機(jī)架式預(yù)制艙三維精細(xì)化設(shè)計(jì)探討

趙智成，趙 娜，魯東海，林立鵬，李文杰

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力有限公司，天津 300010；3.國(guó)網(wǎng)天津市電力有限公司建設(shè)分公司，天津 300143）

1 概述

當(dāng)今，智能變電站的建設(shè)與發(fā)展朝著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的方向發(fā)展，二次設(shè)備預(yù)制艙、組合式二次設(shè)備、前接線前顯示裝置、預(yù)制電纜、預(yù)制光纜等技術(shù)被大量應(yīng)用于智能變電站的建設(shè)中，從而最大程度實(shí)現(xiàn)了工廠化加工、模塊化建設(shè)，顯著縮短了現(xiàn)場(chǎng)施工及調(diào)試周期，提高了智能變電站的建設(shè)效率。

模塊化智能變電站看似大量縮減了現(xiàn)場(chǎng)工作量，但實(shí)質(zhì)上只是把現(xiàn)場(chǎng)施工工作量轉(zhuǎn)嫁給了二次設(shè)備廠家。二次設(shè)備廠家由過去單純地提供設(shè)備裝置，轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰峁┤镜亩蜗到y(tǒng)，即在過去的基礎(chǔ)上增加了采購、接線及調(diào)試等多個(gè)環(huán)節(jié)。然而，大多數(shù)二次設(shè)備廠家對(duì)于這類“新增業(yè)務(wù)”并不熟悉，接口對(duì)接的準(zhǔn)確性較低，變電站的建設(shè)存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；艙內(nèi)接線由設(shè)備廠家在工廠內(nèi)完成，艙內(nèi)空間狹小，接線及布線通道緊張，對(duì)于預(yù)制艙預(yù)留接線空間、通道及線纜轉(zhuǎn)彎半徑常常考慮不足。目前，預(yù)制艙以“黑匣子”方式交付業(yè)主，業(yè)主對(duì)預(yù)制艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)、接線等詳細(xì)情況一無所知，給后期改擴(kuò)建、運(yùn)維造成極大困難。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)手段被廣泛認(rèn)為具有直觀、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的優(yōu)點(diǎn)，三維建模過程相當(dāng)于模擬施工，精細(xì)化的建?？商崆耙?guī)避施工及質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，可以對(duì)產(chǎn)品的非直觀可見部分進(jìn)行展示，且基于三維模型和數(shù)據(jù)可以開發(fā)多種高級(jí)應(yīng)用，充分解決上述問題。目前，國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)于變電站工程三維設(shè)計(jì)數(shù)字化移交要求日漸嚴(yán)格，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)是未來變電站工程設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

本文通過三維設(shè)計(jì)手段精確設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)例化預(yù)制艙內(nèi)、外預(yù)制光電纜的布置及連接，實(shí)現(xiàn)三維仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例的一致性；在工程實(shí)施前落實(shí)設(shè)計(jì)思路，可以避免設(shè)備缺陷，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)制式二次設(shè)備艙現(xiàn)場(chǎng)“零改動(dòng)”的“即插即用”。

2 三維精細(xì)化設(shè)計(jì)方案

2.1 艙內(nèi)二次裝置標(biāo)準(zhǔn)接口精細(xì)化設(shè)計(jì)方案

在理想情況下，各二次裝置廠家均按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，基于標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的“即拆即換”和“即插即用”。然而，目前二次裝置尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，因此，本文提出“零接線”技術(shù)方案是各單裝置廠家按照自己的習(xí)慣生產(chǎn)單裝置，但需按照統(tǒng)一的對(duì)外接口提供裝置接口引出線，見圖1。

2.2 預(yù)制艙機(jī)架式結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)方案

機(jī)架式結(jié)構(gòu)采用多層次標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)體系。最終設(shè)計(jì)目標(biāo)是將機(jī)架式結(jié)構(gòu)與預(yù)制艙本體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一制造、安裝。作為結(jié)構(gòu)的頂層，機(jī)架整體組成為二次設(shè)備承載系統(tǒng)，安裝完成后見圖2。

圖1 對(duì)外統(tǒng)一接口技術(shù)示意圖

圖2 機(jī)架式結(jié)構(gòu)整體安裝示意圖

第二層結(jié)構(gòu)是機(jī)架單體（見圖3），采用拼裝式結(jié)構(gòu)，零件設(shè)計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)化原則，共邊立柱為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，零部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)最小化，提高生產(chǎn)效率，降低出錯(cuò)概率。

第三層結(jié)構(gòu)是組成機(jī)架單體的片狀部件，單體機(jī)架由2個(gè)片狀框體結(jié)構(gòu)組成主要受力構(gòu)件，片狀結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 機(jī)架單體結(jié)構(gòu)俯視圖

