智能三維平臺(tái)及數(shù)字化移交在特高壓變電站中的探討

王志毅 王建 余淼

引言：本文結(jié)合變電站三維設(shè)計(jì)及數(shù)字化移交發(fā)展的情況，利用變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)1000kV泰州變采用全方位數(shù)字化三維設(shè)計(jì)，并探討了全站三維數(shù)字化移交方案。

隨著特高壓變電站在我國(guó)的高速發(fā)展，如何在特高壓變電站建設(shè)中利用新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化三維設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化移交，提高特高壓工程信息管理整體水平檔次，已成為特高壓建設(shè)發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)之一。而電力行業(yè)高速度、智能化、精細(xì)化發(fā)展的建設(shè)和管理保障手段之一就是智能化三維設(shè)計(jì)及其數(shù)字化移交。

我院在1000kV泰州變電站工程設(shè)計(jì)中采用我院與軟件公司聯(lián)合開發(fā)的《ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)》，全面應(yīng)用智能三維技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工程全景數(shù)字化移交，為建設(shè)以工程數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，全景虛擬變電站三維模型為載體，通訊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的變電站全壽命周期全景數(shù)字化統(tǒng)一信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)工程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化管理打下基石。

1.智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)及數(shù)字化移交簡(jiǎn)介

我院《ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)》以專業(yè)設(shè)計(jì)軟件為主體，以數(shù)字化為核心，以三維為手段，具有自動(dòng)化和精細(xì)化設(shè)計(jì)功能。該平臺(tái)由工程管理、專業(yè)設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)子平臺(tái)構(gòu)成，通過(guò)建立三維設(shè)備模型庫(kù)和二維圖形庫(kù)，并嵌入計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了變電站的全專業(yè)智能三維設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。已于2012年7月20日通過(guò)了中國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)的技術(shù)評(píng)審，評(píng)審委員會(huì)一致認(rèn)為用戶界面友好、操作靈活，具有創(chuàng)新性和實(shí)用性，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

數(shù)字化移交在提交傳統(tǒng)設(shè)計(jì)成品圖檔的同時(shí)，提交完整的變電站數(shù)字化工程設(shè)計(jì)信息管理平臺(tái)資料（包含工程設(shè)計(jì)各階段的三維模型、數(shù)據(jù)庫(kù)、電子化圖紙和文檔）。各類信息間以工程設(shè)施為對(duì)象，編碼為線索自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，相互校驗(yàn)。業(yè)主和工程管理單位只要登錄網(wǎng)絡(luò)就可查看實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)進(jìn)度、施工進(jìn)度、物資采購(gòu)狀態(tài)、調(diào)試參數(shù)、設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并可直接在模型上批注意見發(fā)回。包含變電站三維數(shù)字化移交成果的全景數(shù)字信息平臺(tái)以其豐富、精準(zhǔn)的變電站全站參數(shù)化信息，帶來(lái)了全新的特高壓變電站工程建設(shè)和運(yùn)行管理模式。

2.智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)在1000kV泰州變電站中的應(yīng)用

2.1 1000kV泰州變電站的三維設(shè)計(jì)

根據(jù)本站的建設(shè)規(guī)模，在本項(xiàng)工程投標(biāo)中，我們主要做了以下工作：

（1）根據(jù)1000kV泰州變電站的建設(shè)規(guī)模和接線方式，在ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)中設(shè)計(jì)參數(shù)化的電氣主接線，并由此建立整個(gè)變電站的工程信息和邏輯關(guān)系。主接線設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)用典型配置接線實(shí)現(xiàn)，典型配置接線可根據(jù)需要擴(kuò)充多種類型的接線。

（2）根據(jù)主接線系統(tǒng)圖及1000kV泰州變系統(tǒng)阻抗參數(shù)進(jìn)行短路電流計(jì)算，自動(dòng)生成短路電流計(jì)算書，根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行選型，篩選出各個(gè)電壓等級(jí)符合額定電流和短路電流要求的設(shè)備；再根據(jù)選型結(jié)果替換和更改主接線設(shè)備型號(hào)及參數(shù)，生成符合要求的參數(shù)化主接線。

ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)能方便的自動(dòng)調(diào)用與選用的典型主接線相對(duì)應(yīng)的三維布置模型，并根據(jù)修改后的主接線更新和優(yōu)化變電站三維總平面布置模型。平臺(tái)設(shè)計(jì)完全基于其自身龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)和各種設(shè)備的模型，但電氣設(shè)備等模型和數(shù)據(jù)是不斷發(fā)展和更新的，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行不斷的修改和更新?；谶@方面的考慮，ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)是個(gè)完全開放的平臺(tái)，可供設(shè)計(jì)人員添加和修改其模型，保證變電站三維總平面布置和電氣安全凈距檢查等的準(zhǔn)確性和可靠性。

（3）然后，對(duì)1000kV泰州變電站總圖布置進(jìn)行整合規(guī)劃設(shè)計(jì)，包括站址選擇、進(jìn)站道路、站區(qū)總平面及設(shè)備布置、土方量計(jì)算等。根據(jù)三維總平面（圖3.1-1），對(duì)1000kV泰州變電站進(jìn)行各個(gè)方面的精細(xì)化設(shè)計(jì)。精細(xì)化設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

圖3.1-1 全站電氣三維總平面布置圖

1）生成所需的各個(gè)電壓等級(jí)的平斷面圖、電氣設(shè)備的安裝圖，自動(dòng)地精確統(tǒng)計(jì)出電氣設(shè)備及其安裝材料。當(dāng)需要提取某個(gè)間隔的斷面圖時(shí)，僅需要選取該間隔，對(duì)其進(jìn)行斷面剖切，便可自動(dòng)生成具有尺寸信息和設(shè)備材料標(biāo)注信息的斷面圖。ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)具有強(qiáng)大的聯(lián)動(dòng)能力，當(dāng)在已生成的主接線或總平面中更換某一設(shè)備時(shí)，只需更替該設(shè)備參數(shù)，便能自動(dòng)聯(lián)動(dòng)修改到與該設(shè)備相關(guān)的圖紙和材料表，在保證了設(shè)計(jì)的正確性和可靠性的同時(shí)，也極大地提高了設(shè)計(jì)效率。

圖3.1-2 1000kV配電裝置三維軸測(cè)圖

圖3.1-3 1000kV配電裝置三維斷面圖

2）圖3.1-2、圖3.1-3為1000kV配電裝置三維軸側(cè)圖及串間隔透視圖。通過(guò)三維軸測(cè)圖，可直觀清晰的觀察GIS、高抗、主變壓器跨線布置方式及設(shè)備間連線連接方式，方便施工、運(yùn)行單位查閱。串間隔透視圖可由三維軸測(cè)圖直接選取串間隔生成，是對(duì)選定串間隔內(nèi)配電裝置的細(xì)化，可直觀反映設(shè)備及構(gòu)架布置情況、導(dǎo)線連接方式及空間內(nèi)電氣距離校驗(yàn)，豐富了配電裝置出圖模式。

3）本站全站設(shè)備均由ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)參數(shù)化設(shè)備模型庫(kù)建模產(chǎn)生，所有模型均按照廠家資料1：1建模，保證了全站三維模型的準(zhǔn)確性及安全凈距校驗(yàn)的精確性。全站三維設(shè)備模型距具有名稱、電壓等級(jí)等參數(shù)，查詢時(shí)僅需要將鼠標(biāo)符號(hào)放至設(shè)備上即可顯現(xiàn)，方便快捷。

圖3.1-4 設(shè)備參數(shù)化顯示

圖3.1-5 安全凈距校驗(yàn)

4）根據(jù)定制的安全凈距校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于1000kV泰州變電站，在0米以上三維空間里對(duì)設(shè)備、導(dǎo)線、道路、建筑物之間的安全凈距進(jìn)行檢查，自動(dòng)檢測(cè)出不符合安全凈距標(biāo)準(zhǔn)的部位；在0米以下三維空間下進(jìn)行基礎(chǔ)、電纜溝及管線的碰撞檢查。通過(guò)安全凈距校驗(yàn)和三維碰撞檢查，能有效避免因各種原因造成的帶電距離不夠、設(shè)備基礎(chǔ)重疊等潛在安全質(zhì)量問(wèn)題，在設(shè)計(jì)源頭上切除隱患。

