基于三維設計的變電站高壓電氣距離動態(tài)校驗方法

熊靜， 李思浩

(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)

0 引言

電氣設備距離是變電站電源兩節(jié)點之間電氣關系的物理量，其主要功能是防止人體、車輛等帶電體接近電氣設備，造成短路、火災、爆炸事故[1-3]。在大體上，可以將電氣距離檢測方法分為靈敏度法和阻抗法兩類，且這兩類電氣距離計算方法，都需要分析變電站狀態(tài)變量之間的關系，通過狀態(tài)變量確定電氣距離[4-6]。但是，上述方法計算出電氣距離后并未進行過電氣距離校驗，為了保證根據(jù)電氣距離計算方法，所設置的電氣距離，一定是最適合變電站高壓電氣距離，不會存在偏差，為此提出基于三維設計的變電站高壓電氣距離動態(tài)校驗方法，進一步驗證電氣距離。

1 研究基于三維設計的變電站高壓電氣距離動態(tài)校驗方法

1.1 基于三維設計建立變電站高壓電氣模型

考慮到三維設計平臺的靈活性、計算性、輔助性和圖像的綜合性，本文選取Bentley平臺，建立變電站高壓電氣設備的三維模型，進行高壓電氣設備的二維圖紙設計。

為了驗證電氣設備設計中使用的二維圖紙的合理性和實用性，驗證設計的合理性和實用性，避免電氣設備確定后在實際施工過程中出現(xiàn)返工現(xiàn)象，根據(jù)設計單位設計的變電站高壓電氣設備二維圖，采用三維設計技術。根據(jù)二維圖確定的變電站高壓電氣設備信息，在Bentley平臺上建立變電站高壓電氣設備模板文件。在文件中，應包括電氣設備標準結(jié)構(gòu)的基本三維建模，并增加所需的元件、屬性、樣式、二維符號、尺寸、繪圖單位、圖層、圖標框、顏色、材料庫等基本三維建模；并根據(jù)上述信息，建立統(tǒng)一的變電所高壓電氣設備數(shù)據(jù)庫，規(guī)范變電所電氣設備的相應屬性。在三維設計和建模過程中，需要自動統(tǒng)計變電站高壓電氣設備、所需材料信息及其數(shù)量，生成材料報告，Bentley平臺生成的報告必須清晰。

根據(jù)上述內(nèi)容，確定建模流程和建模規(guī)則，將二維圖紙轉(zhuǎn)換成三維設計圖。則此次建立的變電站高壓電氣設備三維模型，如圖1所示。

圖1 變電站高壓電氣設備三維模型

此時，根據(jù)圖1所示變電站高壓電氣設備的三維模型，可以進行電氣設備距離的動態(tài)校準，即安全網(wǎng)距離校準和動態(tài)碰撞檢查。由于在三維設計的過程中，可能存在綜合使用三維設計平臺的現(xiàn)象，因此將二維圖紙轉(zhuǎn)換成三維模型時，需要統(tǒng)一文件命名方式、目錄結(jié)構(gòu)、模型命名規(guī)則、色表文件、坐標系和坐標原點。其中，色表文件統(tǒng)一是為了避免不同平臺設計三維模型在合成的過程中存在色差；坐標系和坐標原點建立統(tǒng)一是為了方便三維設計模型的合成，降低電氣設備動態(tài)距離檢查難度，因為坐標系和坐標原點一經(jīng)確定，產(chǎn)生的軸網(wǎng)不能隨意旋轉(zhuǎn)、移動和縮放。

此外，在設計電氣設備三維模型時，還需要建立三維設計的編碼規(guī)則，即工藝相關標識、安裝點標識、位置標識。降低模型合成難度，也可以提高電氣設備校驗結(jié)果的輸出速度。由于電氣設備還分為一次設備和二次設備。因此，在建立電氣設備三維模型時，需要協(xié)同設計電氣設備的三維模型，按照轉(zhuǎn)換二維圖紙—數(shù)字化設計—虛擬電子端—三維設計的步驟，完成變電站高壓電氣設備的建模。

