新基建下變電工程數(shù)字化建設(shè)中設(shè)計模型應(yīng)用

王波

（貴州電網(wǎng)公司，貴州 貴陽 520002)

“數(shù)字電網(wǎng)”是讓數(shù)字化、智能化為電網(wǎng)運營賦能，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平，提高對復(fù)雜大電網(wǎng)的駕馭能力，實現(xiàn)電網(wǎng)全環(huán)節(jié)和生產(chǎn)全過程的數(shù)字化[1]。

生產(chǎn)全過程數(shù)字化從構(gòu)建數(shù)字孿生變電站開始，就是把變電站的各種設(shè)備數(shù)據(jù)匯聚，構(gòu)建一個變電站的孿生仿真鏡像，而所有數(shù)據(jù)需要一個載體，一個能承載這些數(shù)據(jù)的直觀物理對象，就是變電站工程數(shù)字化模型。因此實現(xiàn)變電站全過程的數(shù)字化勢必應(yīng)從數(shù)字化建設(shè)開始。

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，變電站設(shè)計正在向著以數(shù)據(jù)、信息模型為核心的三維數(shù)字化設(shè)計方向轉(zhuǎn)變。設(shè)計對象數(shù)字化已是最為基礎(chǔ)性的工作，特別是設(shè)計對象模型的通用性、數(shù)據(jù)可交換性等要求是符合南方電網(wǎng)公司在輸變電工程數(shù)字化移交標(biāo)準(zhǔn)中的重要要求。因此，有必要從數(shù)字工程建設(shè)角度對變電工程三維數(shù)字化設(shè)計成果的模型范圍、深度、標(biāo)準(zhǔn)化要求及應(yīng)用前景進行深入分析研究。

1 三維數(shù)字化設(shè)計建模范圍和深度

1.1 總體原則

變電工程模型是由多個設(shè)備模型構(gòu)成的一個完整的數(shù)據(jù)，包含了設(shè)備之間的邏輯關(guān)系、屬性信息等。三維數(shù)字化設(shè)計模型包含幾何信息、屬性信息、附加文件等。三維設(shè)計模型框架包括4部分內(nèi)容，分別是：屬性集、組件類、物理模型、工程模型[2]。

屬性集包括工程參數(shù)、電氣參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、材料參數(shù)、幾何參數(shù)、位置參數(shù)等。

幾何信息可采用基本圖元、參數(shù)化模型、實體模型進行描述。

初步設(shè)計階段應(yīng)建立滿足初步設(shè)計內(nèi)容深度規(guī)定要求的設(shè)備設(shè)施通用模型。

施工圖及竣工圖設(shè)計階段應(yīng)建立滿足施工圖設(shè)計內(nèi)容深度規(guī)定要求的設(shè)備設(shè)施產(chǎn)品模型，其中電氣主設(shè)備應(yīng)根據(jù)中標(biāo)廠家實際產(chǎn)品外形建立三維模型，建構(gòu)筑物及基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)實際外形建立三維模型。

1.2 電氣一次

1.2.1 建模范圍

包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)及接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、電抗器、電容器、支柱絕緣子、開關(guān)柜、架空導(dǎo)線、母線等設(shè)備以及布置的三維模型及其主要屬性信息。

1.2.2 建模深度

建立設(shè)備模型，包括設(shè)備本體、安裝底座、絕緣子套管、接線端子、均壓屏蔽裝置等主要外輪廓，安裝底座、接線端子板的開孔信息、操作機構(gòu)箱、二次接線盒、表計安裝方位信息、均壓裝置、接地端子等信息。

1.3 二次系統(tǒng)

1.3.1 建模范圍

包括屏柜、裝置、蓄電池、端子箱等設(shè)備及布置的三維模型及其主要屬性信息。

1.3.2 建模深度

屏柜應(yīng)根據(jù)外形尺寸建立柜體、柜門及柜內(nèi)主要裝置信息。端子箱應(yīng)根據(jù)外形尺寸建立箱體和箱門，表現(xiàn)外形及安裝高度、安裝方向信息。

1.4 土建部分

1.4.1 建模范圍

總圖：基于電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，建立包括場地、道路、圍墻、大門、電纜通道、護坡、擋墻、站區(qū)排水等三維模型及主要模型屬性信息。

建筑物及建筑結(jié)構(gòu)：包括墻體、幕墻、門、窗、樓板、屋面板、樓梯、電梯、臺階、坡道等。柱、梁、鋼結(jié)構(gòu)主要桿件等三維模型及主要模型屬性信息以及部分制造模型。

構(gòu)（支）架及設(shè)備基礎(chǔ)：包括鋼柱、鋼梁，變壓器、電抗器防火墻及基礎(chǔ)，GIS基礎(chǔ)等三維模型及主要模型屬性信息以及部分制造模型。