5）根據(jù)模型中導(dǎo)線等設(shè)備參數(shù)，可直接在三維總平面中拾取需要進(jìn)行拉力計(jì)算的導(dǎo)線，進(jìn)行拉力計(jì)算，并以安裝曲線圖、安裝曲線表和word文檔三種形式輸出技術(shù)結(jié)果。拉力計(jì)算過(guò)程中只需要事先設(shè)定好氣象條件，如風(fēng)速、覆冰等，便可自動(dòng)提取絕緣子串、跨線、引下線的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，相比較其他的拉力計(jì)算軟件而言，免去了復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入過(guò)程，簡(jiǎn)單可靠。

6）三維防雷設(shè)計(jì)，可進(jìn)行雷暴日計(jì)算、避雷針設(shè)計(jì)、布置避雷線、布置避雷網(wǎng)、材料統(tǒng)計(jì)等；

7）根據(jù)接地模型，進(jìn)行接地電阻、跨步電壓，接觸電勢(shì)校驗(yàn)，并進(jìn)行接地扁鋼校驗(yàn)；

8）通過(guò)讀取電纜清冊(cè)的邏輯信息，結(jié)合三維模型的設(shè)備布置及電纜溝位置，便可自動(dòng)進(jìn)行電纜優(yōu)化敷設(shè)、精確統(tǒng)計(jì)電纜長(zhǎng)度，生成相關(guān)施工詳圖；

9）具有強(qiáng)大的3D模型處理能力，可對(duì)全站進(jìn)行仿真漫游及虛擬施工。

最后，根據(jù)需要可從三維模型中抽取所需數(shù)據(jù)向各專業(yè)提資。如從三維模型中抽取架構(gòu)和設(shè)備基礎(chǔ)提資圖向土建專業(yè)提資，土建專業(yè)通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，如有更改可向電氣專業(yè)反提資，三維模型可直接接受土建專業(yè)的架構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果和設(shè)備基礎(chǔ)，自動(dòng)更新三維模型，實(shí)現(xiàn)專業(yè)間的無(wú)縫銜接。

2.2 1000kV泰州變電站的數(shù)字化移交

2011 年 6 月，國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)部組成專家評(píng)審團(tuán)，以皖電東送示范工程為依托提出了交流特高壓跨區(qū)域電網(wǎng)工程“數(shù)字化（含三維）移交”工作思路：以數(shù)字化的方式貫穿設(shè)計(jì)、建設(shè)施工和運(yùn)行，以信息化手段輔助工程本體移交管理，以新技術(shù)擴(kuò)展利用為統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2012年8月30日，由國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院主持的 “皖電東送工程數(shù)字化（含三維）移交方案研究”項(xiàng)目啟動(dòng)及工作大綱評(píng)審會(huì)議在北京順利召開，宣告數(shù)字化移交在特高壓領(lǐng)域的應(yīng)用正式啟動(dòng)。

1000kV泰州變電站三維數(shù)字化移交作為工程設(shè)計(jì)階段的重要輔助手段，對(duì)工程的精細(xì)化管理將起到積極作用，也將對(duì)電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)及移交手段的進(jìn)步產(chǎn)生重大影響，并為未來(lái)的智能電網(wǎng)建設(shè)提供支持。

1000kV泰州變電站工程擬采用ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)作為三維數(shù)字化移交的基礎(chǔ)工作平臺(tái)。設(shè)計(jì)過(guò)程工程信息管理采用 C/S方式，各專業(yè)在同一平臺(tái)協(xié)同工作。系統(tǒng)自動(dòng)存放所有結(jié)構(gòu)化的工程信息；非結(jié)構(gòu)化信息則通過(guò)交互形式提交給系統(tǒng)；平臺(tái)與專業(yè)應(yīng)用軟件集成，直接獲得軟件輸入和輸出信息，從而形成包含數(shù)據(jù)、三維模型、圖紙和文檔的完整的工程信息。全部工程設(shè)計(jì)信息按規(guī)范化的結(jié)構(gòu)存放在工程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和工程文檔管理服務(wù)器。

