張力架線計(jì)算及動(dòng)態(tài)仿真軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

王杰

摘要：輸電線路張力架線是輸電線路施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，開發(fā)輔助設(shè)計(jì)軟件，有利于提高施工效率。目前，施工架線的方式已經(jīng)成熟，但已有的工程軟件在實(shí)際使用過程中，不能較好貼合工程施工人員實(shí)際操作需求，缺乏對(duì)連續(xù)上下山放線過程的動(dòng)態(tài)顯示，導(dǎo)致可用性不高。本文在綜合輸電線路張力架線施工及技術(shù)支持需求的基礎(chǔ)上，對(duì)貼合工程實(shí)際的輸電線路張力架線計(jì)算及動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的軟件架構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了軟件實(shí)現(xiàn)的框架，給出了軟件計(jì)算模塊的計(jì)算原理，并基于C++和AutoCAD的俄二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了軟件開發(fā)。

關(guān)鍵詞：張力放線計(jì)算與動(dòng)態(tài)仿真軟件架構(gòu)

中圖分類號(hào)： Te832文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10 （C）-0000-00

0引言

我國目前的電力供應(yīng)存在供需不平衡的問題，而電力供需的不平衡會(huì)影響到未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定與發(fā)展。采用超高壓、特高壓輸電線路將分散的電力系統(tǒng)連接起來進(jìn)行適當(dāng)容量的互聯(lián)輸電，對(duì)降低發(fā)電成本、提高供電可靠性、最大限度的滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)用電需求有重要意義。隨著電網(wǎng)的不斷的擴(kuò)大與發(fā)展，而在電力系統(tǒng)建設(shè)中輸電線路設(shè)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此越來越多的受到各電力系統(tǒng)的高度關(guān)注與重視。并且國家建設(shè)部門也在將大量的資金投入輸電線路的建設(shè)方面，建成了一批110KV/220kV、330kV、500kV、750kV超高壓輸電線路，并且它們正成為配電網(wǎng)的主干網(wǎng)架，隨著±800kV、1000kV的特高壓輸電線路不斷的在電力系統(tǒng)中使用。但是，布線施工效率較低的問題普遍存在在輸電線路架設(shè)設(shè)計(jì)與施工過程中，需要為張力架線提供更方便施工人員使用、更貼近施工關(guān)切數(shù)據(jù)計(jì)算的計(jì)算軟件及架線仿真系統(tǒng)。

1系統(tǒng)功能分析

輸電線路張力架設(shè)仿真系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的的功能有：張力放線施工計(jì)算、顯示校正、放線施工作業(yè)圖繪制和三維仿真。本系統(tǒng)能夠信息提取智能化，具備友好的操作和顯示界面，能夠提取架設(shè)導(dǎo)線的掛點(diǎn)，轉(zhuǎn)向點(diǎn)坐標(biāo)信息，對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置并且校正，具有生動(dòng)的三維仿真顯示。

根據(jù)工程需要，軟件應(yīng)具備放線張力計(jì)算和觀測(cè)弧垂計(jì)算相關(guān)計(jì)算的能力。主要功能包含：①自動(dòng)識(shí)別CAD圖；

②常用導(dǎo)線、導(dǎo)引繩、鋼絲繩以及放線滑車參數(shù)的點(diǎn)選；③張力機(jī)、牽引機(jī)以及桿塔掛點(diǎn)手動(dòng)點(diǎn)選；④放線區(qū)段控制弧垂點(diǎn)手動(dòng)點(diǎn)選；⑤能夠自動(dòng)找到最大張力控制點(diǎn)；⑥牽引繩牽放導(dǎo)線過每一基塔對(duì)應(yīng)的曲線圖；⑦牽引繩與導(dǎo)線用兩種顏色顯示，能夠顯示每基滑車包絡(luò)角和垂直荷載；⑧針對(duì)耐張塔雙滑車掛距差，能夠顯示大小號(hào)方向；⑨連續(xù)上下山滑車口垂高及緊線張力手動(dòng)輸入，顯示絕緣子偏移方向；⑩輸電線路張力架線牽放動(dòng)態(tài)顯示。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

輸電線路張力架線計(jì)算及動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)是一款工程應(yīng)用軟件，要具有工程項(xiàng)目管理的功能，對(duì)已存在CAD圖紙中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)張力架線的相關(guān)計(jì)算和連續(xù)上下山放線過程的動(dòng)態(tài)仿真。本節(jié)對(duì)軟件的主要功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1主要功能塊

對(duì)輸電線路張力架線計(jì)算及動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析，將系統(tǒng)分為六個(gè)主要功能塊，即文件讀取模塊、數(shù)據(jù)提取模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、表格生成模塊、曲線繪制模塊和動(dòng)態(tài)仿真模塊，如圖1所示。

