基于3D－CAD技术的智能变电站三维数字化设计探索

朱晓峰，袁敏，徐伟明，方景辉，吕勤

（嘉兴恒创电力设计研究院，浙江嘉兴 314033）

基于3D－CAD技术的智能变电站三维数字化设计探索

朱晓峰，袁敏，徐伟明，方景辉，吕勤

（嘉兴恒创电力设计研究院，浙江嘉兴 314033）

基于浙江嘉兴110千伏新生智能变工程设计的深化应用，提出了数字化三维变电设计与移交平台，对3D－CAD技术在变电设计与光电缆敷设中深化应用做了详细分析。由于面向全寿命周期，全过程采用一个统一的设计模型，涵盖电气各专业并实现协同设计，开创了智能变电站设计技术的新天地。

3D－CAD；数字化设计；协同设计；全寿命周期；光电缆敷设

0 引 言

随着信息技术的高速发展，三维数字化设计凭借其可视化、精细化等优势，在工厂、电厂设计中得以推广应用，逐渐成为设计领域的发展趋势［1］。

从电网项目全寿命周期管理的角度看，设计过程是工程信息建立的过程，其信息将作用于采购、施工、运行、维护和资产管理等全寿命周期，也就是说“设计是电网信息的源头”。

1 智能变电站设计需求

1．1 传统变电设计工具

传统变电设计以二维图纸为表达模式，主要依赖设计者的空间想象力和制图技能完成空间设计，对工程总体空间布置的经济技术比较和优化缺乏控制，同时与以数据库为核心的电网信息化系统很难对接。

1．2 智能电网与智能变电站设计需求

在国网公司提出“智能坚强电网”、“数字绘画电网”后，特别是智能变电站建设进入推广应用阶段，对电网设计的技术创新、效率与质量提出了前所未有的要求。

在信息技术日新月异的今天，只有作为源头的电网设计率先实现信息化，才能为整个电网的信息化提供强劲的数字化引擎。

因此，如何在智能化变电站建设中利用新技术，实现智能化、自动化、标准化三维数字化设计，提高电网工程信息管理整体水平，已成为各电力设计单位关注的焦点之一。

2 数字化三维变电设计与移交平台

数字化三维变电设计与移交平台［2］以专业设计软件为主体、以数字化为核心、以三维为手段，以大型网络数据库为支撑，将变电设计中包含的电气、结构、建筑、水工、暖通、总图等专业的设计工作集成到统一的系统上，具有数字化、自动化、标准化、精细化、可视化等五项设计特点。

图1 平台集成架构

整个平台架构［3］由项目管理子平台、全专业七个专业的设计子平台、专业化的协同设计子平台、数字化移交平台等组成，所有子平台和功能模块都采用统一的大型工程数据库管理，所有子平台统一规划、标准化研发，形成具有完整的专业设计流程，如图1。

3 3D－CAD技术在智能变电站设计中应用

数字化三维变电设计与移交平台实现各专业的协同设计，避免由于传统互提文件资料方式带来的信息不一致的问题。

变电3D－CAD设计系统由协同设计子系统、专业设计子系统、数字化移交接口子系统构成。其中专业设计子系统涵盖了电气一次设计、电气二次设计、结构设计、总图设计、建筑设计、水工设计、暖通设计等专业设计软件。

3．1 数字化主接线设计

由主接线图自动提取短路计算阻抗图，进行短路电流计算。将设计图纸中的信息上传到网络工程数据库中，使得图纸内容与数据库信息一致。并与布置模型联动。主接线数字化设计流程［4］如图2。

图2 主接线数字化设计流程

3．2 创建三维变电站布置图

在进行三维设备布置时，主接线模块自动从项目数据库中获取设备清单，以列表形式显示，方便选取。二维原理图和三维布置图的设备参数可以实时共享，并相互导航。若二维原理图发生更改，通过刷新数据库信息，三维布置图可以自动进行更改。

