基于三維設(shè)計下的智能變電站二次系統(tǒng)探究

張馨月 張 崇

（1、國網(wǎng)黑龍江經(jīng)濟技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱150001 2、國網(wǎng)哈爾濱供電公司，黑龍江 哈爾濱150001）

隨著三維設(shè)計技術(shù)在各工業(yè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用，我國電力行業(yè)中的相關(guān)設(shè)計工作也廣泛采用該技術(shù)，并在火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、核能電廠中得到應(yīng)用[1-3]。現(xiàn)有的三維設(shè)計依然側(cè)重電網(wǎng)的基建與一次部分，還未在二次系統(tǒng)設(shè)計中得到普及，而其較好的三維展示能力，為二次系統(tǒng)的可視化設(shè)計帶來了新的機遇，是未來二次系統(tǒng)設(shè)計可視化與數(shù)字化發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一[4]。

二次系統(tǒng)設(shè)計區(qū)別于其他領(lǐng)域較為明顯，在設(shè)備的布局與構(gòu)建方面工作量較低，但在二次回路接線上工作量巨大，尤其是光纖、端子等設(shè)計工作占比較大，可達35%以上。為明確三維設(shè)計在二次系統(tǒng)設(shè)計中需要注意的地方，本文將從以下幾個方面開展分析與論述。

1 建模原則分析

圖1 系統(tǒng)設(shè)計流程圖

為確保土建、場地、結(jié)構(gòu)等專業(yè)在三維設(shè)計中滿足相關(guān)國標、企標要求，在進行二次系統(tǒng)的設(shè)計時需要著重考慮以下幾個原則：

三維設(shè)計時需要統(tǒng)一整個系統(tǒng)的坐標原點、單位、配色等基礎(chǔ)屬性，確保各項設(shè)計細節(jié)有據(jù)可依。

相關(guān)設(shè)備與屏柜的三維模型構(gòu)建應(yīng)滿足“三通一標”及設(shè)備“四統(tǒng)一”要求，確保不違反相關(guān)規(guī)定。

2 建模與接口方面

在建模方面，三維設(shè)計開展模塊設(shè)計時需要嚴格執(zhí)行“三通一標”；在接口設(shè)計方面，對二次設(shè)備應(yīng)該重點考慮“四統(tǒng)一”要求，做到參數(shù)與功能統(tǒng)一、端子排布置統(tǒng)一、硬件對應(yīng)接口標準統(tǒng)一、端子排對應(yīng)接口統(tǒng)一。

2.1 系統(tǒng)方案分析

三維設(shè)計的標準化流程如下圖所示。首先需要明確土建、場地、結(jié)構(gòu)等專業(yè)設(shè)計人；然后由專業(yè)負責(zé)人針對各行業(yè)的實際標準、需求等進行模型構(gòu)建與可視化處理，并根據(jù)實際進度進行協(xié)調(diào)工作。

2.2 智能控制柜接口設(shè)計方面

在進行智能控制柜設(shè)計時，首先需要明確電纜位置，并與土建專業(yè)溝通詳細的電纜槽盒、屏柜接地、柜體顏色等問題，相關(guān)設(shè)備（如電纜）的尺寸也許嚴格參考相關(guān)標準。然后，二次專業(yè)需要明確控制柜底開洞位置與尺寸，并由土建專業(yè)對柜體進行基礎(chǔ)的建模設(shè)計；接著，二次專業(yè)需對電纜尺寸、布線方案、溝槽結(jié)構(gòu)等進行初步設(shè)計，并與其他專業(yè)開展方案研討。

2.3 二次組合設(shè)備接口設(shè)計方面

為提高二次組合設(shè)備在實際應(yīng)用中的靈活性，三維設(shè)計除開需要考慮模塊化的設(shè)計概念外，在實際布線上主要采用總線的思想來實現(xiàn)設(shè)備的即插即用，具體包括一級總線和二級總線。

