三维数字化设计在宁东—山东±660 kV直流输电示范工程中的应用

于明国，严福章

（国网北京经济技术研究院，北京市，100052）

0 引言

宁东—山东±660 kV直流输电示范工程是世界上第一个±660 kV电压等级的直流输电工程，是国家电网公司以打造精品工程为目标的重点建设项目。本工程两端的换流站和变电站，是国家电网系统首次全面采用三维数字化设计的变电工程。传统的二维设计，是依赖设计者的空间想象力和制图技能完成空间设计的，对工程总体空间布置的经济技术比较和优化缺乏控制，很难适应坚强智能电网的要求。三维设计是以数据库为核心，以三维模型为依托，通过数据驱动模型，直接进行三维布置，从三维提取二维图纸和数据。三维数字化设计具有精准、直观、高效的优点，提高了设计单位为工程建设延伸增值服务能力。三维数字化设计提升了变电工程的设计手段，改变了传统的设计理念，是变电工程设计的革命性技术进步。三维数字化设计在提供设计成品的同时，还移交一个终生存储工程信息的管理平台，对工程建设过程的精细化管理和工程全寿命周期管理具有重要意义[1-5]。

目前，三维数字设计软件渐趋成熟，已经能够实现具有弧度要求的软导线设计，以及对导线的弧垂、摆动和带电距离进行设计校验，能够较为准确地在三维模型中表达带有弧垂的导线、连接线等，软件技术的进步为变电工程全面开展三维数字化设计提供了可能。本文介绍了宁东—山东±660 kV直流输电工程的三维数字化设计过程，总结了三维设计应用的技术要点，并进行了工程应用效益对比分析。

1 变电工程三维数字化设计过程

1.1 工程建模

（1）创建设备图形库。设备图形库包括符号、典型图和设备类型。用专业软件绘制智能主接线系统图，图中的符号和图例与对应的工程数据关联。主接线系统图是系统设计过程的核心文件，图中的工程设备编码是保证工程信息在工程全寿命周期应用的关键数据，是实现与运行、维护系统衔接的关键元素。

（2）建立工程设备的三维模型。为了提高三维建模的工作效率，须先根据工程的需要建立设备列表，设备列表主要分为电气设备建模一览表和建构筑物建模一览表。按照节省资源，保证模型的视觉效果，满足关键部位碰撞检查的前提下，确定建模精度。在满足模型精细度的要求下，设备模型应尽可能采用简单的实体模型构建。

（3）赋予三维模型属性，同时考虑赋予的属性具有可扩展性。属性信息包含了工程设备编码、属性、外形和位置等，其中编码和属性是按照工程信息编码规则编写和填写属性表的方式赋予，外形信息是以设备的外形尺寸对设备或设备的重要部分模型实现参数化设计，位置信息是在统一的工程坐标系中，用于确定设备模型插入基准点，一般采用设备的底面或顶面中心的三维坐标，支架等设施采用场平标高面上通过支架中轴线的点，插入基准点的操作可以使用软件功能确定设备的物理中心。

（4）确定设备的真实材料。根据不同的材料及实际刷漆的颜色，给定设备元件在模型中的层和颜色，以方便渲染时统一赋材质。给模型赋颜色，模型颜色以反映设备的实际外观为标准。全站主色彩为绿色、灰色和金属灰，色标采用劳尔色卡-K7系列，颜色统一设定为哑光。模型实例如图1所示。

图1 直流断路器三维数字模型Fig.1 The 3D numerical model of DC disconnector

1.2 电气三维布置及场地数字化设计

电气三维布置就是采用设备模型库分区域进行电气设备布置，区域组装是将一个区域内的多专业三维模型组装到一起。区域主要分为直流场、阀厅及换流变、交流滤波器场、交流配电场等，区域内包括电气主设备、构支架、导线、避雷线、主接地网等。全站土建部分建构筑物主要包括阀厅、主控楼、综合楼等，主要建构筑物建模集成关键建构筑物信息，便于三维空间的材料统计，辅助生产区建筑物只表示建筑结构外形即可。场地数字化设计先将二维地形图转换为三维数字地形，用Geoper进行场地平整，区域道路及场地竖向设计，在场地设计完成后赋予地面材质。对站内道路和电缆沟建模，在场地内统一布置。在区域场地内的电气组装和建构筑物的组装，与区域场地的道路、广场、建构筑物、通风空调设备和围墙，地下设施包括建构筑物基础、电缆沟和地下管网统一布置，形成总装模型。三维模型按专业组装—区域组装—总装的顺序依次组装。总装模型是将区域组装模型按照各区域统一的坐标系按位置对接，并连接各区域间接口。

