基于三维设计下的智能变电站二次系统探究

张馨月 张 崇

（1、国网黑龙江经济技术研究院，黑龙江 哈尔滨150001 2、国网哈尔滨供电公司，黑龙江 哈尔滨150001）

随着三维设计技术在各工业领域的大量应用，我国电力行业中的相关设计工作也广泛采用该技术，并在火力发电厂、水力发电厂、核能电厂中得到应用[1-3]。现有的三维设计依然侧重电网的基建与一次部分，还未在二次系统设计中得到普及，而其较好的三维展示能力，为二次系统的可视化设计带来了新的机遇，是未来二次系统设计可视化与数字化发展的重要支撑技术之一[4]。

二次系统设计区别于其他领域较为明显，在设备的布局与构建方面工作量较低，但在二次回路接线上工作量巨大，尤其是光纤、端子等设计工作占比较大，可达35%以上。为明确三维设计在二次系统设计中需要注意的地方，本文将从以下几个方面开展分析与论述。

1 建模原则分析

图1 系统设计流程图

为确保土建、场地、结构等专业在三维设计中满足相关国标、企标要求，在进行二次系统的设计时需要着重考虑以下几个原则：

三维设计时需要统一整个系统的坐标原点、单位、配色等基础属性，确保各项设计细节有据可依。

相关设备与屏柜的三维模型构建应满足“三通一标”及设备“四统一”要求，确保不违反相关规定。

2 建模与接口方面

在建模方面，三维设计开展模块设计时需要严格执行“三通一标”；在接口设计方面，对二次设备应该重点考虑“四统一”要求，做到参数与功能统一、端子排布置统一、硬件对应接口标准统一、端子排对应接口统一。

2.1 系统方案分析

三维设计的标准化流程如下图所示。首先需要明确土建、场地、结构等专业设计人；然后由专业负责人针对各行业的实际标准、需求等进行模型构建与可视化处理，并根据实际进度进行协调工作。

2.2 智能控制柜接口设计方面

在进行智能控制柜设计时，首先需要明确电缆位置，并与土建专业沟通详细的电缆槽盒、屏柜接地、柜体颜色等问题，相关设备（如电缆）的尺寸也许严格参考相关标准。然后，二次专业需要明确控制柜底开洞位置与尺寸，并由土建专业对柜体进行基础的建模设计；接着，二次专业需对电缆尺寸、布线方案、沟槽结构等进行初步设计，并与其他专业开展方案研讨。

2.3 二次组合设备接口设计方面

为提高二次组合设备在实际应用中的灵活性，三维设计除开需要考虑模块化的设计概念外，在实际布线上主要采用总线的思想来实现设备的即插即用，具体包括一级总线和二级总线。

一级总线在设计时应按要求将电缆布置在模块的底部，以确保与设备接口能够实现快速对接。不同设备通过连接器与总线互联进而构成完整的二次系统。一级总线由于采用模块的设计思路，在模块运输、现场施工与组装、联合调试等方面具有较好的可操作性，有利于工程的实施。

区别于一级总线在整体上的布局，二级总线模式更加侧重模块内各设备间的电气布局设计。设备厂家可在模块生产后就完成内部布线工作，这样在现场根据一级与二级总线的设计方案就可以快速进行安装与调试。

两级总线设计是以预制式航空插座形式实现模块与外部设备的快速接插，进而实现快速即插即用，简化了现场接线的复杂度与工作量。实际屏柜中一般采用电缆通道在右面、光缆通道在左、双端预制电缆连接屏柜间的接线原则。图2 为一种双端预制接口设计方案，其中光缆的余缆走线和收纳是通过右侧电缆槽实现的；光缆的余缆走线和收纳是通过屏柜间尾缆直接连接完成的。

图2 柜后航空插座及线缆走线图

3 系统建模与数字化设计

二次设备进行三维时需要考虑6 个方面的统一，分别为：保护功能配置统一、屏柜端子排布置统一、二次回路设计统一、屏柜压板统一、屏柜压板统一、保护定值及报告格式统一，也常称为“六统一”要求。现有设备厂家大多能满足这些标准，而需要重点考虑的是不同厂家设备设计思路、布线等得差异。

