李越茂,姚楓,宋佩珂,朱紋羲
(西南電力設(shè)計院,成都市 610021)
青海格爾木—西藏拉薩±400 kV直流聯(lián)網(wǎng)工程,是迄今為止在世界上最高海拔、高寒地區(qū)建設(shè)的規(guī)模最大的直流輸電工程,是國家西部大開發(fā)項目中23項重點工程之一?!?00 kV拉薩換流站位于林周縣甘河鎮(zhèn),距拉薩市區(qū)約18 km(公路里程約80 km),是青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程的受端換流站。±400 kV拉薩換流站初期容量為600 MW,最終容量為1 200 MW,已于2011年底順利投運。
±400 kV拉薩換流站工程站址海拔高,站內(nèi)布置緊湊,施工工期緊、難度大、要求高。傳統(tǒng)的變電二維設(shè)計因受到設(shè)計手段的限制,難以滿足業(yè)主單位對變電工程全生命周期管理的需要。為體現(xiàn)工程最新設(shè)計理念和建設(shè)管理的最高水平,實施工程的數(shù)字化移交,在各專業(yè)設(shè)計過程中采用數(shù)字化設(shè)計技術(shù),建立了帶有參數(shù)信息的全站布置模型。同時,在數(shù)字化設(shè)計過程中實現(xiàn)了流程化設(shè)計和專業(yè)協(xié)同,減少了施工中的“錯、漏、碰、缺”等問題。完成設(shè)計后,采用了工程的數(shù)字化移交[1-2],在工程信息產(chǎn)生時就對其進行了有效的管理[3],為該工程的全生命周期管理[4]提供了數(shù)據(jù)支撐。
數(shù)字化設(shè)計通過數(shù)字化的面向?qū)ο蠹夹g(shù),使各類圖元及數(shù)據(jù)具有全息信息,并將該三維模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的全數(shù)據(jù)模型,再采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫,將數(shù)據(jù)模型存儲到數(shù)據(jù)庫中,方便工程中的各種信息讀取與調(diào)用。數(shù)字化設(shè)計技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的正確性與一致性,并且為設(shè)計的信息化管理提供了基礎(chǔ)信息,為工程全生命周期管理提供了信息保障。
目前,設(shè)計院普遍采用的傳統(tǒng)二維設(shè)計工作是依靠設(shè)計人員的空間想象力和基本制圖技能完成空間設(shè)計。這種工作模式缺乏直觀的視覺效果和可定量的模型基礎(chǔ),對詳細布置的經(jīng)濟性和優(yōu)化缺乏控制,效率較低;各專業(yè)的軟件各自獨立,缺乏數(shù)據(jù)庫的支持,集成性能較差;各專業(yè)之間的配合工作采用人工方式完成,限制了設(shè)計效率的提高,并導(dǎo)致“錯、漏、碰、缺”等問題發(fā)生,造成了施工的停滯和反復(fù),給工程建設(shè)帶來損失。
目前,行業(yè)內(nèi)部只有各參與單位針對各自階段的生產(chǎn)、經(jīng)營和管理構(gòu)建的獨立的信息系統(tǒng),尚無可以兼容相關(guān)信息的統(tǒng)一平臺。項目的信息數(shù)據(jù)通常在各參與單位內(nèi)部或各階段中采用電子數(shù)據(jù)格式流轉(zhuǎn),但當數(shù)據(jù)需要傳遞給下一單位或下一階段時,因兩者的信息系統(tǒng)無法兼容,數(shù)據(jù)不得不轉(zhuǎn)化成紙質(zhì)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)接收方又需要將紙質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成所采用信息系統(tǒng)可識別的電子格式。數(shù)據(jù)在雙方傳遞過程中經(jīng)歷了“電子數(shù)據(jù)—紙質(zhì)數(shù)據(jù)—電子數(shù)據(jù)”的轉(zhuǎn)換過程,造成了項目數(shù)據(jù)在各階段流通傳遞不暢、各階段提取上階段信息困難和不準確等問題。因此,傳統(tǒng)的二維設(shè)計技術(shù)所能提供的設(shè)計產(chǎn)品已經(jīng)難以適應(yīng)業(yè)主對現(xiàn)代化企業(yè)制度和管理水平的要求,在變電設(shè)計中推行數(shù)字化設(shè)計顯得越來越重要。