1.3 专业间配合校验

模型组装时，需进行不同专业间的配合校验，通过直观地显示与工艺专业的配合，对专业模型进行设计校核。校验主要包括设备与支架的对应性、设备位置的对应性、设备与支架的外形大小、端子箱的位置及支架与电缆沟的位置等。经过专业间配合校验的文件，作为设计成品存放在出版文件和提供外专业资料文件夹中。校验前的专业设计文件存放在区域设计文件夹，里面的文件不是为方便查找和保证安全性，主要是方便各专业的分区域设计及每个区域的专业间的协同设计。在进行区域组装时，对各专业模型在场地位置进行配合校验，专业间接口进行校验。总装时对区域模型位置及区域接口进行校验，发生位置冲突的设备重新定位，专业间接口矛盾由专业配合修改。修改后的模型经重新校验后保存在出版文件夹和提供外专业资料文件夹中，这2个文件夹存放的只能是成品文件，这样首先是方便查找，其次是这些文件均应设置为只读，即成品文件具有不可修改性，或者只给少数人修改权限，这样就保证了文档的安全性和有效性。

1.4 设备硬碰撞检查

传统的二维设计模式，各专业负责自己的设计范畴，经常发生由于缺乏沟通，考虑不周而导致的碰撞问题。三维数字化设计各专业协同设计，经过模型组装后可以对不同专业的设计内容直接观察，基本消灭了设计阶段的硬碰撞。硬碰撞主要检查电气设备是否与其他专业三维模型发生位置冲突，包括土建结构或者建筑物位置冲突，电缆桥架是否与钢结构、各类管道冲突等。设备开合的操作范围建模时用扇面表示，设为隐藏层，仅供校验使用。将设备的操作或者检修空间实体化，并通过硬碰撞检查确认其位置，如接地开关的动触头开合空间等。本工程通过对青岛直流场的硬碰撞检查，发现了5处碰撞。碰撞检查实例如图2所示。

1.5 带电距离校验

图2 排水管线检查井与避雷线塔基础碰撞检查Fig.2 Collision inspection of inspection shafts for drainage pipes and lightning protection tower foundation

在进行带电距离校验前，先将组装好的模型的绝缘部分关闭，这样显示的带电体直观清晰，方便操作。软碰撞检查不需要画断面图即可校验任意点的带电距离，我们需要校验的带电距离是空间的线，二维设计无法进行测量，三维设计可以直接进行任意三维空间的直线或曲线测量。带电距离校验在检查空气净距大于安全距离的同时，还可以验证设备间距不是过大，避免场地的浪费。带电距离校验是分区域进行的三维空间测量，由于软导线等带有弧度的带电体与其他带电体的最短距离人为判断很困难，在设定好需要校验的2个带电体后，用软件的最短距离计算进行测量。全部带电校验完成后，根据校验结果编写三维带电距离校验报告。

2 三维数字化设计的技术要点

2.1 建立统一的管理平台

在数字化设计软件平台上，为了使设计、管理人员高效地进行文件的存放和交流，必须建立统一的工程设计管理平台。工程文件的存放应该是层次结构清晰，既满足三维协同设计的要求，提高设计效率，又要专业分区明确，方便查找和实现文档的权限设置。文件管理还应考虑通过权限的关联设置来实现各专业设计文件的设计、校核、审核、出图和提交专业资料等设计流程的方便。本工程设立了5层结构的工程文件管理。第1层包括设备符号库文件夹、设备模型库文件夹和工程文件夹，主要考虑符号库和模型库是可以供各个工程调用的，所以与工程文件夹平行存放。第2层是按专业分别设置的设备符号库和设备模型库，工程文件夹按设计阶段进行划分。下一层次在设计阶段划分的基础上，按照传统的设计方式，根据设计功能，对应不同的设计阶段设立功能文件夹。在区域文件夹下设全站分区域设计文件夹，分区域设计文件夹下设专业设计文件夹和区域设计共享文件夹。各工程可以根据具体情况和需求，文件夹的设置宜从上至下逐步细化，参考设置。

2.2 设备建模技术

为提高设备建模效率，须先按功能对设备进行分类，统计同一区域设备种类，由专人负责同类设备的建模。在专业建模时，建模者要事先在头脑中对设备进行合理的分拆，将设备分成合适的建模单元，然后，按建模单元选择最合适的工具建模。模型的精细程度既要考虑工程设计和演示的需要，也要考虑适应电脑硬件和模型整体运行的需求。建模宜尽量使用基本体如立方体、圆柱体、球体等，避免使用复杂形体如旋转体、拉伸体等。建模过程中不宜进行开孔和切割等操作，复杂模型采取模型组合的方式实现。设备建模时应区分带电体和绝缘体，如将设备的绝缘瓷套与金属法兰部分分别设置在不同的层，并赋予不同的颜色，这样便于进行带电距离校验。如500 kV带电体均在20层，颜色标号“XXX”，绝缘体等均在30层，颜色标号“XXX”。建模时注意以上操作要点，可以提高建模效率，有效地减少模型占用空间，有利于模型的组装和校验，提高整体模型的运行速度。