文件處理功能主要針對(duì)DWG型文件，以下4點(diǎn)為必須實(shí)現(xiàn)的功能：1）必須能夠識(shí)別并打開 DWG 文件；2）必須具有測(cè)量的功能，能夠在 DWG 文件上制定繪圖的比例；3）必須具有校正的功能：能夠?qū)?biāo)注完畢的 DWG 文件進(jìn)行校正，以下為校正的5個(gè)部分內(nèi)容：重設(shè)牽引方式、重設(shè)控制點(diǎn)、更改相對(duì)凈空距離、更改繩索參數(shù)及設(shè)備參數(shù)、更改滑車參數(shù)。4） 必須能夠標(biāo)注計(jì)算結(jié)果，包括：導(dǎo)線張力、導(dǎo)引繩張力、牽引繩牽引導(dǎo)線時(shí)牽引繩張力、掛雙滑車塔位、導(dǎo)引繩牽引牽引繩時(shí)牽引繩張力、上揚(yáng)塔位的上揚(yáng)繩索類型和上揚(yáng)力。

數(shù)據(jù)提取的功能主要是在計(jì)算模塊中提取出所需要的初始數(shù)據(jù)，要求實(shí)現(xiàn)以下2點(diǎn)：1） 在 DWG 文件提取桿塔的坐標(biāo)；2） 在 DWG 文件中設(shè)置危險(xiǎn)點(diǎn)，具有設(shè)置相對(duì)凈空距離的功能；

在對(duì)應(yīng)的圖例中繪制的曲線，能夠直觀反映牽引繩，系統(tǒng)必須能夠繪制圖形來顯示計(jì)算結(jié)果，包括：1）展放導(dǎo)線時(shí)的牽引繩放線曲線；2）導(dǎo)線放線曲線；3） 牽引繩的放線曲線；4） 展放牽引繩的導(dǎo)引繩放線曲線。

張力計(jì)算功能包含整個(gè)放線計(jì)算過程的相關(guān)計(jì)算，以下13點(diǎn)為必須實(shí)現(xiàn)的功能：1）要求各種所需放線參數(shù)的配置：導(dǎo)線、地線、地錨、牽引繩、張力機(jī)和牽引機(jī)的參數(shù)選擇；2）要求配置轉(zhuǎn)角度數(shù)的輸入接口，在放線參數(shù)的計(jì)算過程中充分應(yīng)用轉(zhuǎn)角度數(shù)；3）要求配置滑車摩擦系數(shù)的輸入接口，在放線參數(shù)計(jì)算的過程中充分應(yīng)用滑車的摩擦系數(shù)；4）對(duì)張力場(chǎng)的左右兩邊進(jìn)行初算，分析粗算的結(jié)果并且選擇合適的張力場(chǎng)位置。5）牽展計(jì)算過程所需的參數(shù)包括：雙滑車計(jì)算、導(dǎo)線、牽引繩放線線長、張力機(jī)出口張力、導(dǎo)線、牽引繩水平張力、控制檔張力、導(dǎo)線、牽引繩曲線方程、牽引機(jī)最大入口牽引力、上揚(yáng)力計(jì)算；6） 完成牽引級(jí)數(shù)的推薦，即牽引的級(jí)數(shù)和各個(gè)等級(jí)牽引繩的規(guī)格；7）要求具有報(bào)警的功能，在相應(yīng)長生的表格中用顯眼的顏色標(biāo)注，在計(jì)算過程中出現(xiàn)如下情況時(shí)進(jìn)行報(bào)警：牽引繩受力超標(biāo)、張力機(jī)或牽引機(jī)超載、導(dǎo)線張力超標(biāo)、控制點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)；8）依據(jù)影響牽引方式的因素導(dǎo)線根數(shù)、牽引繩規(guī)格和牽引相數(shù)進(jìn)行粗算，根據(jù)粗算的結(jié)果來確定牽引方式；9）完成牽展計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定工具集，工具集包括張牽設(shè)備配置表和牽引繩配置表。10）能夠在不同區(qū)段的不同溫度值下實(shí)現(xiàn)緊線弧垂、線夾移位和竣工弧垂的計(jì)算；11）能夠完成對(duì)地錨的計(jì)算，即計(jì)算張牽設(shè)備的各個(gè)錨點(diǎn)埋設(shè)深度；12）能夠完成對(duì)布線的計(jì)算，提供合理的放線方案；13）能夠完成對(duì)布線結(jié)果的標(biāo)注，能夠更加生動(dòng)直觀顯示布線后壓接管位置；

表格生成模塊主要將計(jì)算結(jié)果以工程圖表的方式保存起來，主要包含：1）地線掛點(diǎn)坐標(biāo)；2）放線計(jì)算表；3）掛點(diǎn)坐標(biāo)；4）張力架線施工工器具表。