一級總線在設(shè)計時應(yīng)按要求將電纜布置在模塊的底部，以確保與設(shè)備接口能夠?qū)崿F(xiàn)快速對接。不同設(shè)備通過連接器與總線互聯(lián)進而構(gòu)成完整的二次系統(tǒng)。一級總線由于采用模塊的設(shè)計思路，在模塊運輸、現(xiàn)場施工與組裝、聯(lián)合調(diào)試等方面具有較好的可操作性，有利于工程的實施。

區(qū)別于一級總線在整體上的布局，二級總線模式更加側(cè)重模塊內(nèi)各設(shè)備間的電氣布局設(shè)計。設(shè)備廠家可在模塊生產(chǎn)后就完成內(nèi)部布線工作，這樣在現(xiàn)場根據(jù)一級與二級總線的設(shè)計方案就可以快速進行安裝與調(diào)試。

兩級總線設(shè)計是以預(yù)制式航空插座形式實現(xiàn)模塊與外部設(shè)備的快速接插，進而實現(xiàn)快速即插即用，簡化了現(xiàn)場接線的復(fù)雜度與工作量。實際屏柜中一般采用電纜通道在右面、光纜通道在左、雙端預(yù)制電纜連接屏柜間的接線原則。圖2 為一種雙端預(yù)制接口設(shè)計方案，其中光纜的余纜走線和收納是通過右側(cè)電纜槽實現(xiàn)的；光纜的余纜走線和收納是通過屏柜間尾纜直接連接完成的。

圖2 柜后航空插座及線纜走線圖

3 系統(tǒng)建模與數(shù)字化設(shè)計

二次設(shè)備進行三維時需要考慮6 個方面的統(tǒng)一，分別為：保護功能配置統(tǒng)一、屏柜端子排布置統(tǒng)一、二次回路設(shè)計統(tǒng)一、屏柜壓板統(tǒng)一、屏柜壓板統(tǒng)一、保護定值及報告格式統(tǒng)一，也常稱為“六統(tǒng)一”要求。現(xiàn)有設(shè)備廠家大多能滿足這些標準，而需要重點考慮的是不同廠家設(shè)備設(shè)計思路、布線等得差異。

3.1 數(shù)字化設(shè)計現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，各設(shè)計單位主要采用AutoCAD 軟件對智能變電站的保護原理圖和屏柜端子排圖進行手動設(shè)計，同時對智能變電站的虛端子采用手動配置，這種設(shè)計方式由于設(shè)計人員設(shè)計水平不同，存在設(shè)計錯誤率高、圖紙標準化程度低的問題，同時設(shè)計效率低下。本文提出采用自動繪圖軟件與虛端子配置軟件以及三維設(shè)計軟件設(shè)計工具相結(jié)合的方法，對二次系統(tǒng)電纜回路、光纜回路進行設(shè)計，避免了現(xiàn)階段設(shè)計遇到的問題。

就三維設(shè)計而言，現(xiàn)有廠家所提供的圖紙難以標準化。且由于各廠家的設(shè)備實現(xiàn)原理和使用軟件的差異，導(dǎo)致設(shè)備成品差別大。如北京四方公司采用Eplan 軟件，該軟件由德國公司設(shè)計，可直接生成屏柜端子排圖、裝置背板圖、保護原理圖、電纜及光纜清冊等功能；南瑞繼保所采用的設(shè)計軟件是現(xiàn)有CAD，也具備具備自動生成背板圖、端子排圖、開關(guān)壓板清單等功能。考慮到現(xiàn)有廠家還未能對智能控制柜、保護測控柜等開展三維設(shè)計，因此不同廠家之間智能控制柜以及保護測控柜等屏柜間難以實現(xiàn)其兼容性，不具有可行性。基于此，在進行數(shù)字化設(shè)計時需要廠家在所提供的圖紙上明確標注接口，以便數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)入和滿足光電纜設(shè)計的一致性原則。

