变电工程数字化三维设计的深入应用研究

中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司、国网江苏省电力公司经济技术研究院的研究人员李思浩、孙建龙、周洪伟等，在2018年第3期《电气技术》杂志上撰文指出，随着现代技术的发展，设计业务与信息化手段的融和程度日益增加，以三维设计为核心的数字化设计，将成为贯穿工程全过程、全生命周期的主轴线。

文章对变电工程数字化三维设计中的各类应用模块及应用范围进行深入研究，对随之产生的效益进行了分析，并对后续的发展进行了展望，为全面推广应用提供参考。

数字化三维设计是新一代智能设计平台的基础，目前我国各行各业均广泛、深入的应用三维设计技术，数字化三维技术在电力行业的普及化也是未来发展的必然趋势[1]。

2010年国家电网公司相关部门出台了电网工程信息数字化移交规范，2013年国网经研院发布了输变电工程数字化设计应用导则，2017年初至今正在编制和发布的“输变电工程三维设计系列标准”，对电网工程设计单位的设计成果提出了标准规范要求。

近期国网组织的若干项变电站工程三维设计专题竞赛，强力推动了三维设计的进步与发展。

通过变电工程数字化设计，将能够极大的提高变电站的设计质量、设计效率[2]。可视化程度大大提高，检索难度大大降低。工程信息将由设计部门数字化移交给其他生产或管理部门。数据信息将贯穿设计、建设、运行、维护直到退役，多阶段、多环节、多部门共同维护和使用，支撑变电站全寿命周期的管理理念。

变电站数字化设计的深入应用研究，是目前各设计院研究的重点[3] [4]。

1 变电工程数字化三维设计主要特点

1）开展多专业三维协同设计[5]，搭建全站三维模型，进行智能主接线设计、三维智能布置、断面剖切提取、三维防雷接地、碰撞检查和电气距离校验、二次逻辑原理设计、智能建筑设计、全站漫游及施工进度模拟等，实现全站可视化、信息化、数字化。

2）建立数字化交付系统，集设计、施工、运行、维护为一体，具备向数字化系统移交数据和文档的条件，推动数字信息在项目全寿命周期中的顺畅流动，打破信息孤岛，并协助业主建立交付平台[6]。

2 变电工程数字化三维设计应用`

2.1 变电工程数字化三维设计平台建设

构建变电站三维数字设计平台，以包含基础模型和标准化方案的大型网络数据库为支撑，借助三维手段和数据智能关联机制，实现同一变电站工程中的电气、结构、建筑、水工、暖通、总图等多专业的协同设计。

变电站三维数字设计平台系统包含两大子系统。

一是涵盖电气一次设计、电气二次设计、建筑设计、结构设计、暖通水工设计、总图设计等各设计专业，如基于BentleyMicrostation平台，集成Bentley公司的Substation电气设计软件、AECOsim BD建筑设计软件、STAAD pro结构设计软件、GEOPAK场地设计软件等。并通过开发软件接口，对接如中国建筑科学研究院的PKPM建筑结构计算软件、上海同磊土木工程技术公司的3D3S钢结构软件和3DPTower构架集成软件、南京博力斯信息技术公司的SmartDesigner智能二次设计软件、北京科翼顺驰公司的AutoLay电缆敷设软件等；

二是为工程项目的全寿命周期管理提供集成的工程管理协同设计系统，如Bentley公司的ProjectWise系统。

在引进软件公司提供的三维设计软件的基础上，一方面进行消化吸收，最大程度利用软件本身的数字化方面的优势，另一方面依据设计图纸施工图深度的要求，进行深入的分专业模块化开发。

由于目前不少专业程序是基于国际开发平台，如Bentley Substation电气设计软件，操作习惯和方法等与国内大多数设计院并不一致，因此往往需进行本地化的软件定制开发工作。

2.2 变电工程数字化三维设计应用模块

三维设计以数据库作为基础，由数据驱动图形，达到可视化、数字化、信息化的设计目标，下面根据我院的变电三维设计开发平台建设，按主要专业的功能模块对数字化三维设计进行应用研究。

1）电气一次专业设计

使用集成多个功能设计模块的Bentley Substaion系统，对电气一次专业进行全流程的设计。可通过计算模型模板自动生成阻抗图进行短路电流计算；依据典型模板图库，快速绘制二维主接线图；设定过滤参数，进行智能设备选型；通过间隔参数设置，进行三维设备批量布置；进行设备编码，关联接线图和布置图，保证设备的惟一性；

