變電站三維協(xié)同設(shè)計的應(yīng)用探討

陳莉

摘 要：近年來，我國電力事業(yè)發(fā)展迅速，且較好地滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的用電需求。變電站作為電力系統(tǒng)中變化電壓以及接受、分配與控制電能的主要場所，對于電力運行的效率和安全具有重要影響。為了進一步提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，探索變電站內(nèi)在的協(xié)同機制。該文從變電站的角度出發(fā)，引入三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)，通過對變電站三維協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢進行分析，在結(jié)合其設(shè)計原理和思路的基礎(chǔ)上，對變電站三維設(shè)計的方案展開了深入研究。研究結(jié)果表明，在三維協(xié)同設(shè)計方案確定之后，放在變電站當中進行具體實踐，實效性顯著。

關(guān)鍵詞：變電站 三維協(xié)同設(shè)計 PDMS平臺

中圖分類號：TM769 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0052-02

對傳統(tǒng)的二維變電站設(shè)計進行分析可知，其不僅具有龐大的工作量，而且在設(shè)計發(fā)生相關(guān)變更時，其所修改的內(nèi)容難以相互聯(lián)動，無法滿足精細化生產(chǎn)管理的要求。因此，加強對新型變電站設(shè)計方法的研究并改變傳統(tǒng)二維設(shè)計模式下變電站工作的局限性，進而提高變電站多專業(yè)協(xié)同作業(yè)的效率已成為當前電力領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問題?；诖?，該文提出了三維協(xié)同設(shè)計的變電站布置方式，以期為提高變電站多專業(yè)協(xié)同作業(yè)效率和實現(xiàn)其精細化設(shè)計提供有價值的參考意見。

1 變電站三維協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢

1.1 變電站三維協(xié)同設(shè)計概述

變電站三維協(xié)同設(shè)計是以三維數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)為支撐的，通過借助三維設(shè)計手段將變電站設(shè)計過程中涉及到的建筑、水工、以及電氣、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)和暖通等多專業(yè)設(shè)計工作共同集中到數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)不同專業(yè)領(lǐng)域的協(xié)同設(shè)計，在避免基于傳統(tǒng)互提文件資料形式而產(chǎn)生的信息不一致問題的同時，提高變電站設(shè)計的精細化水平，最終，確保用電安全并滿足人們的用電需求[1]。

1.2 三維協(xié)同設(shè)計優(yōu)勢

變電站的三維協(xié)同設(shè)計主要具有以下幾方面優(yōu)勢：首先，滿足變電站精細化設(shè)計的要求，能夠?qū)μ幱谌S空間中的變電站之間的距離進行準確的校驗，并能夠以全面且準確的材料統(tǒng)計數(shù)據(jù)降低碰撞與沖突發(fā)生的可能性。其次，此種變電站的設(shè)計方式能夠滿足多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的需求，將不同專業(yè)放置在一個統(tǒng)一的平臺中進行分析和設(shè)計，進而從整體上提高各個專業(yè)協(xié)同工作的效率，降低接口錯誤發(fā)生的概率[2]。最后，三維變電站模型能夠為業(yè)主提供較為真實的變電站三維空間展示效果，同時，以專業(yè)化的變電站數(shù)字化平臺實現(xiàn)其生命周期管理，從而為變電站工程的后期養(yǎng)護與維修提供便利。