水工、暖通：建筑物內(nèi)給排水、采暖通風(fēng)的主要管道、設(shè)備、主要閥門、閥門井和管道井等設(shè)備設(shè)施的三維模型及主要模型屬性信息。

1.4.2 建模深度

總圖：模型應(yīng)表示外形尺寸信息，施工工藝做法可以關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)做法圖紙。

建筑物及建筑結(jié)構(gòu)：建筑實施的施工工藝做法可以關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)做法圖紙。鋼結(jié)構(gòu)制造模型應(yīng)包含節(jié)點及螺栓信息，可采用關(guān)聯(lián)三維數(shù)字化設(shè)計文件的方式表達。

構(gòu)（支）架及設(shè)備基礎(chǔ)：鋼結(jié)構(gòu)制造模型應(yīng)包含節(jié)點及螺栓信息，可采用關(guān)聯(lián)三維數(shù)字化設(shè)計文件的方式表達。

水工、暖通：管道及設(shè)施應(yīng)按照真實外形尺寸建模。

2 三維數(shù)字化設(shè)計模型應(yīng)用要求

結(jié)合變電站工程數(shù)字化建設(shè)全過程對模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求，三維設(shè)計成果模型應(yīng)充分考慮：規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)性、需求性、平衡性、遞增性[3]。

三維設(shè)計模型分為通用模型和產(chǎn)品模型。通用模型適用于初步設(shè)計階段，基于通用設(shè)備要求，包含幾何信息、屬性信息的模型。產(chǎn)品模型適用于施工圖和竣工圖設(shè)計階段。基于實際產(chǎn)品外形，包含幾何信息、屬性信息的模型。結(jié)合工程對通用模型和產(chǎn)品模型提出了要求，產(chǎn)品模型是在通用模型基礎(chǔ)上明確了設(shè)備、設(shè)施的安裝部件尺寸、設(shè)備端子板的實際尺寸、接地裝置等信息。

電氣設(shè)備三維模型應(yīng)按照基本圖元要求建模?；緢D元是指三維建模時使用的最小基本圖形單元，例如絕緣子、長方體、球體、圓柱、圓環(huán)、圓錐、棱臺等，可通過設(shè)定參數(shù)進行建模，并通過組合、拼接得到所需模型，確保了模型的統(tǒng)一性及可數(shù)據(jù)交換性。

三維數(shù)字化設(shè)計模型均應(yīng)包含幾何信息和屬性信息，需要滿足各建設(shè)單位各專業(yè)各階段對三維模型數(shù)據(jù)應(yīng)用需求。然而現(xiàn)階段受到計算機硬件及軟件發(fā)展以及成本因素等條件的制約，三維模型顆粒度需要做一定取舍，由各階段的需求而定，在不同的應(yīng)用階段進行加工完善。模型的拆分應(yīng)參照施工、運維要求，在移交后能夠繼續(xù)在設(shè)計模型上附加施工、運維信息，滿足后續(xù)系統(tǒng)的二次加工應(yīng)用。

三維數(shù)字化設(shè)計模型貫穿到工程規(guī)劃、設(shè)計、采購、施工、運維等工程建設(shè)全壽命周期的各個階段。模型應(yīng)隨著工程實施階段的深入而不斷細(xì)化和擴充，其精細(xì)化程度和屬性量應(yīng)呈現(xiàn)逐步遞增的趨勢。

三維數(shù)字化設(shè)計讓設(shè)計深度前移。初步設(shè)計階段的三維數(shù)字化設(shè)計成果，其建模范圍及深度已不再是傳統(tǒng)意義的初步設(shè)計范圍內(nèi)的設(shè)計內(nèi)容，為了保障優(yōu)化方案的可行性，設(shè)計方案的合理性，三維數(shù)字化設(shè)計建模范圍及深度已經(jīng)向現(xiàn)行施工圖階段延伸。較為明顯的是土建專業(yè)、水暖消防專業(yè)。例如：為了完成軟、硬碰撞檢查，增加建模內(nèi)容主要有：設(shè)備基礎(chǔ)、構(gòu)支架基礎(chǔ)、地下管溝、事故油池、消防設(shè)備、消防管道、通風(fēng)設(shè)備、二次盤柜建模到裝置級。

