三维设计在电网工程建设中的研究与应用

2022-09-26曾鸿志郭天成张海东

科技与创新 2022年19期

曾鸿志，严垚，郭天成，张海东

（江苏省送变电有限公司，江苏南京 211102）

1 三维技术在电网工程建设中的研究与应用现状

《中国制造2025》中[1]要求将数字化研发设计工具普及率达到84%，党的十九大[2]也提出了“数字中国，智慧社会”的目标，所以工程数字化转型势在必行，而三维设计是工程数字化的基础。2017年国家电网公司提出电网工程将采用三维设计实现设计手段“上台阶”，完成设计成果全信息仿真，集成技术并提升工程建设管理水平。同时随着云计算、大数据等新理念、新技术的发展，三维数字化设计将为生产方式带来新变革，而电网工程由于其专业性、技术性的高要求以及协调工作的高工作量非常契合三维设计的应用。

目前计算机二维设计已经较为成熟，但AutoCAD已经无法适应现阶段工程全寿命周期的高要求，三维技术可以通过工程建设中各方人员的相互配合来使工程项目精准化、细致化，保证工程所有信息的完整有效，并且已经在铁路、建筑、市政工程中较为成熟。而在电网工程建设中仍处于发展、推广阶段，理论研究和实际应用都需要更进一步地探索[3-4]。在电力行业内，中国已基本实现了发电和变电领域的全专业协同设计，但是线路领域一直局限于在设计时使用和成果展示方面，在多专业协同、交互处理等方面的需求难以满足。

目前三维设计主要应用的软件包括可以实现二维接线和三维数字化设计的Bently公司的Substation和Autodesk公司的Revit；可以进行三维设计软件集成功能，实现不同专业间数据共享和成果浏览的ProjectWise协同实际平台；国内常用的以数据为核心，坚持数据驱动图形理念的博超设计平台。

2 三维技术在电网工程建设中的关键技术

2.1 电网工程设计平台开发

设计平台所包含的功能和需求分别如表1、表2所示，现有的设计平台，如ProjectWise平台，大多侧重于设计和施工阶段的模型展示，相互独立不能互通，无法进行协同管理，不能满足项目全生命周期管理的标准，一般情况下还需委托专业公司进行开发或采购相应软件，极大地增加了管理成本。基于此情况文献[5]对于BIM协同的管理平台进行了研究与设计，并结合实际工程在变电站设计施工中的进度管理、质量管理、安全管理、物资管理等场景可行性进行了分析，分析结果表明协同管理平台能够实现施工的全生命周期管理，达到预期目标。

表1 设计平台功能概况

表2 设计平台设计需求概况

2.2 数据模型采用统一标准

电网设计包括各专业、各单位协同工作，但各单位所使用的平台和专业软件存在交互困难。为此国际协同联盟建立了IFC等统一标准，以三维数字化设计平台为载体，对设计、勘探、造价、制造、施工、运维等专业的辅助设计计算、地理信息、工程量清单、设备模型、施工模型、数字化移交等工作进行整合，达到数据交互的目的。

3 三维技术在电网工程建设中的实践

3.1 线路最优路径选择中的应用

文献[6]利用线路沿线的地形实测数据以及遥感、航拍构建更加精细的地形三维模型，同时加入水文、地质、公路、房屋等数据进行综合最优路径选取，如图1所示。

图1 线路最优路径选择

3.2 变电站设计、建设中的应用

目前三维技术在变电站建设场景中应用已较为成熟，从设计阶段到施工管理以及建成后的运维都已有成熟的研究成果。

文献[7]中利用三维数字化技术在黄渡500 kV变电站的主变增容以及配电装置改造工程中进行运用，完善了上海电力BIM的建模标准以及电力行业的专业族库，实现了数字模型全生命周期流转，形成了数字化设计数据的协同工作与共享。文献[8]中基于三维数字化技术构建了变电站施工过程中风险评估的回归分析模型，利用多元回归分析法对变电站施工过程中的风险特征进行了评估，经仿真验证评估准确性最高可达100%。文献[9]中设计完成三维全景监视系统应用于变电站管理，通过三维模型融合监测数据，使变电站抽象的运行与设备数据易于工作人员进行直观监控。文献[10]中对变电站施工现场安全文明施工进行了研究，以三维技术为基础，结合GIS、ERP、物联网等技术构建了安全文明施工管理的施工管理平台应用于实际生产施工中，实现了三维最优化布场、三维场地碰撞检测等，将施工现场质量提高，减少施工现场安全隐患，对创建精细化、标准化的施工现场起到了积极作用。

