三維設(shè)計在電網(wǎng)和變電站建設(shè)中的應(yīng)用與實踐

曹盛 楊睿博

(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200001)

1 三維設(shè)計的特點

(1)數(shù)字化時代的到來，使得職能電網(wǎng)在建設(shè)過程中對變電工程提出了更高的要求，如今，國網(wǎng)公司中已經(jīng)逐漸建立起了數(shù)字化移交系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)中心，同時，要求在新建工程中實現(xiàn)設(shè)計成果的數(shù)字化移交。在傳統(tǒng)的CAD模式下，使用圖紙修復(fù)制的作業(yè)模式，無法進(jìn)一步提升其質(zhì)量和效率，設(shè)計成果也便失去了生命周期的數(shù)字化移交能力。變電站的建筑物和設(shè)備在三維設(shè)計技術(shù)條件下，能夠從三維空間中建造出來，并且能夠結(jié)合變電站所涉及到的各個專業(yè)。在協(xié)同設(shè)計工作平臺中，各個專業(yè)能夠掌握其他設(shè)計人員的成果，通過進(jìn)行專業(yè)之間的溝通，可以對工程方案予以完善。(2)變電站的三維設(shè)計工作中包含了電氣、結(jié)構(gòu)、建筑以及水暖等功能，將工程數(shù)據(jù)庫作為主要內(nèi)容，可以通過數(shù)據(jù)來驅(qū)動三維模型，最終完成自動出圖效果，從而有效提升設(shè)計工作質(zhì)量和設(shè)計工作效率[1]。

2 數(shù)字化三維設(shè)計技術(shù)在電網(wǎng)和變電站中的發(fā)展情況

快速發(fā)展起來的數(shù)字化三維設(shè)計技術(shù)以及設(shè)計方法越來越受到了電力行業(yè)的廣泛關(guān)注，對于數(shù)字化三維設(shè)計技術(shù)，電網(wǎng)行業(yè)提出了更加嚴(yán)格的要求。于2016年，電網(wǎng)行業(yè)針對數(shù)字化三維設(shè)計明確提出了推廣計劃，并且積極開展了工程數(shù)據(jù)中心的建設(shè)工作，提出了在變電站設(shè)計中創(chuàng)新使用三維設(shè)計技術(shù)的要求，確保工程數(shù)據(jù)中心建設(shè)工作有目標(biāo)、有計劃地開展。于2017年，在全國范圍內(nèi)又開展了和數(shù)字化三維技術(shù)有關(guān)的調(diào)研活動，其中，活動的內(nèi)容包含書面和實地調(diào)查兩種，針對目前電力企業(yè)、施工單位以及設(shè)計部門關(guān)于數(shù)字化三維技術(shù)的需求和使用展開了探究，為了能夠順應(yīng)我國的電力行業(yè)發(fā)展趨勢，一些設(shè)計單位開始轉(zhuǎn)型，在此過程中還融入了建造資源、設(shè)計資源、運維環(huán)節(jié)資源以及采購資源等方面的內(nèi)容，以此來滿足設(shè)計單位的基本業(yè)務(wù)需要，這樣一來不僅提升了設(shè)計單位的設(shè)計水平，同時也拓寬了設(shè)計單位的服務(wù)范圍[2]。

3 三維設(shè)計在電網(wǎng)和變電站建設(shè)中的應(yīng)用與實踐

3.1 數(shù)字化三維設(shè)計線路選線

對于傳統(tǒng)的電網(wǎng)設(shè)計工作而言，線路路徑的優(yōu)選主要是憑借工作人員的自身經(jīng)驗來完成的，而數(shù)字化三維設(shè)計技術(shù)的使用能夠用動態(tài)的規(guī)劃思路解決比較復(fù)雜的問題，整個優(yōu)化過程會用到遞推的方法來予以分段，從而確保整個過程最優(yōu)化，以此來為企業(yè)決策管理人員實時決策工作提供可靠的依據(jù)。就我國電網(wǎng)線路的鋪設(shè)工作而言，南方和北方的電網(wǎng)線路鋪設(shè)存在著差異，南方沿途地形比較復(fù)雜，需要鋪設(shè)的電路相對較長，線路鋪設(shè)準(zhǔn)確度極高，能夠?qū)旊娋€路實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的優(yōu)化排位，在選擇好起始點和終點之后，需要在數(shù)字化三維系統(tǒng)中建立矢量地理信息，同時，還應(yīng)該合理設(shè)置障礙物的緩沖半徑，數(shù)字化三維系統(tǒng)的使用能夠自動選擇出滿足該工程的多條線路路徑，分析輸電線路可能帶來的影響，并且在設(shè)計交互的過程中也能夠有效避免自然保護(hù)區(qū)以及風(fēng)景名勝區(qū)等重點設(shè)施，一旦出現(xiàn)問題就會及時發(fā)出警告[3]。智能完成多條路徑的選擇之后，還需要結(jié)合手動選項的方式來優(yōu)化智能選項的路徑。