3．3 防雷系统设计

使用折线法和滚球法完成避雷针及避雷线的联合保护计算，生成防雷保护范围图和计算书，在三维界面上查看设计成果，如图3。

3．4 安全净距校验

采用全专业的三维设计模式［5］，创建包括3D设备、导线、金具、绝缘子串、控制楼、道路等信息模型，基于三维的变电站信息模型，采用关键点的效验方式，灵活完成效验工作。效验过程中，软件可从底层数据库中获取到允许的安全值，以方便校验；安全值标准库可以扩充和编辑，如图4所示。

图3 防雷设计三维模拟仿真

图4 安全静距校验

针对智能变电站的全新特点，智能变电站二次设计模块［6］的设计方法主要分为IED设备信息流图（图5）、IED设备虚端子图、IED设备逻辑连线图、IED设备配置表共4部分内容。该模块直接读取厂家的IED设备的接点信息，由设计人员在设计软件界面上进行接线信息定义，设计结果直接保存在项目数据库中。依据项目数据库，软件可以自动生成IED设备逻辑连线图、交换机端口接线图和IED设备连接信息表。

图5 IED设备虚端子图

4 全寿命周期管理与数字化移交

变电项目全寿命周期管理的关键是实现变电工程信息在全寿命周期的流动与共享。全寿命周期的源头是设计，在信息化设计时代，设计阶段不仅仅是完成常规的设计工作，也是整个工程信息的建立过程，没有设计的信息化，就没有数字化移交，也就无法实现工程的全寿命周期管理。

图6 全寿命周期管理

变电工程全寿命周期管理是一项系统工程，由规划设计、采购施工、运行维护等不同阶段组成，如图6。数字化三维变电设计与移交平台的工程数据库中具有所有设备完整的工程信息、参数信息与编码信息，平台从工程数据库中提取完整的信息，根据业主指定的移交对象的系统要求，定制数据通道（接口），由此实现数字化移交。上下游阶段之间相互关联的信息系统间的数字化移交，就构成工程的全寿命周期的管理的基础。

5 3D－CAD技术在光电缆敷设中深化应用

5．1 光电缆敷设现状

光电缆敷设是电气设计中较为复杂繁琐的环节。光电缆的路径敷设，长度统计，光电缆清册的编制，光电缆走向、根数、编号、型号规格等工程参数的标注全部需要手工完成，需要耗费大量的人工。即便如此，在工程设计中还是无法保证设计结果的正确，更谈不上设计方案的优化。

三维协同设计是工程设计行业发展的必然趋势，目前普遍采用的二维设计手段无法满足空间碰撞检查的要求，而采用国外三维工厂设计软件绘制桥架，只解决了光电缆桥架与工艺管线等的空间碰撞检查，但与电气专业的桥架设计和光电缆敷设不能关联，因此仍然无法满足电气专业的设计要求。

5．2 光电缆三维敷设软件技术

本研究存在的不足：（1）相关指标的最优截点值得选取不一，本研究采用ROC曲线兼顾敏感性和特异性来取截点值，其他方法获取的截点值可能会对结果产生影响。（2）本研究属于单中心回顾性研究，统计结果可能会出现选择偏倚，故需多中心的前瞻性随机对照研究进一步证实这些炎性指标在预测胃癌患者生存预后中的重要价值。

数字化三维变电设计与移交平台的光电缆敷设软件模块旨在解决光电缆敷设智能化及空间协同设计的难题。通过读取电缆清册的逻辑信息，结合平面设备布置及路径，自动进行电缆优化敷设、精确统计电缆长度，从根本上杜绝了人为失误，保证了设计质量，设计速度提高80%以上。

5．3 光电缆敷设软件模块的主要功能

光电缆敷设软件模块可参数化完成三维光电缆通道系统（桥架、埋管、光电缆沟等）的创建；可参数化创建多层桥架；可修改、编辑三维光电缆通道系统；可完成三维光电缆通道系统的材料统计、各种方案的成本分析；可优化光电缆通道系统的设计，如调节桥架层数、截面等。设计模块可以准确地计算出光电缆通道系统及光电缆的材料。可按照默认规则（容积率限定、电压匹配、最短路径）自动完成光电缆敷设，生成电缆清册。光电缆及桥架库采用简捷方便的工具进行编辑和扩充，方便地完善数据库。其详细说明见表1。

