三維精細化設計

（2）走線槽內部空間裕量分析

機架單元內部線纜三維精細化設計后，可對走線槽內走線空間進行裕量分析，譬如，調出預制艙三維設計模型文件，鼠標點擊某個機架的走線槽，彈出走線槽剖面圖，同時顯示剩余走線空間裕度，見圖8。當布置線纜超出走線槽容量空間時，走線槽紅色示警，提示裕量不足，必須采用更大的走線槽。

圖8 走線槽空間裕量分析及示警

機架單元走線槽三維精細化設計，可顯示走線槽內電纜分布情況，指導施工接線；可指導所選擇的走線槽大小是否合適，避免敷設走線空間不足、返工換走線槽重敷的情況；還可更合理地選擇走線槽大小，避免走線槽裕度過大或過小。

（3）機架單元內接線板配置及布置

接線板采用三維精細化設計，可對接線板航空插頭插接及走線布局進行細節展示，實現對接線板航空插頭插接是否碰撞進行檢查等。譬如，當某根預制電纜芯數較多插頭體積較大時，可能會與之前已插好的另一根預制電纜插頭碰撞，導致無法插接，可在三維設計時進行檢查，以紅色高亮度示警，見圖9。

圖9 接線板插接碰撞檢查示意圖

3.2 機架間專用走線通道方案

將整個機架視為一個大型機柜，在機架內布置以走線槽為主體的行線網絡。在機架下部設置公用走線槽盒，在單列機架內實現走線地面化。機架底部設計線纜維護通道（見圖10），機架底部的線纜需要檢修維護時，打開線纜維護通道旋轉門，即通過對內部線纜進行作業，無需翻開艙內防靜電地板，使得維護方式更加簡便、可靠。

圖10 線纜維護通道示意圖

機架間專用走線通道內部線纜三維精細化設計后，可對走線空間進行裕量分析，譬如調出預制艙三維設計模型文件，三維設計軟件中點擊走線通道任一部位，彈出走線通道剖面圖，同時顯示剩余走線空間裕度，見圖11。

圖11 機架間專用走線通道空間裕量分析示意圖

3.3 艙內輔助控制系統三維精細化設計及全透明交付

目前，預制艙以“黑匣子”方式交付業主，業主對預制艙內部結構、接線等詳細情況一無所知，給后期改擴建、運維造成極大困難。

預制艙內輔助控制系統設備管線三維精細化設計后，可對攝像頭、煙感探頭、照明燈等管線布局進行精細化設計，設計完成后可將三維設計文件數字化交付設備廠家或施工人員按圖施工，大幅提高施工質量；預制艙交付業主時，可將三維設計文件交付業主，業主調出預制艙三維設計模型文件，可“全透明”看到預制艙內輔助控制系統設備管線，見圖12。

圖12 “全透明”交付方式

4 預制艙運維解決方案

4.1 主設備的運維解決方案

預制艙三維精細化設計數字化交付后，預制艙的每一個細節均可查閱，基于此可建立完善艙內二次設備運維解決方案，如裝置故障告警及三維定位，具體步驟如下：

（1）當艙內裝置發出告警信號，后臺彈出告警，見圖13。

圖13 某裝置報告警信號

（2）調閱后臺數據庫，迅速定位與該告警信號向關聯的裝置端口及相應的電纜，并三維展示關聯電纜在機架間專用走線通道的相對位置，見圖14。

圖14 定位與該告警信號相關聯的裝置及電纜

（3）運維人員根據三維顯示的電纜路徑，迅速找到該電纜位置并進行檢查，查找告警原因并確定是否需要更換電纜。

4.2 輔控系統 運維解決方案

預制艙三維精細化設計數字化交付后，預制艙的輔助控制系統管線均可全透明展示，基于此可建立非常完善的輔控系統設備（攝像頭、煙感探頭、照明燈等）的運維解決方案。以煙感探頭為例，闡述具體的解決方案：

（1）煙感探頭失效告警，見圖15，告警界面顯示探頭的具體告警內容及位置等信息。

圖15 煙感探頭失效告警界面

（2）調閱后臺數據庫，迅速定位與該告警信號向關聯的煙感探頭及相應的電纜，并高亮度顯示該電纜，見圖16。

圖16 定位與該告警信號相關聯的設備及電纜

（3）運維人員根據三維顯示的電纜路徑，迅速找到該電纜位置并確定維修方案。譬如，經檢查確定煙感探頭失效，可直接更換備用煙感探頭，若確定為煙感探頭信號線故障，則可及時聯系預制艙廠家進行維修。

5 結語

本文基于三維數字化設計技術實現了機架式預制艙的結構、安裝、走線等精細化設計；同時基于三維系統可實現諸多高級應用，實現二次系統三維數字化設計手段的延伸。然而，目前用于變電站設計的三維軟件大多存在功能不穩定、操作過程繁瑣等問題，對設計效率的影響較大；而且不同的三維成果在不同軟件間往往無法互通，如電力行業常用的Bentley Substation、博超STD等軟件，工業及建筑行業常用的Revit、Solidworks等軟件，影響基于三維的高級應用開發和跨平臺應用。隨著變電站三維數字化移交要求日漸嚴格，以及國家電網公司推進基于約定的GIM數據格式實現數據在不同三維設計軟件之間的共享和應用，以上問題也將在越來越廣泛的應用中逐步得到解決。