教育资料（2021-2022年收藏的）智能变电站三维设计系统构建[投稿]

1、智能变电站三维设计系统构建Smart substation 3d design system Structure李中1、林榕2（1. 河北省电力勘测设计研究院 石家庄市 050031；2. 河北省电力公司，河北 石家庄050021）Li Zhong1 、Lin Rong2 (1. Hebei Electric Power Design and Research Institute, Shijiazhuang 050031,China；2.Hebei Electric Power Power Corporation, Shijiazhuang 050021,China)摘要：按照国家电网公司建设

2、统一坚强智能电网目标的要求，针对电网工程特点和设计工作的实际需求，建设完成智能变电站三维设计系统，在保留传统平面投影设计的基础上，并行利用三维制图手段，开展精细化设计，用于安全净距校核、导线力学计算、防雷、材料统计、抽取间隔断面图，实现智能变电站的数字化移交，为工程全寿命周期管理奠定基础。关键词：智能变电站；三维设计；数字化移交；全寿命周期管理；设计质量Abstract: In accordance with the goal of building a unified national grid company strong and smart grid requirements，For t

3、he practical needs of network engineering and design work，Finish construction of three-dimensional design system for smart substation，While retaining the traditional design of Planar Projection based on the parallel use of three-dimensional drawing tools，using refined design，For security checking in

4、terval, the wire mechanics, lighting, materials of statistics, Achieving intelligent substation digital transfer，and lay the Foundation for the whole project life-cycle management.Keywords：smart substation; three-dimensional design ；digital handover;whole-life cycle management；quality of design60 引言

5、三维技术在设计领域应用中的强大功能和效益已被电力工程建设行业所共识，国际著名的工程公司大都将三维设计手段作为主要的设计工具，以实现项目的全寿命周期管理。国内在大型电源项目建设中率先加以应用，目前，以管道设计为主体的电源项目设计工作已逐渐普及了三维设计技术。按照国家电网公司建设统一坚强智能电网目标的要求，智能变电站设计是工程数据库的源头，是实现智能电网的关键环节。为了满足变电工程从设计、采购、施工、运行全过程的集成化和智能化管理，提高设计的效率和质量，根据电网工程的设计特点，构建智能变电站三维设计平台，实现智能变电站的数字化移交，为工程全寿命周期管理奠定基础。1 变电三维设计平台应用现状由于全球

6、经济发展速度的不平衡，电网建设中高精尖技术的应用基本集中在高速发展的中国，即便是欧美等发达国家，其电网建设的发展也是非常缓慢而保守的。与此同时，在国际范围并没有发现专业化的具有领先技术的变电设计平台。近年来，很多网、省电力设计单位都尝试进行变电站的三维方案设计。其技术路线基本一致，即利用三维管道设计软件的建模功能来完成变电站的三维建模。目前看来，主要存在以下几个方面的问题：(1) 以管道设计为主要对象的工程设计软件与以电气逻辑设计和布置设计为主的变电站设计相去较远，不能完全解决电气设计问题，如不进行二次开发则不具有施工图系统设计的能力。从某种意义上说，那只是一种三维建模手段，而不是变电设计软件

7、平台，提高设计效率和提升设计质量将受到限制。(2) 作为应用软件，而非通用平台软件，其二次开发技术是不通用的，在系统维护、二次开发、协同集成与数字化移交方面比较困难，容易使用户单位受制于软件厂商。(3) 以数据库操作为特征的操作风格，与我国设计人员已有的设计习惯与操作技能相差较大，应用阻力大，学习成本高；购买价格昂贵，不易普遍配置，形成生产力难。(4) 浪费AUTOCAD绘图平台，设计单位常年积累的宝贵知识成果不易直接应用，厂家资料导入难度大，易造成知识管理的断层与系统孤岛。(5) 设计院为众多业主服务，即便同一业主所采用的GIS、MIS、项目管理、采购等系统也采用不同平台。将全寿命周期管理与

