三维设计在电网和变电站建设中的应用与实践

曹盛 杨睿博

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200001)

1 三维设计的特点

(1)数字化时代的到来，使得职能电网在建设过程中对变电工程提出了更高的要求，如今，国网公司中已经逐渐建立起了数字化移交系统和工程数据中心，同时，要求在新建工程中实现设计成果的数字化移交。在传统的CAD模式下，使用图纸修复制的作业模式，无法进一步提升其质量和效率，设计成果也便失去了生命周期的数字化移交能力。变电站的建筑物和设备在三维设计技术条件下，能够从三维空间中建造出来，并且能够结合变电站所涉及到的各个专业。在协同设计工作平台中，各个专业能够掌握其他设计人员的成果，通过进行专业之间的沟通，可以对工程方案予以完善。(2)变电站的三维设计工作中包含了电气、结构、建筑以及水暖等功能，将工程数据库作为主要内容，可以通过数据来驱动三维模型，最终完成自动出图效果，从而有效提升设计工作质量和设计工作效率[1]。

2 数字化三维设计技术在电网和变电站中的发展情况

快速发展起来的数字化三维设计技术以及设计方法越来越受到了电力行业的广泛关注，对于数字化三维设计技术，电网行业提出了更加严格的要求。于2016年，电网行业针对数字化三维设计明确提出了推广计划，并且积极开展了工程数据中心的建设工作，提出了在变电站设计中创新使用三维设计技术的要求，确保工程数据中心建设工作有目标、有计划地开展。于2017年，在全国范围内又开展了和数字化三维技术有关的调研活动，其中，活动的内容包含书面和实地调查两种，针对目前电力企业、施工单位以及设计部门关于数字化三维技术的需求和使用展开了探究，为了能够顺应我国的电力行业发展趋势，一些设计单位开始转型，在此过程中还融入了建造资源、设计资源、运维环节资源以及采购资源等方面的内容，以此来满足设计单位的基本业务需要，这样一来不仅提升了设计单位的设计水平，同时也拓宽了设计单位的服务范围[2]。

3 三维设计在电网和变电站建设中的应用与实践

3.1 数字化三维设计线路选线

对于传统的电网设计工作而言，线路路径的优选主要是凭借工作人员的自身经验来完成的，而数字化三维设计技术的使用能够用动态的规划思路解决比较复杂的问题，整个优化过程会用到递推的方法来予以分段，从而确保整个过程最优化，以此来为企业决策管理人员实时决策工作提供可靠的依据。就我国电网线路的铺设工作而言，南方和北方的电网线路铺设存在着差异，南方沿途地形比较复杂，需要铺设的电路相对较长，线路铺设准确度极高，能够对输电线路实现快速、准确的优化排位，在选择好起始点和终点之后，需要在数字化三维系统中建立矢量地理信息，同时，还应该合理设置障碍物的缓冲半径，数字化三维系统的使用能够自动选择出满足该工程的多条线路路径，分析输电线路可能带来的影响，并且在设计交互的过程中也能够有效避免自然保护区以及风景名胜区等重点设施，一旦出现问题就会及时发出警告[3]。智能完成多条路径的选择之后，还需要结合手动选项的方式来优化智能选项的路径。

3.2 搭建基于IPD模式的项目协同机制

将IPD协同管理模式应用到变电站项目建设工作中，能够建立出一个具有多方合同契约关系的单一目标实体，也就是由各个项目参建方建立一个团队，这样一来，各个参与方就拥有一个共同目标的责任实体，而不再是孤立的关系，如图1所示。设计院，供电公司，施工方以及其他项目参与方的项目领导小组负责项目管理工作，为各项具体工作的开展提供支持。

图1 SPE组织模型

图2 变电站总平面三维图

3.3 编制基于BIM的三维协同设计流程

BIM建筑信息模型技术作为国际项目管理界公认的一项能够推动工业生产力革命的技术，能够有效解决长期影响项目管理工作开展的大量基础信息以及工作中遇到的难题，从而真正实现信息集成化。BIM技术的使用，能够使供电公司在原有变电站业务流程继续开展的基础上，对三维协同设计流程予以优化。同时，供电公司还应该编制《设计变更管理规定》、《设计过程控程序》以及《三维数字化设计平台数据管理制度》等制度，对变电站的建设过程予以规范，为开展快数据协同工作，跨专业工作提供可靠的依据，以此来有效强化变电站项目建设工作质量和建设效率[4]。

3.4 搭建三维数字化设计平台系统

三维数字化设计平台的搭建，应该以变电站的实际需求为导向，并且对所用软件从数字化功能、三维设计以及服务支持等方面进行评价。通过业务专家的专审评估，以此来确定三维数字化设计平台的建设工作。在完成输变电工程数字化设计平台一期搭建工作之后，还应该实施全专线设计、碰撞检测、实时协作以及开放接口和CAD出图。