(1)完成主接線圖、三維模型的建立,生成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。對工程中所有的設(shè)備、材料、土建構(gòu)支架、建筑物建立其符號和模型,同時將它們與工程相關(guān)的信息加入到屬性中,將這些符號、模型和各類屬性存儲到項目數(shù)據(jù)庫中。完成工程的三維數(shù)字化模型的建立,并生成整個工程結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息后,可根據(jù)需要,方便地進行各種查詢,可完成各種平、斷面圖和各種報表,滿足業(yè)主的各類成品移交的需求。
(2)提高設(shè)計質(zhì)量,實現(xiàn)關(guān)聯(lián)修改。在數(shù)字化設(shè)計中,建立的是工程的1∶1三維實體模型,全方位地展現(xiàn)了設(shè)備及建構(gòu)筑物在工程中的布置信息,可以很方便地進行帶電距離校驗,解決了各專業(yè)設(shè)備及建構(gòu)筑物之間碰撞問題[5],避免了傳統(tǒng)二維設(shè)計中因設(shè)計人員空間想象不到位、施工階段才發(fā)現(xiàn)帶電距離不足或碰撞等現(xiàn)象,大大地提高了設(shè)計成品的質(zhì)量。
由于有數(shù)據(jù)庫的支持,在工程中發(fā)生的所有修改都會隨之對數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的項進行關(guān)聯(lián)修改,且修改可一次完成。利用軟件可以很方便地對各專業(yè)的設(shè)備和材料進行精確統(tǒng)計,如可以生成電氣設(shè)備材料清冊,各類構(gòu)架和設(shè)備支架的鋼材量、建筑物門窗、管道及暖通風道等的報表。不僅節(jié)約了人力,還提高了材料統(tǒng)計的精確性,解決了傳統(tǒng)的定性數(shù)據(jù)多、定量數(shù)據(jù)缺乏的問題。
(3)提高設(shè)計效率。數(shù)字化設(shè)計軟件平臺可以實現(xiàn)各類計算、設(shè)計軟件的集成。軟件和平臺間都建立了相應(yīng)的接口,將計算結(jié)果以一定的格式存儲到數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格中,方便后續(xù)計算軟件調(diào)用。各專業(yè)在設(shè)計過程中,實時地參照其他專業(yè)的設(shè)計,并行進行各自負責內(nèi)容的設(shè)計。改變了以往的上游專業(yè)設(shè)計完成、提出資料后,下游專業(yè)才開展后續(xù)設(shè)計的傳統(tǒng)設(shè)計方式[6],進一步提高了工程的設(shè)計速度,實現(xiàn)了整體設(shè)計和專業(yè)設(shè)計的聯(lián)動,全方位地提高了設(shè)計水平。
±400 kV拉薩換流站工程中采用的數(shù)字化設(shè)計技術(shù),是以專業(yè)設(shè)計軟件為主體、以數(shù)字化為核心、以三維為手段的具有自動化設(shè)計和精細化設(shè)計的變電數(shù)字化設(shè)計技術(shù)。工程中建立的三維數(shù)字化模型,由工程數(shù)據(jù)庫支撐,具有詳盡的工程設(shè)備信息,通過專業(yè)設(shè)計軟件的解讀與處理,可以針對模型直接進行計算、校驗、材料統(tǒng)計和抽取平斷面施工圖、安裝圖和土建專業(yè)提資圖表。
2.1.1 電氣一次專業(yè)
