变电工程三维设计系统二次专业解决方案探讨

国网无锡供电公司 顾水福

中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司 赵智成

0 引言

随着电网建设难度的增加、设计的竞争日趋激烈，迫切的要求采用更先进的技术来解决好变电工程的设计、施工及运行中涉及到诸多相关的因素，提高变电工程设计的水平和服务质量。基于三维信息技术开展变电工程设计，既是电力系统发展的趋势，又是时代进步的必然。

目前我国的电力行业，发电厂工程的三维辅助设计经过十多年的摸索和实践已经趋于成熟，并且在设计中体现出了效率和效益。而在电网工程方面，三维辅助设计尚处于起步阶段，国家电网公司相关部门也已陆续发布电网工程的数字化移交规范。

目前围绕变电站三维设计问题已有大量学者开展了相关工作，并取得了一定进展。文献[1]、[3]通过工程实例探索了变电站的三维设计及数字化移交工作，实现了三维建模、二三维贯通、碰撞检查、自动工程量统计、三维漫游等功能；文献[2]以MICROSTATION为基础数据库平台，提出协同设计管理的基本思路，实现“三维设计、二维出图”；文献[4]对三维数字化设计技术的应用效果进行了介绍，对输变电工程应用三维数字化设计技术存在的问题提出了建议；文献[5]对变电站设备模型库的建设内容、建设方法进行了研究和探讨；文献[6]通过对Promis-e软件的开发运用，绘制变电站电气二次典型间隔的施工图，并论述了设计流程、效果及软件优缺点。

目前对变电站三维数字化的研究主要集中在协同设计的流程管理及电气一次、土建专业的三维设计研究方面，系统二次专业由于更多的是体现功能原理，难以具象为三维实物模型，其三维数字化设计方案研究还比较少。本文基于二次系统数字化设计现状，研究变电站二次专业的三维设计工作流程及实施方案，实现三维快速建模，二维三维有机高效协同的数字化设计手段，为施工、调试、运维提供更好的支撑。

1 系统二次专业数字化设计现状及提升思路

1.1 二次主要设计软件应用情况

目前，设计人员开展系统二次设计时，直接基于厂家提供的原理图及屏柜端子图，利用CAD工具完成端子到端子的连接。随着技术的成熟，目前借助数字化设计工具，如上海欣电生产的面向传统变电站的硬接线设计工具ELEC，可方便的完成端子排-电缆的设计，并可生成电缆清册、端子排接线表、端子排接线图。随着智能变电站的发展，需开展光缆的设计与虚回路设计。目前，开展光缆设计与虚回路设计主要采用容弗科技、长园深瑞、五采生产的设计软件。主要面向智能变电站完成光缆设计、虚回路设计、虚实对应、导出光缆清册、自动生成IPMAC地址，自动划分VLAN，生成SCD文件等功能。

随着三维技术的不断发展，基于三维数字化设计变电站被广泛认为具有直观、增强现实的优点，是未来变电站工程设计的趋势。基于三维数字化的变电站设计在很多地区被试点应用，当前主流的三维设计软件有Bently公司生产的Bentley Substation 、博超数字化三维变电设计平台STD等。

图1 现阶段二次数字化设计流程Fig.1 Current digital design process of secondary system

目前二次主要设计软件存在以下突出问题，一是每一个软件都针对一个领域完成了部分设计功能，各专业的设计工具不能单独支撑起整个变电站的设计；二是每个专业数字化设计数据相互独立，缺乏数字化设计数据共享机制，不能充分相互利用各专业数据；三是数字化设计软件在一定程度上提升了设计效率，但效率提高还有很大空间。

1.2 现阶段二次主要设计软件应用情况

二次数字化设计应用的主要软件为采用深度定制的电回路设计软件ELEC、自主研发的全景模型光回路设计软件Smartdesigner以及深度定制的敷设软件Autolay，并且通过开发软件模块接口，实现了二次系统三维数字化设计全覆盖及大部分的数据共享。软件之间接口及配合如图2所示。

图2 二次数字化软件应用现状Fig.2 The application of secondary system digital softwares

除图2中虚线部分的数据暂未实现接口以外，其余均已实现数据传递和共享。但是各部分均有提升空间，根据多年的应用经验，提升最主要的需求来自于以下三方面：跨专业数据及功能模块共享、基于通用设计与模板库的二次系统自动构建、基于平台海量数据的应用拓展。

1.3 二次专业三维设计总体提升思路

为充分利用各专业数字化设计的优势与设计成果，避免重复建模带来的额外劳动，大幅提升设计效率与设计质量。本文提出与当前三维数字化设计系统定制接口，利用当前系统中标准格式的一次接线图模型、总平面图、变电站通用设计规范开展二次设计工作。