8、数字化移交局限在某个单一数据平台是不可行的。2 变电三维设计系统框架设计2.1 软件平台变电三维设计系统软件平台见表1表1 系统软件平台Tab.1 System software paltform 项目平台绘图平台兼容AUTOCAD三维动画漫游平台兼容Autodesk Naviswork大型专业数据库平台Oracle或SQL编程语言C+、ARX2.2 功能架构系统由基础平台层、协同设计平台层和业务应用层构成，具体结构见下图。图1 智能变电站三维设计系统的结构框架Fig.1 Smart substation 3d design system structure framework2.3 主要设计

9、工作流程2.3.1电气专业的工作流程图2电气专业工作流程图Fig.2 Electrical major work flowchart从流程图可以看出，变电电气专业（含二次）需要收集、整理并管理的主要数据有：设备清册、设备材料表、电缆清册、电气主接线图、端子接线图、二次接线图、防雷设计图、接地设计图、照明设计图、电缆敷设等。2.3.2土建专业的工作流程图3土建专业工作流程图Fig.3 Civil professional work flowchart从流程图可以看出，变电土建专业需要收集、整理并管理的主要数据有：总平面布置图、建筑平立剖图、建筑详图、结构详图、设备材料表、水工暖通消防设计图等。3

10、 智能变电站三维设计系统功能通过对变电站电气、土建专业的主要设计工作流程进行分析，智能变电站三维设计系统集成了主设备安装、配电装置布置、构建筑物设计等功能。在施工图设计开始之前，通过组织建设、设计、施工、运行等单位对项目管理、质量控制等内容进行需求分析，从设计阶段开始就按照数字化移交的深度要求，建设可视化三维虚拟变电站模型，模型涵盖设计、施工、监理、项目建设等多个专业管理部门；具有可视化、信息全面共享的三维浏览模型，可实现工程数据库的框架结构规划、工程数据收集积累、设备资料版本管理、过程和成品文档管理、各类技术资料管理等功能。3.1 主要设计功能3.1.1 “通用设计”和“标准设计”实现变电站

11、接线图、原理图及回路图等逻辑图的智能化设计；电气安全净距的三维校验，接地网三维布置和三维防雷布置；常规电气、土建等计算软件的系统集成；电缆的自动敷设；变电站工程量的自动统计；引入地理信息，在数字地形图上开展工程设计方案的比选；引入节能分析软件，实现变电站的节能设计等。 3.1.2 碰撞检查通过碰撞检查（设备安全距离参加碰撞检查），及时发现电气设备碰撞（设备安全距离重叠），避免构架或设备支架之间的空间布置冲突、挤占道路空间，以及设备与设备之间是否发生碰撞（包括设备安全距离检查），并可以通过三维模型，调整部分设备或建筑物的总体布置。通过调整设备和建、构筑物的空间布置，达到优化设计的目标。3.1.3

12、 减少占地面积在满足电力设计规程、规范及电气设备间安全距离的前提下，对电气设备操作空间和设备之间的安全距离进行优化；对建、构筑物和道路交通的布置进行优化，以减少变电站占地面积。3.1.4 生成工程设计图纸在三维建模完成后从模型抽取二维及轴测图纸。在完成三维建模的基础上，生成变电站施工图纸包括设备安装图、构架整体布置轴测图、各间隔电气断面图、设备支架图、电气总平面图以及建筑图等。3.2 工程信息资料查询功能用户在对二、三维电网对象进行查询时，系统能够将与查询对象关联的电力工程基本信息、图纸信息、视频信息等进行综合展示。系统提供空间综合查询功能，使用者能够对空间对象进行点选或者按照范围选择多个对象

13、，从而获得被选中对象的属性信息或者统计结果，见图4。图4 应用系统进行工程信息资料查询示例Fig.4 Application system enginerring information query examples3.3 三维漫游通过三维漫游将变电所的全貌展现在业主面前，便于业主判别设计是否完全符合他的要求。让业主对其未来的变电站的总体规划、设备布置、主控楼各个房间的功能及所区绿化等情况一目了然，使业主对未来建成后的变电所有了直观、感性的认识。对于一些外形庞大，难以运输的电气设备，还可以从立体设计图中进行模拟运输、装配，在真实的三维空间中观察电气设备的地理位置，减少设计失误，提高设计精度1。

