基于三維設(shè)計(jì)的變電站高壓電氣距離動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法

熊靜， 李思浩

(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)

0 引言

電氣設(shè)備距離是變電站電源兩節(jié)點(diǎn)之間電氣關(guān)系的物理量，其主要功能是防止人體、車輛等帶電體接近電氣設(shè)備，造成短路、火災(zāi)、爆炸事故[1-3]。在大體上，可以將電氣距離檢測(cè)方法分為靈敏度法和阻抗法兩類，且這兩類電氣距離計(jì)算方法，都需要分析變電站狀態(tài)變量之間的關(guān)系，通過(guò)狀態(tài)變量確定電氣距離[4-6]。但是，上述方法計(jì)算出電氣距離后并未進(jìn)行過(guò)電氣距離校驗(yàn)，為了保證根據(jù)電氣距離計(jì)算方法，所設(shè)置的電氣距離，一定是最適合變電站高壓電氣距離，不會(huì)存在偏差，為此提出基于三維設(shè)計(jì)的變電站高壓電氣距離動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法，進(jìn)一步驗(yàn)證電氣距離。

1 研究基于三維設(shè)計(jì)的變電站高壓電氣距離動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法

1.1 基于三維設(shè)計(jì)建立變電站高壓電氣模型

考慮到三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的靈活性、計(jì)算性、輔助性和圖像的綜合性，本文選取Bentley平臺(tái)，建立變電站高壓電氣設(shè)備的三維模型，進(jìn)行高壓電氣設(shè)備的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。

為了驗(yàn)證電氣設(shè)備設(shè)計(jì)中使用的二維圖紙的合理性和實(shí)用性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性，避免電氣設(shè)備確定后在實(shí)際施工過(guò)程中出現(xiàn)返工現(xiàn)象，根據(jù)設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的變電站高壓電氣設(shè)備二維圖，采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)。根據(jù)二維圖確定的變電站高壓電氣設(shè)備信息，在Bentley平臺(tái)上建立變電站高壓電氣設(shè)備模板文件。在文件中，應(yīng)包括電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的基本三維建模，并增加所需的元件、屬性、樣式、二維符號(hào)、尺寸、繪圖單位、圖層、圖標(biāo)框、顏色、材料庫(kù)等基本三維建模；并根據(jù)上述信息，建立統(tǒng)一的變電所高壓電氣設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，規(guī)范變電所電氣設(shè)備的相應(yīng)屬性。在三維設(shè)計(jì)和建模過(guò)程中，需要自動(dòng)統(tǒng)計(jì)變電站高壓電氣設(shè)備、所需材料信息及其數(shù)量，生成材料報(bào)告，Bentley平臺(tái)生成的報(bào)告必須清晰。

根據(jù)上述內(nèi)容，確定建模流程和建模規(guī)則，將二維圖紙轉(zhuǎn)換成三維設(shè)計(jì)圖。則此次建立的變電站高壓電氣設(shè)備三維模型，如圖1所示。

圖1 變電站高壓電氣設(shè)備三維模型

此時(shí)，根據(jù)圖1所示變電站高壓電氣設(shè)備的三維模型，可以進(jìn)行電氣設(shè)備距離的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，即安全網(wǎng)距離校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)碰撞檢查。由于在三維設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可能存在綜合使用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的現(xiàn)象，因此將二維圖紙轉(zhuǎn)換成三維模型時(shí)，需要統(tǒng)一文件命名方式、目錄結(jié)構(gòu)、模型命名規(guī)則、色表文件、坐標(biāo)系和坐標(biāo)原點(diǎn)。其中，色表文件統(tǒng)一是為了避免不同平臺(tái)設(shè)計(jì)三維模型在合成的過(guò)程中存在色差；坐標(biāo)系和坐標(biāo)原點(diǎn)建立統(tǒng)一是為了方便三維設(shè)計(jì)模型的合成，降低電氣設(shè)備動(dòng)態(tài)距離檢查難度，因?yàn)樽鴺?biāo)系和坐標(biāo)原點(diǎn)一經(jīng)確定，產(chǎn)生的軸網(wǎng)不能隨意旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和縮放。

此外，在設(shè)計(jì)電氣設(shè)備三維模型時(shí)，還需要建立三維設(shè)計(jì)的編碼規(guī)則，即工藝相關(guān)標(biāo)識(shí)、安裝點(diǎn)標(biāo)識(shí)、位置標(biāo)識(shí)。降低模型合成難度，也可以提高電氣設(shè)備校驗(yàn)結(jié)果的輸出速度。由于電氣設(shè)備還分為一次設(shè)備和二次設(shè)備。因此，在建立電氣設(shè)備三維模型時(shí)，需要協(xié)同設(shè)計(jì)電氣設(shè)備的三維模型，按照轉(zhuǎn)換二維圖紙—數(shù)字化設(shè)計(jì)—虛擬電子端—三維設(shè)計(jì)的步驟，完成變電站高壓電氣設(shè)備的建模。

