三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程中的應(yīng)用

于明國，嚴(yán)福章

（國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市，100052）

0 引言

寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程是世界上第一個(gè)±660 kV電壓等級(jí)的直流輸電工程，是國家電網(wǎng)公司以打造精品工程為目標(biāo)的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。本工程兩端的換流站和變電站，是國家電網(wǎng)系統(tǒng)首次全面采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的變電工程。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，是依賴設(shè)計(jì)者的空間想象力和制圖技能完成空間設(shè)計(jì)的，對(duì)工程總體空間布置的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較和優(yōu)化缺乏控制，很難適應(yīng)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的要求。三維設(shè)計(jì)是以數(shù)據(jù)庫為核心，以三維模型為依托，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，直接進(jìn)行三維布置，從三維提取二維圖紙和數(shù)據(jù)。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)具有精準(zhǔn)、直觀、高效的優(yōu)點(diǎn)，提高了設(shè)計(jì)單位為工程建設(shè)延伸增值服務(wù)能力。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)提升了變電工程的設(shè)計(jì)手段，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，是變電工程設(shè)計(jì)的革命性技術(shù)進(jìn)步。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在提供設(shè)計(jì)成品的同時(shí)，還移交一個(gè)終生存儲(chǔ)工程信息的管理平臺(tái)，對(duì)工程建設(shè)過程的精細(xì)化管理和工程全壽命周期管理具有重要意義[1-5]。

目前，三維數(shù)字設(shè)計(jì)軟件漸趨成熟，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)具有弧度要求的軟導(dǎo)線設(shè)計(jì)，以及對(duì)導(dǎo)線的弧垂、擺動(dòng)和帶電距離進(jìn)行設(shè)計(jì)校驗(yàn)，能夠較為準(zhǔn)確地在三維模型中表達(dá)帶有弧垂的導(dǎo)線、連接線等，軟件技術(shù)的進(jìn)步為變電工程全面開展三維數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了可能。本文介紹了寧東—山東±660 kV直流輸電工程的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)過程，總結(jié)了三維設(shè)計(jì)應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)，并進(jìn)行了工程應(yīng)用效益對(duì)比分析。

1 變電工程三維數(shù)字化設(shè)計(jì)過程

1.1 工程建模

（1）創(chuàng)建設(shè)備圖形庫。設(shè)備圖形庫包括符號(hào)、典型圖和設(shè)備類型。用專業(yè)軟件繪制智能主接線系統(tǒng)圖，圖中的符號(hào)和圖例與對(duì)應(yīng)的工程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。主接線系統(tǒng)圖是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的核心文件，圖中的工程設(shè)備編碼是保證工程信息在工程全壽命周期應(yīng)用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行、維護(hù)系統(tǒng)銜接的關(guān)鍵元素。

（2）建立工程設(shè)備的三維模型。為了提高三維建模的工作效率，須先根據(jù)工程的需要建立設(shè)備列表，設(shè)備列表主要分為電氣設(shè)備建模一覽表和建構(gòu)筑物建模一覽表。按照節(jié)省資源，保證模型的視覺效果，滿足關(guān)鍵部位碰撞檢查的前提下，確定建模精度。在滿足模型精細(xì)度的要求下，設(shè)備模型應(yīng)盡可能采用簡單的實(shí)體模型構(gòu)建。

（3）賦予三維模型屬性，同時(shí)考慮賦予的屬性具有可擴(kuò)展性。屬性信息包含了工程設(shè)備編碼、屬性、外形和位置等，其中編碼和屬性是按照工程信息編碼規(guī)則編寫和填寫屬性表的方式賦予，外形信息是以設(shè)備的外形尺寸對(duì)設(shè)備或設(shè)備的重要部分模型實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，位置信息是在統(tǒng)一的工程坐標(biāo)系中，用于確定設(shè)備模型插入基準(zhǔn)點(diǎn)，一般采用設(shè)備的底面或頂面中心的三維坐標(biāo)，支架等設(shè)施采用場平標(biāo)高面上通過支架中軸線的點(diǎn)，插入基準(zhǔn)點(diǎn)的操作可以使用軟件功能確定設(shè)備的物理中心。

