送电线路数字化设计技术发展现状及展望

江 岳，李小亭，周文武，谭浩文，薛永锋

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

随着计算机技术的发展，从20世纪80年代起，在制造业尤其是航空航天领域较早地开始利用数字化技术进行虚拟制造。1975年，“BIM之父”——乔治亚理工大学的Chuck Eastman教授创建了BIM理念 ，此后的数十年，建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术在逐步发展中形成了集设计、施工、管理于一体，贯穿全寿命周期应用的先进理念。在交通、电力、市政等基础设施行业中，也已经普遍尝试采用三维数字化设计技术，如公路、铁路通过应用地理信息系统和空间实景模拟进行选线，水电、火电、核电用于设备、管线综合布置，尤其是在综合管廊中对于不同行业的管线精细模拟、协同布置、综合管理的应用，三维数字化设计的优势非常明显。

国务院2015年颁布的《中国制造2025》提出，数字化研发设计工具普及率要从2013年的52%提高到2025年的84%。

党的十九大报告提出：“数字中国、智慧社会”，其实现的前提是工程数字化。国务院办公厅、各省建委已陆续发文推行BIM工程，工程数字化已是大势所趋，而三维数字化设计则是工程数字化的源头。随着工业4.0时代的到来，云计算、物联网、大数据、3D打印等新理念、新技术的发展，三维数字化必将促进行业生产方式发生变革。电网工程设计专业多、技术复杂、协调工作量大，三维数字化设计的应用具有显著意义。

2018年开始，国网范围内的35 kV以上输变电工程开始全面应用三维设计，完成三维移交。

1 送电线路数字化设计技术发展现状

数字化技术伴随着信息化技术的发展而发展，在送电线路领域，国内、外的发展路径从国内开始发展三维设计开始有了明显不同。

1.1 国外现状

目前国际上通用的输电线路辅助设计软件有PLS-CADD(Power Line Systems-Computer Aided Designand Drafting)软件系统，它是国际上一款比较成熟、且很流行的高压输电线路勘测设计软件。PLS-CADD软件系统可以进行二维、三维设计，但不具备协同工作、三维展示、模型信息存储、数据移交等功能，与国内的要求存在一定差距。而PLS-Tower等国际通用的杆塔计算软件均侧重于杆塔应力计算，无法生成杆塔产品模型及装配模型。

由于发展的思路不同，国外暂时也没有可供国内参考的送电线路数字化设计相关标准。

1.2 国内现状

1)标准制定

2017年，国家电网有限公司(以下简称“国网公司”)按照“标准先行、科研支撑、试点建设、加快推进”的总体原则，开展输变电工程数字化设计工作。依托试点工程，从软件规则、建模规则、设计规则和移交规则四方面出发，编制了一系列技术标准。

中国南方电网有限责任公司(以下简称”南网公司”)结合工程应用情况，于2020年4月发布了《35 kV及以上输变电工程数字化移交标准》等9项三维设计试行标准，主要包含成果移交、数据模型标准、建模标准及数据管理标准等方面。

2018年，能源行业电网设计标准化技术委员会组织国网经济技术研究院有限公司、电力规划设计总院有限公司等单位编制了输变电工程三维设计相关电力行业标准。

中国电力企业联合会于2019年成立了输变电工程三维设计标准化技术委员会，并从基础通用标准、技术标准、支撑标准三个维度梳理了输变电工程三维设计标准体系，并组织协会相关单位分批次开展标准编制，其中部分标准已完成。

2)设计单位数字化设计推进情况

随着计算机技术的发展，送电线路计算机辅助设计软件在近二十年也得到了长足的发展，在此过程中，各设计单位依托自身力量开发了众多专业设计软件，实现了设计手段从手工计算、绘图向电子化的转变，在此过程中一些软件公司开发出通用版本的杆塔排位、跳线计算、铁塔计算等软件，也在送电设计行业得到了广泛应用。

2018年左右，受国网公司三维设计试点等因素催化，国内部分设计单位纷纷与软件公司合作，推出自己的三维设计平台，在此基础上部分软件公司推出了自身的通用版本三维设计平台。也有软件公司基于自身积累，为其他设计单位提供定制版本的开发服务。

目前，各设计单位基于购买或合作开发的平台能基本完成送电线路基本的三维数字化设计及移交，但三维数字化平台在日常工程的应用仍存在诸多问题，尚不能为设计单位设计效率提升提供助力。

2 送电数字化设计存在的问题

电网数字化必须基于特定的数字化平台来开展，对于设计单位而言，三维数字化设计必须依赖于实际的数字化设计工具来实现，当前数字化工作存在的问题很大程度上也是数字化设计平台面临的问题。

1)标准不完善

2018年国网公司发布了13项三维设计相关标准，中国电力企业联合会则规划了34项三维设计相关标准，但对实际工程要素的规范和定义不能完全涵盖实际工程的全部，导致工程设计时常常需要设计单位自主定义部分标准之外的元件或信息。