14、3.4 统计分析向业主提供三维模型工程数据。通过建立变电站数据库，在设备数据库中存储设备参数，设备图形库中存储各种设备的图形，工程数据库中分层次存储变电站总平面信息、间隔信息和采用的设备参数。准确地统计材料特别是管材、电缆长度等，实现造价的有效控制。3.5设备采购 通过三维平台协同设计，有效缩短设计周期，采用SG186物料编码体系，与ERP系统实现对接，为物资采购提供更便捷的服务，并可与变电站状态检修数据进行链接，实现设备的全寿命周期管理。上述信息也为以后的检修工作提供有效的保障，使资料移交工作与工程同步，有效缩短交工时间，实现提前投产。3.6可视化施工过程管理现行的专业工程管理软件平台都没有

15、与设计平台的接口，施工进度与三维模型之间没有联系，这样的施工管理软件不具有可视性，效果不佳。利用可视化三维浏览模型，通过在施工现场设置与设计同步的三维浏览模型查询点，供设计工地服务、施工人员、运行、监理、业主等各方随时浏览，指导施工。工程进度、物流和文档管理状态可随时调整以适应实际的施工情况。智能变电站三维设计平台能够与P3等各种施工管理平台衔接。通过定制的平台间的接口，将施工管理平台的过程建设进度(即时间轴)导入到三维动画漫游平台，就形成具有可视化施工管理能力的四维变电工程平台。能够根据施工管理的要求，在工程模型上实时动态看到计划经与工程实际进度，通过计划于实际工程进度的比对，更好地控制施工

16、进度。模型的数字化功能根据工程进度及时精确提取备料清单，保证工程备料的及时与准确，并有效控制采购成本。3.7 数字化移交将工程设计的最终版本，按一定规则提交给需要数据的单位，可以按专业、功能模块等分类方式分别进行提供。在完成“物理工程”的同时，向业主移交“数字工程”，通过完整的数字化移交，为业主的运行维护乃至全寿命工程管理提供完整准确的数字化支持。4 系统技术特点智能变电站三维设计系统以专业设计软件为主体，以数字化为核心、以三维为手段。该系统具有以下技术特点：4.1 数字化系统中的逻辑模型(主接线)和布置模型(三维模型及平断面施工图)都具有详尽且唯一的过程数据，为设计的自动化、精细化和数字化移

17、交提供了根本性的信息基础。数字化设计首先在方法论上，把分解还原转变为系统集成，使设计人员有了把握整个系统的可能性；将工作的语言环境，从模拟量的传输转变为数字量的传输；把使用的工具，从模仿转换为智能，为设计院所带来了业务、企业和员工再造，通过信息化，为项目的全寿命周期管理和控制提供量化的支撑。4.2 自动化工程的逻辑模型和布置模型都是工程数据库记录的不同表现形式，同一设备不论是在逻辑模型中还是在布置模型中，其链接的都是工程数据库中的同一设备记录。设计在逻辑模型、布置模型或直接在工程数据库中进行的变动，都可以在专业设计软件解读下，自动实现不同设计图纸之间的联动修改。由此突破性地提高了设计效率，将人

18、为操作的错误降低为零。对于具有详尽工程与设备信息的三维数字化模型，通过专业设计软件的解读与处理，可以直接进行计算、校验、材料统计和抽取平断面施工图、安装图和土建专业提资图表。4.3 标准化不论多么先进的设计平台都是用于对设计素材进行加工的工具，离开标准化知识管理体系的支撑，都无法发挥预期的功效。智能变电站三维设计系统提供了标准化的知识管理体系，形成全专业、数字化、三维设计与移交的标准，包括：信息标准（含设计制图标准、设备信息标准、软件信息接口标准、标准化典型设计库、标准化设计素材库、设备编码标准、物料编码标准）和作业流程标准（含设计作业与管理标准）。标准化保证了设计信息流程的通畅和设计方案的正