（4）確定設(shè)備的真實(shí)材料。根據(jù)不同的材料及實(shí)際刷漆的顏色，給定設(shè)備元件在模型中的層和顏色，以方便渲染時(shí)統(tǒng)一賦材質(zhì)。給模型賦顏色，模型顏色以反映設(shè)備的實(shí)際外觀為標(biāo)準(zhǔn)。全站主色彩為綠色、灰色和金屬灰，色標(biāo)采用勞爾色卡-K7系列，顏色統(tǒng)一設(shè)定為啞光。模型實(shí)例如圖1所示。

圖1 直流斷路器三維數(shù)字模型Fig.1 The 3D numerical model of DC disconnector

1.2 電氣三維布置及場地?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)

電氣三維布置就是采用設(shè)備模型庫分區(qū)域進(jìn)行電氣設(shè)備布置，區(qū)域組裝是將一個(gè)區(qū)域內(nèi)的多專業(yè)三維模型組裝到一起。區(qū)域主要分為直流場、閥廳及換流變、交流濾波器場、交流配電場等，區(qū)域內(nèi)包括電氣主設(shè)備、構(gòu)支架、導(dǎo)線、避雷線、主接地網(wǎng)等。全站土建部分建構(gòu)筑物主要包括閥廳、主控樓、綜合樓等，主要建構(gòu)筑物建模集成關(guān)鍵建構(gòu)筑物信息，便于三維空間的材料統(tǒng)計(jì)，輔助生產(chǎn)區(qū)建筑物只表示建筑結(jié)構(gòu)外形即可。場地?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)先將二維地形圖轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字地形，用Geoper進(jìn)行場地平整，區(qū)域道路及場地豎向設(shè)計(jì)，在場地設(shè)計(jì)完成后賦予地面材質(zhì)。對(duì)站內(nèi)道路和電纜溝建模，在場地內(nèi)統(tǒng)一布置。在區(qū)域場地內(nèi)的電氣組裝和建構(gòu)筑物的組裝，與區(qū)域場地的道路、廣場、建構(gòu)筑物、通風(fēng)空調(diào)設(shè)備和圍墻，地下設(shè)施包括建構(gòu)筑物基礎(chǔ)、電纜溝和地下管網(wǎng)統(tǒng)一布置，形成總裝模型。三維模型按專業(yè)組裝—區(qū)域組裝—總裝的順序依次組裝?？傃b模型是將區(qū)域組裝模型按照各區(qū)域統(tǒng)一的坐標(biāo)系按位置對(duì)接，并連接各區(qū)域間接口。

1.3 專業(yè)間配合校驗(yàn)

模型組裝時(shí)，需進(jìn)行不同專業(yè)間的配合校驗(yàn)，通過直觀地顯示與工藝專業(yè)的配合，對(duì)專業(yè)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。校驗(yàn)主要包括設(shè)備與支架的對(duì)應(yīng)性、設(shè)備位置的對(duì)應(yīng)性、設(shè)備與支架的外形大小、端子箱的位置及支架與電纜溝的位置等。經(jīng)過專業(yè)間配合校驗(yàn)的文件，作為設(shè)計(jì)成品存放在出版文件和提供外專業(yè)資料文件夾中。校驗(yàn)前的專業(yè)設(shè)計(jì)文件存放在區(qū)域設(shè)計(jì)文件夾，里面的文件不是為方便查找和保證安全性，主要是方便各專業(yè)的分區(qū)域設(shè)計(jì)及每個(gè)區(qū)域的專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)。在進(jìn)行區(qū)域組裝時(shí)，對(duì)各專業(yè)模型在場地位置進(jìn)行配合校驗(yàn)，專業(yè)間接口進(jìn)行校驗(yàn)。總裝時(shí)對(duì)區(qū)域模型位置及區(qū)域接口進(jìn)行校驗(yàn)，發(fā)生位置沖突的設(shè)備重新定位，專業(yè)間接口矛盾由專業(yè)配合修改。修改后的模型經(jīng)重新校驗(yàn)后保存在出版文件夾和提供外專業(yè)資料文件夾中，這2個(gè)文件夾存放的只能是成品文件，這樣首先是方便查找，其次是這些文件均應(yīng)設(shè)置為只讀，即成品文件具有不可修改性，或者只給少數(shù)人修改權(quán)限，這樣就保證了文檔的安全性和有效性。