圖3.2-1 三維數(shù)字化移交-變電站全場(chǎng)景展示

1000kV泰州變電站設(shè)計(jì)數(shù)字化移交可結(jié)合工程建設(shè)和運(yùn)行管理的需要適時(shí)分階段實(shí)施。從工程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和工程文檔管理服務(wù)器采集相關(guān)信息，經(jīng)校驗(yàn)后封裝成不可更改的網(wǎng)絡(luò)流媒體格式（如：ZGL、SVG、PDF、TIF），以數(shù)字化形式發(fā)布至WEB服務(wù)器，以B/S的方式供業(yè)主、施工、監(jiān)理、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)等工程各方查詢和引用。

針對(duì)三維數(shù)字化移交，ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)可以從包含1000kV泰州變電站工程信息的數(shù)據(jù)庫(kù)提取包含滿足SG186規(guī)定的編碼的設(shè)備物料清單，并根據(jù)1000kV泰州變電站業(yè)主所采用的采購(gòu)系統(tǒng)、施工過(guò)程管理系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、EPC系統(tǒng)、電網(wǎng)GIS系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)字化移交。

圖3.2-2 三維數(shù)字化移交-設(shè)備電氣屬性查看

在施工圖設(shè)計(jì)階段，可對(duì)全站系統(tǒng)方案、線路規(guī)劃和設(shè)備選型的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，建立工程的檔案、模型參數(shù)庫(kù)，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入，該階段的主要成果有：變電站接入系統(tǒng)成果、三維模型數(shù)據(jù)成果、檔案數(shù)據(jù)成果、模型參數(shù)成果等。在竣工圖設(shè)計(jì)階段，收集整理施工單位的竣工資料，進(jìn)行全線數(shù)據(jù)核對(duì)更新。數(shù)據(jù)成果的移交形式為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)光盤，并能結(jié)合ASTD變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用。

1000kV泰州變電站考慮移交以下幾個(gè)方面的數(shù)字化工程信息：

變電站三維模型

詳細(xì)的設(shè)備信息（含廠家資料）

施工圖設(shè)計(jì)成品

完整、精確的設(shè)備、材料和工程量清單

主要設(shè)施施工工藝要求

主要設(shè)備安裝模擬

按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一建設(shè)”的原則，工程施工、采購(gòu)、調(diào)試單位將本環(huán)節(jié)相關(guān)工程信息按規(guī)劃好的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)發(fā)布至同一工程信息管理平臺(tái)。如：施工階段的施工進(jìn)度管理信息（計(jì)劃進(jìn)度、實(shí)際進(jìn)度）；采購(gòu)階段的設(shè)備和材料的采購(gòu)狀態(tài)信息（物資編碼、材料單、請(qǐng)購(gòu)單、訂貨單、催交記錄、運(yùn)輸號(hào)、驗(yàn)收記錄、庫(kù)管信息）；調(diào)試階段的設(shè)備調(diào)試數(shù)據(jù)等。

1000kV泰州變電站工程建設(shè)期三維數(shù)字化移交的實(shí)施，擬在向運(yùn)行維護(hù)單位移交真實(shí)的物理變電站工程的同時(shí)，移交另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬的數(shù)字化變電站。為運(yùn)維期的變電站信息系統(tǒng)和設(shè)備管理提供完整的規(guī)范化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3.結(jié)論

變電站智能三維設(shè)計(jì)平臺(tái)面向變電站全部設(shè)計(jì)階段，從方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、竣工圖設(shè)計(jì)到三維數(shù)字化移交，均采用同一個(gè)設(shè)計(jì)模型，其數(shù)據(jù)流程涵蓋各個(gè)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，涉及采購(gòu)、施工、運(yùn)行維護(hù)全壽命周期。

實(shí)現(xiàn)1000kV泰州變電站三維數(shù)字化移交具有重要的意義，通過(guò)三維數(shù)字化移交技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變電站設(shè)計(jì)成果在室內(nèi)的三維可視化展現(xiàn)，做到了設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)行維護(hù)的有效鏈接。三維數(shù)字化移交響應(yīng)國(guó)家電網(wǎng)公司“三集五大”戰(zhàn)略，是移交手段的創(chuàng)新與突破，在提升工程信息化水平的同時(shí)，提高了電網(wǎng)建設(shè)信息化水平，將電網(wǎng)設(shè)計(jì)推向標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化的新高度，并為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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（作者單位：中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院）