变电工程数字化三维设计的深入应用研究

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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，更好的体现设计想法和创新亮点。

2）可行性研究阶段

本阶段的数字化设计侧重于地学信息应用[8]，利用地理信息系统、勘察数据系统以及水文信息数据指导变电站站址选择、大件运输方案。

3）初步设计阶段

搭建全专业全员参加的数字化设计平台，开展电气、结构、建筑、水工、暖通、总图等各专业的协同设计。通过三维布置，在数据库里的标准化三维方案基础上，对各电压等级配电装置场地进行优化，以碰撞校验和电气距离校验确保尺寸优化的合理性。

实现多专业并行设计模式的协同设计。优化总平面布置时，配电装置与建筑物优化同时展开，电缆沟布置与设备支架布置同时展开，基础与排水设施同时布置。避免工作质量通病，提高设计效率。

该阶段需要提交满足初设深度要求的数字化变电站模型数据，以供评审单位、招标单位、建设单位使用。

4）施工图设计阶段

在施工图阶段，根据中标的厂家资料，绘制三维模型并录入模型库；在前阶段三维成品基础上，根据实际施工图内容进行智能替换布置。在二维接线图中，更新设备参数，并与新更换的三维设备作智能关联。剖取各配电装置型式的断面图，并按图纸深度要求，自动提取设备信息，作设备标注、定位标注、材料统计等。通过各专业的三维模块工具，三维设计二维出图，完成主要施工图卷册的出图工作。

设计完成后，通过三维渲染，输出变电站整体渲染效果及三维动画，展现变电站三维全景，更加准确的反映工程项目实际情况。实现虚拟交底，让业主单位对建设效果实时掌握，同时也让施工单位人员对一些特定的工程细节有了直观、准确的把握，从而如实的反映设计思想、体现设计理念。

5）运行维护阶段

三维设计为业主提供传统设计产品的同时，还交付给业主与采购、施工安装、运行、资产管理相关的数字化设计成品，协助业主建立交付平台。工程数据流可用于变电站设计、建设、运行维护各个阶段，增加设计成品的附加值。

3  变电工程数字化三维设计的效益分析

3.1  出图质量和效率

采用三维协同设计手段后，直观可视性显著提升，设计质量、设计效率有效提升，其最大的特点就是实现了“三维设计、二维出图”，方便施工和运行人员。三维设计基于底层数据库驱动，图形、数据同步实时更新，具有关联性，可确保同一元素在不同图纸中的惟一性，从而使得设计成品优良率100%。

基于三维设计软件开展变电站设计，包含工艺设计与布置设计两大块。工艺设计重在原理、流程，而布置设计则重在相关位置、几何尺寸等。由于采用基础数据库为设计依据，因此设计重点逐步倾向于工艺优化方面，同时也实现了从设计源头实现工艺标准化目标。

更重要的是，三维设计强调专业间的协同互动，各专业使用统一平台进行设计，各专业设计内容实时更新，形成高效的设计互动，成果共享，避免了由于传统互提文件资料方式带来的信息不一致的问题。三维协同设计效率较传统工作模式可提高40%~60%。基于三维协同设计的变电站设计流程如图1。

图1 基于三维协同设计的变电工程设计流程图

3.2  效益分析

变电三维数字化设计系统以兼容性很强的大型网络数据库为支撑，以三维为手段，将变电设计当中涉及到的电气、结构、建筑、水工、暖通、总图等各专业的设计工作集成到统一的系统上。

在三维下进行准确的安全净距校验与设备材料统计等，提高了设计精细化水平，并满足了电力公司对于数字化移交的要求，对实现电网企业现代化管理水平跨上新台阶具有重要意义。

1）提升设计手段

①三维设计以数据库作为基础，由数据来驱动图形。实现数字化设计的目标。

②三维协同设计支持专业内以及专业间的协同设计，所有的项目人员在同一个整体设计环境下，即同一个数据库支撑，一次输入多次利用。

③自由灵活的2D/3D混合工作流，使得所有的布置图纸都是对三维模型的全部或部分采用切面功能自动生成，既保证了设计图纸的一致性，又保留了原先施工图采用二维图纸的习惯。3D模型和经过再符号化的富含工程意义的2D图面能够智能联动，更改了三维布置，二维图纸会自动更新；更改了二维图纸，三维布置也会随之变动。

④三维平台具有强大的可视化功能，提供动态漫游、高级仿真渲染等高级功能。预览建成后的变电站全貌，增强变电站可预期性，指导工程的施工。

2）保证设计质量

①三维软、碰撞检查和安全距离校验功能，能够让设计人员根据需要随时进行碰撞检查和带电距离等校验工作，大大提高了设计质量，在工程初期设计阶段就能够避免一些错漏，为工程的施工、管理带来很大帮助。

②三维设计通过标准设备型号库来给各种设备赋予信息、属性。在标准设备型号库中，每一个条目均可录入或修缮相对应设备的数据。在工程的不同阶段、不同人员可以共享这些数据信息，这一功能保证了各种设备或管理台帐的完整性、准确性和惟一性。

③基于数据型号库中的设备代码信息，可实现接线原理图中二维符号和布置图中三维模型的设计数据关联，从原理图中的符号直接导航到布置图中对应设备的模型，反之亦可。并且导航到的设备会高亮显示，方便设计或管理人员的查询。

④工程量统计准确，变电站主要设备、设计数据、材料数据的自动汇总统计均取自于底层数据库，既准确又方便，避免人为的疏漏。并为材料采购、技经统计等环节提供数据支持。

3）提高设计效率

三维设计采用多专业协同设计模式，各专业在统一平台协同工作。系统自动存放所有结构化的工程信息；非结构化信息则通过交互形式提交给系统；管理平台与专业应用软件集成，直接获得软件输入和输出信息，而形成包含数据、三维模型、图纸和文档的完整的工程信息。

