构建数字化设计体系，引领电网建设发展方向

胡君慧，盛大凯，郄鑫，齐立忠

(国网北京经济技术研究院，北京市100052)

0 引言

伴随着计算机技术的高速发展，信息技术在各行各业得到广泛应用。在电网工程建设、管理领域，信息化建设作为精细化管理的必要手段，不断向深度和广度拓展，信息需求呈现爆炸式增长，原来的设计、管理模式已无法适应新技术的发展，必需建立一套适应技术进步的新体系，明确管理流程，规范信息化标准，才能有效引导数字化设计技术的发展方向。

我国电力行业的数字化设计技术经历了图版制图、计算机制图和计算机辅助设计这3个阶段。伴随信息技术的发展，计算机辅助设计不断深化，工程设计出现了从二维平面设计向三维实体模型设计转化的势头，多平台协同设计已经成为未来电力设计的发展方向［1］。

信息技术的高速发展，也同样推动了电网建设、企业数字化信息管理的需求。在输变电工程的不同阶段，设计信息需求量大、差异明显，大量的信息需要进行统一的管理与利用，需要确保信息的确定性和唯一性。目前，各阶段信息的获取还处于孤岛建设阶段，没有实现信息流动和信息共享。

1 数字化设计技术发展现状与趋势

数字化设计技术是一种全新的设计手段，是以现有设计技术为基础，应用数字化技术对现有设计方式进行升级，主要包括3个方面的内容:(1)利用信息挖掘技术实现多源地学信息的综合分析与融合，推进勘测信息在设计过程及项目全寿命期内的综合利用;(2)利用三维技术构建更为精确的工程模型，推进三维设计应用，实现可视化设计与应用;(3)利用数字化技术进行设计信息的传递与重组，推进不同专业、不同系统之间设计信息的便捷传递与信息共享。

数字化设计技术的内涵，就是以数据库为基础，实现地理信息系统(geographic information system，GIS)、遥感系统(remote sensing system，RS)、全球定位系统(global positioning system，GPS)、三维数字化设计技术、二维数字化技术的集成应用，其关系如图1所示。

图1 数字化设计技术的内涵Fig.1 Content of digital design technology

1.1 数字化设计技术发展概述

20世纪90年代，在我国出现了计算机绘制设计图纸，这是设计行业的第1次技术革命，解决了图纸的快速复制和方便修改的问题，大幅提高了劳动生产率和工程设计质量［1］，但没有解决工程信息的传递与综合利用问题，没有实现真正的数字化设计。

进入21世纪，三维设计技术开始应用于工程设计。三维设计通过建立空间模型实现了工程设计项目的虚拟展现，变抽象的二维图纸为三维模型，并可以进行任意方向的剖切，直观地进行碰撞检查，这些特点推动了三维设计技术的应用。但由于三维模型数据量巨大，其发展受制于计算机性能和软件功能。在早期的输变电工程设计中，三维技术仅停留在对模型的展示层面，设计单位并没有在工程设计中应用三维技术，所采用的工程模型也不具有参数化、结构化信息，不是真正意义上的数字化设计。近年来，随着计算机软、硬件技术的发展，进行真正意义上的三维设计已经成为可能，三维数字化设计技术已从三维展示层面向三维设计层面发展，各种三维设计应用软件逐步涌现。展望未来，满足输变电工程三维设计的软件平台应该具备以下功能:(1)围绕三维设计技术，实现设计功能的专业化应用;(2)具备多专业协同办公能力，多专业在同一模型中开展工作，所见即所得，并实现设计信息的一次录入多次采用;(3)满足数据信息的结构化要求，实现设计信息按需提取、打包，设计成品的跨平台展示，设计信息的跨平台顺畅传递，实现真正意义上的信息共享，达到设计成品移交的便捷化要求。