圖4 片狀構(gòu)件及其組成的機(jī)架單體

2.3 機(jī)架式單元的二次設(shè)備布置及結(jié)構(gòu)方案

艙內(nèi)二次設(shè)備間的連接采用預(yù)制光電纜，避免了端子排的使用，提高了設(shè)備接線效率。在每個(gè)機(jī)架模塊下方預(yù)留預(yù)制光電纜安裝位置，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)接口板作為預(yù)制光電纜插座的固定方式（見圖5），實(shí)現(xiàn)預(yù)制接口結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化。

圖5 屏柜內(nèi)預(yù)制電纜接口板示意圖

以500 kV智能變電站中500 kV斷路器保護(hù)測(cè)控柜為例：據(jù)統(tǒng)計(jì)，柜內(nèi)共14根預(yù)制電纜對(duì)外接線，交直流電源回路預(yù)制電纜采用2×4 mm2（芯數(shù)×截面）規(guī)格電纜，控制回路采用4×2.5 mm2規(guī)格和10×2.5 mm2規(guī)格電纜，電流電壓回路采用4×4 mm2規(guī)格。在屏柜內(nèi)設(shè)置1塊電纜集中接口板，尺寸為600 mm×223 mm（寬×深），接口板上布置預(yù)制電纜航空插座，二次裝置的預(yù)制電纜通過此連接器與預(yù)制艙內(nèi)集中配線柜連接，通過配線柜實(shí)現(xiàn)與場(chǎng)地智能控制柜接線，詳見圖6。

圖6 預(yù)制電纜走線示意圖

3 重點(diǎn)問題解決方案

3.1 機(jī)架式單元走線空間布局設(shè)計(jì)

由機(jī)架單元結(jié)構(gòu)二次設(shè)備布置及結(jié)構(gòu)可知，機(jī)架單元的走線設(shè)計(jì)主要包括機(jī)架單元內(nèi)、走線槽及機(jī)架單元內(nèi)的接線板。

（1）機(jī)架單元內(nèi)線纜布局

走線槽通道內(nèi)部線纜除按照間隔分區(qū)分束布設(shè)外，對(duì)不同間隔的線纜進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)，詳見圖7。

圖7 機(jī)架單元內(nèi)線纜布局三維精細(xì)化設(shè)計(jì)

（2）走線槽內(nèi)部空間裕量分析

機(jī)架單元內(nèi)部線纜三維精細(xì)化設(shè)計(jì)后，可對(duì)走線槽內(nèi)走線空間進(jìn)行裕量分析，譬如，調(diào)出預(yù)制艙三維設(shè)計(jì)模型文件，鼠標(biāo)點(diǎn)擊某個(gè)機(jī)架的走線槽，彈出走線槽剖面圖，同時(shí)顯示剩余走線空間裕度，見圖8。當(dāng)布置線纜超出走線槽容量空間時(shí)，走線槽紅色示警，提示裕量不足，必須采用更大的走線槽。

圖8 走線槽空間裕量分析及示警

機(jī)架單元走線槽三維精細(xì)化設(shè)計(jì)，可顯示走線槽內(nèi)電纜分布情況，指導(dǎo)施工接線；可指導(dǎo)所選擇的走線槽大小是否合適，避免敷設(shè)走線空間不足、返工換走線槽重敷的情況；還可更合理地選擇走線槽大小，避免走線槽裕度過大或過小。

（3）機(jī)架單元內(nèi)接線板配置及布置

接線板采用三維精細(xì)化設(shè)計(jì)，可對(duì)接線板航空插頭插接及走線布局進(jìn)行細(xì)節(jié)展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)接線板航空插頭插接是否碰撞進(jìn)行檢查等。譬如，當(dāng)某根預(yù)制電纜芯數(shù)較多插頭體積較大時(shí)，可能會(huì)與之前已插好的另一根預(yù)制電纜插頭碰撞，導(dǎo)致無法插接，可在三維設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行檢查，以紅色高亮度示警，見圖9。

圖9 接線板插接碰撞檢查示意圖

3.2 機(jī)架間專用走線通道方案

將整個(gè)機(jī)架視為一個(gè)大型機(jī)柜，在機(jī)架內(nèi)布置以走線槽為主體的行線網(wǎng)絡(luò)。在機(jī)架下部設(shè)置公用走線槽盒，在單列機(jī)架內(nèi)實(shí)現(xiàn)走線地面化。機(jī)架底部設(shè)計(jì)線纜維護(hù)通道（見圖10），機(jī)架底部的線纜需要檢修維護(hù)時(shí)，打開線纜維護(hù)通道旋轉(zhuǎn)門，即通過對(duì)內(nèi)部線纜進(jìn)行作業(yè)，無需翻開艙內(nèi)防靜電地板，使得維護(hù)方式更加簡(jiǎn)便、可靠。

