变电站数字化设计研究

郑海涛 贾云辉 任鹏飞 何科峰

（中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司 ）

变电站数字化设计研究

郑海涛 贾云辉 任鹏飞 何科峰

（中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司 ）

随着信息技术、网络技术的快速发展，智能电网、数字化变电站等新理念、新技术的不断深入，对设计手段、设计理念提出了更多新的要求。如何提升变电工程的设计手段，提高设计效率和设计质量，满足业主日益增长的成品信息量的需求，实现变电站全过程、全生命周期的管理，成为越来越多的设计企业研究的方向。文章以阿克塞民主330kV变电站工程为依托，利用STD变电数字化设计平台对变电站数字化设计的方法和手段进行了研究，并对数字化设计技术在变电工程设计中的应用价值和意义进行了探讨。

变电站；数字化设计；应用价值

0 引言

国家“十二五”计划将建设智能化坚强电网列为重要目标，智能电网、特高压、直流输电、数字化变电站、新能源等新理念、新技术、新产品无不对电网设计能力提出更高的技术要求，使得我们原有的设计经验和手段已经不能满足工程设计需求，只有大力推行数字化设计技术，实现精细化协同设计，才能应对当前电网建设的复杂性，从技术上支撑坚强电网的建设。

数字化设计以其先进的设计理念强大的信息模型基础，契合了智能电网的发展需求。智能电网首先必须是数字化电网，通过数字化的传感器连接资产和设备，并建立集成了数据收集、整合、分析、决策系统的双向通行网络。这意味着要求对电网中的每一个元器件进行控制和描述，而这种要求，必须在电力系统的设计阶段就要求予以充分考虑。

传统的变电站设计是用各种设计图纸、文本标注设计内容，而其设计成果数据准确性只能依靠人工校核来实现。数字化的变电站设计是利用建模技术、信息技术、网络技术来对设计数据进行加工、管理，其设计过程也是构造数字化成果数据的过程。

数字化是为项目工程全生命周期服务的，设计是一个项目数字化数据输入和应用的环节。利用数字化设计技术进行变电站设计的目标不是为了单纯设计图纸，而是利用数据驱动数字化的仿真展现一个完整变电站的设计内容，把变电站中的所有物体分解为最小单位，通过设备属性、设计属性、逻辑属性等展现，从而为变电工程全生命周期进行服务。

1 数字化设计技术

数字化设计技术是建模技术、信息技术、网络技术在设计领域的集成创新；是以变电站设计对象数字化表达为基础，实现变电站基础信息集成化，设计过程智能化，设计平台一体化，专业设计协同化，设计成果数字化、可视化，应用成果全程化，形成包含设计对象数据、工程过程信息等内容的数字化设计成果。

变电站工程采用数字化设计技术，不仅可以提升设计手段，还可以在为业主提供常规二维设计成品的同时，提供一个可以支撑工程全生命周期应用的三维数字化设计成果，包括工程信息、全站三维模型信息、所有设备设施属性信息及关联设计图纸资料、完整的设计图档。业主可以利用工程数字化设计成果指导施工、运维、检修和退役等。

1.1 国内外现状

目前，国内外设计行业变电三维数字化设计还处于发展阶段，其所采用工具和手段也不尽相同。下面以市场上常见的几款变电三维数字化设计软件为例进行介绍。

Bentley公司的Substation软件是一个用于变电工程三维数字化设计软件，在国内应用始于2008年宁东-山东直流输变电工程。该平台采用Microstation图形平台，整合了ProjectWise、STAAD、 Promis-e等多种软件，实现了三维布置、三维校验、数据库管理，支持数字化移交。其优点是软件结构严谨、运行稳定，缺点是变电站设计能力不强，流程、操作不符合国内电力设计院现有流程，国内工程设计师上手困难。

1.2 选用平台简介

我院在几年前采购了北京博超公司的STD变电三维数字化设计平台，目前本院大多数750kV变电工程均采用该平台进行设计，平台应用效果良好。

STD数字化三维变电设计平台是以数据库为核心、以三维技术为手段，结合标准化知识管理体系的精细化变电设计平台。平台通过设计数据驱动与共享实现设计流程的自动化，借助三维技术实现设计成果的精细化，进而实现全专业模型级的协同设计。

2 实际工程数字化设计

2.1 工程背景

阿克塞民主330kV变电站是阿克塞哈萨克族自治县重要的电力枢纽，连接着光伏、风电等电力能源供应和铁路、工业等重要电力用户。工程本期规模为主变2×360MVA，2回330kV线路接入沙洲750kV变电站，预留当金山南方向2回330kV出线位置，预留西北方向各1回330kV出线位置，110kV出线6回。工程远景规模3×360MVA，330kV进出线6回，110kV进出线20回。围墙内用地面积3.3897公顷，站址总用地面积3.9219公顷。