3 三維數(shù)字化設(shè)計成果應(yīng)用前景

3.1 獨立的數(shù)據(jù)格式

數(shù)字化設(shè)計成果具有獨立的數(shù)據(jù)格式，才能實現(xiàn)各階段各環(huán)節(jié)各應(yīng)用場景跨軟件平臺的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)?，F(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)已經(jīng)普遍接受電網(wǎng)信息模型（GIM）標(biāo)準(zhǔn)。GIM技術(shù)以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，研究通用的模型接口技術(shù)和統(tǒng)一的編碼系統(tǒng)，建立貫穿輸變電工程全過程的信息模型[4,5]。以此為數(shù)據(jù)傳遞基礎(chǔ)，才能打破工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)孤島，將模型信息屬性在工程全生命周期傳遞下去，數(shù)據(jù)因此才具有了全生命周期性。

3.2 數(shù)字化采購

通過導(dǎo)入數(shù)字化設(shè)計成果數(shù)據(jù)進行分析，進而提取有效信息，包括提取工程的所有工程量信息，分析提取工程量對應(yīng)的造價信息，通過獲取施工單位的管理信息，可以按施工進度分批次采購相應(yīng)的設(shè)備材料等。

3.3 數(shù)字化建造

基于數(shù)字化設(shè)計成果數(shù)據(jù)，以項目建設(shè)管理單位為主體，針對項目管理部門、設(shè)計、監(jiān)理、施工、物資等五個項目管理維度，從根本上解決了項目各參與方信息交流形成的“信息斷層”和應(yīng)用該系統(tǒng)之間“信息孤島”問題；可以實現(xiàn)進度管理、安全管理、技術(shù)管理、質(zhì)量管理、造價管理等協(xié)同可視化管理。

3.4 數(shù)字化移交

工程數(shù)字化建設(shè)過程中產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)信息，需要建立符合生產(chǎn)實際及后期運用的統(tǒng)一移交格式，使得信息完整有效的傳遞到運維階段，實現(xiàn)項目全生命周期信息共享，建設(shè)真正意義上的數(shù)字電網(wǎng)。

通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺對數(shù)字工程移交信息進行管理，覆蓋數(shù)字化勘測、設(shè)計、采購、建造等各建設(shè)階段；涉及規(guī)劃文件及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)等信息、三維地理數(shù)據(jù)（DEM、DOM、DTM）、工程設(shè)計數(shù)據(jù)（IFC、GIM）、采購數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等進行管理，如圖2所示。

數(shù)字化工程移交內(nèi)容分為勘察設(shè)計數(shù)據(jù)和施工過程數(shù)據(jù)，記錄變電工程從前期規(guī)劃到竣工投運全部建造過程的有關(guān)數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的數(shù)字化平臺進行管理，各工程參與方按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和各自權(quán)限進行數(shù)據(jù)的讀出和寫入操作。

數(shù)字化建設(shè)成果——工程數(shù)據(jù)信息模型的移交，給項目管理部門提供一個反應(yīng)工程建設(shè)全過程的且數(shù)據(jù)完整、真實、可編輯、可擴展的數(shù)字孿生變電站雛形。

3.5 數(shù)字化運維

高效運維已經(jīng)成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力，三維數(shù)字化設(shè)計成果，從源頭實現(xiàn)了設(shè)計信息的數(shù)字化，為工程項目全生命周期管理效能和水平的提升創(chuàng)造了條件。數(shù)字化運維核心動力在于數(shù)據(jù)驅(qū)動，可以在數(shù)字資產(chǎn)管理、設(shè)備維護、移動巡檢、大數(shù)據(jù)分析等方面采用和以往不同的數(shù)字化手段，打破原有慣性管理思路，實現(xiàn)變電站高級運行支持平臺以統(tǒng)一的方式對運維進行實時調(diào)整，實現(xiàn)最優(yōu)運維管理。

4 結(jié)束語

數(shù)字化工程建設(shè)是依托工程完整的數(shù)字化設(shè)計成果數(shù)據(jù)完成。從前期項目規(guī)劃立項、數(shù)字化勘察、數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化物資采購、數(shù)字化建造、數(shù)字化移交及后期為數(shù)字化運維服務(wù)等工程建設(shè)全生命周期的數(shù)據(jù)管理。其中，作為信息數(shù)據(jù)的源頭——數(shù)字化設(shè)計成果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、信息的可擴展性、編碼的標(biāo)準(zhǔn)化等技術(shù)手段使得數(shù)字化設(shè)計成果數(shù)據(jù)為工程建設(shè)提供更多的服務(wù)成為可能。通過二次接口開發(fā)進行設(shè)施及模型編碼互譯，各參與方按照各自業(yè)務(wù)需要對設(shè)計成果數(shù)據(jù)進行加工利用，以達到數(shù)據(jù)價值的最大化利用，從而實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)流從勘測設(shè)計向基建施工、運行維護及電網(wǎng)數(shù)字資產(chǎn)全生命周期管理貫通，為“數(shù)字電網(wǎng)”的建立提供數(shù)據(jù)基石。