圖10 線纜維護(hù)通道示意圖

機(jī)架間專用走線通道內(nèi)部線纜三維精細(xì)化設(shè)計(jì)后，可對(duì)走線空間進(jìn)行裕量分析，譬如調(diào)出預(yù)制艙三維設(shè)計(jì)模型文件，三維設(shè)計(jì)軟件中點(diǎn)擊走線通道任一部位，彈出走線通道剖面圖，同時(shí)顯示剩余走線空間裕度，見圖11。

圖11 機(jī)架間專用走線通道空間裕量分析示意圖

3.3 艙內(nèi)輔助控制系統(tǒng)三維精細(xì)化設(shè)計(jì)及全透明交付

目前，預(yù)制艙以“黑匣子”方式交付業(yè)主，業(yè)主對(duì)預(yù)制艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)、接線等詳細(xì)情況一無所知，給后期改擴(kuò)建、運(yùn)維造成極大困難。

預(yù)制艙內(nèi)輔助控制系統(tǒng)設(shè)備管線三維精細(xì)化設(shè)計(jì)后，可對(duì)攝像頭、煙感探頭、照明燈等管線布局進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后可將三維設(shè)計(jì)文件數(shù)字化交付設(shè)備廠家或施工人員按圖施工，大幅提高施工質(zhì)量；預(yù)制艙交付業(yè)主時(shí)，可將三維設(shè)計(jì)文件交付業(yè)主，業(yè)主調(diào)出預(yù)制艙三維設(shè)計(jì)模型文件，可“全透明”看到預(yù)制艙內(nèi)輔助控制系統(tǒng)設(shè)備管線，見圖12。

圖12 “全透明”交付方式

4 預(yù)制艙運(yùn)維解決方案

4.1 主設(shè)備的運(yùn)維解決方案

預(yù)制艙三維精細(xì)化設(shè)計(jì)數(shù)字化交付后，預(yù)制艙的每一個(gè)細(xì)節(jié)均可查閱，基于此可建立完善艙內(nèi)二次設(shè)備運(yùn)維解決方案，如裝置故障告警及三維定位，具體步驟如下：

（1）當(dāng)艙內(nèi)裝置發(fā)出告警信號(hào)，后臺(tái)彈出告警，見圖13。

圖13 某裝置報(bào)告警信號(hào)

（2）調(diào)閱后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，迅速定位與該告警信號(hào)向關(guān)聯(lián)的裝置端口及相應(yīng)的電纜，并三維展示關(guān)聯(lián)電纜在機(jī)架間專用走線通道的相對(duì)位置，見圖14。

圖14 定位與該告警信號(hào)相關(guān)聯(lián)的裝置及電纜

（3）運(yùn)維人員根據(jù)三維顯示的電纜路徑，迅速找到該電纜位置并進(jìn)行檢查，查找告警原因并確定是否需要更換電纜。

4.2 輔控系統(tǒng) 運(yùn)維解決方案

預(yù)制艙三維精細(xì)化設(shè)計(jì)數(shù)字化交付后，預(yù)制艙的輔助控制系統(tǒng)管線均可全透明展示，基于此可建立非常完善的輔控系統(tǒng)設(shè)備（攝像頭、煙感探頭、照明燈等）的運(yùn)維解決方案。以煙感探頭為例，闡述具體的解決方案：

（1）煙感探頭失效告警，見圖15，告警界面顯示探頭的具體告警內(nèi)容及位置等信息。

圖15 煙感探頭失效告警界面

（2）調(diào)閱后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，迅速定位與該告警信號(hào)向關(guān)聯(lián)的煙感探頭及相應(yīng)的電纜，并高亮度顯示該電纜，見圖16。

圖16 定位與該告警信號(hào)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備及電纜

（3）運(yùn)維人員根據(jù)三維顯示的電纜路徑，迅速找到該電纜位置并確定維修方案。譬如，經(jīng)檢查確定煙感探頭失效，可直接更換備用煙感探頭，若確定為煙感探頭信號(hào)線故障，則可及時(shí)聯(lián)系預(yù)制艙廠家進(jìn)行維修。

5 結(jié)語

本文基于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)架式預(yù)制艙的結(jié)構(gòu)、安裝、走線等精細(xì)化設(shè)計(jì)；同時(shí)基于三維系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)諸多高級(jí)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)手段的延伸。然而，目前用于變電站設(shè)計(jì)的三維軟件大多存在功能不穩(wěn)定、操作過程繁瑣等問題，對(duì)設(shè)計(jì)效率的影響較大；而且不同的三維成果在不同軟件間往往無法互通，如電力行業(yè)常用的Bentley Substation、博超STD等軟件，工業(yè)及建筑行業(yè)常用的Revit、Solidworks等軟件，影響基于三維的高級(jí)應(yīng)用開發(fā)和跨平臺(tái)應(yīng)用。隨著變電站三維數(shù)字化移交要求日漸嚴(yán)格，以及國(guó)家電網(wǎng)公司推進(jìn)基于約定的GIM數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同三維設(shè)計(jì)軟件之間的共享和應(yīng)用，以上問題也將在越來越廣泛的應(yīng)用中逐步得到解決。