3.2 搭建基于IPD模式的項目協(xié)同機制

將IPD協(xié)同管理模式應(yīng)用到變電站項目建設(shè)工作中，能夠建立出一個具有多方合同契約關(guān)系的單一目標(biāo)實體，也就是由各個項目參建方建立一個團隊，這樣一來，各個參與方就擁有一個共同目標(biāo)的責(zé)任實體，而不再是孤立的關(guān)系，如圖1所示。設(shè)計院，供電公司，施工方以及其他項目參與方的項目領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)項目管理工作，為各項具體工作的開展提供支持。

圖1 SPE組織模型

圖2 變電站總平面三維圖

3.3 編制基于BIM的三維協(xié)同設(shè)計流程

BIM建筑信息模型技術(shù)作為國際項目管理界公認(rèn)的一項能夠推動工業(yè)生產(chǎn)力革命的技術(shù)，能夠有效解決長期影響項目管理工作開展的大量基礎(chǔ)信息以及工作中遇到的難題，從而真正實現(xiàn)信息集成化。BIM技術(shù)的使用，能夠使供電公司在原有變電站業(yè)務(wù)流程繼續(xù)開展的基礎(chǔ)上，對三維協(xié)同設(shè)計流程予以優(yōu)化。同時，供電公司還應(yīng)該編制《設(shè)計變更管理規(guī)定》、《設(shè)計過程控程序》以及《三維數(shù)字化設(shè)計平臺數(shù)據(jù)管理制度》等制度，對變電站的建設(shè)過程予以規(guī)范，為開展快數(shù)據(jù)協(xié)同工作，跨專業(yè)工作提供可靠的依據(jù)，以此來有效強化變電站項目建設(shè)工作質(zhì)量和建設(shè)效率[4]。

3.4 搭建三維數(shù)字化設(shè)計平臺系統(tǒng)

三維數(shù)字化設(shè)計平臺的搭建，應(yīng)該以變電站的實際需求為導(dǎo)向，并且對所用軟件從數(shù)字化功能、三維設(shè)計以及服務(wù)支持等方面進(jìn)行評價。通過業(yè)務(wù)專家的專審評估，以此來確定三維數(shù)字化設(shè)計平臺的建設(shè)工作。在完成輸變電工程數(shù)字化設(shè)計平臺一期搭建工作之后，還應(yīng)該實施全專線設(shè)計、碰撞檢測、實時協(xié)作以及開放接口和CAD出圖。

4 三維設(shè)計在變電站工程的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用實例

(1)如下以某220kV新建模塊化的智能變電站攻城為例，對三維設(shè)計在工程項目中的應(yīng)用展開探討，并且結(jié)合了變電一次，變電二次以及土建等專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，對目前三維設(shè)計工作中存在的優(yōu)點以及不足之處展開了論述。

(2)變電一次，變電二次以及土建專業(yè)在工程設(shè)計階段，可以借助設(shè)計平臺固定基準(zhǔn)點的方法，在變電站總平面上協(xié)同開展設(shè)計工作。基于變電站工程項目的實際情況，土建專業(yè)應(yīng)該結(jié)合國家電網(wǎng)模塊化的建設(shè)需要，分別落實裝配式的大門，圍墻，構(gòu)筑物模塊以及建筑物的設(shè)計工作。并且要對變電站建筑物圍墻大砌塊石、建筑物墻板、門窗型式以及墻體裝飾板等材質(zhì)和尺寸進(jìn)行賦值；對變電站中電纜埋管布置、站內(nèi)墻體開洞以及站內(nèi)事故油池等實現(xiàn)三維設(shè)計與展示。電氣專業(yè)還應(yīng)該按照國網(wǎng)公司的通用設(shè)備模型，有效落實電氣設(shè)計工作，并且使用各種設(shè)備參數(shù)進(jìn)行賦值。三維設(shè)計平臺不僅能夠校驗導(dǎo)線拉力，同時還能夠計算常規(guī)短路電流以及計算蓄電池容量等，通過使用軟件完成計算工作并且在將計算書自動導(dǎo)出，不需要單獨開展計算賦值工作，該項工作的實施能夠在一定程度上有效縮短設(shè)計周期[5]。不同專業(yè)的設(shè)計人員設(shè)計工作的執(zhí)行應(yīng)該嚴(yán)格遵循國網(wǎng)公司提出的“三通一標(biāo)”的要求，同時，設(shè)備廠家也應(yīng)該根據(jù)國網(wǎng)公司的通用設(shè)備來制定生產(chǎn)計劃。如此一來，才能夠?qū)⒏鱾€專業(yè)之間的設(shè)計工作實現(xiàn)無縫對接。與此同時，由三維設(shè)計平臺所提供的CAD圖紙導(dǎo)出功能和二維視圖界面功能，能夠為設(shè)計人員根據(jù)需要進(jìn)行選擇提供便利，圖2是變電站三維總平面圖。