二次系統(tǒng)的三維數(shù)字化設(shè)計完成后，系統(tǒng)將自動生成保護原理圖、光纜連接圖、交換機配置圖、屏柜端子排圖、電纜及光纜清冊等，在極大的提高二次設(shè)計的效率的并同時，保證了各類報表與數(shù)據(jù)庫信息的一致性。

3.2 智能變電站二次系統(tǒng)電纜回路設(shè)計

智能變電站二次系統(tǒng)電纜回路主要包括保護原理圖、端子排圖、屏位布置圖以及電纜清冊等。目前國內(nèi)電力設(shè)計院主要是通過使用AutoCAD，所有二次系統(tǒng)電纜回路圖紙均由人工出圖，出圖流程如下：由設(shè)計院內(nèi)一次設(shè)計人員提供資料，由設(shè)備廠家提供相關(guān)裝置廠家白圖，根據(jù)廠家白圖繪制二次原理圖，再根據(jù)二次原理圖繪制端子排圖及電纜接線圖。出圖后，設(shè)計人員需根據(jù)二次電纜接線圖手工測算電纜長度并生成電纜清冊。

這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計效率低下，設(shè)計人員需要大量時間完成屏柜間回路的連接，同時錯誤率高，不利于現(xiàn)場調(diào)試人員消化；在現(xiàn)場調(diào)試階段如需修改圖紙，則相應(yīng)的原理圖、端子排圖、電纜清冊等都需要逐一調(diào)整。

根據(jù)實際變電站設(shè)計需求采用三維設(shè)計軟件，通過AutoCAD 軟件導(dǎo)入各類設(shè)備廠家原理圖，進而對實現(xiàn)對保護及測控裝置等的控制回路、信號回路等的快速設(shè)計，并同時生成相應(yīng)回路圖。同時根據(jù)生成的回路圖生成屏柜端子排圖、材料表、清單，便于對電纜進行全面管理。與傳統(tǒng)的二次系統(tǒng)電纜回路設(shè)計相比，三維設(shè)計軟件對電纜敷設(shè)等工作均具有明顯的優(yōu)勢。

3.3 智能變電站二次系統(tǒng)光纜回路設(shè)計

現(xiàn)在的設(shè)計單位根據(jù)設(shè)備制造廠商提高的設(shè)備圖紙及虛端子表，通過Excel 軟件手動完成虛端子連接表。這種方法工作效率低下，對于智能變電站施工調(diào)試階段調(diào)試人員的工作能力要求較高，不利于提高變電站新建工程及擴建工程的效率。

在三維設(shè)計中，智能變電站設(shè)計系統(tǒng)通過二次虛回路設(shè)計和交換機配置直接導(dǎo)入ICD 文件、同時自動生成dwg 圖紙、Excel 表格、全站SCD 配置文件。這將大幅提高智能變電站二次設(shè)計的效率。同時，設(shè)計軟件還具備如下功能：屏柜內(nèi)通信回路的連接設(shè)計、ICD 文件中物理端口的解析、SCD 文件及SSD 文件的可視化、同名虛端子的自動連接。

通過三維設(shè)計軟件，設(shè)計人員可以大大提高虛端子配置的準確性，同時縮短虛端子的配置時間，與傳統(tǒng)的二次系統(tǒng)光纜回路設(shè)計相比，三維設(shè)計軟件對虛端子表及SCD 配置文件生成等工作均具有明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

隨著電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，三維設(shè)計必將對提高電網(wǎng)設(shè)計水平具有重要的意義，同時也是實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)字化戰(zhàn)略目標的重要手段之一。針對二次系統(tǒng)的特點，從系統(tǒng)建模原則、建模要求、可視化展示、設(shè)備“四統(tǒng)一”接口要求、數(shù)字化展示、數(shù)字化移交等方面研究了電氣二次系統(tǒng)的三維設(shè)計對工程建設(shè)的影響。