在拉薩換流站工程的數(shù)字化設(shè)計中,電氣一次專業(yè)主要完成了設(shè)備材料庫的創(chuàng)建、智能電氣主接線的繪制、設(shè)備的布置和接線,并進行了各類計算,實現(xiàn)了平、斷面出圖,完成了設(shè)備材料的統(tǒng)計等工作。
(1)設(shè)備元件符號、三維模型庫的建立。在數(shù)字化設(shè)計初期,對本工程中不同電壓等級的電氣一次設(shè)備進行了分類整理,結(jié)合常用電氣設(shè)計圖形符號和電氣設(shè)備廠家資料圖紙,先后建立了本工程所有電氣一次設(shè)備的元件符號和三維實體模型。
(2)電氣主接線設(shè)計。在創(chuàng)建智能電氣主接線時,所有的電氣一次設(shè)備元件符號均從設(shè)備元件庫中調(diào)用。電氣主接線中的設(shè)備元件符號均采用電氣線將前后設(shè)備進行連接,在電氣主接線中,就建立了電氣設(shè)備間的邏輯關(guān)系,通過一個設(shè)備可以檢索查詢到相鄰設(shè)備的信息。
(3)短路電流計算。采用短路電流計算軟件,繪制好短路電流計算系統(tǒng)圖,輸入系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗后,進行短路電流計算。短路電流計算結(jié)果直接存儲于項目數(shù)據(jù)庫,可應(yīng)用于后續(xù)的設(shè)備導(dǎo)體選型和接地設(shè)計中。
(4)全站電氣設(shè)備布置。在完成了設(shè)備選型校驗后,進行了全站三維模型的布置,采用統(tǒng)一的坐標體系和原點坐標,分區(qū)域進行設(shè)備的布置和接線。設(shè)備布置和導(dǎo)線連接的過程中,利用三維設(shè)計即時性的特點,通過對模型進行實時瀏覽,檢查設(shè)備布置中有無“錯、漏、碰、缺”等現(xiàn)象,以及空間布置的合理性。圖1為拉薩換流站工程直流場及交流濾波器場布置圖。
圖1 直流場及交流濾波器布置Fig.1 Layouts of DC field and AC filter
(5)三維帶電距離校驗。為保證設(shè)備布置及導(dǎo)線連接的正確性,采用了三維帶電距離校驗?zāi)K,按照各電壓等級的安全凈距值,對在平斷面圖中難以校核的關(guān)鍵區(qū)域的帶電距離進行了校驗,保證了設(shè)備布置及接線的正確性。圖2為拉薩換流站工程中進行的三維帶電距離校驗結(jié)果圖。
圖2 三維帶電距離校驗結(jié)果Fig.2 Verification result of 3D clearance checking
(6)三維防雷設(shè)計。為檢查各區(qū)域電氣設(shè)備及導(dǎo)線是否處于防雷保護范圍之內(nèi),在全站三維布置模型上布置了獨立避雷針、構(gòu)架避雷針和避雷線,程序自動在全站三維布置模型中生成三維防雷保護范圍圖,可實時地查看到設(shè)備、導(dǎo)線是否處于防雷保護范圍內(nèi)。圖3為拉薩換流站工程中的三維防雷保護效果圖。
圖3 220 kV GIS區(qū)域三維防雷效果Fig.3 3D lightning protection of 220 kV GIS yard
(7)接地設(shè)計。按照不均勻地網(wǎng)布置的算法,布置了全站主接地網(wǎng),并統(tǒng)計了主接地網(wǎng)接地干線的總長度。結(jié)合站區(qū)土壤電阻率和短路電流計算結(jié)果,進行了接地計算,得出了本工程的接出電勢和跨步電勢,對專業(yè)設(shè)計的接地方案及計算結(jié)果進行了校核。
(8)導(dǎo)線拉力計算。采用導(dǎo)線拉力計算功能模塊對導(dǎo)線進行了拉力計算,計算結(jié)果直接保存在項目數(shù)據(jù)庫中。結(jié)構(gòu)專業(yè)通過數(shù)據(jù)平臺查詢到構(gòu)架荷載數(shù)據(jù)后,作為輸入條件直接應(yīng)用于構(gòu)架梁柱的建模計算。