1.2 動態(tài)校驗變電站高壓電氣距離

基于1.1，將電氣設備二維圖紙，轉(zhuǎn)換成三維模型的轉(zhuǎn)換步驟，采用Bentley平臺，生成電氣設備距離校驗球，通過碰撞檢查的方式，動態(tài)校驗電氣設備安全凈距離校驗。

本次設計的變電站高壓電氣設備遠程動態(tài)校準方法，將采用智能化程序，嵌入Bentley平臺的三維校驗規(guī)則和校驗過程，在變電站高壓電氣設備校驗中，生成智能校驗球，在設計過程中，可以自動檢查電氣設備之間的距離，減少設計師修改圖紙的次數(shù)，提高繪圖效率。因此，在Bentley平臺中設定的電氣設備動態(tài)校驗流程，如圖2所示。

圖2 電氣設備動態(tài)校驗流程

從圖2中可以看出，在校驗電氣設備距離時，此次設計的電氣設備動態(tài)校驗流程所用的校驗球一經(jīng)發(fā)現(xiàn)電氣設備距離，不符合電氣設備安全凈距離要求時，可以自動發(fā)出警報，提示三維設計人員，電氣設備距離不合格，要求設計人員更改電氣設備，否則Bentley平臺，將不再響應設計人員的操作，直至電氣設備所有校驗都通過。但是，此時的校驗過程未曾實現(xiàn)全自動校驗，因此需要在Bentley平臺運行后臺設置相應的電氣設備距離校驗判斷流程，如圖3所示。

圖3 Bentley平臺運行后臺電氣設備距離校驗判斷流程

根據(jù)圖2動態(tài)校驗流程，在平臺運行的背景下，完成電氣設備的動態(tài)校準流程和電氣設備的距離校準和判斷過程，使用Bentley平臺生成的校驗球，根據(jù)圖2、圖3設置的2個流程，動態(tài)校驗電氣設備距離。

校驗變電站電氣設備三維模型時，校驗球會在電氣設備三維模型中不斷滾動，通過碰撞的方式檢驗電氣設備之間的距離是否為安全凈距離。在校驗的過程中，一旦彈出警示對話框，則表明該校驗點的電氣設備距離不屬于安全凈距離，并顯示出此時校驗球所在位置的電氣設備之間的距離，從而確定電氣設備設計的最優(yōu)方案，將所有疏漏，都排除在圖紙成品之前，進而將電氣設備安全距離問題徹底消滅。

2 實驗論證分析

驗證此次研究的變電站高壓電氣距離動態(tài)校驗方法，選擇某區(qū)域的變電站高壓電氣設備，作為此次實驗的研究對象。并將此次研究的變電站高壓電氣距離動態(tài)校驗方法，記為實驗A組，文獻[1]和文獻[2]提到的2組電氣距離校驗方法，分別記為實驗B組和實驗C組。建立變電站高壓電氣三維模型，確定變電站高壓電氣距離不合格區(qū)域，導線間的最短距離，對比3組方法，電氣距離校驗精度，導線最短距離檢測結(jié)果，距離相位誤差。

2.1 實驗準備

此次選擇的變電站高壓電氣設備為220 kV變電站，其終期安裝了4個主變壓器，每個變壓器的功率為240 MVA，并選擇35 kV出線24回，110 kV出線16回，220 kV進出線10回；本期安裝主變壓器2個，每個變壓器的功率為180 MVA，并選擇35 kV出線12回，110 kV出線8回，220 kV進出線10回。此次選擇的變電站高壓電氣設備，涉及到電氣一、二次部分，還存在一定的土建筑物。此外，該變電站電氣設備，還包含了35 kV電容器組和消弧線圈，110 kV和220 kV的GIS設備，確定的變電站高壓電氣設備參數(shù)，建立三維模型。