1.2 動(dòng)態(tài)校驗(yàn)變電站高壓電氣距離

基于1.1，將電氣設(shè)備二維圖紙，轉(zhuǎn)換成三維模型的轉(zhuǎn)換步驟，采用Bentley平臺(tái)，生成電氣設(shè)備距離校驗(yàn)球，通過(guò)碰撞檢查的方式，動(dòng)態(tài)校驗(yàn)電氣設(shè)備安全凈距離校驗(yàn)。

本次設(shè)計(jì)的變電站高壓電氣設(shè)備遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法，將采用智能化程序，嵌入Bentley平臺(tái)的三維校驗(yàn)規(guī)則和校驗(yàn)過(guò)程，在變電站高壓電氣設(shè)備校驗(yàn)中，生成智能校驗(yàn)球，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以自動(dòng)檢查電氣設(shè)備之間的距離，減少設(shè)計(jì)師修改圖紙的次數(shù)，提高繪圖效率。因此，在Bentley平臺(tái)中設(shè)定的電氣設(shè)備動(dòng)態(tài)校驗(yàn)流程，如圖2所示。

圖2 電氣設(shè)備動(dòng)態(tài)校驗(yàn)流程

從圖2中可以看出，在校驗(yàn)電氣設(shè)備距離時(shí)，此次設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備動(dòng)態(tài)校驗(yàn)流程所用的校驗(yàn)球一經(jīng)發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備距離，不符合電氣設(shè)備安全凈距離要求時(shí)，可以自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提示三維設(shè)計(jì)人員，電氣設(shè)備距離不合格，要求設(shè)計(jì)人員更改電氣設(shè)備，否則Bentley平臺(tái)，將不再響應(yīng)設(shè)計(jì)人員的操作，直至電氣設(shè)備所有校驗(yàn)都通過(guò)。但是，此時(shí)的校驗(yàn)過(guò)程未曾實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)校驗(yàn)，因此需要在Bentley平臺(tái)運(yùn)行后臺(tái)設(shè)置相應(yīng)的電氣設(shè)備距離校驗(yàn)判斷流程，如圖3所示。

圖3 Bentley平臺(tái)運(yùn)行后臺(tái)電氣設(shè)備距離校驗(yàn)判斷流程

根據(jù)圖2動(dòng)態(tài)校驗(yàn)流程，在平臺(tái)運(yùn)行的背景下，完成電氣設(shè)備的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)流程和電氣設(shè)備的距離校準(zhǔn)和判斷過(guò)程，使用Bentley平臺(tái)生成的校驗(yàn)球，根據(jù)圖2、圖3設(shè)置的2個(gè)流程，動(dòng)態(tài)校驗(yàn)電氣設(shè)備距離。

校驗(yàn)變電站電氣設(shè)備三維模型時(shí)，校驗(yàn)球會(huì)在電氣設(shè)備三維模型中不斷滾動(dòng)，通過(guò)碰撞的方式檢驗(yàn)電氣設(shè)備之間的距離是否為安全凈距離。在校驗(yàn)的過(guò)程中，一旦彈出警示對(duì)話框，則表明該校驗(yàn)點(diǎn)的電氣設(shè)備距離不屬于安全凈距離，并顯示出此時(shí)校驗(yàn)球所在位置的電氣設(shè)備之間的距離，從而確定電氣設(shè)備設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，將所有疏漏，都排除在圖紙成品之前，進(jìn)而將電氣設(shè)備安全距離問(wèn)題徹底消滅。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

驗(yàn)證此次研究的變電站高壓電氣距離動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法，選擇某區(qū)域的變電站高壓電氣設(shè)備，作為此次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。并將此次研究的變電站高壓電氣距離動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法，記為實(shí)驗(yàn)A組，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]提到的2組電氣距離校驗(yàn)方法，分別記為實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組。建立變電站高壓電氣三維模型，確定變電站高壓電氣距離不合格區(qū)域，導(dǎo)線間的最短距離，對(duì)比3組方法，電氣距離校驗(yàn)精度，導(dǎo)線最短距離檢測(cè)結(jié)果，距離相位誤差。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次選擇的變電站高壓電氣設(shè)備為220 kV變電站，其終期安裝了4個(gè)主變壓器，每個(gè)變壓器的功率為240 MVA，并選擇35 kV出線24回，110 kV出線16回，220 kV進(jìn)出線10回；本期安裝主變壓器2個(gè)，每個(gè)變壓器的功率為180 MVA，并選擇35 kV出線12回，110 kV出線8回，220 kV進(jìn)出線10回。此次選擇的變電站高壓電氣設(shè)備，涉及到電氣一、二次部分，還存在一定的土建筑物。此外，該變電站電氣設(shè)備，還包含了35 kV電容器組和消弧線圈，110 kV和220 kV的GIS設(shè)備，確定的變電站高壓電氣設(shè)備參數(shù)，建立三維模型。

