水电站电气二次智能设计平台研究与应用

李甘 张茜茹 梁志开 金能

摘要：为提升水电站电气二次专业出图质量与效率，深入研究了国内外相关设计平台，提出并设计了一种用于水电站的电气二次智能设计平台。该平台从设计人员的实际需求出发，采用信息化手段解决电气二次设计过程中的低效率环节，基于私有云服务及数据挖掘技术，实现了从人海战术到数据跑路、从拼体力到拼算力的转变，在设计校核智能化、成果标准化、交付一体化方面取得较大成效。该平台已成功应用于多个大型水电站工程，取得了良好的社会经济效益。

关键词：电气二次智能设计; 水电站; 原理图; 端子图

中图法分类号：TV736;TP31 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.010

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0053 - 05

0 引 言

水电站电气二次设计专业的主要制图类型有原理图和端子图。传统的制图方法中，从原理图到端子图的设计与出图工作是基于CAD等软件开展的，但CAD等软件仅发挥了“绘图板”作用，图纸内容仍需设计人员手动设计，同时由于电气二次专业出图周期短、图纸量大、原理复杂等因素，往往造成图纸正确率低、人力资源浪费、投入成本高等问题。对于大型水电站或国际水电站项目，电气二次图纸要求反映的信息越来越多，传统的非智能出图方式越来越无法满足需求。

目前，国内外软件厂商进行了大量的研发工作，在产品设计[1-3]和变电电气二次设计[4-7]中已有相对成熟的应用，但在水电站电气二次设计[8]的智能匹配、智能校核与图纸自动更新等功能上仍显薄弱。因此，开展水电站电气二次智能设计平台的研究对于提高生产效率、节省设计时间、保证设计准确性和成果标准化等方面都具有重要意义。

1 水电站电气二次智能设计问题分析

水电站工程的电气二次设计是一个基于系统原理、控制逻辑、闭锁条件和设备图纸等进行集成设计的过程。国际知名的电气辅助设计软件（如Eplan，Promis-E）多是从产品的角度开发，小到每个元器件的每个针脚，大到整个工程项目，整个设计过程需要定义的数据与接口较多，体系相对封闭，操作流程复杂，适合做产品设计，并不适合做集成设计。从设计单位的角度来看，即使仅使用其中一部分功能，也要承担从上到下、完整的数据定义与设计任务，把产品设计工作重复做一遍，工作量巨大。对于大型水电站工程项目来说，使用的机电产品种类繁多，尤其在多个单位协同设计时，不同厂家提供的图纸质量也参差不齐，难以有效开展工作。设计软件应最大程度上适应不同商家的图纸，但这对于复杂、封闭的国外电气辅助设计软件是很难做到的。

近年来，随着BIM技术的不断发展，国际上主流的工程BIM设计平台可实现或借助插件实现部分电气二次辅助设计功能[9]，但集成设计的过程中同样存在需要重新定义大量基础数据与接口的问题。目前各厂家的电气二次原理图大多是原理设计、逻辑设计，原理图大多也都是平面图纸，与BIM设计平台存在水土不服的情况。

国内电气辅助设计软件由于起步较晚，多基于AutoCAD或Revit等成熟平台二次开发，功能虽不如国际知名软件强大，却比较有针对性，在输变电电气二次设计中有较为成熟的产品，但由于水电站工程的标准化程度不高，鲜有适用于水电站的电气二次设计平台。

针对上述需求，水电站电气二次智能设计平台需重点解决以下问题。

（1） 简单实用。水电站电气二次设计工作量极大，智能设计平台不应过于复杂，即使在智能设计平台工作前期还需增加一部分基础工作量，最终总体上也应能切实减轻设计人员低效、重复的工作负担。

（2） 适应大规模协同设计。水电站电气二次设计涉及多个子专业、子系统，往往需要复杂的多人协同设计。在赶工期的情况下，可能会集中设计人员大规模协同设计。智能设计平台应能在稳定性、实时性、响应性等方面适应大规模协同设计的要求。

（3） 成果质量高。随着工程设计咨询行业的快速发展以及与国际的逐步接轨，对设计成果的要求也越来越高。虽然水电站工程本身的标准化程度不高，但应能借助智能设计平台实现电气二次原理信息的智能纠错、端子接线的自动生成，将设计信息准确、规范、充分、智能地反映在各项设计成果及衍生成果中，以满足对成果质量的高要求。

2 水電站电气二次智能设计技术要点

2.1 电缆编号

电气二次图纸信息量大，智能设计平台将积累大量数据，如何清晰地定义并梳理这些数据是决定智能设计平台应用效果的技术要点之一。其中，电缆编号尤为重要，它是协同设计中设计人员互相理解和智能设计平台自动匹配校核的关键。

传统的电缆编号是由“高层代号”“位置代号”“分隔符”“顺序号”等组成，可在电缆编号中加入功能代号以加强编号可读性，即由 “高层代号”“位置代号”“分隔符”“功能代号”“顺序号”组成电缆编号。电缆功能代号推荐编号规则如表1所示。

大型水电站中电气二次电缆数量巨大，在电缆编号中加入功能代号不仅有助于提高电缆编号的可读性，还有利于图纸的批量复用，极大提升智能设计平台的出图效率。

2.2 定义侧划分

定义侧划分即确定电缆的起点设备，该电缆的选型、编号、功能定义等工作都将由起点设备侧（定义侧）的主设人负责，终点设备侧（非定义侧）的主设人仅负责将指向该终点设备的所有电缆芯线连接至相应端子。水电站电气二次设计需要多人协同设计，合理划分定义侧将极大地提升设计效率。