2 變電站三維協(xié)同設(shè)計原理及思路

變電站的三維協(xié)同設(shè)計是以其三維數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，主要包括了專業(yè)設(shè)計子系統(tǒng)、協(xié)同設(shè)計子系統(tǒng)以及數(shù)字化移交接口子系統(tǒng)。通過將全站不同專業(yè)的三維模型作為主要依據(jù)，變電站協(xié)同設(shè)計子系統(tǒng)利用其后臺網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，并借助圖紙、數(shù)據(jù)相結(jié)合的參考機制，從而實現(xiàn)同一工程下的不同專業(yè)的協(xié)同設(shè)計。在協(xié)同子系統(tǒng)方面，不同專業(yè)則各司其職，即負責本專業(yè)的具體工作，并盡可能地參考其他專業(yè)的有效設(shè)計數(shù)據(jù)及圖紙，為其協(xié)同管理平臺的設(shè)計提供信息支持。此外，協(xié)同子系統(tǒng)還能夠根據(jù)各工程單位對其內(nèi)部的設(shè)計資料進行科學劃分，進而統(tǒng)一各專業(yè)間的設(shè)計環(huán)境[3]。同時，以統(tǒng)一的定位點作為基礎(chǔ)，引入系統(tǒng)工程管理來實現(xiàn)不同專業(yè)的協(xié)同設(shè)計。在成品圖紙與中間產(chǎn)品圖紙方面，則以不同的專業(yè)進行區(qū)分后分別存入系統(tǒng)，方便用戶對其查看與編輯。當基于全站的三維模型建立完畢后，以三維碰撞檢查的方式對是否存在碰撞風險進行衡量和判斷，若在檢查過程中產(chǎn)生碰撞，便將碰撞的結(jié)果回傳至相關(guān)專業(yè)進行修改，從整體上確保變電站三維模型的科學性和有效性。

本文對變電站三維協(xié)同設(shè)計選取的是PDMS三維設(shè)計平臺，其最大的優(yōu)勢就在于能夠?qū)Φ谌秸Z言支持其內(nèi)部數(shù)據(jù)庫操作予以良好的支持。因此，選取面向?qū)ο箝_發(fā)相對成熟的C#語言作為主要的程序開發(fā)語言，同時，將PML語言作為其內(nèi)部執(zhí)行語言，用以提高PDMS的執(zhí)行效率。在數(shù)據(jù)庫方面，由于SQL數(shù)據(jù)庫具有較強的穩(wěn)定性和較為清晰地結(jié)構(gòu)，且能夠?qū)贑#語言的數(shù)據(jù)進行快速查找，因此，選取SQL數(shù)據(jù)庫作為變電站PDMS的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。以上述組織方式為基礎(chǔ)，變電站三維協(xié)同程序的設(shè)計便可在PDMS當中運行，通過將C#語言直接寫入程序，進而為PML利用批處理文件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的寫入奠定良好基礎(chǔ)。

3 三維協(xié)同設(shè)計方案

3.1 電氣系統(tǒng)模塊設(shè)計

電氣系統(tǒng)模塊的設(shè)計主要包括電氣設(shè)備建模定位以及懸線布置和安全距離校驗等方面的工作。

首先，對電氣設(shè)備建模定位。設(shè)計思路為：對項目系統(tǒng)回路中的設(shè)備名稱以及設(shè)備的排列順序進行自動檢索，從而生成回路中的各類設(shè)備模型并實現(xiàn)各設(shè)備模型的定位。電氣設(shè)備模型定位的實施方式主要有兩種，分別為：（1）軸網(wǎng)定位，事先選出兩條交叉點進行定位，在向其中加入第三個方向的偏移實現(xiàn)設(shè)備的定位；（2）相對定位，以當前其他設(shè)備的位置為依據(jù)進行定位[4]。此外，電器設(shè)備模型還需根據(jù)其軸網(wǎng)定位或是相對定位實現(xiàn)聯(lián)動功能，即此設(shè)備同選定其當前位置的參照物進行聯(lián)動，當軸網(wǎng)或是相對設(shè)備本身發(fā)生位置偏移時，設(shè)備應(yīng)自動更新定位。

其次，進行懸線布置工作。設(shè)計思路為：選取懸垂線最大弧垂與兩處掛線點的高度作為參考，進而對懸線在三維空間中的形態(tài)進行模擬，同時，對三維空間進行檢查，判斷其是否滿足具體的設(shè)計要求。實施方案如下：對懸線進行分析可知，由于其在空間是具有相對位置的方位的，而絕緣子串則以大量金具的空間的非直角形式存在。因此，可利用PDMS對架構(gòu)上掛點進行確定的方式實現(xiàn)懸線同絕緣子串的連接。還需說明的是，由于絕緣子串是由用于連接的金具和片數(shù)可變的絕緣子共同組成的，故可通過定義模板的方法來實現(xiàn)其空間定位。對于用戶而言，只需指定模板的類型以及所需的絕緣子片數(shù)即可[5]。