三维数字化设计技术是数字化设计技术不可或缺的一部分。三维数字化设计技术就是以三维模型作为信息载体，通过结构化的数据信息，为信息查询、应用及展示提供基础。推广数字化设计技术，可以实现多专业协同设计，实现设计的集成化、智能化、可视化、网络化、并行化［2］，全面提升工程设计质量和效率;通过数字化信息技术，打破设计信息孤岛，实现信息互通，建立以数据库为基础的结构化的数字设计成品，实现与业主设计评审、设备采购、工程建设招投标、现场施工管理、企业资源计划系统(enterprise resource planning，ERP)、工程生产管理系统(power production management system，PMS)的数字化联接(移交)，进而实现项目信息的全寿命期数据共享、虚拟展示，这也正是三维设计的发展方向。

1.2 国内外相关技术的应用情况

国外输变电工程设计管理模式与国内存在一定差异，工程项目绝大多数采用总承包方式，设计部分包含在工程公司内。20世纪90年代中期，国外的大型工程公司开始在电力工程中应用三维设计技术，应用的出发点基于保证设计质量，解决施工过程中碰撞带来的成本损失和提高设计质量带来的效益［3］。

在三维设计方面，国内设计行业基本与国外同步，起步于20世纪90年代，率先在火力发电厂设计领域开展三维设计技术应用。在电厂设计方面采用三维模型技术的出发点是解决主厂房内的立体空间分配，减少设计中的碰撞错误的发生［3］。

从发电领域的应用效果来看，三维设计能更准确地表达技术人员的设计意图，更有利于多专业配合，减少错、漏、碰、缺，有助于设计方案的优化，使得设计人员和决策人员能全面、准确地了解工程实际情况。同时，发电领域所应用的三维设计软件多以数据库为基础，数字化程度高，信息流较为通畅［4］。但其应用主要在主厂房部分，外部升压站的区域未全部采用三维数字化设计。

1.3 输变电工程应用数字化设计的必要性

数字化设计技术在机械、电子、航空、航天、建筑、核电、水力等领域得到了广泛应用。三维设计可以解决在同一区域内多专业同时设计的碰撞、模型统计、现场虚拟再现等问题，同时实现设计信息共享。采用三维数字化设计是工程设计的必然趋势［2］。

由于输变电工程具有工期相对较短的特点，与电厂相比其工艺设计的复杂程度相对较低，在实际工程中空间分配、软硬碰撞等问题并不突出。采用主流的二维设计结合相关的分析计算软件基本可以解决输变电工程设计中的大多数技术问题，因此输变电工程三维设计起步较晚，且应用力度不大。随着信息化技术的高速发展及电网公司管理水平的不断提高，对设计成品的要求及相关设计信息的需求不断提高，快速抢修、事故再现、全寿命期管理需求等对工程设计的信息共享要求、可视化要求日益深化，所有这些必然全面推动数字化设计技术的新发展。

2 电网企业与设计单位对数字化设计的需求分析

分析输变电工程的建设特点和管理特点可以看出，数字化设计技术的发展属于需求推动型，需要深入分析工程项目各个环节信息需求，才能梳理出数字化设计管理体系的脉络，从而合理建立体系框架，全面推动数字化设计技术体系建设。

2.1 电网建设、管理单位的信息需求

从工程项目的全寿命期出发，可以将工程项目生命周期划分为可行性研究、设计招投标、初步设计(含评审)、设备招标采购、施工图设计、施工招标，施工、竣工、投运、竣工图设计以及移交生产、检修运行、报废等阶段，各个阶段的信息需求差异较大，广度和深度各不相同。

信息交换的内容分为结构化信息和非结构化信息。结构化信息通常是指存储在关系型数据库中的变电站资产对象的数字化定义及其相关属性的信息，这些信息可以较方便地加载到业主业务系统中使用。非结构化信息主要是工程相关的工程图纸、文档及三维模型、图片、多媒体文档等。

2.1.1 可行性研究阶段

可行性研究阶段的数字化设计侧重于多源地学信息，需求主要体现在输电线路路径及变电站站址上，其目的是与地理信息系统相融合，在数字地球上直观反映线路路径信息、变电站站址信息，并通过数据挖掘技术(地形、岩层、拆迁量、)和多种信息融合技术(如冰区、污区、风区、多雷区、地震分布、公路铁路网等)指导线路路径设计、变电站站址选择、初选大件运输方案、辅助可研评审等。