(9)平、斷面出圖。在完成全站三維布置模型總裝后,參照施工圖出圖深度,抽取直流場的軸測圖和平、斷面圖。實現(xiàn)了斷面圖和全站三維布置模型的動態(tài)關(guān)聯(lián),任何電氣設(shè)備和土建設(shè)施發(fā)生調(diào)整后,都能夠在斷面圖中實時地完成修改,避免了因設(shè)備布置或接線調(diào)整引起的平、斷面布置圖的重復(fù)性修改,保證了斷面圖和三維布置模型的統(tǒng)一性,提高了設(shè)計成品的質(zhì)量。
(10)設(shè)備材料統(tǒng)計。因為在主接線設(shè)計、電氣設(shè)備布置及接線時,調(diào)用的均是工程數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備及導(dǎo)體,每1臺設(shè)備、每1根導(dǎo)線各自均對應(yīng)1條數(shù)據(jù)記錄,可以分區(qū)域、分設(shè)備材料類型并很方便地進行設(shè)備材料統(tǒng)計,可對電氣一次設(shè)備材料進行核實。
2.1.2 電氣二次專業(yè)
電氣二次數(shù)字化設(shè)計可以應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計軟件,通過繪制電氣原理圖,自動生成端子排圖、電纜清冊和設(shè)備材料表,將設(shè)計人員從繁瑣、機械的重復(fù)勞動中解脫出來,集中精力于電氣系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化,為工程設(shè)計質(zhì)量的提高提供保障。
在拉薩換流站工程的數(shù)字化設(shè)計中,電氣二次專業(yè)主要完成了包括電氣符號庫、典型回路庫、產(chǎn)品型號庫、電纜型號庫的創(chuàng)建和端子排模板、報表模板的設(shè)計等。
2.1.3 結(jié)構(gòu)專業(yè)
結(jié)構(gòu)專業(yè)在拉薩換流站工程的數(shù)字化設(shè)計中完成了計算優(yōu)化、三維建模及專業(yè)協(xié)同。結(jié)構(gòu)專業(yè)和其他專業(yè)的配合全部在同一個設(shè)計平臺內(nèi)完成,所有的荷載資料、構(gòu)支架位置、埋件、孔洞都十分直觀準確。計算時,在構(gòu)件的選型上可以做到恰到好處,杜絕了以往工程中的“肥梁胖柱”現(xiàn)象,提高了設(shè)計質(zhì)量,為業(yè)主節(jié)約了投資。
通過參數(shù)化的方式建立了全站的構(gòu)架、地線柱及設(shè)備基礎(chǔ)支架的三維數(shù)字化模型,模型中包含了土建設(shè)施的主要參數(shù)信息,便于和其他專業(yè)的銜接,并可準確地查詢到土建設(shè)施的各類信息。
2.1.4 總圖專業(yè)
采用數(shù)字化地形軟件,利用勘測數(shù)據(jù)生成數(shù)字化地形圖,快速進行高程分析、坡向分析、坡度分析、流域分析和徑流分析。利用精確算法,計算出場地平整的土方量,生成土方調(diào)配圖表。根據(jù)場地的豎向布置、道路、建筑基底及其他控制點標高,生成場地三維設(shè)計效果圖。圖4和圖5分別為拉薩換流站工程數(shù)字化設(shè)計中生成的數(shù)字化地形和場地方格網(wǎng)。
2.1.5 建筑專業(yè)
建筑專業(yè)在±400 kV拉薩換流站工程的數(shù)字化設(shè)計中建立了包含參數(shù)信息的全站建筑物的三維模型,包括主控制樓、GIS室、繼電器室等建筑,并從這個模型中自動地提取出所需要的建筑平、立、剖面圖。圖6為拉薩換流站工程主控樓三維模型。
圖6 主控樓三維模型Fig.6 3D model of main control building
2.1.6 供水、暖通專業(yè)
供水和暖通專業(yè)參考建筑、結(jié)構(gòu)模型,在三維空間內(nèi)布置暖通、給排水管線系統(tǒng),并與其他管道進行多專業(yè)管線綜合碰撞檢查。
2.2.1 流程化設(shè)計
