基于三维模型的变电站二次电缆模拟敷设方法及其应用

2023-01-18张啸宇张立云周雪涛

河北电力技术 2022年5期

张啸宇,赵晔,王强,张立云,周雪涛

(河北省送变电有限公司,河北石家庄 050051)

变电站电缆敷设的常规施工方式为设计单位按照敷设电缆要求出具图纸,施工单位按照设计图现场施工。传统方式下,电缆设计精度难以达到施工安装工艺精度要求;电缆路径规划常存在不合理情况,交叉线路多和电缆超容,施工难度大;电缆长度不精确,易造成材料浪费,工程电缆造价难以有效控制;施工过程未实现提前模拟,安装过程不可逆,出现问题难以修正;无法满足数字化运维对于电缆管理的需要。使用三维模拟施工仿真软件进行电缆敷设,利用三维模型与物理实体的一致性,对电缆敷设过程进行模拟和三维展示,可以有效减少电缆交叉,施工人员可以在实际敷设前根据模拟效果对电缆位置、施工方案进行及时调整[1]。

1 电缆模拟敷设方法

1.1 三维模型的建立

按照Q/GDW 11810.1—2018《输变电工程三维设计建模规范第1部分:变电站(换流站)》建立与电缆敷设相关联的基础设施三维模型,具体包括电缆附属模型(电缆桥架/支架)、场地及周边设施模型(地下沟道、电缆通道)及电缆连接两端的电气设备模型。三维模型建立完成后,需要对所需要的电气设备以及电缆通道利用KKS(电厂标识系统,用来标识变电站零部件的辅助系统)进行编码,并建立电气的相互连接点。随后将其导入至电缆清单中,根据清单中的内容核对用电设备中的连接点是否已架设完成,如果有连接点未建立,三维模型就会立刻提示。连接点建设完成后,开始建立电缆通道,即建立一个可以分层、涵盖电缆路径的大通道。电缆通道分层不需要考虑电缆支架,可以等待电缆敷设后再通过软件进行分层处理[2]。

1.2 最短路径优化算法

电缆通道布置完成后,以设备连接点为电缆始端、末端开始电缆路径搜索。电缆路径搜索算法需满足下列要求:一是,路径搜索自动进行,搜索速率不低于1 000条/min,保证模拟敷设效率;二是,路径规划规则可配置,满足多种敷设规则,即最短原则、优先顺序、电缆类型(等级)匹配、容积率限制等;三是,敷设结果支持人工调整,保证敷设方案的可实施性。经过论证选择以粒子群算法为基础进行二次电缆模拟敷设平台的二次开发。

在粒子群算法中,任何一种优化之后的结果都是粒子群在空间搜索中所处的位置,即粒子的运动方式决定了粒子运动过程中的方位以及长度,所有粒子群都跟踪着当前最优粒子群,并通过自身的运动方式在空间中搜索最优的过程。所以,关于粒子在更新后的频率及其所占位置的计算方法,如式(1)和式(2)所示。

根据式(1)、式(2)可知,粒子群算法在电缆敷设过程中,可以使其敷设的总路径达到最小的数值。粒子群算法是在粒子移动过程中被提出来的,假设粒子在移动过程中有2条路径,路径1与路径2的长度存在些许的差异,路径1的整体长度要更短一点。而粒子在进行路径选择过程中,大多情况是随机选择,粒子在移动过程中会将自身存在的某一特征分散至路径1或者路径2上,在相同时间内,由于路径1的长度相对较短,就会导致路径内会吸引到更多的粒子。根据上述提出的粒子群原理,可以将最短路径的问题进行转化,转化之后可以用几何问题进行表示,具体如图1所示。

图1 转化为几何问题后示意

假如,将平面中某一给定原始点集合设为Q,随后再将平面中新增的辅助点集合设为D,那就需要寻找几何上的一个点在连接过程中的最短轨迹。将电缆敷设过程中最短线路问题转变为生成树中最小目标数值的问题,就需要设H(B,R,E)为经过赋权之后没有路径的形状,B={1,2,3,…,n}为平面图形内部所有数据点的全部集合,E为网络矩阵,R为边集。假定当变量cij=0时,点(i,j)不在最短路径上;而当变量cij=1时,点(i,j)在最短路径上。那么,就可以将电缆敷设的最短路径利用式(3)、式(4)进行表示。

式中:A为电缆敷设过程中产生的路径;eij为矩阵E中的相关元素信息[4]。

1.3 模拟敷设步骤

对电缆敷设的最短路径进行优化之后,需要利用此路径对电缆进行模拟敷设。而电缆模拟敷设的过程主要是调取几种类型的数据,电缆自身的本体数据、电缆通道和起点终点设备所处位置的数据[5]。而在对电缆进行模拟敷设之前,还需要对工井的尺寸进行确定。工井尺寸与电缆弯曲半径相关,利用电缆半径以及中心线间距离,确定工井最终尺寸