2.1.2 初步设计阶段

初步设计阶段是工程建设的重点环节，其数据需求方为评审单位、招标机构、项目法人单位、运行单位等。该阶段结构化数据需求大，需要提交三维数字化模型及关联数据库。作为介于初步设计与施工图设计之间的物资采购招标，还需要提供ERP资产管理结构化数据。

2.1.3 施工图设计阶段

施工图阶段的数据需求方主要面对项目法人单位、监理单位、施工单位，重点是提供三维施工图，进一步可以提供三维数字化模型，促进施工进度动态更新，辅助控制工程进度等信息［5］，同时兼顾未来的竣工图移交。该数据需要考虑与现场建设管理系统的接口需求。

2.1.4 竣工图设计阶段

竣工图应全面反映工程设计的移交状态，结构化数据应齐全、完整，需要提交三维数字化模型数据及关联数据库。其数据库应包含工程项目全部的非结构化数据(如签订的技术协议、制造厂图纸资料、地理信息数据等)。

2.1.5 运行检修

按照生产管理要求，提交项目基本数据及台账，实现数据共享。

2.1.6 数据格式需求

为保证不同设计平台之间的兼容性，要求三维数字化设计平台必需具有跨平台展示功能。最终的数字化移交成品应以打包形式提供，软件供应商提交的打包文件应能部署在业主指定的操作系统上，并通过web浏览器实现模型数据的展示与剖切、检索、查找、定位，能直观测量布置尺寸，打印相关平断面、模型图。相关应用插件应是必备的，且应作为三维设计软件的外层服务免费提供。

2.2 输变电工程设计单位的需求

对于设计单位而言，其关注点为业主需求，即所谓需求驱动型，作为技术服务型企业，提高工作效率，保证设计质量是其追求的目标。

2.2.1 软件平台的选择

软件平台的选择需重点关注功能性、扩展性、兼容性、经济型;选择的核心为是否有助于提高设计的质量与效率，是否可以实现设计信息的一次录入多次采用，同时要兼顾本单位设计人员的设计习惯。一个好的设计平台，不仅应与本单位现存的管理系统相兼容，同时还需具有友好的外部兼容性，软件供应商应具备良好的开发能力和服务能力。

设计软件应具有或可扩展多专业协同设计能力，各专业信息交换应在同一平台上实现，实时更新，及时发现设计错误，提高劳动生产率、有效控制工程进度、保证工程质量;符合未来数字化设计技术的发展方向。

2.2.2 满足业主需求

只有了解业主需求，才能更好地开发适应于业主需求的接口软件，才能提高劳动生产率，保证设计质量，提供更好的产品和服务。

3 输变电工程数字化设计技术体系建立的目的和意义

目前的输变电工程设计技术体系，对信息的利用主要靠人工，效率低下，无法借助于先进的计算机系统实现信息共享与流通，急需将信息技术应用于体系建设，实现突破。

对于电网企业而言，随着管理水平的不断提升，电网工程建设、运行、管理等各个环节对工程信息的需求更加详细、具体。而目前的管理模式又使得各个环节之间缺乏统一协调，各部门根据各自需求获取各自的工程信息。而这些信息中近6成以上的内容来自设计单位。设计作为工程建设的龙头，急需整合各种信息，保持其唯一性、正确性和可追溯性。

输变电工程数字化设计技术体系的建立，就是要对现有数字化技术进行分析，找到与设计技术体系的融合点，实现二者的协调统一，通过明确需求，为输变电工程数字化设计指引方向。

3.1 促进三维数字化设计应用

通过明确需求，促进三维数字化应用。结构化数据需求，成为设计单位开发应用三维数字化设计的动力;三维模型移交需求，要求设计单位全面开展三维数字化设计工作。不同阶段数字化成品移交对象，为接口开发提供了依据。

在输电线路设计中将逐步实现三维GIS系统中杆塔自动排位功能和断面图自动生成;实现道路、房屋、林地等交叉跨越数据自动统计，拆迁量的自动统计。在杆塔设计当中，通过三维建模，相关的结构、导线拉力、电磁环境等计算数据逐步实现信息一体化［6-7］。

