新基建下变电工程数字化建设中设计模型应用

王波

（贵州电网公司，贵州 贵阳 520002)

“数字电网”是让数字化、智能化为电网运营赋能，提高电网安全稳定运行水平，提高对复杂大电网的驾驭能力，实现电网全环节和生产全过程的数字化[1]。

生产全过程数字化从构建数字孪生变电站开始，就是把变电站的各种设备数据汇聚，构建一个变电站的孪生仿真镜像，而所有数据需要一个载体，一个能承载这些数据的直观物理对象，就是变电站工程数字化模型。因此实现变电站全过程的数字化势必应从数字化建设开始。

随着电子技术、信息技术、网络通信技术的高速发展，变电站设计正在向着以数据、信息模型为核心的三维数字化设计方向转变。设计对象数字化已是最为基础性的工作，特别是设计对象模型的通用性、数据可交换性等要求是符合南方电网公司在输变电工程数字化移交标准中的重要要求。因此，有必要从数字工程建设角度对变电工程三维数字化设计成果的模型范围、深度、标准化要求及应用前景进行深入分析研究。

1 三维数字化设计建模范围和深度

1.1 总体原则

变电工程模型是由多个设备模型构成的一个完整的数据，包含了设备之间的逻辑关系、属性信息等。三维数字化设计模型包含几何信息、属性信息、附加文件等。三维设计模型框架包括4部分内容，分别是：属性集、组件类、物理模型、工程模型[2]。

属性集包括工程参数、电气参数、力学参数、材料参数、几何参数、位置参数等。

几何信息可采用基本图元、参数化模型、实体模型进行描述。

初步设计阶段应建立满足初步设计内容深度规定要求的设备设施通用模型。

施工图及竣工图设计阶段应建立满足施工图设计内容深度规定要求的设备设施产品模型，其中电气主设备应根据中标厂家实际产品外形建立三维模型，建构筑物及基础应根据实际外形建立三维模型。

1.2 电气一次

1.2.1 建模范围

包括变压器、断路器、隔离开关及接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、电抗器、电容器、支柱绝缘子、开关柜、架空导线、母线等设备以及布置的三维模型及其主要属性信息。

1.2.2 建模深度

建立设备模型，包括设备本体、安装底座、绝缘子套管、接线端子、均压屏蔽装置等主要外轮廓，安装底座、接线端子板的开孔信息、操作机构箱、二次接线盒、表计安装方位信息、均压装置、接地端子等信息。

1.3 二次系统

1.3.1 建模范围

包括屏柜、装置、蓄电池、端子箱等设备及布置的三维模型及其主要属性信息。

1.3.2 建模深度

屏柜应根据外形尺寸建立柜体、柜门及柜内主要装置信息。端子箱应根据外形尺寸建立箱体和箱门，表现外形及安装高度、安装方向信息。

1.4 土建部分

1.4.1 建模范围

总图：基于电网地理信息系统，建立包括场地、道路、围墙、大门、电缆通道、护坡、挡墙、站区排水等三维模型及主要模型属性信息。

建筑物及建筑结构：包括墙体、幕墙、门、窗、楼板、屋面板、楼梯、电梯、台阶、坡道等。柱、梁、钢结构主要杆件等三维模型及主要模型属性信息以及部分制造模型。

构（支）架及设备基础：包括钢柱、钢梁，变压器、电抗器防火墙及基础，GIS基础等三维模型及主要模型属性信息以及部分制造模型。

水工、暖通：建筑物内给排水、采暖通风的主要管道、设备、主要阀门、阀门井和管道井等设备设施的三维模型及主要模型属性信息。

1.4.2 建模深度

总图：模型应表示外形尺寸信息，施工工艺做法可以关联标准做法图纸。

建筑物及建筑结构：建筑实施的施工工艺做法可以关联标准做法图纸。钢结构制造模型应包含节点及螺栓信息，可采用关联三维数字化设计文件的方式表达。

构（支）架及设备基础：钢结构制造模型应包含节点及螺栓信息，可采用关联三维数字化设计文件的方式表达。

水工、暖通：管道及设施应按照真实外形尺寸建模。

2 三维数字化设计模型应用要求

结合变电站工程数字化建设全过程对模型数据的应用要求，三维设计成果模型应充分考虑：规范性、标准性、需求性、平衡性、递增性[3]。

三维设计模型分为通用模型和产品模型。通用模型适用于初步设计阶段，基于通用设备要求，包含几何信息、属性信息的模型。产品模型适用于施工图和竣工图设计阶段。基于实际产品外形，包含几何信息、属性信息的模型。结合工程对通用模型和产品模型提出了要求，产品模型是在通用模型基础上明确了设备、设施的安装部件尺寸、设备端子板的实际尺寸、接地装置等信息。