式中:J为排管与接头之间平面的距离;m为电缆弯曲部分的最小半径;f为电缆的外部直径。根据式(5)可以计算出电缆的弯曲程度,并根据相关设备所需要的适应面积,来最终确定工井的尺寸。

电缆模拟敷设主要分2步进行:第1步明确敷设方向;第2步明确具体位置,同时考虑电缆支架层数及每一层的排列情况。电缆敷设参照GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》,按照如下要求:电缆路径选择在满足安全要求条件下,应保证电缆路径最短;电缆在任何敷设方式及其全部路径条件的上下左右改变部位,均应满足电缆允许弯曲半径要求;同一通道内电缆若在同一侧的多层支架上敷设,宜按电压等级由高至低的电力电缆、强电至弱电的控制和信号电缆、通信电缆“由上而下”的顺序排列,且同一重要回路的工作与备用电缆应配置在不同层或不同侧的支架上;同一层支架敷设时,控制和信号电缆可紧靠或多层叠置。

对长电缆和短电缆加以区别。长电缆是指变电站室内和室外相连接的电缆或长度大于30 m的电缆;短电缆是指室内不同设备之间相互连接的电缆、室外各个设备之间连接的电缆或长度小于30 m的电缆。根据电缆敷设的不同区域,使用长电缆进行排列顺序:对某一处相对复杂的区域进行集中、统一敷设,随后再分批对其他区域进行电缆敷设。对一个地区内的长电缆加以排列:以一个地区内,电缆的出入口为单元,决定这个地区内长电缆的敷设次序。根据预先设计好的敷设次序,并充分考虑每一区域内电缆出入口的转向状况,来决定电缆管道左右二端支架的相对位置,然后再从近至远来对敷设的次序做出相应的调节。确定电缆在变电站内部支架上所在的位置,而所在位置所对应的层级排列顺序,大多数情况都是由内向外的[6]。

基于电缆分层、分侧敷设原则,标准化配置电缆自动化排列方案并存入模型库中;依照不同电缆通道中排列算法,根据电缆分层、分侧、容积率限制、敷设顺序、最短路径等原则进行电缆自动排列,实现全站电缆三维数字化自动敷设。

2 应用分析

为了测试变电站施工中电缆模拟敷设方法的准确性和应用效果,使用模拟实验平台进行试验分析,选择该变电站中某一区域的电缆为测试对象,代替实际变电站,降低测试的风险。

2.1 全站电气二次数字化逻辑模型构建

将传统二次系统仅体现功能原理、单一接线、人工画图的模式转变为数据赋值、数字赋能的数字化二次系统设计。搭建数字化电气二次数据库,利用数据库进行电气原理接线图设计(包括电流回路、电压回路、控制回路、信号回路等),根据电气设备原理图实现端子排自动生成、设备接线和电缆清册自动生成,形成全站电气二次数字化逻辑模型。

2.2 三维物理模型与二维数字化逻辑模型关联

基于电气二次数字化逻辑模型、土建和一次三维物理模型文件,开展二次逻辑模型与物理模型即二维与三维数据间接口关联,实现二、三维设计数据实时交互贯通,获得全站电缆数据库信息。需要关联的三维模型包括二次屏柜、装置以及电缆模型,软件之间通过创建数据接口获取设备库、装置库、电缆库以及对应的芯线、端子等信息,同时开发配套的编号匹配与校验模块,将三维模型与二次设计对象通过编号进行关联,完成设备、装置以及电缆编号的一致性和准确性校验。

2.3 全站电缆三维数字化自动敷设

将选择的区域按照距离进行划分并记录,随机选择区域内7个不同位置,按照a、b、c、d、e、f、g的顺序进行标记,其横向距离分别为1.36 m、6.08 m、7.65 m、3.39 m、3.28 m、6.19 m、8.64 m,纵向距离分别为3.82 m、2.86 m、5.47 m、5.28 m、0.59 m、6.82 m、2.55 m。根据上述所标记的横、纵向距离,分别使用插点法与模拟退火化法进行电缆线路敷设,见图2。图3为使用本文方法进行电缆敷设的线路。

图2 使用不同传统方法电缆敷设路线

图3 使用本文方法电缆敷设路线

为了验证测试结果的准确程度,使用2种传统方法(插点法和模拟退火化法)的敷设技术与本文方法进行对比,测试不同方法敷设线路重叠数量。实验共进行了10次,表1为实验测试得出的结果。

表1 不同方法重叠线路条数的监测结果条

根据表1显示的检测结果可知,使用插点法进行电缆敷设时,重叠的线路在16~20条;使用模拟退火化法进行电缆敷设时,重叠线路在8~11条;使用本文方法进行电缆敷设,重叠线路在0~2条。通过上述测试,可看出使用本文方法进行电缆敷设比传统电缆敷设重叠线路要少。可见,使用本文方法敷设的电缆之间没有明显碰撞,在节约时间成本的同时,也让变电站电缆线路更加安全可靠。