变电工程通过三维数字化建模、设计，提供了空间分析直观手段，实现电气距离软碰撞校验、室内变电站碰撞检查;实现图纸的联动修改，材料信息自动统计。利用三维GIS系统更为精确的进行变电站竖向布置、给排水设计、土方量计算［8-10］。

3.2 引导三维数字化设计技术发展方向

通过跨平台展示需求，引导软件开发商开发相关插件，解决信息互通问题;GIS、RS、GPS集成应用，实现在真实地形、地貌的数字化模型上进行选站选线设计;同时结合地震烈度区划图、污区分布图、风区分布图、矿区分布图、自然保护区、军事区、规划区等多种专题图在三维GIS系统的叠加方法，实现路径优化和变电站站址选择［11-12］。

3.3 统一三维模型标准，完善模型库

通过标准化建设，统一三维模型标准，通过规范化的要求，促进设备制造企业提交满足业主要求的三维数字化产品模型。

3.4 实现信息共享，满足电网管理需求

统一的信息需求，明确的格式要求，为电网建设管理提供了支撑，信息实现高度共享，其准确性得到了保证。三维设计模型的打包移交、跨平台展示，实现了工程项目的虚拟再现，必将促进电网企业的现代化管理水平跨上新台阶。

4 输变电工程数字化设计技术体系

输变电工程数字化设计技术体系是数字化技术与设计技术的有机融合，明确了设计体系当中各个环节的数字化设计要求。通过数字化设计技术体系的建立，实现设计平台与电网设计管理平台及其他平台的有效对接。输变电工程数字化设计技术体系如图2所示。

图2 设计平台与电网管理平台的信息交换Fig.2 Information exchange between design platform and power grid management platform

4.1 输变电工程数字化设计管理体系框架

设计管理体系框架在原管理体系框架中增加数字化管理要求。以国家电网公司为例，对输变电工程设计信息进行梳理，按照项目设计阶段、项目参与方对设计信息进行分类。输变电工程数字化需求见图3、4。

图3 变电工程数字化需求Fig.3 Digital needs of substation project

图4 输电工程数字化需求Fig.4 Digital needs of power transmission project

各个环节的信息需求包含2类数据形式:结构化数据和非结构化数据。结构化数据可以实现对工程项目关键数据的检索，查找定位，同时提出三维数字化模型提交需求，以满足技术发展要求。而非结构化的数据，除应满足以往技术要求外，还需对三维设计成品模型的交接提出整体要求。

4.2 输变电工程数字化设计技术标准体系框架

数字化设计技术标准体系框架可划分为2部分:设计技术标准框架和数字化技术标准框架。设计技术标准框架与现行设计技术标准一致。以国家电网公司为例，技术标准部分由综合设计、系统规划设计、变电站换流站设计、输电线路设计、勘测设计5部分组成，其中综合设计部分是技术标准的基础，其他设计部分是技术标准的主要内容，各分支内容又根据专业按照国际标准、行业标准、企业标准进行若干级别划分。数字化技术标准框架为新增部分，输变电工程数字化设计技术标准是为输变电工程数字化设计、移交，以及规划、基建、运行、检修等全寿命周期活动，所制定和遵守的一系列可重复使用的规则、导则或特性文件，是输变电工程数字化设计的基础保障。

输变电工程数字化设计技术标准体系包括基础标准、数字化设计标准、数字化管理标准、数字化支撑标准、信息安全标准等。其主要作用在于协调技术和应用之间的关系，保证信息的共享和交换，实现数字化设计的专业间协同和输变电工程信息的全寿命周期管理等。

5 结语

近年来，三维数字化设计技术在输变电工程中逐步得以应用，但其广度和深度有待提高。随着数据库技术、三维虚拟设计技术的不断发展，以数据库为基础，以三维模型为信息载体，二、三维设计技术相融合的数字化设计平台已经逐步展现，并将确立其未来在输变电工程设计中的发展方向，为促进该项技术的发展，需要建立起与其相适应的技术体系给予支撑，才能引导和推动技术进步，为输变电工程设计企业明确数字化设计技术方向，提高设计单位的劳动生产率，保证设计成品质量，促进输变电工程建设的管理水平，实现设计单位与电网公司的协调发展。

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