最后，進行安全距離的校驗。由于變電站三維協(xié)同設(shè)計是多專業(yè)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫進行工作的，而一類變電設(shè)備能夠?qū)ζ渲苓吿囟ǚ秶鷥?nèi)具有特定含義的元件進行捕捉，因此，為帶電設(shè)備全距離校驗工作的實現(xiàn)提供了可能。根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊》，根據(jù)不同等級的電壓，將不同工況下帶電設(shè)備的安全距離以數(shù)據(jù)的形式輸入至SQL數(shù)據(jù)庫中，確保相關(guān)數(shù)據(jù)的安全性。同時，系統(tǒng)設(shè)計人員在項目設(shè)置中對各類帶電設(shè)備的電壓等級進行規(guī)定，從而確保安全距離校驗數(shù)據(jù)的準確性和權(quán)威性。安全距離的校驗主要包括兩種形式，分別為單個檢查和批量檢查。在單個檢查方面，校驗人員可先將某一配電裝置打開，進而對其單獨工作下的安全空間進行確定，同時進行碰撞檢查與區(qū)域顯示，從而獲取實時碰撞結(jié)果。在批量檢查方面，當所需檢查的設(shè)備較多且工況較為復雜時，則可向系統(tǒng)提交檢查請求，服務(wù)器端則在制定的時間內(nèi)對全部的提交的檢查申請的數(shù)據(jù)進行安全距離的校驗，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中工用戶和電力維護人員查看。

3.2 變電土建模塊設(shè)計

變電土建模塊的設(shè)計工作主要包括了溝道布置、道路布置與架構(gòu)布置三方面工作。

首先，進行溝道布置。建立專用數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對變電站電纜溝道的材料統(tǒng)計。當前，電纜溝道的等級主要由0.4 m×1.0 m、0.6 m×1.0 m、0.8 m×1.0 m、1.0 m×1.0 m、1.2 m×1.0 m和2 m×1.0 m，在按照設(shè)計圖紙和具體工況對溝道進行上述等級的分層后，便可建立起溝道系統(tǒng)，即主溝道、次溝道以及主次溝道的T型連接和L型連接程序，從而為用戶對溝道的快速建模提供依據(jù)。在具體實施方面，由于PDMS是三維建模工具，并不具備結(jié)構(gòu)計算功能，因此，可先在土建結(jié)構(gòu)中加入荷載，并將中間文件安全導出，在經(jīng)PDMS接口程序的處理后，生成符合PKPM（建筑工程軟件研究所）規(guī)范的數(shù)據(jù)，并進行計算，生成溝道施工圖紙。其次，進行道路布置。變電站三維模型中道路布置的實現(xiàn)方法同溝道布置方法相似，也由結(jié)構(gòu)截面拉伸形成[6]。以參數(shù)化道路90°直角的可變參數(shù)彎路為例，該元件為90°固定直角的轉(zhuǎn)彎道路，出入口的長度以及寬度和高度與轉(zhuǎn)彎半徑均能夠自由調(diào)整。將元件的origin點設(shè)置為其出入點的交接口，利用PDMS以土建的方式實現(xiàn)道路設(shè)置，進而實現(xiàn)系統(tǒng)對道路的安全距離校驗，確保道路布置的合理性。最后，進行架構(gòu)布置。變電土建架構(gòu)由人字柱和三角柱兩部分組成，以專業(yè)提資的要求為依據(jù)，將爬梯、鼠籠以及避雷針等設(shè)置在架構(gòu)柱處，并通過程序開發(fā)以模板的形式生成。