目前變電站三維設計平臺，主要包括Bentley、博超STD和AutoCAD 3個三維設計平臺，由于Bentley平臺三維建模靈活，自由度高，可以高度模擬設備外形，且其繪圖工具齊全，具有較高的計算能力、輔助設計能力和系統(tǒng)設計能力；而博超STD系統(tǒng)設計能力不靈活，AutoCAD平臺不具有計算能力、輔助設計能力和系統(tǒng)設計能力。所以此次設計變電站三維設計平臺，選擇Bentley平臺。該平臺建立的高壓電氣設備三維模型，如圖4所示。

基于此次選擇的Bentley平臺，建立的高壓電氣設備三維模型，作為此次實驗對象，采用3組電氣距離校驗方法，分別校驗如圖5所示的變電站高壓電氣設備三維模型。

2.2 電氣設備動態(tài)距離校驗精度對比

基于此次實驗設計的實驗參數(shù)，結(jié)合Bentley平臺建立的電氣設備三維模型，在三維模型中，更改變電站高壓電氣設備之間的距離，更改后，此次選擇的變電站高壓電氣設備，存在5處距離不合格區(qū)域。此時，使用3組電氣距離校驗方法，分別校驗此次實驗選擇的變電站高壓電氣設備安全距離。其校驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 電氣安全距離校驗結(jié)果圖

從圖5中可以看出，實驗B組僅識別出3處電氣設備安全距離不合格區(qū)域，且只有1處識別結(jié)果正確，對電氣設備距離識別率低下；實驗C組雖然識別出5處電氣設備安全距離不合格區(qū)域，但是也僅有2處識別結(jié)果正確；而實驗A組雖然沒有識別出安全距離，存在問題的所有位置，但是，卻識別出5處電氣設備安全隱患區(qū)域，且5處識別結(jié)果全部正確。由此可見，此次研究的電氣距離動態(tài)校驗方法，已經(jīng)達到了較高的校驗精度。

2.3 電氣設備距離相位對比

在上述兩組實驗的基礎上，統(tǒng)計3組方法，校驗電氣距離時，產(chǎn)生的距離相位差，對比3組方法，測得的距離相位差與實際距離相位差存在的誤差，每種方法測量30次，每隔5次，取一次數(shù)據(jù)，且不取最后一次數(shù)據(jù)，作為此次實驗的對比數(shù)據(jù)。此次實驗測得的距離相位差實際數(shù)據(jù)為0°、45°、90°和135°，3組方法的測量結(jié)果，如表1所示。

表1 距離相位差對比數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，實驗B組測得的距離相位差，與實際測得的相位差雖然存在一定的差距，但是測得結(jié)果十分穩(wěn)定，可以計算與實際值的平均誤差，估算電氣設備實際距離；實驗C組雖然存在較小的距離相位差，但是測得的距離相位差存在較大的波動，測量結(jié)果不準確，難以根據(jù)平均誤差進行估算；實驗A組相較實驗B組和實驗C組，不僅與實際距離相位差相差較小，且波動十分平穩(wěn)。由此可見，此次研究的電氣距離動態(tài)校驗方法，動態(tài)校驗電氣距離，產(chǎn)生的距離相位誤差較小，校驗電氣距離結(jié)果更準確。

3 總結(jié)

此次研究變電站高壓電氣距離動態(tài)校驗方法，充分利用三維設計技術構(gòu)建三維模型，提高電氣距離校驗速度，增加變電站高壓電氣設備路徑校驗功能。但是，此次研究的變電站高壓電氣距離動態(tài)校驗方法，未曾考慮校驗過程中發(fā)現(xiàn)不安全問題的自動提醒功能。因此，在今后的研究中，還需要深入研究動態(tài)校驗過程中發(fā)現(xiàn)電氣距離問題的提醒方式，進一步提高動態(tài)校驗的便攜性。