配電裝置數(shù)字化設(shè)計聯(lián)動技術(shù)研究

雷翼龍，余濤

（四川大學(xué)錦江學(xué)院，四川 眉山 620860）

隨著計算機信息技術(shù)的深入發(fā)展，計算機在工程行業(yè)的應(yīng)用深度和廣度得到不斷拓展[1]。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計，相較之前的手工制圖方式，從設(shè)計效率、設(shè)計準(zhǔn)確率、時間人力成本等方面均有極大的提升，為目前工程普遍采用。三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)近年在各個領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，其技術(shù)日趨成熟，逐漸被各領(lǐng)域認(rèn)可。

目前二維CAD設(shè)計，依靠設(shè)計工程師的空間思維和基本制圖技能完成空間設(shè)計[2]，相關(guān)問題逐漸凸顯；例如精確碰撞檢查三維電氣安全距離校核、數(shù)字化移交、專業(yè)間協(xié)同設(shè)計等[3]。變電工程引入三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，首先要從底層數(shù)據(jù)庫設(shè)計著手，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式解決以下幾個問題。

①邏輯模型與布置模型聯(lián)動，即二維符號與三維模型聯(lián)動問題。主接線元件符號即邏輯模型需要與三維布置模型一致，兩者是整個變電工程模型的不同表達方式；邏輯模型與布置模型一起構(gòu)建變電工程數(shù)字模型。

②布置模型與二維視圖聯(lián)動，因現(xiàn)階段工程實施的很多環(huán)節(jié)仍然以二維圖紙為載體，存在數(shù)字化化模型與二維圖紙之間的聯(lián)動關(guān)系；二維視圖是三維布置模型的投影，兩者之間存在唯一對應(yīng)關(guān)系，并應(yīng)支持實時聯(lián)動更新。

③布置模型與設(shè)備材料統(tǒng)計聯(lián)動，設(shè)備材料體現(xiàn)于現(xiàn)場施工安裝所需的二維視圖，但其數(shù)據(jù)記錄來源于底層數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)記錄對應(yīng)唯一的布置模型，同時支持實時聯(lián)動更新。

1 配電裝置數(shù)字化設(shè)計流程

變電工程設(shè)計的核心是配電裝置設(shè)計，配電裝置數(shù)字化設(shè)計主要分為2個板塊，即系統(tǒng)設(shè)計與布置設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計包含電氣接線設(shè)計；布置設(shè)計包含設(shè)備建模、設(shè)備模型空間布置、導(dǎo)線連接及相關(guān)校核等；配電裝置數(shù)字化設(shè)計簡要流程如圖1。

圖1 配電裝置數(shù)字化設(shè)計簡要流程

2 邏輯模型與布置模型聯(lián)動

2.1 邏輯模型

傳統(tǒng)接線設(shè)計，用符號化的圖形來表示設(shè)備，輔以參數(shù)標(biāo)注進而完成全站配電裝置電氣原理設(shè)計示意。三維數(shù)字化設(shè)計中的接線除了能完成上述基本設(shè)計功能外，還賦予接線中的圖例元件符號特定屬性（鼠標(biāo)懸停能夠自動顯示相應(yīng)賦值信息）；接線中的任一設(shè)計信息，對應(yīng)三維模型布置中的唯一對象，使得接線的任何修改均能反映到三維模型布置上。某工程經(jīng)賦值、標(biāo)注后主接線如圖2所示。

圖2 帶屬性參數(shù)的電氣接線局部示意

2.2 布置模型

2.2.1 設(shè)備建模

通過三維設(shè)計，可以按照設(shè)備的精確尺寸在軟件平臺中建立1∶1三維實體模型，可以按照工程需要賦予模型通用設(shè)備參數(shù)[4]，諸如材質(zhì)、電氣接線點、電壓等級、相序等信息。設(shè)備建模時應(yīng)遵循相應(yīng)規(guī)范，對其部件及其精細程度進行三維表達。按照我院內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，避雷器設(shè)備建模應(yīng)表達的部件有：安裝底座（基本圖元：長方體）、放電計數(shù)器/在線監(jiān)測裝置及其支架（基本圖元：長方體）、絕緣套管（基本圖元：瓷套）、壓力釋放裝置（基本圖元：長方體、棱柱）、接線端子版（基本圖元：長方體）、接地端子（基本圖元：長方體）、吊耳（若有）（基本圖元：圓環(huán)）。避雷器的三維物理模型如圖3所示。