3.1 数字化设计现状

现阶段，各设计单位主要采用AutoCAD 软件对智能变电站的保护原理图和屏柜端子排图进行手动设计，同时对智能变电站的虚端子采用手动配置，这种设计方式由于设计人员设计水平不同，存在设计错误率高、图纸标准化程度低的问题，同时设计效率低下。本文提出采用自动绘图软件与虚端子配置软件以及三维设计软件设计工具相结合的方法，对二次系统电缆回路、光缆回路进行设计，避免了现阶段设计遇到的问题。

就三维设计而言，现有厂家所提供的图纸难以标准化。且由于各厂家的设备实现原理和使用软件的差异，导致设备成品差别大。如北京四方公司采用Eplan 软件，该软件由德国公司设计，可直接生成屏柜端子排图、装置背板图、保护原理图、电缆及光缆清册等功能；南瑞继保所采用的设计软件是现有CAD，也具备具备自动生成背板图、端子排图、开关压板清单等功能。考虑到现有厂家还未能对智能控制柜、保护测控柜等开展三维设计，因此不同厂家之间智能控制柜以及保护测控柜等屏柜间难以实现其兼容性，不具有可行性。基于此，在进行数字化设计时需要厂家在所提供的图纸上明确标注接口，以便数据库的导入和满足光电缆设计的一致性原则。

二次系统的三维数字化设计完成后，系统将自动生成保护原理图、光缆连接图、交换机配置图、屏柜端子排图、电缆及光缆清册等，在极大的提高二次设计的效率的并同时，保证了各类报表与数据库信息的一致性。

3.2 智能变电站二次系统电缆回路设计

智能变电站二次系统电缆回路主要包括保护原理图、端子排图、屏位布置图以及电缆清册等。目前国内电力设计院主要是通过使用AutoCAD，所有二次系统电缆回路图纸均由人工出图，出图流程如下：由设计院内一次设计人员提供资料，由设备厂家提供相关装置厂家白图，根据厂家白图绘制二次原理图，再根据二次原理图绘制端子排图及电缆接线图。出图后，设计人员需根据二次电缆接线图手工测算电缆长度并生成电缆清册。

这种传统的设计方法设计效率低下，设计人员需要大量时间完成屏柜间回路的连接，同时错误率高，不利于现场调试人员消化；在现场调试阶段如需修改图纸，则相应的原理图、端子排图、电缆清册等都需要逐一调整。

根据实际变电站设计需求采用三维设计软件，通过AutoCAD 软件导入各类设备厂家原理图，进而对实现对保护及测控装置等的控制回路、信号回路等的快速设计，并同时生成相应回路图。同时根据生成的回路图生成屏柜端子排图、材料表、清单，便于对电缆进行全面管理。与传统的二次系统电缆回路设计相比，三维设计软件对电缆敷设等工作均具有明显的优势。

3.3 智能变电站二次系统光缆回路设计

现在的设计单位根据设备制造厂商提高的设备图纸及虚端子表，通过Excel 软件手动完成虚端子连接表。这种方法工作效率低下，对于智能变电站施工调试阶段调试人员的工作能力要求较高，不利于提高变电站新建工程及扩建工程的效率。

在三维设计中，智能变电站设计系统通过二次虚回路设计和交换机配置直接导入ICD 文件、同时自动生成dwg 图纸、Excel 表格、全站SCD 配置文件。这将大幅提高智能变电站二次设计的效率。同时，设计软件还具备如下功能：屏柜内通信回路的连接设计、ICD 文件中物理端口的解析、SCD 文件及SSD 文件的可视化、同名虚端子的自动连接。

通过三维设计软件，设计人员可以大大提高虚端子配置的准确性，同时缩短虚端子的配置时间，与传统的二次系统光缆回路设计相比，三维设计软件对虚端子表及SCD 配置文件生成等工作均具有明显的优势。

4 结论

随着电网技术的快速发展，三维设计必将对提高电网设计水平具有重要的意义，同时也是实现电网数字化战略目标的重要手段之一。针对二次系统的特点，从系统建模原则、建模要求、可视化展示、设备“四统一”接口要求、数字化展示、数字化移交等方面研究了电气二次系统的三维设计对工程建设的影响。