2.2 设备建模

变电站数字化设计是基于三维、信息化和网络技术的基础开展的一种创新设计模式。设计开展首先要对工程设备进行三维建模。设备三维建模一般是由工程师参照厂家提供的设备安装图，通过设计平台提供的工具进行建模。对于简单的设备可以直接通过平台工具进行参数化建模，比如避雷器、电流互感器、电压互感器等。

2.3 工程设备库建立

设备建模完成后，需要将设备模型和属性信息进行入库。入库前需对设备模型进行检查，包括模型尺寸、比例、角度、颜色等，其中尺寸应以毫米为单位，比例为1∶1，角度应统一，设备部件颜色应合理，同类部件颜色应统一。另外，设备的各重要部件应有相应的类型标识，比如带电体、接地体、绝缘体、支架、机构箱等，便于后续安全净距检查等设计优化。设备属性信息应包含设计和计算校核所需的全部信息，包括设备详细参数、生产厂家、物料编码等，属性单位应与设备库中保持一致。

2.4 主接线设计工程设备库建立完成后，就可以开展工程设计。首先是主接线设计。主接线设计有两种方式，一是调用典型回路或典型方案的基础上进行设计，另一种是参数化设计。其中，参数化设计是一种快速灵活的设计方式，可以输入工程的电压等级、变压器台数、接线方式、进出线数量和回路样式，就可以自动形成一个主接线方案。当然，自动生成的主接线只是一个初步方案，还需要对方案进行细化，包括设备选型、赋值、标注等，进而完成主接线设计。

2.5 工程设备编码

为使电网工程建设各方与业主或运营方共享工程信息，确保在电网工程建设和运行维护过程中信息的可识性和共享性，提高电网工程的数字化管理和安全运行水平。主接线设计完成后，需要为工程中主要设备进行编码。工程设备编码可参照《GB/T51061-2014电网工程标识系统编码规范》进行，也可由平台自动完成。

2.6 数字化协同设计

一个变电站的设计需要多个专业共同完成设计，数字化设计同样需要进行协同设计。数字化协同设计开始，首先要建立协同工作空间，在协同空间里建立协同树，包括总的部分、各配电装置区域和主控楼，再细分为各个专业和专业内的主要内容等。然后，再在各协同节点设置负责人和权限，各负责人在各自的协同工作空间下开展设计工作。

2.7 总图设计

总图设计依赖于数字化地形图，设计开始首先要导入本工程的数字化地形图。在数字化地形图的站址规划区域内进行场地平整和土方量计算，生成平整后的站址地形模型和土方量计算结果。在平整后的站址地形图上进行总图规划设计，包括各配电装置区域划分、进出线位置确定、主控楼和大门确定、道路、围墙、排水沟设计等。

总图设计完成后，设计成果需迁入到工程数据库中，各配电装置区域设计时均需以总图设计成果为基准，在总图中规划的区域上进行各配电装置的设计和布置。

2.8 配电装置设计

配电装置设计时可以直接利用主接线设计的成果进行设计。主接线设计完成后，工程信息、间隔和回路信息、设备信息都会自动保存到工程数据库中。配电装置设计时，可以自动获取间隔和回路信息、设备信息进行轴网设计；根据间隔轴网和设备轴网就可以确定设备布置点，根据设备类型、相间距和支架高度就可以自动进行设备布置。导线连接时，可以自动根据设备型号确定可选择的设备线夹，根据构架挂点信息确定可选的金具串，选择导线和间隔棒，确定弧垂就可以完成导线连接。

配电装置设计完成后，设计成果可以通过协同工作空间迁入到工程数据库中，并自动更新到三维总平图上。

2.9 土建专业设计

土建专业设计包括建筑、水暖、结构、总图，各专业可以在各自的协同工作空间下开展各自专业的设计工作，也可以利用各自常用的专业软件进行计算校核，比如Midas、岩拓、PKPM、飞时达等专业软件。设计完成后，可以通过接口将设计成果导入到平台工作空间，并更新到工程数据库中和三维总平图上，完成土建专业设计内容。