圖3 220kV氧化鋅避雷器模型

設(shè)備模型入庫時，需對模型的各個部件分別進行定義。如上述避雷器，對各部件分別定義如下：a.均環(huán)（110kV，帶電體）；b.支柱瓷瓶（普通組件）；c.放電計數(shù)器（普通組件）；d.支架（接地體）。將定義完成的設(shè)備模型存入數(shù)據(jù)庫，待搭建全站模型時調(diào)用。完整的避雷器設(shè)備模型屬性見表1。

2.2.2 設(shè)備模型布置

通過軟件平臺的軸網(wǎng)功能進行模型在三維空間中的精確定位，能夠快捷準(zhǔn)確的將各個配電裝置區(qū)域模型快速布置。軸網(wǎng)設(shè)計功能應(yīng)支持設(shè)計人員通過輸入設(shè)備定位的坐標(biāo)進行精確定位，通過以圍墻為參考邊界進行站內(nèi)軸網(wǎng)的相對位置設(shè)計；由于設(shè)備模型存放于工程庫中，而主接線賦值的參數(shù)也源于本工程庫；工程庫的唯一性確保主接線圖例符號與三維設(shè)備模型一一對應(yīng)。某工程500kV高壓并聯(lián)電抗器模型布置示意圖如圖4所示。

避雷器屬性參數(shù)表 表1

圖4 500kV高壓并聯(lián)電抗器模型布置示意

2.2.3 導(dǎo)線連接

全站設(shè)備模型布置完畢之后。需進行導(dǎo)線連接工作；包含設(shè)備間連線，跨線、引下線、引出線、跳線等連接；導(dǎo)線連接時軟件會自動判斷所連接兩端設(shè)備端子板的相序，相序一致方可進行連接。某工程35kV并聯(lián)電容器組導(dǎo)線連接示意圖如圖5所示。

圖5 35kV并聯(lián)電容器組導(dǎo)線連接示意

2.3 模型聯(lián)動

2.3.1 邏輯模型與布置模型對應(yīng)關(guān)系

工程中的每一個設(shè)備對象，都有系統(tǒng)模型表達和三維模型表達，分別對應(yīng)主接線圖例符號和三維設(shè)備模型；在設(shè)計過程中兩者通過唯一的電網(wǎng)標(biāo)識編碼將兩者進行關(guān)聯(lián)，并通過編碼記錄設(shè)備基本信息（型號、廠家、出廠參數(shù)等）和設(shè)備在工程中信息（相信息、期次、電壓等級等），主接線圖元符號與三維模型都讀取同一套數(shù)據(jù)信息。工程庫中設(shè)備數(shù)據(jù)記錄及對應(yīng)的模型預(yù)覽見圖6所示。

圖6 工程庫數(shù)據(jù)記錄與模型預(yù)覽圖

2.3.2 邏輯模型與布置模型聯(lián)動技術(shù)實現(xiàn)方式

從底層數(shù)據(jù)庫出發(fā)，以工程對象為數(shù)據(jù)記錄單元，每一條數(shù)據(jù)記錄均映射到圖例符號和設(shè)備模型中，確保兩者之間的唯一關(guān)聯(lián)性。工程對象在數(shù)據(jù)庫中的組織結(jié)構(gòu)圖7所示。

3 布置模型與二維視圖聯(lián)動

3.1 三維布置模型生成二維圖紙

圖7 工程對象數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

三維布置模型通過剖切生成二維圖紙，設(shè)計數(shù)據(jù)在不同圖紙間可實現(xiàn)動態(tài)同步，可以實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)在三維布置圖、間隔斷面圖、設(shè)備安裝圖之間共享和同步。二維設(shè)計和三維布置可動態(tài)關(guān)聯(lián)，參數(shù)共享；三維布置模型可動態(tài)剖切為二維施工圖紙，剖切后的二維圖紙和三維模型動態(tài)關(guān)聯(lián)，確保數(shù)據(jù)的唯一性以及準(zhǔn)確性。三維布置模型與二維圖紙聯(lián)動對應(yīng)見圖8與圖9。

圖8 三維布置模型

圖9 二維斷面圖

三維布置是設(shè)計的重點，各間隔平、斷面與三維布置動態(tài)關(guān)聯(lián)，當(dāng)發(fā)生設(shè)計修改時，只需要在三維布置上進行調(diào)整，各間隔平、斷面都可以自動刷新，平臺應(yīng)支持二維平斷面視圖自動標(biāo)注、設(shè)備材料統(tǒng)計等功能。

