变电站三维协同设计的应用探讨

陈莉

摘 要：近年来，我国电力事业发展迅速，且较好地满足了人们日益增长的用电需求。变电站作为电力系统中变化电压以及接受、分配与控制电能的主要场所，对于电力运行的效率和安全具有重要影响。为了进一步提高电力系统的安全性和稳定性，探索变电站内在的协同机制。该文从变电站的角度出发，引入三维协同设计技术，通过对变电站三维协同设计的优势进行分析，在结合其设计原理和思路的基础上，对变电站三维设计的方案展开了深入研究。研究结果表明，在三维协同设计方案确定之后，放在变电站当中进行具体实践，实效性显著。

关键词：变电站 三维协同设计 PDMS平台

中图分类号：TM769 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0052-02

对传统的二维变电站设计进行分析可知，其不仅具有庞大的工作量，而且在设计发生相关变更时，其所修改的内容难以相互联动，无法满足精细化生产管理的要求。因此，加强对新型变电站设计方法的研究并改变传统二维设计模式下变电站工作的局限性，进而提高变电站多专业协同作业的效率已成为当前电力领域需要解决的关键问题。基于此，该文提出了三维协同设计的变电站布置方式，以期为提高变电站多专业协同作业效率和实现其精细化设计提供有价值的参考意见。

1 变电站三维协同设计的优势

1.1 变电站三维协同设计概述

变电站三维协同设计是以三维数字化设计系统为支撑的，通过借助三维设计手段将变电站设计过程中涉及到的建筑、水工、以及电气、基础设施结构和暖通等多专业设计工作共同集中到数字化设计系统中，从而实现不同专业领域的协同设计，在避免基于传统互提文件资料形式而产生的信息不一致问题的同时，提高变电站设计的精细化水平，最终，确保用电安全并满足人们的用电需求[1]。

1.2 三维协同设计优势

变电站的三维协同设计主要具有以下几方面优势：首先，满足变电站精细化设计的要求，能够对处于三维空间中的变电站之间的距离进行准确的校验，并能够以全面且准确的材料统计数据降低碰撞与冲突发生的可能性。其次，此种变电站的设计方式能够满足多专业协同设计的需求，将不同专业放置在一个统一的平台中进行分析和设计，进而从整体上提高各个专业协同工作的效率，降低接口错误发生的概率[2]。最后，三维变电站模型能够为业主提供较为真实的变电站三维空间展示效果，同时，以专业化的变电站数字化平台实现其生命周期管理，从而为变电站工程的后期养护与维修提供便利。

2 变电站三维协同设计原理及思路

变电站的三维协同设计是以其三维数字化设计系统为基础的，主要包括了专业设计子系统、协同设计子系统以及数字化移交接口子系统。通过将全站不同专业的三维模型作为主要依据，变电站协同设计子系统利用其后台网络数据库，并借助图纸、数据相结合的参考机制，从而实现同一工程下的不同专业的协同设计。在协同子系统方面，不同专业则各司其职，即负责本专业的具体工作，并尽可能地参考其他专业的有效设计数据及图纸，为其协同管理平台的设计提供信息支持。此外，协同子系统还能够根据各工程单位对其内部的设计资料进行科学划分，进而统一各专业间的设计环境[3]。同时，以统一的定位点作为基础，引入系统工程管理来实现不同专业的协同设计。在成品图纸与中间产品图纸方面，则以不同的专业进行区分后分别存入系统，方便用户对其查看与编辑。当基于全站的三维模型建立完毕后，以三维碰撞检查的方式对是否存在碰撞风险进行衡量和判断，若在检查过程中产生碰撞，便将碰撞的结果回传至相关专业进行修改，从整体上确保变电站三维模型的科学性和有效性。

本文对变电站三维协同设计选取的是PDMS三维设计平台，其最大的优势就在于能够对第三方语言支持其内部数据库操作予以良好的支持。因此，选取面向对象开发相对成熟的C#语言作为主要的程序开发语言，同时，将PML语言作为其内部执行语言，用以提高PDMS的执行效率。在数据库方面，由于SQL数据库具有较强的稳定性和较为清晰地结构，且能够对基于C#语言的数据进行快速查找，因此，选取SQL数据库作为变电站PDMS的系统数据库。以上述组织方式为基础，变电站三维协同程序的设计便可在PDMS当中运行，通过将C#语言直接写入程序，进而为PML利用批处理文件实现对数据的写入奠定良好基础。