图3 提升后的二次设计流程图Fig.3 Secondary system digital design process after lifting

为提高设计效率，建立设备、端口、屏柜通用图元库，快速完成变电站二次装置配置、组屏，形成原理设计的基础数据。利用厂家ICD、IPCD、端子排实例化装置图元与屏柜，同时与已有的虚回路设计软件进行接口约定，将设计虚回路结果，导入到本系统，自动开展装置端口、物理回路、虚回路的对应，形成施工图。

在完成上述设计各环节的设计工作后，三维平台中逐步集成了变电站土建、电气一次、电气二次数据，这些数据可为变电站施工、调试、运维、改扩建提供业务价值数据。通过利用三维数字化设计集成的设计数据，根据设计、施工调试、运维作业的业务特点，为不同的使用者呈现不同的业务数据，如对施工阶段线缆敷设的数据支撑、标牌吊牌的数据支撑、对改扩建运维检修的仿真数据支撑、对调试运维环节提供二次故障排查的支撑数据等，通过为后续作业环节提供直观的数据支撑，进一步将设计的价值延伸到变电站的全生命周期（见图3）。

2 系统二次三维设计技术实现方案

2.1 二次回路设计提升关键技术

为提高二次系统三维设计效率及设计质量，需引入接口技术，三维图元库技术、通用规则库应用技术、典型间隔连接关系配置等技术。

2.1.1 与其它设计模块的数据及模型接口

二次回路三维设计开展前，为提升设计质量与提高设计效率，需充分利用其他专业模块的设计成果。

一是与系统图设计模块、三维模型布置设计模块约定数据与模型接口，获取总平面图、一次接线图以及配置的图元、组装的屏柜信息及模型。

二是开发与电缆敷设模块接口，为电缆设计软件提供屏柜信息、端子排信息，并可获取连接好的电缆设计数据。

三是二次设计模块的设计结果（设备清册、光缆清册、电缆清册、网线清册、二次设计模型数据）可反向提供给三维设计平台进行设计数据集成、关联展示以及业务数据组织与应用。

2.1.2 三维图元库技术

为提高设计效率，对标准设备、屏柜、元件建立通用图元库，开展二次回路设计时，利用通用图元库进行装置配置、组屏、设计回路。

（1）通用智能装置图元（IED）

图4 通用智能装置图元Fig.4 General intelligent device graphic element

不同类型的二次装置拥有不同的属性，如表1：

表1 装置模型属性表（部分）Table 1 Property table of device models(part)

（2）屏柜图元的定义：

屏柜作为智能装置的容器单独建模，二次屏柜的规格相对固定，屏柜图元包含屏头、屏体、底座三部分。二次系统三维建模时，根据组屏方案把屏柜图元和智能装置图元进行组装。

（3）智能装置端口、接头的定义

装置端口有光口、电口之分。装置端口与智能装置组合时，电口默认单列排布，光口默认双列排布。

图5 光口及电口图元Fig.5 Optical and electrical interface graphic elements

光口接头、电口接头分别对应着光纤的端子和以太网的水晶头。分别对这两种类型的接头进行建模。

图6 光口及电口接头图元Fig.6 Optical and electrical adapter connector graphic elements

2.1.3 二次设备配置规则库

初步设计阶段当主接线、总平面布置确定后，根据通用设计规范二次配置部分，行成二次设备配置规则库，自动完成装置配置及组柜。

图7 二次装置配置规则库示意图Fig.7 The schematic diagram of the secondary device configuration rules

图8 二次屏柜组柜规则库示意图Fig.8 The schematic diagram of the cabinet configuration rules

2.1.4 典型间隔屏柜连接经验库

组柜完成后，利用典型间隔连接经验库，可自动完成同类型间隔的屏间原理接线，包括光缆接线、电缆接线，根据工程情况适当调整后，即可自动形成光缆连接表、电缆连接表。

图9 光缆连接经验库Fig.9 Optical cable connection experience base

图10 电缆连接经验库Fig.10 Cable connection experience base

2.2 设计实现方案

2.2.1 初步设计阶段

初步设计阶段的主要设计提升在于：基于通用设计、通用设备创建完成二次装置配置规则库、二次屏柜组柜规则库后，当主接线及总平面确定，即可自动完成二次设备配置及组柜数据及模型。

而后根据光、电缆连接经验库，可生成典型间隔连接图和光电缆连接表；根据站控层交换机、站控层间隔层设备的配置识别，可自动生成站控层网络拓扑和网线连接表。

（1）与当前各专业设计系统的接口

要求当前三维数字化设计软件可输出带有标识的标准三维模型，同时满足U3D的通用3D图形格式标准。

利用文件描述作为接口的数据交互，采用XML标准格式，对关键信息进行定义，确保接口文件的可读性。

（2）配置及组柜模块实现

根据变电站电压等级、一次接线图，按照《110（66）kV～220kV智能变电站设计规范》与《330kV～750kV智能变电站设计规范》，自动形成站控层、过程层、间隔层的主机、交换机、保护装置、测控装置、合并单元、智能终端、故障录波装置等二次装置的数量配置及通用装置的配置，自动完成典型间隔组屏。