3.2 二維/三維模型聯(lián)動

在三維數(shù)字化設(shè)計過程中，二維是三維模型的投影，二維模型與三維模型保持高度關(guān)聯(lián)，三維圖、平面圖、斷面圖任意一個視圖選中一個設(shè)備，其他兩個視圖都處于選中狀態(tài)。

圖10 二維/三維模型聯(lián)動

4 布置模型與設(shè)備材料統(tǒng)計聯(lián)動

數(shù)字化設(shè)計平臺中的工程庫，存放著與本工程相關(guān)的設(shè)備材料參數(shù)；該設(shè)備材料參數(shù)在邏輯模型設(shè)計時，通過設(shè)計人員按照工程所需配置并存放于數(shù)據(jù)庫（見圖11）。工程參與者可以直接打開工程庫修改設(shè)備參數(shù)，達到修改主接線標(biāo)注、材料表統(tǒng)計信息的目的。工程庫設(shè)備信息調(diào)整，例如設(shè)備名稱修改后，主接線圖元標(biāo)注信息中設(shè)備名稱隨即發(fā)生變化，材料表中設(shè)備名稱也相應(yīng)修改。

圖11 設(shè)備參數(shù)配置入庫

平臺通過剖切實現(xiàn)三維布置模型轉(zhuǎn)化為二維視圖平面模型，平臺支持對斷面圖中的設(shè)備材料自動識別，并自動生成設(shè)備材料表；該材料表格式及要求支持手動配置，以適應(yīng)不同需求。

圖12 布置模型與設(shè)備材料統(tǒng)計聯(lián)動

5 總結(jié)

三維數(shù)字化設(shè)計的宗旨在于提高設(shè)計效率，優(yōu)化設(shè)計質(zhì)量，為施工、運維輸送帶有數(shù)據(jù)信息的三維模型，實現(xiàn)設(shè)計成果的最大化利用。利用數(shù)據(jù)聯(lián)動先進技術(shù)，可以有效縮短工程師在檢查設(shè)計成果錯漏方面的時間，最大化的減少人為失誤；

①聯(lián)動技術(shù)依靠底層數(shù)據(jù)庫記錄的唯一性而實現(xiàn)，電氣元件圖例符號是邏輯化的模型，它與三維布置模型均對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中同一條記錄，邏輯模型與布置模型是同一設(shè)備的不同表達方式，兩者構(gòu)成該設(shè)備模型的數(shù)字化模型。

②邏輯模型與布置模型聯(lián)動技術(shù)，可以理解為原理接線與設(shè)備布置的一一對應(yīng)關(guān)系，該對應(yīng)關(guān)系通過軟件內(nèi)部的編碼實現(xiàn)；軟件平臺提供聯(lián)動刷新檢查機制從而確保兩者間的一致性。

③布置模型與二維視圖聯(lián)動技術(shù)，利用可視化技術(shù)可以對三維布置模型進行多角度剖切，生成對應(yīng)的二維視圖；二維視圖是三維布置模型在空間方向的投影，軟件平臺應(yīng)確保兩者間的聯(lián)動關(guān)系，實現(xiàn)設(shè)備模型修改，同步刷新到相應(yīng)視圖；同時二維視圖中的修改，也應(yīng)在三維模型布置中有所體現(xiàn)。

④布置模型與設(shè)備材料統(tǒng)計聯(lián)動技術(shù)，二維視圖中的設(shè)備材料統(tǒng)計，其數(shù)據(jù)取自底層數(shù)據(jù)庫記錄，該條記錄同時唯一對應(yīng)二維視圖中的某一類設(shè)備。軟件平臺支持按照各分類需求進行設(shè)備材料統(tǒng)計，支持設(shè)計人員手動配置設(shè)備材料統(tǒng)計表格式；以滿足各類工程需要。

聯(lián)動技術(shù)可以很好的協(xié)助工程師完成工程設(shè)計與修改工作，這也是三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在設(shè)計階段最大的亮點之一。

二維平面設(shè)計過渡到三維空間設(shè)計，是設(shè)計行業(yè)的又一次巨大變革；三維數(shù)字化設(shè)計迎合工程數(shù)字化、信息化、集成化、智能化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化的時代需求，能夠整合各工程參與方的有關(guān)數(shù)據(jù)信息，提高工程建設(shè)的質(zhì)量和效率；從設(shè)計源頭整合集成各參建方數(shù)據(jù)，支持后期開發(fā)利用，能夠服務(wù)于工程建設(shè)的全生命周期，帶來極大的社會經(jīng)濟效益。