3 三维协同设计方案

3.1 电气系统模块设计

电气系统模块的设计主要包括电气设备建模定位以及悬线布置和安全距离校验等方面的工作。

首先，对电气设备建模定位。设计思路为：对项目系统回路中的设备名称以及设备的排列顺序进行自动检索，从而生成回路中的各类设备模型并实现各设备模型的定位。电气设备模型定位的实施方式主要有两种，分别为：（1）轴网定位，事先选出两条交叉点进行定位，在向其中加入第三个方向的偏移实现设备的定位；（2）相对定位，以当前其他设备的位置为依据进行定位[4]。此外，电器设备模型还需根据其轴网定位或是相对定位实现联动功能，即此设备同选定其当前位置的参照物进行联动，当轴网或是相对设备本身发生位置偏移时，设备应自动更新定位。

其次，进行悬线布置工作。设计思路为：选取悬垂线最大弧垂与两处挂线点的高度作为参考，进而对悬线在三维空间中的形态进行模拟，同时，对三维空间进行检查，判断其是否满足具体的设计要求。实施方案如下：對悬线进行分析可知，由于其在空间是具有相对位置的方位的，而绝缘子串则以大量金具的空间的非直角形式存在。因此，可利用PDMS对架构上挂点进行确定的方式实现悬线同绝缘子串的连接。还需说明的是，由于绝缘子串是由用于连接的金具和片数可变的绝缘子共同组成的，故可通过定义模板的方法来实现其空间定位。对于用户而言，只需指定模板的类型以及所需的绝缘子片数即可[5]。

最后，进行安全距离的校验。由于变电站三维协同设计是多专业基于统一数据库进行工作的，而一类变电设备能够对其周边特定范围内具有特定含义的元件进行捕捉，因此，为带电设备全距离校验工作的实现提供了可能。根据《电力工程电气设计手册》，根据不同等级的电压，将不同工况下带电设备的安全距离以数据的形式输入至SQL数据库中，确保相关数据的安全性。同时，系统设计人员在项目设置中对各类带电设备的电压等级进行规定，从而确保安全距离校验数据的准确性和权威性。安全距离的校验主要包括两种形式，分别为单个检查和批量检查。在单个检查方面，校验人员可先将某一配电装置打开，进而对其单独工作下的安全空间进行确定，同时进行碰撞检查与区域显示，从而获取实时碰撞结果。在批量检查方面，当所需检查的设备较多且工况较为复杂时，则可向系统提交检查请求，服务器端则在制定的时间内对全部的提交的检查申请的数据进行安全距离的校验，并将结果存入数据库中工用户和电力维护人员查看。

3.2 变电土建模块设计

变电土建模块的设计工作主要包括了沟道布置、道路布置与架构布置三方面工作。

首先，进行沟道布置。建立专用数据库，实现对变电站电缆沟道的材料统计。当前，电缆沟道的等级主要由0.4 m×1.0 m、0.6 m×1.0 m、0.8 m×1.0 m、1.0 m×1.0 m、1.2 m×1.0 m和2 m×1.0 m，在按照设计图纸和具体工况对沟道进行上述等级的分层后，便可建立起沟道系统，即主沟道、次沟道以及主次沟道的T型连接和L型连接程序，从而为用户对沟道的快速建模提供依据。在具体实施方面，由于PDMS是三维建模工具，并不具备结构计算功能，因此，可先在土建结构中加入荷载，并将中间文件安全导出，在经PDMS接口程序的处理后，生成符合PKPM（建筑工程软件研究所）规范的数据，并进行计算，生成沟道施工图纸。其次，进行道路布置。变电站三维模型中道路布置的实现方法同沟道布置方法相似，也由结构截面拉伸形成[6]。以参数化道路90°直角的可变参数弯路为例，该元件为90°固定直角的转弯道路，出入口的长度以及宽度和高度与转弯半径均能够自由调整。将元件的origin点设置为其出入点的交接口，利用PDMS以土建的方式实现道路设置，进而实现系统对道路的安全距离校验，确保道路布置的合理性。最后，进行架构布置。变电土建架构由人字柱和三角柱两部分组成，以专业提资的要求为依据，将爬梯、鼠笼以及避雷针等设置在架构柱处，并通过程序开发以模板的形式生成。