输变电工程的数字化是以设计为主线，贯穿电网设施全寿命周期的项目管理和协作的一种变革，数字化设计向数字化施工及运维延伸时，也需要相关标准的支撑，这部分标准目前也尚待制定和完善。

2)边界不清晰

计算机技术的发展，带来了手工绘图向电脑绘图的转变，但手工绘图向电脑绘图也仅仅是绘图工具的升级和转变。传统设计方式向三维设计过渡则意味着设计模式、协同方式、成果型式的整体升级和改变，转变过程中如何做到传统设计方式与三维设计方式优势互补，三维设计成果与传统设计成果配合使用，如何做到数据颗粒度与运行效率之间的平衡，仍需要长时间的探索和磨合。

3)平台不成熟

成熟的三维设计平台是实现三维设计的基础。当前的三维设计平台在三维移交方面渐趋成熟，但在正向协同设计方面仍然存在诸多不足。此外，电网数字化的目标是在三维设计的基础上，将数字化设计成果向数字化施工和数字化运维延伸，这些目标的实现也要依托数字化平台的不断完善，目前此类平台的完善度尚不能令人满意。

3 对送电数字化设计平台架构的改进建议

3.1 送电数字化设计特征分析

线路三维数字化平台要真正成为线路设计人员的生产力工具，必须结合线路设计的特点和三维数字化设计的优势进行架构。

线路设计的主要内容有路径选择、导(地)线选型、绝缘配合及防雷接地设计、金具串组装、架线弧垂计算、杆塔规划、铁塔设计、基础设计、各类使用条件校核等内容。线路设计的内容里有的适合在三维场景下开展，有的则不适合。

适合三维设计的场景：线路选线、绝缘子串组装、铁塔设计、基础设计、间隙及对地距离校验等。

不适合三维设计的场景：导(地)线选型、绝缘配合及防雷接地设计、杆塔明细表设计、各类使用条件校核、导线力学计算及架线弧垂计算等。

和传统设计软件相比，三维数字化平台应是一个信息整合平台，即平台应能尽量整合线路设计过程中的数据，为各个软件或模块提供可供输入的数据，从而将线路设计流程中的各个软件模块数据汇成整条数据流供各个模块使用和共享。在线路设计中，数据的流向如图1所示。图中圆的大小代表模块与其他模块数据交互的多少，深蓝色表示本模块适合在三维场景下进行，橙色代表本模块适合在二位场景下进行设计，浅蓝色则居于其中，表示适合二三维协同设计。

图1 线路设计各环节的数据联系

由图1可知，线路设计时，某些场景是适合在三维场景下开展的，但也有部分工作不适合，必须意识到，不管三维和二维都只是数字化设计的工作界面，不是核心，也不是目的，因此线路平台规划时不应刻意追求在三维场景开展设计工作，而应根据工作特点，选择适合的工作界面来开展。

在线路设计过程中，杆塔排位、铁塔设计、明细表设计是与其他设计内容数据联系最多的三项内容，而明细表与其他设计模块的数据交集最多，集中体现了构成线路的大多数要素。

在线路三维数字化设计过程中，由于首先需要构筑一个三维数字化的线路，才能借助三维场景来进行某些场景的校核，例如塔串配合校验、交叉跨越距离校验，而只有构建的三维数字化场景的数据颗粒度足够高，才能借助数字化的手段实现对通道内房屋砍伐量、林木砍伐量的准确统计。

总结线路工程及线路设计的特征，可以得到以下几点结论：

1)线路工程是典型的线性工程，线路需要紧密结合沿线地形进行设计。因此设计过程必须紧密结合DEM及DOM数据，依托数字地球系统，外部环境带来的数据量较大。

2)线路设计过程有很多场景更适合用传统方式进行操作，例如杆塔规划、导(地)线选型、导线力学计算、绝缘配合及防雷接地、明细表等，杆塔排位过程中，虽然三维同步排位会更方便查看塔位的可行性，但检查断面的过程仍然更适合二维操作。

3)线路工程中某些模块适合用三维元件进行拼装来设计，例如绝缘子串组装过程，但仍有很多场景不适合这种拼装，例如杆塔上配置绝缘子串的过程更适合通过荷载计算结果自动配置，导线在杆塔间架设的过程更适合用力学计算结果自动完成，间隔棒、防振锤的配置过程也更适合基于一定的规则来自动生成。

4)线路设计受外部影响很大，即使本体设计也常常涉及改接、T接、线路之间的换接等各种非典型连接，线路设计平台要想包容各类连接形态，平台设计时就必须要对设计人员保持相当的自主性和开放性，否则很难在规划之初包含各种线路形态。