(3)完成變電站總平面圖的設(shè)計工作之后，各個建筑物的正面圖，俯視圖以及立面圖都能夠根據(jù)工程項目的實際需要自行生成。而電氣專業(yè)的間隔斷面圖以及配電裝置圖不需要再次繪制，只需要從總平面圖中進(jìn)行切割即可，各項設(shè)備的參數(shù)也能夠自動生成。如果需要調(diào)整總平面圖，各個斷面圖以及配電裝置圖都能夠自行調(diào)整完成，在此過程中，無需大量的人工操作，從而有效降低設(shè)計過程中可能出現(xiàn)錯誤的幾率。

4.2 現(xiàn)階段三維設(shè)計的不足之處

從上述內(nèi)容分析可得，變電站三維設(shè)計平臺的使用具有明顯的優(yōu)勢，并且已經(jīng)被越來越多的設(shè)計單位廣泛采用，和常規(guī)的二維設(shè)計平臺相比，三維設(shè)計平臺的使用不僅能夠有效提升設(shè)計工作效率，同時還能夠最大限度降低可能出現(xiàn)設(shè)計錯誤的幾率，從而有效確保工程設(shè)計質(zhì)量。除此之外，盡管三維設(shè)計具有很好的使用前景，但是，目前仍然處于試點應(yīng)用階段，在實際運用的過程中仍然存在著以下方面的問題：(1)國網(wǎng)公司的設(shè)備模型庫不健全，盡管主要的設(shè)備模型都有，但是一些輔助設(shè)備缺失，比如，消弧線圈，變壓器中性點設(shè)備以及保護(hù)測控等二次設(shè)備模型。這些模型的不統(tǒng)一現(xiàn)象就會造成各個設(shè)計人員和廠家建模形式的多樣化。(2)設(shè)備建模的技術(shù)要求和深度仍然需要進(jìn)一步加以明確，建模的基本圖元不明確。(3)各個設(shè)計單位的三維設(shè)計成果如何才能實現(xiàn)信息共享、三維設(shè)計移交之前的范圍、工程竣工資料以及三維設(shè)計的深度和格式要求仍然需要進(jìn)一步明確。

5 三維數(shù)字化的發(fā)展階段和目標(biāo)

可以將電網(wǎng)工程的三維數(shù)字化設(shè)計分為起步階段，發(fā)展階段以及成熟階段。如今，我國三為數(shù)字化設(shè)計已經(jīng)度過了起步階段，正在經(jīng)歷著發(fā)展階段，這一階段正是攻堅克難的時期：(1)起步階段使用了三維數(shù)據(jù)化設(shè)計相關(guān)概念，并且初步用到了電網(wǎng)工程，這一階段需要實現(xiàn)的目標(biāo)是完成可視化展示以及設(shè)計成果的數(shù)字化移交。(2)發(fā)展階段逐步實現(xiàn)了各項標(biāo)準(zhǔn)的制定，完成的數(shù)據(jù)交互，平臺功能以及信息處理等問題，該階段需要達(dá)成的目標(biāo)是深度應(yīng)用重點工程，以此來有效提升設(shè)計工作質(zhì)量火綜合效益，并且逐步實現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)鏈的參與。(3)成熟階段形成了完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系以及國家體系，確保工程設(shè)計全面實現(xiàn)了數(shù)字化，并且實現(xiàn)了對設(shè)計成果的廣泛應(yīng)用[6]。

6 結(jié)語

總而言之，目前三維設(shè)計工作仍然處于試點階段，但是，其推廣使用已經(jīng)勢在必行。在后期發(fā)展過程中，國網(wǎng)公司應(yīng)該嚴(yán)格按照“三通一標(biāo)”的要求，對通用設(shè)備的模型加以細(xì)化，并且還應(yīng)該完善公用設(shè)備模型。與此同時，需要做好設(shè)計深度要求，模型創(chuàng)建技術(shù)要求以及成果移交要求等方面的細(xì)化梳理工作，同時還應(yīng)該出臺相應(yīng)的文件，真正達(dá)到工程項目三維評審、三維設(shè)計以及三維移交的目的。