4 三维设计在变电站工程的应用

4.1 应用实例

(1)如下以某220kV新建模块化的智能变电站攻城为例，对三维设计在工程项目中的应用展开探讨，并且结合了变电一次，变电二次以及土建等专业的协同设计，对目前三维设计工作中存在的优点以及不足之处展开了论述。

(2)变电一次，变电二次以及土建专业在工程设计阶段，可以借助设计平台固定基准点的方法，在变电站总平面上协同开展设计工作。基于变电站工程项目的实际情况，土建专业应该结合国家电网模块化的建设需要，分别落实装配式的大门，围墙，构筑物模块以及建筑物的设计工作。并且要对变电站建筑物围墙大砌块石、建筑物墙板、门窗型式以及墙体装饰板等材质和尺寸进行赋值；对变电站中电缆埋管布置、站内墙体开洞以及站内事故油池等实现三维设计与展示。电气专业还应该按照国网公司的通用设备模型，有效落实电气设计工作，并且使用各种设备参数进行赋值。三维设计平台不仅能够校验导线拉力，同时还能够计算常规短路电流以及计算蓄电池容量等，通过使用软件完成计算工作并且在将计算书自动导出，不需要单独开展计算赋值工作，该项工作的实施能够在一定程度上有效缩短设计周期[5]。不同专业的设计人员设计工作的执行应该严格遵循国网公司提出的“三通一标”的要求，同时，设备厂家也应该根据国网公司的通用设备来制定生产计划。如此一来，才能够将各个专业之间的设计工作实现无缝对接。与此同时，由三维设计平台所提供的CAD图纸导出功能和二维视图界面功能，能够为设计人员根据需要进行选择提供便利，图2是变电站三维总平面图。

(3)完成变电站总平面图的设计工作之后，各个建筑物的正面图，俯视图以及立面图都能够根据工程项目的实际需要自行生成。而电气专业的间隔断面图以及配电装置图不需要再次绘制，只需要从总平面图中进行切割即可，各项设备的参数也能够自动生成。如果需要调整总平面图，各个断面图以及配电装置图都能够自行调整完成，在此过程中，无需大量的人工操作，从而有效降低设计过程中可能出现错误的几率。

4.2 现阶段三维设计的不足之处

从上述内容分析可得，变电站三维设计平台的使用具有明显的优势，并且已经被越来越多的设计单位广泛采用，和常规的二维设计平台相比，三维设计平台的使用不仅能够有效提升设计工作效率，同时还能够最大限度降低可能出现设计错误的几率，从而有效确保工程设计质量。除此之外，尽管三维设计具有很好的使用前景，但是，目前仍然处于试点应用阶段，在实际运用的过程中仍然存在着以下方面的问题：(1)国网公司的设备模型库不健全，尽管主要的设备模型都有，但是一些辅助设备缺失，比如，消弧线圈，变压器中性点设备以及保护测控等二次设备模型。这些模型的不统一现象就会造成各个设计人员和厂家建模形式的多样化。(2)设备建模的技术要求和深度仍然需要进一步加以明确，建模的基本图元不明确。(3)各个设计单位的三维设计成果如何才能实现信息共享、三维设计移交之前的范围、工程竣工资料以及三维设计的深度和格式要求仍然需要进一步明确。

5 三维数字化的发展阶段和目标

可以将电网工程的三维数字化设计分为起步阶段，发展阶段以及成熟阶段。如今，我国三为数字化设计已经度过了起步阶段，正在经历着发展阶段，这一阶段正是攻坚克难的时期：(1)起步阶段使用了三维数据化设计相关概念，并且初步用到了电网工程，这一阶段需要实现的目标是完成可视化展示以及设计成果的数字化移交。(2)发展阶段逐步实现了各项标准的制定，完成的数据交互，平台功能以及信息处理等问题，该阶段需要达成的目标是深度应用重点工程，以此来有效提升设计工作质量火综合效益，并且逐步实现整个产业链的参与。(3)成熟阶段形成了完善的行业标准体系以及国家体系，确保工程设计全面实现了数字化，并且实现了对设计成果的广泛应用[6]。

6 结语

总而言之，目前三维设计工作仍然处于试点阶段，但是，其推广使用已经势在必行。在后期发展过程中，国网公司应该严格按照“三通一标”的要求，对通用设备的模型加以细化，并且还应该完善公用设备模型。与此同时，需要做好设计深度要求，模型创建技术要求以及成果移交要求等方面的细化梳理工作，同时还应该出台相应的文件，真正达到工程项目三维评审、三维设计以及三维移交的目的。