1.4 設(shè)備硬碰撞檢查

傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式，各專業(yè)負(fù)責(zé)自己的設(shè)計(jì)范疇，經(jīng)常發(fā)生由于缺乏溝通，考慮不周而導(dǎo)致的碰撞問題。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，經(jīng)過模型組裝后可以對(duì)不同專業(yè)的設(shè)計(jì)內(nèi)容直接觀察，基本消滅了設(shè)計(jì)階段的硬碰撞。硬碰撞主要檢查電氣設(shè)備是否與其他專業(yè)三維模型發(fā)生位置沖突，包括土建結(jié)構(gòu)或者建筑物位置沖突，電纜橋架是否與鋼結(jié)構(gòu)、各類管道沖突等。設(shè)備開合的操作范圍建模時(shí)用扇面表示，設(shè)為隱藏層，僅供校驗(yàn)使用。將設(shè)備的操作或者檢修空間實(shí)體化，并通過硬碰撞檢查確認(rèn)其位置，如接地開關(guān)的動(dòng)觸頭開合空間等。本工程通過對(duì)青島直流場的硬碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)了5處碰撞。碰撞檢查實(shí)例如圖2所示。

1.5 帶電距離校驗(yàn)

圖2 排水管線檢查井與避雷線塔基礎(chǔ)碰撞檢查Fig.2 Collision inspection of inspection shafts for drainage pipes and lightning protection tower foundation

在進(jìn)行帶電距離校驗(yàn)前，先將組裝好的模型的絕緣部分關(guān)閉，這樣顯示的帶電體直觀清晰，方便操作。軟碰撞檢查不需要畫斷面圖即可校驗(yàn)任意點(diǎn)的帶電距離，我們需要校驗(yàn)的帶電距離是空間的線，二維設(shè)計(jì)無法進(jìn)行測(cè)量，三維設(shè)計(jì)可以直接進(jìn)行任意三維空間的直線或曲線測(cè)量。帶電距離校驗(yàn)在檢查空氣凈距大于安全距離的同時(shí)，還可以驗(yàn)證設(shè)備間距不是過大，避免場地的浪費(fèi)。帶電距離校驗(yàn)是分區(qū)域進(jìn)行的三維空間測(cè)量，由于軟導(dǎo)線等帶有弧度的帶電體與其他帶電體的最短距離人為判斷很困難，在設(shè)定好需要校驗(yàn)的2個(gè)帶電體后，用軟件的最短距離計(jì)算進(jìn)行測(cè)量。全部帶電校驗(yàn)完成后，根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果編寫三維帶電距離校驗(yàn)報(bào)告。

2 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 建立統(tǒng)一的管理平臺(tái)

在數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)上，為了使設(shè)計(jì)、管理人員高效地進(jìn)行文件的存放和交流，必須建立統(tǒng)一的工程設(shè)計(jì)管理平臺(tái)。工程文件的存放應(yīng)該是層次結(jié)構(gòu)清晰，既滿足三維協(xié)同設(shè)計(jì)的要求，提高設(shè)計(jì)效率，又要專業(yè)分區(qū)明確，方便查找和實(shí)現(xiàn)文檔的權(quán)限設(shè)置。文件管理還應(yīng)考慮通過權(quán)限的關(guān)聯(lián)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計(jì)文件的設(shè)計(jì)、校核、審核、出圖和提交專業(yè)資料等設(shè)計(jì)流程的方便。本工程設(shè)立了5層結(jié)構(gòu)的工程文件管理。第1層包括設(shè)備符號(hào)庫文件夾、設(shè)備模型庫文件夾和工程文件夾，主要考慮符號(hào)庫和模型庫是可以供各個(gè)工程調(diào)用的，所以與工程文件夾平行存放。第2層是按專業(yè)分別設(shè)置的設(shè)備符號(hào)庫和設(shè)備模型庫，工程文件夾按設(shè)計(jì)階段進(jìn)行劃分。下一層次在設(shè)計(jì)階段劃分的基礎(chǔ)上，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，根據(jù)設(shè)計(jì)功能，對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)階段設(shè)立功能文件夾。在區(qū)域文件夾下設(shè)全站分區(qū)域設(shè)計(jì)文件夾，分區(qū)域設(shè)計(jì)文件夾下設(shè)專業(yè)設(shè)計(jì)文件夾和區(qū)域設(shè)計(jì)共享文件夾。各工程可以根據(jù)具體情況和需求，文件夾的設(shè)置宜從上至下逐步細(xì)化，參考設(shè)置。