在進行±400 kV拉薩換流站工程數(shù)字化設(shè)計的過程中,基于數(shù)字化設(shè)計平臺,實現(xiàn)了專業(yè)內(nèi)的流程化設(shè)計,完成了專業(yè)間的實時配合。在完成全站智能電氣主接線的設(shè)計后,基于主接線完成了全站電氣設(shè)備的布置,進行了短路電流計算。短路電流的計算結(jié)果又可作為設(shè)備選型校驗、接地計算的依據(jù)。同時,三維防雷設(shè)計、接地設(shè)計、三維帶電距離校驗、導(dǎo)線拉力計算和設(shè)備材料統(tǒng)計均可在已經(jīng)建立好的三維模型中進行。初步實現(xiàn)了項目數(shù)據(jù)在專業(yè)內(nèi)部的流轉(zhuǎn),基本實現(xiàn)了專業(yè)內(nèi)的流程化設(shè)計,提高了設(shè)計效率。
2.2.2 專業(yè)協(xié)同
設(shè)計單位的設(shè)計成果在各個階段有不同的內(nèi)容,在同一個階段,不同專業(yè)的成果也不一樣。同時,后一階段的設(shè)計基于前一階段的成果,某一專業(yè)的設(shè)計也會與另外的專業(yè)相關(guān)[7]。
各專業(yè)在各自負責的設(shè)備及設(shè)施的布置過程中,采用了統(tǒng)一的坐標系統(tǒng),實時地參照了外專業(yè)的布置,并及時地與其他專業(yè)設(shè)計人員進行溝通和交流,避免了傳統(tǒng)設(shè)計中專業(yè)間溝通不足、專業(yè)配合不到位的問題,提高了專業(yè)配合的精度。
2.2.3 碰撞檢查
運用數(shù)字化設(shè)計手段,建立了拉薩換流站完整的三維數(shù)字化模型。通過對三維模型的瀏覽,可檢查設(shè)計范圍的完整性,并充分利用三維模型可視化、實時共享的優(yōu)勢,實現(xiàn)了拉薩換流站工程內(nèi)各專業(yè)的碰撞檢查。
在數(shù)字化設(shè)計過程中,利用軟件硬碰撞檢查功能,共檢查出地下給排水管網(wǎng)與電纜溝、設(shè)備基礎(chǔ)的35處碰撞。經(jīng)過逐一確認,及時對碰撞處進行了修改和調(diào)整,避免了各設(shè)備和土建設(shè)施之間的碰撞,解決了以往要在現(xiàn)場施工時才能發(fā)現(xiàn)的碰撞問題。圖7為拉薩換流站工程的碰撞檢查圖。
圖7 拉薩換流站工程碰撞檢查圖Fig.7 Result of collision checking in Lhasa converter station
2.3.1 編碼系統(tǒng)的應(yīng)用意義
在變電工程的設(shè)計中采用合理的編碼系統(tǒng),不僅可以方便在設(shè)計過程中對設(shè)備材料進行科學(xué)有效的管理,提高設(shè)計的準確率和設(shè)計效率,還可以為業(yè)主的物資采購、工程建設(shè)及后期運行維護提供科學(xué)有效的管理手段,對變電工程全生命周期的管理起到十分重要的作用。一般說來,變電站的編碼系統(tǒng)可分為物料編碼和站標識系統(tǒng)編碼。
對工程中設(shè)備進行物料編碼,可以在工程設(shè)計中方便地進行各類設(shè)備材料的統(tǒng)計,根據(jù)需要生成各類設(shè)備材料表,準確地統(tǒng)計出工程中設(shè)備材料的數(shù)量,便于編制出準確的工程概預(yù)算書,有利于工程的精細化管理。
站標識系統(tǒng)編碼是將變電站內(nèi)各系統(tǒng)及設(shè)備采用規(guī)范的標識方法,用一定位數(shù)的字符數(shù)字組合表示出來,其編碼具有唯一性、擴展性、簡短性、規(guī)范性、適應(yīng)性、穩(wěn)定性、兼容性、可操作性和預(yù)見性等特點。站標識系統(tǒng)編碼從設(shè)計規(guī)劃開始就貫穿工程的全生命周期中,在變電站設(shè)備采購、設(shè)備制造、施工安裝、運行維護過程中均采用同一編碼系統(tǒng),保證了編碼的延續(xù)性和唯一性,為工程后期運行維護的方便提供了有效的支撐。
2.3.2 拉薩換流站工程物料編碼
拉薩換流站工程物料編碼系統(tǒng)由7部分組成,形式如下:
物料編碼中的N代表數(shù)字,A代表字母。第(1)組表示全國網(wǎng)省公司代碼;第(2)組表示交直流工程類型;第(3)組表示工程中的交、直流設(shè)備或公用設(shè)備;第(4)組表示電壓等級;第(5)組表示設(shè)備類型;第(6)組表示廠家名;第(7)組表示設(shè)備規(guī)格。