多专业协同设计模式避免了二维模式下专业之间无法进行及时有效的沟通，配合时容易出现的问题。同时改变了常规设计的串行设计模式为并行设计模式，缩短项目的设计周期。

4）提高设计产品附加值

①三维设计方案依靠直观的界面和便捷的操作，能够更容易在三维平台中实现布置的优化设计，为业主提供更合理、经济的布置方案。

②三维设计平台具有很强的数据库功能，可以将估算的数据精确化，分散的数据集中化，为业主提供数据翔实的三维模型设备台账，并与变电站的状态检修数据进行衔接，实现对设备全寿命周期管理，为变电站后期维护改造提供方便。

③三维设计为业主提供传统设计产品的同时，还交付给工程业主与采购、施工安装、运行、资产管理相关的数字化的设计成品、设备数据、材料数据及其技经数据。

4  变电工程数字化三维设计的应用发展

变电工程设计全面应用数字化三维技术，建立起统一的数字化设计平台，实现设计、建设阶段的可视化、智能化、实现信息在全寿命周期的共享，最终向业主移交数字化变电站模型，这将是变电工程数字化三维设计的发展方向，集中体现在基础信息集成化、数据模型一体化、设计成果数字化、成果应用全程化等几个方面。

4.1 基础信息集成化

拥有一体化的多元地理信息系统，该系统包括地理空间数据、电网空间数据、电网专题数据、污区专题数据、水文信息数据等，通过三维可视化和信息化技术，支持变电站站址选择、站区规划及大件运输方案确定等工作。

如结合数字高程模型、数字正射影像、地球地理信息系统[8]等，建立变电站三维选址平台，利用航测、遥感和地理信息技术，对变电站站址进行优选。

4.2 数据模型一体化

具备方便、快捷构建多维信息模型的能力，扩展性强。多维信息模型是数字化三维设计及变电站全寿命管理的核心和基础，它是在三维模型的基础上，加载了设备、材料的基本信息，如数量、参数及技术规范、模型间相互关联关系、与外部环境的关系、时序关系等内容，它的扩展性体现在其数字化成果——多维信息模型可随设计、建造、运行等工作的逐步开展而不断充实，可以在建设、生产运维阶段赋予更详细的数据信息。

“数据模型一体化”在近几年国家电网公司推进的通用设备应用也能起到推动作用。将通用设备中的名称、编号、技术参数、电气接口、二次接口、土建接口等相关要求均集成到模型属性中，充分利用三维软件平台中强大的数据应用及管理功能，对通用属性数据做固化处理，充分贯彻执行全流程应用通用设备的理念。同时，在整个工程建设过程中包括最后的闭环收口环节，均可通过模型属性数据对通用设备的执行应用情况做明确的记录和管理，实现通用设备应用和管理的完整闭环。

4.3 设计成果数字化

具备设计过程可视化、集成化和智能化功能。

可视化。利用先进的建模技术，建立的可视化三维设计模型不仅能真实、直观、全面地反映设计意图，还能在三维的基础上进行装配、碰撞检查、有限元分析、运动分析等高级辅助设计工作，可方便地生成传统建设过程所用的工程图。通过三维出图、模拟施工等方式加强设计与施工的配合，施工图设计成品质量进一步提高；通过基础数据库、工程数据库，对实体模型进行统计分析，使工程量的控制更加精确。

集成化。数字化三维设计平台可以将不同专业的设计软件及应用系统统一进行集成，通过集成实现信息共享，通过集成实现建模、计算、绘图一体化，通过集成实现“所见及所得”，保证设计质量。

智能化。将人工智能引入数字化设计平台，使其具有智能校审能力从而达到设计智能化的目的。

4.4 成果应用全程化

具备虚拟现实能力。具有三维漫游展示功能，使设计、评审、建设管理、施工建设、运行检修等人员更加直观地了解工程方案。

在设计评审阶段，提供多种现代化模式辅助评审。将设计模型输出为3D pdf格式，使用普通的adobe reader就可以查看三维模型；使用如ipad等便捷移动终端仿真漫游三维模型；采用VR手段，辅助检阅设计成品等。这些现代化的方式，将更好的提高设计评审水平。

在施工阶段，通过对接三维信息模型，将工程进度管理的核心要素：持续时间、可交付成果、已完成工程量、资源消耗等内容转化为可供三维软件模块计算统计利用的数据信息，进行施工进度模拟并形成施工进度横道图、动态施工模拟图，以指导施工计划管理，实现工程进度的动态精准控制。

在运维阶段，利用数字化三维设计成果，集成变电站设备在线运行监测系统的实时数据，可实现以三维可视化的方式监控设备的运行状态、动态数据，并集中展示变电站的空间位置信息、设备主要设计参数、巡视维修记录以及设备运行状态信息，实现变电站智能运维。

5  结论

变电站数字化三维设计是对变电工程设计领域的一场革命，已逐步在国内外各家电力设计院开展研发应用。如何使之更好的提高设计质量和设计效率，是目前各个设计院研究的重点。

本文对变电工程数字化三维设计的平台建设、应用模块、应用范围等方面开展分析研究，进行了效益分析，对目前的发展重点进行了介绍。数字化三维设计具有可视化、数字化、智能化等多种优势，是常规二维设计手段无法比拟的。随着设计软件的进一步发展与完善，必将为变电站工程的信息化建设作重要推动。