19、确性，并使之成为一种成熟的、标准化的工程设计建设与运行管理模式。4.4 精细化采用三维设计的主要目的是通过针对三维变电站模型进行安全净距校验、防雷设计、电缆敷设、材料统计等精细化设计，达到常规二维设计所不能达到的精度和正确性。利用软件的功能，避免构架或设备支架之间的空间布置冲突、挤占道路空间，以及设备与设备之间是否发生碰撞（包括设备安全距离检查），避免设计中出现错误，提高设计质量。通过碰撞检查（设备安全距离参加碰撞检查），最早发现电气设备碰撞（设备安全距离重叠），并可以通过三维模型，调整部分设备或建筑物的总体布置。通过调整设备和建、构筑物的空间布置，结合碰撞检查，达到精细化设计的目标。见图5。

20、 带电距离校验 设备台帐图5 精细化设计Fig.5 Fing desinn4.5 可视化安全净距校核、防雷设计、电缆敷设等设计工作全部在三维变电站模型中进行，过程与结果一目了然，可视化技术极大地降低了设计的复杂程度，使设计变得轻松高效。见图6。 图6 可视化设计Fig.6 Visual design5 项目建设重点5.1需求的准确把握对电力企业的应用需求最了解的应该是电力企业从事设计生产、经营管理的领导和技术人员。但由于这些人员学习或接收信息化系统知识较少，加之生产任务繁重。因此，总体规划或设计方案往往采用外包形式实行，而外包单位的开发人员对电力企业知识的匮乏，使得总体规划或设计方案深度不到位

21、，或者应用覆盖不全，为系统的实施带来了许多困难。要解决好这一问题必须重视项目机构建设及人力资源、资金等配置2。智能变电站三维设计系统的建设应注重专业人员和开发人员的沟通，成立课题研发小组，由电气、土建、水工、暖通等系统建设相关专业抽调人员组成，负责总体方案的制定、需求确定、和开发人员深入沟通方案落实，技术把关，检验成果实现系统培训及系统维护，解决专业人员不懂软件开发，软件开发人员不懂专业的问题。5.2数字化移交与全寿命周期管理工程的全寿命周期管理的关键是实现工程信息在全寿命周期的流动与共享。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

22、，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。所以说，数字化设计是智能电网的基础。工程的全寿命周期管理是一个概念，是一项需要经过实施的系统工程，而不是一款特定的产品。我们知道，工程的全寿命周期由规划设计、采购施工、运行维护等不同阶段组成。每一阶段有需要多种不同的信息化系统支撑。而设计院为众多业主服务，不同业主采用的各类信息化系统往往是不同的，即便同一业主所采用的GIS、MIS、项目管理、采购等系统也采用不同平台。将全寿命周期管理与数字化移交局限在某个单一数据平台显然是不可行的。全世界没有任何一家软件企业可以提供涵盖全寿命周期且放之四海而皆准的全套平台。显然，全寿命周期

23、管理与数字化移交的关键点是 “通用”。通用的数据库技术、通用的二次开发技术和通用的信息标准。智能变电站三维设计系统的工程数据库中具有所有设备完整的工程信息、参数信息与编码信息，平台从工程数据库中提取完整的信息，根据业主指定的移交对象的系统要求，定制数据通道(接口)，由此实现数字化移交。上下游阶段之间相互关联的信息系统间的数字化移交，就构成工程的全寿命周期的管理的基础。6 结语传统设计多为个人劳动贯穿于某个系统的整个流程，且不同项目又关注于不同的系统，对某个系统或流程环节没有深究的机会。精细的分工是做精产品的基础，是撬动生产力进步的杠杆。三维设计平台以模型为中心，有着天然的流水作业特性，以三维全面应用为契机，合理的变革当前的设计模式，是设计企业