电气设备三维模型应按照基本图元要求建模。基本图元是指三维建模时使用的最小基本图形单元，例如绝缘子、长方体、球体、圆柱、圆环、圆锥、棱台等，可通过设定参数进行建模，并通过组合、拼接得到所需模型，确保了模型的统一性及可数据交换性。

三维数字化设计模型均应包含几何信息和属性信息，需要满足各建设单位各专业各阶段对三维模型数据应用需求。然而现阶段受到计算机硬件及软件发展以及成本因素等条件的制约，三维模型颗粒度需要做一定取舍，由各阶段的需求而定，在不同的应用阶段进行加工完善。模型的拆分应参照施工、运维要求，在移交后能够继续在设计模型上附加施工、运维信息，满足后续系统的二次加工应用。

三维数字化设计模型贯穿到工程规划、设计、采购、施工、运维等工程建设全寿命周期的各个阶段。模型应随着工程实施阶段的深入而不断细化和扩充，其精细化程度和属性量应呈现逐步递增的趋势。

三维数字化设计让设计深度前移。初步设计阶段的三维数字化设计成果，其建模范围及深度已不再是传统意义的初步设计范围内的设计内容，为了保障优化方案的可行性，设计方案的合理性，三维数字化设计建模范围及深度已经向现行施工图阶段延伸。较为明显的是土建专业、水暖消防专业。例如：为了完成软、硬碰撞检查，增加建模内容主要有：设备基础、构支架基础、地下管沟、事故油池、消防设备、消防管道、通风设备、二次盘柜建模到装置级。

3 三维数字化设计成果应用前景

3.1 独立的数据格式

数字化设计成果具有独立的数据格式，才能实现各阶段各环节各应用场景跨软件平台的数据流转。现阶段行业内已经普遍接受电网信息模型（GIM）标准。GIM技术以数据库为基础，研究通用的模型接口技术和统一的编码系统，建立贯穿输变电工程全过程的信息模型[4,5]。以此为数据传递基础，才能打破工程建设各环节的数据孤岛，将模型信息属性在工程全生命周期传递下去，数据因此才具有了全生命周期性。

3.2 数字化采购

通过导入数字化设计成果数据进行分析，进而提取有效信息，包括提取工程的所有工程量信息，分析提取工程量对应的造价信息，通过获取施工单位的管理信息，可以按施工进度分批次采购相应的设备材料等。

3.3 数字化建造

基于数字化设计成果数据，以项目建设管理单位为主体，针对项目管理部门、设计、监理、施工、物资等五个项目管理维度，从根本上解决了项目各参与方信息交流形成的“信息断层”和应用该系统之间“信息孤岛”问题；可以实现进度管理、安全管理、技术管理、质量管理、造价管理等协同可视化管理。

3.4 数字化移交

工程数字化建设过程中产生的庞大数据信息，需要建立符合生产实际及后期运用的统一移交格式，使得信息完整有效的传递到运维阶段，实现项目全生命周期信息共享，建设真正意义上的数字电网。

通过统一数据平台对数字工程移交信息进行管理，覆盖数字化勘测、设计、采购、建造等各建设阶段；涉及规划文件及技术经济指标等信息、三维地理数据（DEM、DOM、DTM）、工程设计数据（IFC、GIM）、采购数据、施工数据等进行管理，如图2所示。

数字化工程移交内容分为勘察设计数据和施工过程数据，记录变电工程从前期规划到竣工投运全部建造过程的有关数据，上述数据通过统一的数字化平台进行管理，各工程参与方按照统一标准和各自权限进行数据的读出和写入操作。

数字化建设成果——工程数据信息模型的移交，给项目管理部门提供一个反应工程建设全过程的且数据完整、真实、可编辑、可扩展的数字孪生变电站雏形。

3.5 数字化运维

高效运维已经成为数字化转型的重要驱动力，三维数字化设计成果，从源头实现了设计信息的数字化，为工程项目全生命周期管理效能和水平的提升创造了条件。数字化运维核心动力在于数据驱动，可以在数字资产管理、设备维护、移动巡检、大数据分析等方面采用和以往不同的数字化手段，打破原有惯性管理思路，实现变电站高级运行支持平台以统一的方式对运维进行实时调整，实现最优运维管理。

4 结束语

数字化工程建设是依托工程完整的数字化设计成果数据完成。从前期项目规划立项、数字化勘察、数字化设计、数字化物资采购、数字化建造、数字化移交及后期为数字化运维服务等工程建设全生命周期的数据管理。其中，作为信息数据的源头——数字化设计成果数据的准确性、信息的可扩展性、编码的标准化等技术手段使得数字化设计成果数据为工程建设提供更多的服务成为可能。通过二次接口开发进行设施及模型编码互译，各参与方按照各自业务需要对设计成果数据进行加工利用，以达到数据价值的最大化利用，从而实现电网数据流从勘测设计向基建施工、运行维护及电网数字资产全生命周期管理贯通，为“数字电网”的建立提供数据基石。