2.3 建立设备关系库

在三维数字化设计软件平台，任何一个设备都以2种表现形式存在，即二维符号和三维模型。在Substation中，每个设备与二维符号、三维模型的调用关系是通过一个唯一的Part_Number来实现的，即设备与 Part_Number是一一对应的关系，一个Part_Number就是一条关联记录信息。所有设备的Part_Number统一存放在part-database文件里面，这个part-database文件就是这里所说的设备关系库。当然，也可以理解为，此文件存放本工程的所有设备，与设备的二维符号库和三维模型库是不同的。二维符号库和三维模型库只是设备的表现形式，只是一个图形，本身不具有设备的任何属性。只有通过Part_Number将二维符号和三维模型建立起关联关系后，才具备设备的属性。另外，值得讨论的是，Part_Number既然是通过对二维符号和三维模型的调用来表征一个设备，那么这个设备对于各个工程来说肯定是通用的。从这个层面理解，设备关系库也可以像设备符号库和设备模型库那样，独立于工程之外存放。本文认为，每个工程设立自己的part-database文件夹更科学，这样便于对工程设备按工程单独管理，避免设备调用发生混乱。

2.4 工程信息提取

三维数字化设计软件有设备材料自动统计功能，当三维模型发生变化时，设备材料表可同步更新。生成的设备材料表，须包含安装所需的所有设备和安装材料。设备材料统计应留有安装位置码和设备材料编码系统的接口。通过本工程的三维设计实践，在专业设计阶段进行设备材料统计是准确的，从组装模型提取的材料表由于软件功能的限制，目前还不能保证信息的准确性。

3 三维数字化设计优势

3.1 缩短工程建设周期

三维数字化设计是变电全专业参与，按传统设计工作模式，设计依建筑、结构、暖通、电气、室内、图纸会审等工序顺序进行，可以部分并行，设计周期较长。数字化协同设计工作模式是专业独立建模，多专业并行设计，协同整合。本工程由于有学习软件的过程，设备模型库从零开始，工程前期用时较长。模型库是所有工程通用的，今后工程不必重新建库，只需根据需要扩充必要的新模型。随着三维设计软件的完善和使用技术的不断提高，多数模型如果能实现参数化建模，那么同类不同规格的设备，只需改变模型参数即可获得新模型。在本工程后期设计过程中，提取各类断面图和二维设计图纸变得既简单又方便，能明显感觉到设计速度的提高。随着设备模型库的不断补充完善，设计流程的简化，设计劳动强度的降低，设计速度会成倍地提高。三维数字化设计起到了提高设计功效，压缩设计时间，缩短工程建设周期的作用。

3.2 支持决策

在工程建设过程中，项目决策对项目取得预期经济、社会效益起着关键作用。项目决策阶段所需的信息量是最大的，特别是决策阶段所需要的工程技术和经济等设计信息大多只能根据同类工程的信息进行预测，这样的预测结果与工程实际存在差异，导致决策的科学性降低。三维数字化设计在决策阶段就可以利用已有的模型库，进行简单的增补即可进行全站模型的整合。利用模型提取设计图纸、工程用地、工程量统计，进行工程造价计算和技术经济比较，以丰富详实的信息支撑决策，是三维数字化设计区别于传统设计的优势所在。

3.3 降低工程建设费用

根据以往工程建设经验，设计变更的费用与在设计和建设过程中发现的时间呈递增关系。在工程建设过程中，设计错误发现的越晚，用于改正错误的成本就越高。三维数字化的多专业并行设计和设计过程的高效沟通，极大地降低了设计错误发生的风险。如本工程在专业间配合校验中，发现的设备底标高与支架顶标高不一致，端子箱位置不正确等问题。在全站的碰撞检查过程中，通过检查发现了5处地下管线与基础的碰撞。这些问题在设计过程中及时发现及时解决，极大地减少了设计变更，本工程目前还没有发生因设计原因引起的返工，加快了工程建设，降低了工程建设费用。

4 结语

变电工程应用三维数字化设计的优势是显而易见的，但目前三维设计软件还不够成熟，形状复杂的实体占用的空间较大，影响组合后整体模型的运转。软导线和金具的设计不令人满意，特别是多分裂导线的设计还不能实现，需要软件的逐步完善。受软件和应用环境限制，模型的参数化部分没有实现，需在今后的设计过程中不断完善设备模型的参数化，利于通用建模。通过不断的探索，使三维数字化设计的优势得以充分地发挥，推进三维数字化设计在变电工程的广泛应用。

致谢

本文得到了中南电力设计院变电数字化设计项目组的大力支持，在此表示感谢！

[1]庄叶凯.Bentley三维工厂软件在工程设计中的应用[J].有色冶金设计与研究，2009，30（6）：108-109.

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