从三维布置图中剖切提取断面图，达到断面图与布置图相关联，自动进行设备标注和材料统计；参数化绘制导线，并进行导线受力分析，生成施工报表；开展全站碰撞校验，完成电缆沟与基础、地下管线等硬碰撞校验；

开展全站电气距离校验，完成带电体与带电体、带电体与建构筑物等安全净距控制校验；以可视化模型完成防雷、接地、照明等辅助系统的设计；嵌入计算模块，通过软件自动信息化流程完成计算的输入与输出。

2）电气二次专业设计

使用SmartDesigner 智能变电站设计大师软件，进行电气二次智能逻辑原理设计，自动导入智能设备的ICD配置文件，建立模型，通过编辑逻辑和连接关系，自动生成SV/GOOSE信息流图、过程层/站控层组网示意图、光缆/电缆联系图、光缆/电缆清册等施工图纸；

使用AutoLay电缆敷设软件进行设备建模及布置，设计电缆通道，包括通道建模、布置和定位，电缆/光缆沟（支、吊）架、竖井支架、光缆槽盒、埋管等布置。根据布置结果，导出埋管、电缆沟支架等材料表及相关敷设图纸。自动统计电缆/光缆长度，导出含长度信息的清册。

3）土建专业设计

Bentley AECOsim Building Designer程序是一套综合性的建筑设计软件，包含了建筑、结构、暖通、给排水、建筑电气等模块。通过本程序可以快速完成站内主控楼等建筑设计，采用参数化创建三维建筑全信息模型，以切片方式提取平立剖施工图；并通过噪音声环境计算，作噪音分析；进行照度计算，布置照明设备；通过设备部件建模，开展暖通设计和给排水设计。

STAAD pro软件可进行结构计算及分析，对钢、木、铝、砼等各种材料构成的框架、塔架、桁架、网架(壳)、悬索等各类结构进行线性、非线性静力、反应谱及时程反应分析。STAAD pro软件具有强大的三维建模系统及丰富的结构模板，可方便快捷地建立各种复杂三维模型。

通过Bentley GEOPAK完成场地设计，基于3D地形进行场平及土方平衡计算，自动切片绘制地形断面图。

通过开发软件接口，将PKPM建筑结构计算软件生成的数据文件，导入AECOsim BD软件后直接生成建构筑物三维模型；将3D3S钢结构软件和3DPTower构架集成软件生成的IFC文件，导入AECOsim BD程序中的Structural BD软件后生成构架、塔等三维模型。其中，3DPTower变电构架集成设计软件，集成建模、分析、杆件验算、节点设计、施工图绘制五大功能，实现施工材料精细化控制。

4）协同管理设计

使用Bentley Projectwise工程管理系统，此系统有集成化、标准化、实时性、安全性和易用性等特点。其中，集成化是将各专业设计成果集中存放；标准化是指所有资料图纸按照统一的标准模式管理；实时性是能保证本工程的项目参与人员获取的信息永远是最新且同步的；安全性由工程参与人员多级权限控制来实现；易用性是指本工程管理系统界面因类似windows资源管理器，实用易上手。

协同管理的流程分文档管理、协同管理、设计配合、设计校审和成品出版六个部分。基于协同工作模式，在工程项目的规划、设计、建设过程中实现对工程图纸和资料的有效管理与控制，确保分散的工程内容的惟一性、安全性和可控制性，使分散的项目团队成员及时沟通与协作，并且能够迅速、准确地获取所需的工程信息。

通过协同设计管理平台，确保了本工程的可控制性和安全性，加强了各专业之间的配合和沟通，使整个设计过程完整、流畅。

5）成品发布应用

Bentley Navigator平台，是模型浏览审查工具，方便快速查看数字化三维设计的成果模型。针对复杂工序以及施工管理，开展施工进度模拟、设备吊装模拟、动/静态碰撞检查等，对施工进行数字化指导。发布的成果即可以查看各种数字化信息，也可以在ipad等移动应用终端上展示，实现可视化虚拟交底。

2.3 变电工程数字化三维设计应用范围及深度

工程的全寿命周期管理的关键是实现工程信息在工程各阶段的流动与共享。全寿命周期的源头是设计，在信息化设计时代，设计阶段不仅仅是完成常规的设计工作，也是整个工程信息的建立过程，没有设计的信息化，就没有数字化移交，也就无法实现工程的全寿命周期管理[7]。

因此变电工程数字化三维设计，应在工程各阶段均进行深入应用。

1）方案设计阶段

数字化三维设计在本阶段提供可视化效果，直观的展现出变电站方案，介绍变电站三维设计应用及数字化交付方面的目标，更好