最后，動(dòng)態(tài)仿真功能必須實(shí)現(xiàn)的功能主要概括為以下4點(diǎn)：1） 放線參數(shù)；2） 滑車參數(shù)；3） 動(dòng)態(tài)展放；4） 回放。

2.2張力架線計(jì)算軟件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

除了文件處理模塊、張力參數(shù)計(jì)算模塊（包含數(shù)據(jù)讀取、曲線繪制和表格生成等）和動(dòng)態(tài)仿真模塊，增加工程管理模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包含新建工程和打開工程，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的管理。根據(jù)工程思想所構(gòu)造出來的工程項(xiàng)目管理模塊允許用戶以工程的形式創(chuàng)建、設(shè)置與保存組態(tài)文件。用戶可以根據(jù)需求構(gòu)建模型并且保存起來，從而避免了重復(fù)構(gòu)建的工作。軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮工程管理模塊，針對(duì)張力放線計(jì)算及動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，工程管理模塊對(duì)工程和區(qū)段兩個(gè)層次進(jìn)行管理，一個(gè)工程可能有多個(gè)區(qū)段，可以對(duì)已有工程進(jìn)行新增、刪除和新建區(qū)段的操作。文件處理模塊實(shí)現(xiàn)DWG文件的數(shù)據(jù)提取和DWG信息標(biāo)注。DWG數(shù)據(jù)提取對(duì)DWG文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。包括：控制點(diǎn)設(shè)定、繩索及設(shè)備參數(shù)導(dǎo)入、桿塔掛點(diǎn)坐標(biāo)提取、圖紙比例設(shè)定等。DWG信息標(biāo)注：對(duì)DWG 文件內(nèi)信息標(biāo)注和校正。包括：放線的曲線繪制、雙滑車標(biāo)注、上揚(yáng)力標(biāo)注、受力結(jié)果標(biāo)注等。其組成如圖2所示。

圖3是張力計(jì)算模塊組成框圖，其主要包括8種計(jì)算，即放線區(qū)段控制檔計(jì)算、張力機(jī)出口張力計(jì)算、由出口張力反算任意檔的放線張力、牽引導(dǎo)線時(shí)牽引繩力計(jì)算、放線滑車上揚(yáng)校核、放線時(shí)所需導(dǎo)線長度計(jì)算、直線塔及耐張塔懸掛雙放線滑車判斷和連續(xù)傾斜地形放線計(jì)算。將曲線方程以及受力結(jié)果提供給DWG處理模塊來進(jìn)行信息標(biāo)注。

在仿真系統(tǒng)各個(gè)模塊之間，通過文件形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，從導(dǎo)入原始DWG圖紙，到最終包含標(biāo)注信息信息流，如圖4所示：

用戶界面完成對(duì)DWG前臺(tái)處理模塊的設(shè)計(jì)，DWG前臺(tái)處理模塊包括DWG 圖紙的數(shù)據(jù)提取，DWG圖紙導(dǎo)入導(dǎo)出和DWG圖紙的信息標(biāo)注。整理提取的數(shù)據(jù)，供參數(shù)后臺(tái)計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算，對(duì)生成的作業(yè)圖表進(jìn)行曲線的繪制和信息的標(biāo)注。參數(shù)后臺(tái)計(jì)算模塊能夠?qū)崿F(xiàn)牽展計(jì)算、布線計(jì)算以及地錨計(jì)算的功能。首先從DWG處理模塊中讀取所需數(shù)據(jù)，然后將各步計(jì)算結(jié)果輸出，生成作業(yè)圖表，供DWG處理模塊進(jìn)行曲線繪制和信息標(biāo)注。

2.3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析

該軟件主要考慮以下三點(diǎn)因素：第一，平臺(tái)的多樣性，盡可能使該軟件能夠在主流的Windows平臺(tái)下運(yùn)行，例如目前的Windows XP，Vista以及即將發(fā)布的Windows 7及Windows 10，其用戶的數(shù)量都比較大。那么最好就使用Net Framework2.0版本，因?yàn)楸容^成熟并且安裝程序較小。第二，由于要讀取的 DWG 文件中的數(shù)據(jù)，這就需要使用AutoCAD 平臺(tái)，通過后臺(tái)調(diào)用AutoCAD 操作 DWG 圖紙，這就要求使用過程中支持盡可能高版本的CAD軟件或者能兼容多種CAD軟件。第三，參數(shù)計(jì)算要求較高的專業(yè)性，依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程流程，關(guān)鍵是保證設(shè)計(jì)流程的合理可靠。基于以上分析，該軟件的實(shí)現(xiàn)技術(shù)如表1所示：

3 小結(jié)

本文首先對(duì)輸電線路張力架設(shè)仿真系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，對(duì)軟件應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了描述；然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行軟件功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后基于需求分析進(jìn)行主要模塊劃分以及分解模塊組成，最后給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)需求，為軟件的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。