例如,拉薩換流站220 kV電容式電壓互感器(桂林電容器廠),物料編碼為:
72 1 AC 33 0314 GRC 0000
2.3.3 拉薩換流站工程標識系統(tǒng)編碼
根據(jù)我國《電網(wǎng)工程設(shè)備標識系統(tǒng)編碼規(guī)范(送審稿)》,為了滿足電網(wǎng)工程中系統(tǒng)和設(shè)備標識,電氣和監(jiān)控設(shè)備安裝點標識,以及建構(gòu)筑物標識的各種不同需要,標識系統(tǒng)分為工藝相關(guān)標識、安裝點標識和位置標識3種不同類型標識[8-10]。
拉薩換流站工程的設(shè)備標識編碼實例如圖8所示。
圖8 拉薩換流站工程標識系統(tǒng)編碼實例Fig.8 Example of coding of engineering identification system in Lhasa converter station
變電數(shù)字化設(shè)計與移交平臺的工程數(shù)據(jù)庫中具有所有設(shè)備完整的工程信息、參數(shù)信息與編碼信息,平臺從工程數(shù)據(jù)庫中提取完整的信息,根據(jù)業(yè)主指定的移交對象的系統(tǒng)要求,定制數(shù)據(jù)通道,由此實現(xiàn)數(shù)字化移交。圖9為變電工程數(shù)字化移交數(shù)據(jù)流程圖。
圖9 變電工程數(shù)字化移交數(shù)據(jù)流程Fig.9 Flow chart of digital transfer for transformation project
為滿足業(yè)主對于數(shù)字化移交的需要,建立了科學(xué)的數(shù)字化移交平臺,可以在工程設(shè)計的各個階段,根據(jù)業(yè)主的需要,采用合理的數(shù)字化移交方式,提供滿足業(yè)主需要的變電站數(shù)據(jù)信息。數(shù)字化移交的內(nèi)容是業(yè)主、承包商、供應(yīng)商為保證項目設(shè)計、采購、建造、安裝、調(diào)試等階段順利實施,創(chuàng)建和維護的典型階段版本及最終版本的工程文件、數(shù)據(jù)和模型。圖10為拉薩換流站工程數(shù)字化全站鳥瞰圖。
圖10 拉薩換流站工程全站鳥瞰圖Fig.10 Airview of Lhasa converter station
在拉薩換流站工程數(shù)字化設(shè)計中,采用數(shù)字化設(shè)計平臺建立了本工程的項目數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫中存儲了本工程的設(shè)備元件、三維模型、材料、各類計算結(jié)果,以及工程的三維布置模型信息。這樣可以滿足業(yè)主對本工程數(shù)字化移交的需要,為本工程的建造、運行和維護的全壽命周期管理提供了數(shù)據(jù)支持。
在拉薩換流站工程的數(shù)字化設(shè)計過程中,及時地與各專業(yè)人員進行配合,對全站的總平面布置方案進行了優(yōu)化,使設(shè)備布置得更加緊湊、更加合理,同時又滿足了運行和檢修要求。
拉薩換流站工程在數(shù)字化設(shè)計完成時,輸出了照片級的渲染效果圖,以及真實的三維動畫,展現(xiàn)了工程的全貌。為業(yè)主提供了工程直觀的實體布置模型,在工程的設(shè)計階段就讓業(yè)主對整個工程有一個形象的認識,方便業(yè)主對工程的順利實施提出決策性意見。
通過對變電站數(shù)字化設(shè)計的探索與創(chuàng)新,可以將變電設(shè)計推向標準化、智能化、數(shù)字化、自動化的全新高度,并為國網(wǎng)公司直流工程的建設(shè)提供堅實有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支持。
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