2.10 计算校核

设计完成后需要对设计成果进行计算校核。在数字化的设计成果上，设备模型的属性信息和空间位置关系获取非常方便，可以直接进行计算校核。

（1）计算

设计完成后，可直接从数字化设计成果上直接获取属性信息和空间位置关系进行计算，比如防雷计算时可直接获取构架避雷针和独立避雷针信息和位置信息进行防雷计算，导线力学计算时可直接获取导线信息、引下线信息和空间位置信息等进行导线力学计算。此外，其他计算还包括管母力学计算、支撑管母计算、母线感应电压计算、导体相间距离计算、跳线相间距离计算、跳线相地距离计算等。

（2）安全距离检查

在数字化设计成果上，其设备模型的空间位置关系表现的更加直观、更加准确，包括设备模型空间位置，各部件带电体、绝缘体和接地体之间的位置关系，与其他建筑、设施和道路之间的位置关系。在三维数字化设计成果上进行电气安全距离检查是传统二维设计无法比拟的，对于空间狭窄、各电压等级设备设施对象多、空间关系复杂的环境，可以发挥独特的优势，从而大大减少设计事故和返工。

（3）碰撞检查

对于已完成的数字化设计成果，还需要进行碰撞检查。碰撞检查分为软碰撞和硬碰撞，其中硬碰撞是设备设施实体之间直接发生位置冲突，包括电气设备与土建结构的碰撞、电缆沟与碰撞基础、水工暖通与建筑、水工暖通管道之间的碰撞等；软碰撞是设备设施之间空间距离不能满足相关规范要求。针对数字化设计成果进行碰撞检查可以精确到对象级， 碰撞检查精度较高，可以避免工程设计中各种碰撞问题。

2.11 成果输出

变电站工程数字化设计完成后，可以输出以下主要设计成果：

1）全站三维数字化设计模型；

2）站址平整土方量计算结果表；

3）主接线设计图纸；

4）全站总平图，包括三维总平图、电气总平图、土建总平图；

5）间隔断面图，可以直接从数字化设计成果中剖切出间隔断面图，可以满足施工图深度要求；

6）材料统计表，可以自动生成材料清册，包括全站主要设备材料表和电气材料表、各配电装置主要设备材料表和电气材料表、电缆清册、工程量统计表等。

7）计算结果表和计算书，包括短路电流计算表和计算书、高压设备选型表、防雷保护表、接地计算书、导体力学计算书等。

8）安全净距校核和碰撞检查；

9）全站三维漫游。

10）数字化移交成果。

3 数字化设计优势

3.1 数字化设计特点

设计手段：从二维简约设计体系升级到三维精细化设计体系。

工程载体：从以图形为核心的图形时代升级到以数据为核心的信息化时代。

计算方法：从单纯的计算软件升级到基于三维信息化模型的计算与模型一体化的计算模式。

协同方式：从二维图纸人工会签变为三维模型协同设计，并将事后检查变为实时可视化检查。

3.2 数字化设计优势

数字化设计具有形象化、具象化的视觉效果，可以避免平面设计的不直观效果所带来的问题，减少人为的设计错误，提高设计质量。

数字化设计是对三维设计和信息技术的有机合成，可在信息模型上直接进行安全距离校验、导体力学计算、防雷设计、碰撞检查等重要计算和校核，弥补常规设计的缺陷，为业主提供更优秀的解决方案。

数字化设计模式相比传统设计模式更加高能高效，提高了设计效率和质量，节约了人力成本、人工损耗，节约了社会资源。

数字化设计手段可以从设计数据库中按不同需求提取各种材料，实现了精确计算与统计，提高了材料统计的准确率，精准了工程裕量，减少了人工统计的错误，节约了工程投资成本与自然资源。

4 结束语

变电站三维数字化设计是面向变电站全部设计阶段，从方案设计、初步设计、施工图设计、竣工图设计到数字化成果移交，均采用同一套设计模型，可以实现设计过程的自动化和智能化。

数字化设计技术是以数字化为根本，采用数据库管理模式，在变电站设计的过程中存储了从变电站逻辑模型、变电站布置模型、设备参数到工程量等各类数据，可以直接用于采购、施工、运行维护，为工程全生命周期进行服务。

［1］ 林榕，李中，蔡桂华. 智能变电站三维设计系统构建［J］.中国电业（技术版），2012（6）： 27.

［2］ 王志毅.智能化三维变电设计平台的应用［J］.华东电力，2011（5）.

［3］ 邵国帅，邵雅坤，李宁宁. 变电站三维数字化协同设计及质量控制研究［J］.电源技术应用，2013（3）.

［4］ 李颖瑾，李波，王乐天.变电站三维设计的应用探讨［J］.中国电业（技术版），2012（4）.

2016-06-04）