5)线路设计平台并不是功能单一的专业设计工具，它需要体现线路设计的数据流向、专业之间的分工及配合、设计单位本身的习惯、与已有专业软件的融合等，平台设计需要本单位人员亲自参与，否则很难构建出真正的能完成工程设计的数字化设计平台。

3.2 送电数字化平台改进建议

1)以地理信息系统为核心，构建大数据系统，集成电网空间数据，电网专题数据，历史工程数据，敏感点数据等形成选线平台。

2)以排位软件和明细表软件为整个平台的数据流主线，排位软件和三维平台共享铁塔及金具串等基础数据，实现二三维的协同选线。以明细表数据为驱动建立线路的整体三维模型。

3)以排位软件为数据源头，跳线计算软件、OPGW设计模块等通过数据接口接收排位软件数据，并开展相关的电气设计。

4)杆塔设计软件和基础设计软件的结果通过数据接口与三维平台交换数据，并通过三维平台将铁塔、基础数据共享至其他软件模块。

5)线路整体三维模型建立后，在三维平台开展相应的三维间隙检查、碰撞校验等。

6)各软件模块通过数据接口实现数据联系，可独立升级。

整个系统功能架构简图如图2所示。平台中专业软件和三维平台通过数据接口连接，通过各个模块之间松耦合降低整个系统的复杂度，各模块可使用设计单位已有的成熟专业软件，方便验证，同时模块的升级可独立完成，方便整个系统的持续升级。

图2 送电线路数字化平台功能架构

4 送电数字化技术发展展望

4.1 设计手段的集成与提升

设计工作产生的成果是设计图纸，设计过程的中间品是各类计算数据或计算书，设计过程实际上是一个信息加工和整合的过程，不产生任何实体产品，天然适合以数字化的方式来实现。

三维数字化设计是在电脑计算、绘图的基础上，通过把设计过程和设计工具通过数字化手段进行整合，从而用更彻底的数字化手段来部分取代人工，用更深入的数字化手段来驱动数据、生产信息，从根本上提高设计效率，减少设计差错。

因此理想的三维数字化设计必然实现工程设计与数字化的全面结合统一，效率优势得到体现，应用范围覆盖至全部电网工程项目，并开始延伸至项目全寿命周期管理中。理想的三维数据模型应该能够作为一个工程项目唯一的数据源、最终形成“一个工程，一个平台，一套数据，全寿命周期”[1]。

4.2 人工智能技术应用

随着人工智能技术的持续进步及使用成本的不断降低，送电线路设计也可在适当的环节利用相关技术。例如在选线及排位阶段，利用大数据及人工智能技术，实现选线及排位的智能操作。利用激光点云技术及倾斜摄影技术对架空送电线路通道进行精确扫描，利用人工智能技术实现点云数据的自动分层及识别，对倾斜摄影生成的图像信息进行自动识别，对通道障碍物进行快速的单体化建模，从而为送电线路通道设计提供依据。

4.3 全数字化的施工与运维

数字化设计可以实现数字化交付，从而施工、运维也可以基于设计交付的数字化成果实现施工、运维过程的数字化[2]。

数字化设计成果向施工、运维延伸需要数字化标准的同步延伸，需要施工单位和运行单位的数字化平台的成熟和完善。

传统的建设过程中，施工单位主要依据施工图进行施工，监理和监管单位则结合施工图建立自己的数据系统开展工程建管，整个工作界面是依赖人工完成的，而在数字化施工、建管阶段，设计成果成为数字化施工、建管过程的数据源头，建管、监理、施工可利用同一套数据资源衍生自身的数据系统，并且可在相互之间进行数据交换，在此基础上设计与建管、监理、施工、运维之间构成如图3所示的数据关系，从而实现设计、建设、运维全过程的数字化。

图3 设计与建管、监理、施工运维的数据交换

目前，运行单位在运维阶段可借助的工程相关数据为工程竣工图。数字化运维阶段，运行单位接收的工程数据将是工程数据模型，由于模型附带丰富的属性信息，运维人员可方便查看大至整个工程，小至单个元件的具体信息，包括技术参数、生产厂家、技术批次等信息，为运维阶段查询相关数据提供便利，运维单位甚至可以借助竣工工程模型开展运维模拟施工，改善技术方案，辅助管理施工工序，从而使数字化设计成果在运维阶段得到充分运用。

5 结语

本文从国际、国内两方面论述了送电线路数字化设计技术发展现状，论述内容主要包含标准制定，数字化设计软件的发展及应用情况。在此基础上从标准、工作边界、设计平台方面分析了当前国内数字化工作中存在的问题。论文总结分析了送电线路设计的特点，梳理了各设计内容之间的数据联系，给出了送电线路数字化设计平台的改进建议。文章最后展望了送电线路数字化技术发展的未来，包括设计手段的集成与提升，数字化成果在施工、运维的延伸应用以及人工智能技术在送电线路数字化中可能的应用。