2.2 設(shè)備建模技術(shù)

為提高設(shè)備建模效率，須先按功能對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)同一區(qū)域設(shè)備種類，由專人負(fù)責(zé)同類設(shè)備的建模。在專業(yè)建模時(shí)，建模者要事先在頭腦中對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理的分拆，將設(shè)備分成合適的建模單元，然后，按建模單元選擇最合適的工具建模。模型的精細(xì)程度既要考慮工程設(shè)計(jì)和演示的需要，也要考慮適應(yīng)電腦硬件和模型整體運(yùn)行的需求。建模宜盡量使用基本體如立方體、圓柱體、球體等，避免使用復(fù)雜形體如旋轉(zhuǎn)體、拉伸體等。建模過程中不宜進(jìn)行開孔和切割等操作，復(fù)雜模型采取模型組合的方式實(shí)現(xiàn)。設(shè)備建模時(shí)應(yīng)區(qū)分帶電體和絕緣體，如將設(shè)備的絕緣瓷套與金屬法蘭部分分別設(shè)置在不同的層，并賦予不同的顏色，這樣便于進(jìn)行帶電距離校驗(yàn)。如500 kV帶電體均在20層，顏色標(biāo)號(hào)“XXX”，絕緣體等均在30層，顏色標(biāo)號(hào)“XXX”。建模時(shí)注意以上操作要點(diǎn)，可以提高建模效率，有效地減少模型占用空間，有利于模型的組裝和校驗(yàn)，提高整體模型的運(yùn)行速度。

2.3 建立設(shè)備關(guān)系庫

在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，任何一個(gè)設(shè)備都以2種表現(xiàn)形式存在，即二維符號(hào)和三維模型。在Substation中，每個(gè)設(shè)備與二維符號(hào)、三維模型的調(diào)用關(guān)系是通過一個(gè)唯一的Part_Number來實(shí)現(xiàn)的，即設(shè)備與 Part_Number是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，一個(gè)Part_Number就是一條關(guān)聯(lián)記錄信息。所有設(shè)備的Part_Number統(tǒng)一存放在part-database文件里面，這個(gè)part-database文件就是這里所說的設(shè)備關(guān)系庫。當(dāng)然，也可以理解為，此文件存放本工程的所有設(shè)備，與設(shè)備的二維符號(hào)庫和三維模型庫是不同的。二維符號(hào)庫和三維模型庫只是設(shè)備的表現(xiàn)形式，只是一個(gè)圖形，本身不具有設(shè)備的任何屬性。只有通過Part_Number將二維符號(hào)和三維模型建立起關(guān)聯(lián)關(guān)系后，才具備設(shè)備的屬性。另外，值得討論的是，Part_Number既然是通過對(duì)二維符號(hào)和三維模型的調(diào)用來表征一個(gè)設(shè)備，那么這個(gè)設(shè)備對(duì)于各個(gè)工程來說肯定是通用的。從這個(gè)層面理解，設(shè)備關(guān)系庫也可以像設(shè)備符號(hào)庫和設(shè)備模型庫那樣，獨(dú)立于工程之外存放。本文認(rèn)為，每個(gè)工程設(shè)立自己的part-database文件夾更科學(xué)，這樣便于對(duì)工程設(shè)備按工程單獨(dú)管理，避免設(shè)備調(diào)用發(fā)生混亂。

2.4 工程信息提取

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件有設(shè)備材料自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能，當(dāng)三維模型發(fā)生變化時(shí)，設(shè)備材料表可同步更新。生成的設(shè)備材料表，須包含安裝所需的所有設(shè)備和安裝材料。設(shè)備材料統(tǒng)計(jì)應(yīng)留有安裝位置碼和設(shè)備材料編碼系統(tǒng)的接口。通過本工程的三維設(shè)計(jì)實(shí)踐，在專業(yè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)備材料統(tǒng)計(jì)是準(zhǔn)確的，從組裝模型提取的材料表由于軟件功能的限制，目前還不能保證信息的準(zhǔn)確性。

