三维设计在输变电工程中的应用

王沐雪，王紫叶，陈语柔，杨博俊

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

随着现代科学技术的发展，数字化三维设计技术已成为新一代智能设计平台的基础。自90年代以来，它已被广泛运用于工业设计、建筑设计与装备制造等众多方面[1]。中国输变电工程设计技术先后历经图版制图、计算机制图以及计算机辅助制图等主要阶段，如今凭借高质量、高效率以及高可视化等优势逐渐取代传统设计技术，不断应用于输变电工程。根据国家电网基建〔2018〕585号文件内容，自2018年下半年，国家电网公司要求新建的35 kV及以上输变电工程全面实施三维设计；在2019年1月31日印发的国家电网基建技经〔2019〕10号文件中更是明确指出，“从发文日起，对未按文件要求开展设计招标、应用三维设计的工程，原则上不予安排初步设计评审”。在此发展趋势下，研究三维设计技术在输变电工程中的应用至关重要。鉴于此，本文从三维设计技术入手，着重探讨它在输变电工程中的具体应用，剖析三维设计技术在输变电工程中的应用前景，以便为日后三维设计技术在电力工程项目中应用水平的提高奠定基础。

1 三维数字化设计技术

1.1 三维数字化设计的内涵

三维数字化设计技术是基于科学技术高速发展产生的一种新兴高科技技术[2]。所谓三维数字化设计，是指凭借整合不同时间勘测到的信息数据，在挖掘有关数据后，最终完成对综合性数据的解析。借助该技术，可以快速传递对应数据[3]。在此基础上，对输变电工程三维设计的内涵进行阐述：在搜集到工程信息、地理信息数据的基础上，通过综合应用三维建模技术和数字化协同设计技术，最终在输变电工程中不仅实现全过程三维可视化设计，还完成信息一体化。文献[4]由此对三维设计的特征进行进一步概括：

（1）具有设计标准规则。一般来说，三维设计标准分为企业级标准和项目级标准。2017年底，国家电网公司已制定印发了八项就输变电工程三维设计展开的标准。

（2）具有设计的模型。作为三维设计技术实施的具体对象，模型标准是约束各方工作、实现数据有效传递的根本，应遵循“标准统一、兼容交互、模型通用”三项原则。

（3）具有大数据的支撑。作为三维设计成果的根基，数据经由建立数据中心达成全业务的统一意义重大。现今的数据中心一般是指数据处理域、数据分析域以及数据管理域三个方面。

（4）具有不同阶段的协同。三维设计的多专业协同要求满足“一对多”数据权限访问模式。协同的实现主要依靠应用人员的三维设计技术水平。

1.2 三维数字化设计的优势

二维设计技术和相应计算机软件的结合，足以解决输变电工程中出现的较多问题。但是，在使用二维设计技术时，由于牵涉到空间相对位置，必须通过立体几何原理，将空间位置以在若干平面上的投影图的形式呈现。这存在转换与校验复杂等问题，会耗费设计人员大量精力。三维设计技术则不会存在此类问题。通过三维建模可以令设计方案以最贴合实际的形象展现出来，大大提高了可视化程度。设计人员可以随意浏览、优化设计，施工人员也可以更迅速清楚地掌握设计方案。采用三维设计技术，多样化专业的综合应用有助于提高紧密配合度，便于优化改进设计方案，还可从不同方面实现对输变电工程的精准解析，极大地提高工程的设计质量与效率。

2 具体应用

在输变电工程中引入三维设计技术，要求在数据采集、软件平台和模型搭建等方面进一步提升，这大大提高了输变电工程设计的效率与质量[4]。作为各区域电网数字化运转的技术基础，三维设计的应用情况主要体现在以下4个方面。

2.1 勘测信息挖掘技术

2.1.1 勘测信息挖掘技术

在输变电工程中，运用激光点云技术[5]、海拉瓦技术[6]等手段，逐步完成输变电工程产前和跨越统计的精细化，最终实现输变电工程勘测信息和挖掘技术更为精密的计算。

2.1.2 软、硬碰撞检测

软、硬碰撞检测主要用于模拟实体模型之间及其与其他模型之间的衔接情况。例如，辨别电气距离是否满足要求，线路交叉跨越是否有效避开。对于存在较多复杂空间的输变电工程三维设计，软、硬碰撞检测可以显著提高设计质量。

2.1.3 整合各类模型、平台

在输变电工程中，运用三维设计技术对导线、金具以及钢架构等材料进行实体模型统计，可以改变传统二维设计技术依靠人员自行统计的方法，在不同层面优化改善设计质量。同时，三维设计技术将整合各种软件的信息接口，保证三维设计信息在一次录用后可以反复选用。依靠射频识别技术与数据管理系统，还可以提高工作人员的数据统计效率。

2.1.4 优化设计和施工方案

可视化三维信息模型可以实现施工风险点的精准分析，帮助制定更有效可靠的防控措施。支持施工进度情况的模拟，进而实现人员、材料以及机具等的合理安排，提高工程进度和造价成本的可控性。