4 应用案例

以户外矿山变电站的三维协同设计为例，目前，矿山变电站的三维协同设计平台是基于PDMS的软件集，而PDMS则是面向基础设施设计及其构造与运营的一类综合型软件平台产品，不仅具有较高质量的施工进度模拟功能，而且还能够对变电站结构及基础设施的施工漫游动画的录制和播放予以良好支持。以我国重点能源工程500 kV苹果二变电站的设计为例，其是我国南方电网全面贯彻和落实西电东送战略方针的关键项目。选取PDMS的MicroStation軟件集作为其三维协同设计平台，就现阶段而言，利用PDMS软件进行变电站的协同设计仍然存在着诸多方面的问题，具体表现为：（1）多分裂导线问题。当前PDMS软件平台并不能够对四分裂及以上的导线挂接问题予以良好的解决；（2）电气设备距离校验问题。当前，PDMS软件的使用大都是在全部电气设备和土建模型被精准确定后进行的，而设计人员并不能对全部电气设备间的距离进行确定时，便会采取逐点手动测量的方式对设备间的最短距离进行校验，从而在增加了电气设备距离校验工作量的同时，也使得校验所得数据的误差进一步加大，影响了校验工作的结果[7]。

为了解决上述问题，在PDMS软件平台上可进行二次开发，并将部分软件群进行集成，从而提高多分裂导线和设备距离校验问题的解决效率，具体做法如下：首先，尽可能全面收集变电站三维协同模型的设计依据与技术资料，如施工现场的各类数据和电气设备的相关数据，从而为变电站的三维精细化设计奠定良好基础；其次，在PDMS三维平台下，由于三维图纸是以电气设备主接线图为依据进行设计的，因此，应率先开展工程接线图与原理图的设计和制备工作，并将其置于同一个ID上，确保其使用的数据库源具有较高的统一性。其次，建立基于PDMS的工程三维信息模型，并对各类电气设备的属性库与设备模型库进行分别设计，以良好的三维信息模型为PDMS三维协同平台的设计提供全面且准确的信息。在此基础上，进行电气设备的碰撞试验，即对电气设备是否同其他专业设备的三维模型发生位置碰撞进行检查。需要说明的是，在检查过程中，应尽可能地将设备检修与其他操作进行空间实体化，进而提高碰撞检查结果的准确性和可靠性。最后，制定好各类建筑物与电气设备的颜色，并利用PDMS软件集向设计人员提供二维与三维的色彩效果图，确保出具的色彩图同实际设备颜色相统一，进而制作出变电站全站的漫游动画，以供设计者和业主参考。

5 结语

该文通过对变电站三维协同设计的概念和优势进行阐述，并结合其设计原理提出了基于PDMS三维设计平台的变电站三维协同设计思路，在此基础上，分别从电气系统模块和变电土建模块两方面对变电站的三维协同设计方式做出了系统探究，以我国重点能源工程500 kV苹果二变电站的设计为例，对PDMS平台和软件集在变电站三维协同设计过程中应用的问题和解决方案展开了全面研究。可见，未来加强对变电站三维协同设计方法的研究和应用力度，对提高变电站设计的精细化程度和提高变电站不同专业协同工作的效率具有重要的现实意义。

参考文献

[1] 王磊.三维协同设计在裕隆换流站设计中的应用[J].工程建设与设计，2012，10（12）：126-128.

[2] 项玲，邵俊伟，谭海兰，等.智能变电站的三维协同设计[J].中国电业：技术版，2012，11（6）：454-459.

[3] 朱晓峰，袁敏，徐伟明，等.基于3D-CAD技术的智能变电站三维数字化设计探索[J].电气自动化，2014，4（16）：59-61.

[4] 赵雅媛，许万军，韩永兴，等.智能变电站三维设计在陕西院的发展与应用[J].电力勘测设计，2014，4（16）：8-9.

[5] 郝健，尚光伟.三维协同软件在变电站综合楼结构设计中的应用[J].黑龙江科技信息，2014，1（4）：58-59.

[6] 李波.基于ProjectWise的变电站三维协同设计[J].中国建设信息，2013，10（11）：36-39.

[7] 屈力刚，王伟，巩亚东，等.基于MAS的网络化三维协同设计[J].东北大学学报：自然科学版，2011，5（14）：718-721.

[8] 赵海超，王强，刘敏.基于VPM的教练机三维协同设计技术应用研究[J].教练机，2011，3（6）：23-27.