3 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

3.1 縮短工程建設(shè)周期

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)是變電全專業(yè)參與，按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作模式，設(shè)計(jì)依建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、電氣、室內(nèi)、圖紙會(huì)審等工序順序進(jìn)行，可以部分并行，設(shè)計(jì)周期較長。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)工作模式是專業(yè)獨(dú)立建模，多專業(yè)并行設(shè)計(jì)，協(xié)同整合。本工程由于有學(xué)習(xí)軟件的過程，設(shè)備模型庫從零開始，工程前期用時(shí)較長。模型庫是所有工程通用的，今后工程不必重新建庫，只需根據(jù)需要擴(kuò)充必要的新模型。隨著三維設(shè)計(jì)軟件的完善和使用技術(shù)的不斷提高，多數(shù)模型如果能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，那么同類不同規(guī)格的設(shè)備，只需改變模型參數(shù)即可獲得新模型。在本工程后期設(shè)計(jì)過程中，提取各類斷面圖和二維設(shè)計(jì)圖紙變得既簡單又方便，能明顯感覺到設(shè)計(jì)速度的提高。隨著設(shè)備模型庫的不斷補(bǔ)充完善，設(shè)計(jì)流程的簡化，設(shè)計(jì)勞動(dòng)強(qiáng)度的降低，設(shè)計(jì)速度會(huì)成倍地提高。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)起到了提高設(shè)計(jì)功效，壓縮設(shè)計(jì)時(shí)間，縮短工程建設(shè)周期的作用。

3.2 支持決策

在工程建設(shè)過程中，項(xiàng)目決策對(duì)項(xiàng)目取得預(yù)期經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益起著關(guān)鍵作用。項(xiàng)目決策階段所需的信息量是最大的，特別是決策階段所需要的工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等設(shè)計(jì)信息大多只能根據(jù)同類工程的信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，這樣的預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際存在差異，導(dǎo)致決策的科學(xué)性降低。三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在決策階段就可以利用已有的模型庫，進(jìn)行簡單的增補(bǔ)即可進(jìn)行全站模型的整合。利用模型提取設(shè)計(jì)圖紙、工程用地、工程量統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行工程造價(jià)計(jì)算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以豐富詳實(shí)的信息支撐決策，是三維數(shù)字化設(shè)計(jì)區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在。

3.3 降低工程建設(shè)費(fèi)用

根據(jù)以往工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)變更的費(fèi)用與在設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)的時(shí)間呈遞增關(guān)系。在工程建設(shè)過程中，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)的越晚，用于改正錯(cuò)誤的成本就越高。三維數(shù)字化的多專業(yè)并行設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)過程的高效溝通，極大地降低了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。如本工程在專業(yè)間配合校驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)的設(shè)備底標(biāo)高與支架頂標(biāo)高不一致，端子箱位置不正確等問題。在全站的碰撞檢查過程中，通過檢查發(fā)現(xiàn)了5處地下管線與基礎(chǔ)的碰撞。這些問題在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)解決，極大地減少了設(shè)計(jì)變更，本工程目前還沒有發(fā)生因設(shè)計(jì)原因引起的返工，加快了工程建設(shè)，降低了工程建設(shè)費(fèi)用。

4 結(jié)語

變電工程應(yīng)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，但目前三維設(shè)計(jì)軟件還不夠成熟，形狀復(fù)雜的實(shí)體占用的空間較大，影響組合后整體模型的運(yùn)轉(zhuǎn)。軟導(dǎo)線和金具的設(shè)計(jì)不令人滿意，特別是多分裂導(dǎo)線的設(shè)計(jì)還不能實(shí)現(xiàn)，需要軟件的逐步完善。受軟件和應(yīng)用環(huán)境限制，模型的參數(shù)化部分沒有實(shí)現(xiàn)，需在今后的設(shè)計(jì)過程中不斷完善設(shè)備模型的參數(shù)化，利于通用建模。通過不斷的探索，使三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)得以充分地發(fā)揮，推進(jìn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在變電工程的廣泛應(yīng)用。

致謝

本文得到了中南電力設(shè)計(jì)院變電數(shù)字化設(shè)計(jì)項(xiàng)目組的大力支持，在此表示感謝！

[1]莊葉凱.Bentley三維工廠軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2009，30（6）：108-109.

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