3.3 在输电线路交叉跨越中的应用

通过参数化方式，方便快捷地建立跨越架、杆塔、导地线的三维模型，为施工模拟提供基本信息，在交叉跨越施工模拟时，可根据规程规范设置的边界条件自动计算出导引绳、牵引绳、导地线、防护网的张力、弧垂关系、风偏距离、承载力关系等关键数据，进而自动分析出防护设施所搭建的位置、尺寸、规格等重要信息。根据可靠性、经济性等指标，进行施工方案的比选和推荐，进而生成计算书、图纸、视频等数字化成果。仿真系统施工技术框架如图2所示。

图2 跨越施工动态模拟仿真系统技术框架

3.4 在特大型输电线路大跨越工程中的应用

为进一步贯彻落实国网公司和江苏省供电公司的战略部署，提高机械数字化管理水平，江苏省送变电有限公司开展了三维技术在输变电工程中的应用研究，解决施工中存在的重难点问题，促进三维技术在施工环节的深入广泛应用。

以凤城—梅里500 kV长江大跨越线路工程跨越塔组立为切入点，从施工数字化模拟、吊装方案仿真模拟以及4D进度管理进行了研究。其中施工数字化模拟在三维仿真环境中建立施工场地，大型施工机具及材料的三维模型进行施工模拟，展现现场抱杆安装过程、履带吊行驶路线、主管等塔材的吊装过程，并根据模拟效果对施工方案进行优化，对方案修改部分及时跟进，保证模拟效果与现场施工方案保持一致。385 m的SKT型大跨越塔组立现场与三维模型模拟图如图3和图4所示。

图3 大跨越塔施工现场

图4 大跨越塔施工模拟

吊装方案仿真模拟对碰撞检验、受力分析、超重预警等进行了三维仿真模拟，能够在模拟吊装过程中实时计算履带吊模型与塔材模型间的直线距离，符合现场实际作业工况，实时显示履带吊性能以及塔材质量，实现超重预警，提前发现现场施工中的安全隐患，及时纠偏，验证吊装方案的可行性以及安全性，实现了施工前的安全模拟复测，实现提质增效目标。

3.5 单基策划与电缆敷设应用研究

江苏省送变电有限公司依托白鹤滩±800 kV直流线路工程开展三维设计在输变电单基策划的应用研究，通过施工模拟预演单基施工方案，辅助施工人员完成单基规划、资源配置、难点评估等工作，有效拓展策划深度，提高策划质量，实现方案优化，有效规避施工风险。

依托江苏虞城±800 kV换流站项目分析变电站中电缆沟规划以支架类型，设计电缆敷设排序规则，智能规划路径，结合三通四通等关键位置电缆间的相互影响，综合计算出合理的电缆路径图。全站电缆的自动排序避免了铺设电缆占用关键通道情况，用时最大程度减少电缆交叉，实时显示电缆敷设的总长。通过对通道节点的电缆走向分析，设计走向优先级，按照左转靠左、右转靠右、直行靠中心等原则，计算电缆在交叉规避情况下在通道的具体位置。突破了以往施工方案交底时2D表现形式，打造出了沉浸式、交互式的可视化体验，从而增强了质量管控手段，提升了施工工效和技术水平。

3.6 集成技术应用

三维设计虽有很多优点，能够提高设计效率与质量，但也存在难以紧密结合工程实际，难以落到实处的难题。同时，虽然三维模型+GIS技术在水利水电、市政工程中运用较多，可目前在电网工程中并未推广使用。

基于此情况，文献[11]中将三维技术与AR技术结合，将三维模型利用AR技术通过手机、平板等电子设备与施工现场相融合，实现在现场按照1∶1的比例实地显示三维模型，有利于信息的高效共享和扁平化传递，更加生动、准确、直观地显示工程施工信息，使作业人员快速掌握施工区域、施工作业面等信息。同时，国网运城供电公司开始进行基于BIM+GIS主网设备三维运检平台的研究，目前已取得一定的研究成果，三维运检平台已经进入试点阶段。

3.7 三维设计评审要点研究

项目评审是工程建设的关键环节之一，目前中国已有较为成熟的基于数字化电网三维设计智能辅助评审体系，主要包括以下方面。

首先，要对照三维设计评审深度要求，对三维设计的模型范围、几何精度、属性特性等进行审核核实，总体内容、深度、成果形式是否符合国网公司三维设计标准相关要求。其次，要对工程设计方案的精细化把控进行审核，是否利用三维设计模型精细统计工程量，减少人为因素造成的偏差，提质增量。然后，要对三维平台的整体协同设计功能进行评审，检查数据贯通性、接口互通性、设计平台易用性等。最后，需要审核设计单位的质量管理体系，要求三维设计人员与工程设计人员一体化。通过评审分析不足、提炼亮点、定期总结。