目前變電站三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，主要包括Bentley、博超STD和AutoCAD 3個(gè)三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，由于Bentley平臺(tái)三維建模靈活，自由度高，可以高度模擬設(shè)備外形，且其繪圖工具齊全，具有較高的計(jì)算能力、輔助設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力；而博超STD系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力不靈活，AutoCAD平臺(tái)不具有計(jì)算能力、輔助設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。所以此次設(shè)計(jì)變電站三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，選擇Bentley平臺(tái)。該平臺(tái)建立的高壓電氣設(shè)備三維模型，如圖4所示。

基于此次選擇的Bentley平臺(tái)，建立的高壓電氣設(shè)備三維模型，作為此次實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用3組電氣距離校驗(yàn)方法，分別校驗(yàn)如圖5所示的變電站高壓電氣設(shè)備三維模型。

2.2 電氣設(shè)備動(dòng)態(tài)距離校驗(yàn)精度對(duì)比

基于此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，結(jié)合Bentley平臺(tái)建立的電氣設(shè)備三維模型，在三維模型中，更改變電站高壓電氣設(shè)備之間的距離，更改后，此次選擇的變電站高壓電氣設(shè)備，存在5處距離不合格區(qū)域。此時(shí)，使用3組電氣距離校驗(yàn)方法，分別校驗(yàn)此次實(shí)驗(yàn)選擇的變電站高壓電氣設(shè)備安全距離。其校驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 電氣安全距離校驗(yàn)結(jié)果圖

從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)B組僅識(shí)別出3處電氣設(shè)備安全距離不合格區(qū)域，且只有1處識(shí)別結(jié)果正確，對(duì)電氣設(shè)備距離識(shí)別率低下；實(shí)驗(yàn)C組雖然識(shí)別出5處電氣設(shè)備安全距離不合格區(qū)域，但是也僅有2處識(shí)別結(jié)果正確；而實(shí)驗(yàn)A組雖然沒(méi)有識(shí)別出安全距離，存在問(wèn)題的所有位置，但是，卻識(shí)別出5處電氣設(shè)備安全隱患區(qū)域，且5處識(shí)別結(jié)果全部正確。由此可見(jiàn)，此次研究的電氣距離動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法，已經(jīng)達(dá)到了較高的校驗(yàn)精度。

2.3 電氣設(shè)備距離相位對(duì)比

在上述兩組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)3組方法，校驗(yàn)電氣距離時(shí)，產(chǎn)生的距離相位差，對(duì)比3組方法，測(cè)得的距離相位差與實(shí)際距離相位差存在的誤差，每種方法測(cè)量30次，每隔5次，取一次數(shù)據(jù)，且不取最后一次數(shù)據(jù)，作為此次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比數(shù)據(jù)。此次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的距離相位差實(shí)際數(shù)據(jù)為0°、45°、90°和135°，3組方法的測(cè)量結(jié)果，如表1所示。

表1 距離相位差對(duì)比數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，實(shí)驗(yàn)B組測(cè)得的距離相位差，與實(shí)際測(cè)得的相位差雖然存在一定的差距，但是測(cè)得結(jié)果十分穩(wěn)定，可以計(jì)算與實(shí)際值的平均誤差，估算電氣設(shè)備實(shí)際距離；實(shí)驗(yàn)C組雖然存在較小的距離相位差，但是測(cè)得的距離相位差存在較大的波動(dòng)，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，難以根據(jù)平均誤差進(jìn)行估算；實(shí)驗(yàn)A組相較實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組，不僅與實(shí)際距離相位差相差較小，且波動(dòng)十分平穩(wěn)。由此可見(jiàn)，此次研究的電氣距離動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法，動(dòng)態(tài)校驗(yàn)電氣距離，產(chǎn)生的距離相位誤差較小，校驗(yàn)電氣距離結(jié)果更準(zhǔn)確。

3 總結(jié)

此次研究變電站高壓電氣距離動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法，充分利用三維設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建三維模型，提高電氣距離校驗(yàn)速度，增加變電站高壓電氣設(shè)備路徑校驗(yàn)功能。但是，此次研究的變電站高壓電氣距離動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法，未曾考慮校驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不安全問(wèn)題的自動(dòng)提醒功能。因此，在今后的研究中，還需要深入研究動(dòng)態(tài)校驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電氣距離問(wèn)題的提醒方式，進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)校驗(yàn)的便攜性。