表1 光电缆敷设软件模块功能

5．4 光电缆敷设软件的设计流程

光电缆敷设软件模块采用优化后的设计流程，所有设计信息均能从已有设计结果中自动提取，无需手工输入，如图7。

图7 光电缆三维敷设设计流程

5．5 光电缆敷设软件模块的技术特点（见图8）

（1）采用二、三维一体化的技术，既具有三维设计的优点，又充分兼容二维设计习惯，能完成全部相关施工图设计；

（2）采用独创的优化算法，内嵌多种敷设规则，包括电压匹配原则、容积率限定原则、最短走线原则、强制走线原则，根据不同规则组合进行优化敷设，具有自动敷设和强制敷设功能；

图8 二次设备室光电缆桥架系统设计

（3）实现高压、低压、控制、信号电缆的自动分层敷设，敷设结果精确到桥架的每一层。电缆长度统计精确，在综合考虑各种余量的基础上进行汇总；

（4）与数字化三维变电设计和移交平台的其他设计模块实现双向无缝对接，完成基于整个三维数字模型的深度共享，实现双向碰撞检查与材料汇总。

（5）拥有完善的桥架及接头数据库，包含大量桥架及接头形式与外形数据，自动处理各种复杂空间走向。

（6）基于标准电缆选型表，完成电缆选型校验功能；可自动生成电缆清册及桥架系统材料表。

6 结束语

通过数字化三维变电设计与移交平台的应用，使得智能电站设计更加快捷有效，提高了设计效率和质量。数字化三维设计平台是电网变电设计技术的一个里程碑，它开创了变电设计技术的新天地，将电网设计推向标准化、智能化、数字化、自动化的新高度，为智能电网的深入实施提供了坚实有效的数据基础。

［1］张振．论三维设计系统在电力系统中的应用［J］．科技资讯，2010，8（26）：135．

［2］王志毅．智能化三维变电设计平台的应用［J］．华东电力，2011，39（5）：750－752．［3］林榕，李中，蔡桂华，等．智能变电站三维设计系统构建［J］．中国电业（技术版），2012，2（6）：27－30．

［4］冉瑞江．Bentley软件在变电站三维数字化设计方面的应用与探讨［J］中国电业2012（5）：43－45．

［5］李文杰，付华臣，史欢，等．基于Microstation的变电站三维数字化设计．［J］电气时代：供配用电，2012（6）：84－86．

［6］李颖瑾，李波，李绍生，等．变电站三维设计的应用探讨［J］．中国电业，2012（4）：26－28．

An Exploration of 3－dimensional Digital Design of 3D－CAD-based Smart Substations

ZHU Xiao-feng，YUAN Min，XUWei-ming，FANG Jing-hui，LYU Qin
（Jiaxing Hengchuang Electric Power Design＆Research Institute，Jiaxing Zhejiang 314033，China）

Based on in-depth application of engineering design at Zhejiang Jiaxing 110kV Xinsheng smart substation，this paper presents a 3－dimensional digital substation design and handover platform，and makes a detailed analysis on in-depth application of 3D－CAD technology in substation design and optical cable laying．As it serves the entire life-cycle，the platform adopts a unified designmodel in the whole process，covering all electrical domains and realizing collaborative design．Thus，it opens up a new field for smart substation design technology．

3D－CAD；digital design；collaborative design；entire life-cycle；optical cable Laying

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．020

TM76

A

1000－3886（2014）04－0059－03

朱晓峰（1982－），男，浙江海盐人。工程师，硕士，主要从事电气设计工作。 袁敏（1985－），男，江苏扬州人，助理工程师，硕士，主要从事电气设计工作。 徐伟明（1983－），男，浙江德清人，工程师，硕士，主要从事变电二次设计及智能变电站设计及关键技术研究。 方景辉（1981－），男，陕西西安人，高级工程师，本科，主要从事电气设计技术研究与管理。 吕勤（1971－），女，浙江嘉兴人，高级工程师，本科，主要从事电力经济技术管理。

定稿日期：2013－10－22