4 應(yīng)用案例

以戶外礦山變電站的三維協(xié)同設(shè)計為例，目前，礦山變電站的三維協(xié)同設(shè)計平臺是基于PDMS的軟件集，而PDMS則是面向基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計及其構(gòu)造與運營的一類綜合型軟件平臺產(chǎn)品，不僅具有較高質(zhì)量的施工進度模擬功能，而且還能夠?qū)ψ冸娬窘Y(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)施的施工漫游動畫的錄制和播放予以良好支持。以我國重點能源工程500 kV蘋果二變電站的設(shè)計為例，其是我國南方電網(wǎng)全面貫徹和落實西電東送戰(zhàn)略方針的關(guān)鍵項目。選取PDMS的MicroStation軟件集作為其三維協(xié)同設(shè)計平臺，就現(xiàn)階段而言，利用PDMS軟件進行變電站的協(xié)同設(shè)計仍然存在著諸多方面的問題，具體表現(xiàn)為：（1）多分裂導線問題。當前PDMS軟件平臺并不能夠?qū)λ姆至鸭耙陨系膶Ь€掛接問題予以良好的解決；（2）電氣設(shè)備距離校驗問題。當前，PDMS軟件的使用大都是在全部電氣設(shè)備和土建模型被精準確定后進行的，而設(shè)計人員并不能對全部電氣設(shè)備間的距離進行確定時，便會采取逐點手動測量的方式對設(shè)備間的最短距離進行校驗，從而在增加了電氣設(shè)備距離校驗工作量的同時，也使得校驗所得數(shù)據(jù)的誤差進一步加大，影響了校驗工作的結(jié)果[7]。

為了解決上述問題，在PDMS軟件平臺上可進行二次開發(fā)，并將部分軟件群進行集成，從而提高多分裂導線和設(shè)備距離校驗問題的解決效率，具體做法如下：首先，盡可能全面收集變電站三維協(xié)同模型的設(shè)計依據(jù)與技術(shù)資料，如施工現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)和電氣設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而為變電站的三維精細化設(shè)計奠定良好基礎(chǔ)；其次，在PDMS三維平臺下，由于三維圖紙是以電氣設(shè)備主接線圖為依據(jù)進行設(shè)計的，因此，應(yīng)率先開展工程接線圖與原理圖的設(shè)計和制備工作，并將其置于同一個ID上，確保其使用的數(shù)據(jù)庫源具有較高的統(tǒng)一性。其次，建立基于PDMS的工程三維信息模型，并對各類電氣設(shè)備的屬性庫與設(shè)備模型庫進行分別設(shè)計，以良好的三維信息模型為PDMS三維協(xié)同平臺的設(shè)計提供全面且準確的信息。在此基礎(chǔ)上，進行電氣設(shè)備的碰撞試驗，即對電氣設(shè)備是否同其他專業(yè)設(shè)備的三維模型發(fā)生位置碰撞進行檢查。需要說明的是，在檢查過程中，應(yīng)盡可能地將設(shè)備檢修與其他操作進行空間實體化，進而提高碰撞檢查結(jié)果的準確性和可靠性。最后，制定好各類建筑物與電氣設(shè)備的顏色，并利用PDMS軟件集向設(shè)計人員提供二維與三維的色彩效果圖，確保出具的色彩圖同實際設(shè)備顏色相統(tǒng)一，進而制作出變電站全站的漫游動畫，以供設(shè)計者和業(yè)主參考。

5 結(jié)語

該文通過對變電站三維協(xié)同設(shè)計的概念和優(yōu)勢進行闡述，并結(jié)合其設(shè)計原理提出了基于PDMS三維設(shè)計平臺的變電站三維協(xié)同設(shè)計思路，在此基礎(chǔ)上，分別從電氣系統(tǒng)模塊和變電土建模塊兩方面對變電站的三維協(xié)同設(shè)計方式做出了系統(tǒng)探究，以我國重點能源工程500 kV蘋果二變電站的設(shè)計為例，對PDMS平臺和軟件集在變電站三維協(xié)同設(shè)計過程中應(yīng)用的問題和解決方案展開了全面研究。可見，未來加強對變電站三維協(xié)同設(shè)計方法的研究和應(yīng)用力度，對提高變電站設(shè)計的精細化程度和提高變電站不同專業(yè)協(xié)同工作的效率具有重要的現(xiàn)實意義。

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