3 三维软件平台的配备

在输变电工程三维设计发展中，三维软件平台的选择和使用极为重要。就工程设计来说，清晰、简明且耗资少的软件是提升工程质量的重要基础，决定了三维设计技术的可推广性。三维软件平台的应用主要体现在三维渲染绘图设计和三维建模功能两方面。下面着重论述实现三维建模功能的三维软件平台的选择。

3.1 基于AutoCAD的三维建模

作为电力行业目前最普遍的平面绘图软件，AutoCAD具备三维绘图功能。利用AutoCAD可以实现三维绘图和动态观察，还可以检查较简单的空间位置关系，特别适用于在工程实际测量结果的基础上建模，如校验导线间距与杆塔电气间隙等。除功能完整外，利用AutoCAD进行三维建模无需再对设计人员进行培训，且大部分设计单位已经耗资获得了该软件的正版，降低了软件的投入成本，对三维建模的工程化具有一定的现实意义。AutoCAD的三维建模功能如今已趋于成熟，但仍需在其基础平台上不断挖掘、开发该软件的三维建模功能。

3.2 引入其他三维设计软件

能源安全关乎国家命脉。在能源行业应用区块链技术，必定会对传统业务模式造成冲击，故国内外对区块链在能源行业的应用十分谨慎。要将相关项目落到实处，必须有相关政策和法律的支持。目前，这项新技术在法律使用方面具有不确定性。随着区块链技术的不断发展，它极可能与法律规则存在一定程度的不兼容，会限制区块链的应用。此外，区块链技术的信任机制全然不同于传统交易，与之对应的法律尚未制定，一旦产生纠纷，立法、执法机构与企业管理者要如何利用法律手段加以处理有待商榷。因此，引入其他的专业三维设计软件如SolidWorks，并开发出一套针对输变电工程设计的三维设计系统成为必然的发展趋势。

早在2012年，国内就已经存在利用SolidWorks进行变电站三维设计的实例。该软件操作简单方便，上手迅速。为了使AutoCAD用户可以完成二维设计到三维设计的过渡，SolidWorks还提供AutoCAD模拟器。此外，该软件还支持自动导出所建立三维模型对应的二维工程图纸。与传统直接绘制的二维图纸相比，它更容易溯源校验，且更加细致精确。

输变电设计可以选择的配套三维软件种类繁多，且随着软件不断的更新换代，越来越多满足工程需要的新颖技术不断涌现。从实际应用角度看，结合输变电工程的具体状态决定最恰当匹配的软件是最好的选择。例如，在实现绘图和渲染时，选择3DMAX展现输变电工程的实际效果。最终绘制的图形包括漫游展示和清晰的效果图。

4 应用前景

设计信息作为勘测信息和工程信息的过渡，促进三维数字化设计技术的发展对数字化电网运行管理的构建意义重大。为了在日后彻底实现三维设计技术应用的推广，可以考虑从以下方面开展研究工作。

4.1 推进三维模型的普及，强调技术整合

许多厂家仍然主要提供二维模型，三维模型只出现在部分500 kV交流工程和直流阀厅中，对三维模型的推广尚有许多工作没有完成。此外，现有的一些三维模型由于建模工程量巨大，难以满足实际工程的实际进度，实用价值有待提高。作为设计软件与辅助计算机软件的信息入口，三维模型的数据接口实行统一化为日后软件的推广奠定了良好基础。

4.2 秉承同统一规划原则，不断深化三维技术的应用

三位数字化设计技术需要各专业软件的综合应用，但不同的专业软件系统分属不同单位。在这种情况下，需要相关部门带头对其进行统一指导规划。例如：确定三维技术发展目标和具体的实施步骤，分析明确的专业知识交叉点，确保软件接口统一可行，加快多领域技术融合。

4.3 建立数字化移交标准

为加强三维设计技术的应用水平，提高其研究成果的工程意义，要从统一编码系统着手，实现三维图纸标准化管理。要争取通过将三维设计技术与物联网技术相结合，最终达成输变电工程从建设、运行到管理全过程的数字化建设。

5 结 论

在科学技术不断更新发展的大环境下，三维设计技术得以兴起，并逐渐应用于社会多个领域。因此，在输变电工程中引入三维设计技术，是促进电力系统发展的必然趋势。本文从输变电工程三维设计技术的内涵入手，得出该技术可以极大程度地提高设计过程的效率与设计产品的质量，因此将其应用于输变电工程极具必要性。此外，本文着重探讨了在输变电工程中三维设计技术的四项具体应用和三维软件的配备问题。其中，具体应用分别为勘测信息挖掘技术、碰撞检测、优化设计和施工方案、将各类模型与平台进行整合。最后，本文就三维设计技术在输变电工程中的应用前景展开讨论，希望可以促进我国电力行业向着更加美好的未来发展，提升我国科技化水平。