图11 装置自动配置与组柜Fig.11 Automatic device configuration and cabinet

屏柜信息按照三维设计平台提供的接口的数据中的区域、小室分类管理。

配置完成过程中，完善图元以下属性：

表2 初步设计阶段智能装置模型属性表（部分）Table 2 Intelligent device model property table at preliminary design stage(part)

通过建立典型间隔光缆连接关系，电缆连接关系典型库，根据电压等级、间隔类型、接线形式建立典型间隔规则库，根据典型间隔规则库自动生成相同类型间隔的屏柜间连接关系。同时根据交换机配置，自动构建站控层网络。最终完成光缆清册、电缆清册、网线清册，为进一步的光电缆敷设、线缆长度估算提供准确的数据。

2.2.2 施工图设计阶段

施工图设计阶段，需要根据厂家资料对装置进行实例化，即为装置和屏柜导入准确参数（如屏柜的端子排、装置的背板、端口、装置配置文件等），实例化完成后依据初步设计阶段的原理设计结果，完成装置端口到端口的连接，最终完成详细的物理回路设计。

（1）装置实例化

依据厂家提供的装置配置文件ICD、IPCD的装置型号、装置背板端口对装置进行实例化。利用IPCD配置描述文件中的信息，填充个设备属性的背板、端口；利用ICD描述文件完善厂家信息、型号信息、软件版本信息。同时，实例化过程中，在初设阶段的基础上，完善各装置的属性信息。

图12 装置实例化示意图Fig.12 Device instantiation diagram

屏柜实例化的具体方法就是对端子排功能区域的定义、功能区端子数量的调整、免熔接光配的端口数量的定义（默认根据光缆线芯自动定义端口数量，根据使用情况调整）。

图13 屏柜实例化图Fig.13 Cabinet instantiation diagram

（2）光回路设计模块

基于初步设计的设备连接图，通过屏间的光缆或者尾缆的操作，展示光缆两侧的屏柜，及柜内免熔接光配、设备背板，同时展示免熔接光配各端口的详细定义，以指导设计人员完成端口到端口的连接。

以本间隔连接为典型间隔数据，可通过间隔复制实例化其他间隔的端口连接。对于关联到公用间隔设备的端口，按顺序自动推出可能连接的设备背板，放大端口区域，方便设计人员快速完成公用间隔设备的端口链接。

系统通过自学习算法，自动记忆各厂家的设备端口与定义的免熔接光配之间的连接关系，在后续设计时，出现相同的设备，自动进行对应连接。

（3）电回路设计模块

电回路设计延用现有软件功能，根据原理图自动生成端子排，同时进行功能提升：利用初设阶段电缆连接的设计结果，根据屏柜实例化以后导入的端子排，进行具体的电缆两端端子号配置，而后生成端子排，并更新相应原理图库的端子号。

完成电缆连接后，形成支撑施工的电缆接线指导数据—电缆连接表、装置连接模型。将完整的连接模型和电缆回路数据导入三维设计平台，与屏柜关联，支撑现场施工，一方面可在端子排接线时实现直观的一一对应，另一方面，可与实际敷设路径对应，便于问题查找。

2.2.3 基于三维设计数据的作业支撑方案

（1）施工接线指导

施工接线图、以屏柜为中心，提供每个装置的端口对应表，指导端口接线。提供设备的三维模型及详细接线信息，在移动终端上展示施工人员操作的设备，直观的指导施工人员完成现场接线、线缆敷设。

图14 施工接线指导示意图Fig.14 Construction connection guidance

图15 逻辑故障定位示意Fig.15 Logical fault location

（2）基于三维全景数据的故障定位

利用设计形成的施工图阶段的数据，为施工、调试人员提供支持故障定位的数据支撑。通过某信息回路的检索，提供查找故障的关键回路信息：区域-屏柜-装置-端口到端口的回路信息。高亮展示整个回路及设备（见图15）。

3 结论

本文基于二次三维数字化设计技术现有实施方案及大量工程实施经验，针对初步设计、施工图设计阶段设计需求，从跨专业数据及功能模块共享、基于通用设计与模板库的二次系统自动构建、基于平台海量数据的应用拓展三方面开展研究，提出二次三维设计手段提升方案。

通过模块化功能设计、数字化手段延伸，提高设计效率，实现二次三维数字化设计目标。通过创建基于通用设计、通用设备和工程设计数据的设备配置原则库及标准间隔连接库，实现配置组柜模块、自动连接模块设计，完成二次系统主要设备配置和典型间隔接线自动构建、缆材清册自动生成，设计效率可提升30%，控缆及光电缆分型号估算准确率可达90%，初步设计即达到施工招标深度要求。

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