传统的设计思维是由功能供给侧作为定义侧，这种方法有利于提前规划电气回路，典型的例子是：在电源配电屏中通常以空开编号来定义回路电缆的编号，但实际上这种做法存在一定的盲目性，且可读性较差，导致电缆与电源配电屏的空开回路绑定。同型号的空开回路是具有互换性的，但对于电源回路的需求侧设备来说，电源电缆是不可或缺的，该电缆的选型、使用芯数都与需求侧设备的实际需求密切相关，因此推荐将功能需求侧作为电缆的定义侧，如图1所示。

将功能需求侧作为定义侧使“定义”本身具有实际意义，且可与非定义侧设备解耦，充分复用定义侧设备图纸，极大提高设计效率。

3 水电站电气二次智能设计技术路线

3.1 设计流程

标准图框制定、图纸编号、设备编号、电缆编号、功能编号、回路编号等一系列项目初始化工作是电气二次智能设计逻辑性、正确性的重要保障。水电站电气二次智能设计平台的设计流程如图2所示。

原理图的智能设计、校核与自动更新是整个设计流程中最核心的部分，涉及到厂家图纸的集成与数字化，设备、端子、电缆等的智能设计，以及多人协同模式下的智能校核等大量工作。端子图及其他相关衍生成果均根据原理图的信息提取生成。

将服务器放在公司私有云上，不仅可以提高协同设计效率，也便于图纸的存储与归档。

3.2 原理图

电气二次原理图包含的信息量十分巨大，如果能做到原理图的数字化，而不是停留在“点线面”的应用层次，无论是对原理图本身的图纸复用、提高绘图效率，还是对智能校核与纠错、提高图纸质量等都有极大的帮助。

原理图数字化的工作量极大，基于简单实用的原则，应仅对核心的、与智能校核以及成果生成有直接关联的各类信息数字化，如图框信息（图纸编号、图纸名称等）、设备信息（设备编号、设备名称、设备位置等）、端子信息（端子编号、端子跳线等）、电缆信息（电缆编号、电缆起止设备、电缆型号、敷设路径、各芯功能及其使用情况等）。原理图的设计流程如图3所示。

当前原理图制图普遍的原则是以设备为对象，即同一个卷册的图纸均表示同一设备的信息，这样有利于理解该设备所有原理，也有利于该设备后期的运行维护。但整个系统的电气二次回路一般较为复杂，可能由多个设备互相连接组成，不便于在一张图中完全表示整个回路信息。为区分设计责任、便于协同设计，可将本图纸卷册中的设备划分为本侧设备（定义侧）和对侧设备（非定义侧），本侧设备、电缆、端子的信息由本侧设备主设人各自独立完成，对侧设备、电缆、端子等信息则由智能设计平台自动匹配提取并更新至图纸中，如图4所示。

在智能设计平台中，所有的对侧信息无需人工查找补全（这在传统制图方法中是很大的工作量），且能由程序保证链接匹配的正确性，实现智能校核、纠错与图纸自动更新。数据匹配的核心在于电缆编号以及各芯的功能编号（或回路编号），因此在任意2台设备之间的功能编号（或回路编号）不能重复。

3.3 端子图

在原理图全面数字化的基础上，充分利用数据挖掘的技术，可实现端子图的全自动生成，大幅节省端子图的制图工作量，在软件算法的支持下，理论上只要原理图正确，端子图就不会出错。

由于电子表格相较CAD图纸更容易实现标准化、模块化、智能化制图，且电子表格也是受广泛认可的端子图形式之一，可基于电子表格的形式绘制端子图。利用数据挖掘技术在云端数据库中分析计算，将提取的信息根据成果需求组合后输出至标准化的Excel端子图模板，即可全自动批量生成所需的端子图。将以上数据根据所需要的成果类型重新组合后，即可生成各类衍生成果，如电缆清册、信息表等。

为了便于指导现场施工，端子图应针对各设备一一出图，做到每个设备都有图纸可依，以指导施工。端子图自动生成的流程如图5所示。

4 应用实例

基于第3节技术路线，长江勘测规划设计研究有限责任公司与上海欣电信息技术有限公司联合开发了“水电站电气二次智能设计平台”，在乌东德水电站、葛洲坝水电站（改造）、老挝谢攀水电站等国内外多个水电站工程中得到了广泛应用，均能够较好地服务于电气二次专业大规模高效制图。

以乌东德水电站为例，所有电气二次原理图均基于电气二次智能设计平台多人协同制图，6 000余张原理图全部数字化（图6），生成2 000余条数据库内设备信息（图7），8 000余条电缆信息，库内信息可灵活查询，图纸可根据索引信息自动跳转，各设备的端子图、电缆清册等全部由智能设计平台根据智能校核后的原理图信息自动生成，成果质量明显提高，很大程度上避免了现场安装调试中的返工，保障了电站的建设和运行。

5 结 语

水电站电气二次专业复杂的设计输入输出条件限制了“大而全”设计平台的功能应用。本文介绍了一种适用于水电站的电气二次智能设计平台，在多个大型水电站工程中取得了良好的社会经济效益，为切实有效地提高水电站电气二次专业的出图质量与效率提供了一种新思路。

参考文献：

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[5] 谢峰，刘洪斌，王成明.制图标准化软件在输变電工程设计中的应用[J].人民长江，2009，40（20）：50-52.

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[9] 郭放.基于三维数字化平台的变电站二次接线全过程优化设计[J].电世界，2021，62（6）：1-5.

Research and application of electrical secondary smart design platform

for hydropower station

LI Gan1，ZHANG Qianru2， LIANG Zhikai1， JIN Neng1

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China; 2. CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：In order to improve quality and efficiency of electrical secondary drawings， the domestic and foreign relevant design platforms were deeply studied， and an electrical secondary smart design platform suitable for hydropower station was proposed and designed. Starting from the actual needs of designers， the platform was committed to using information technology to solve the inefficient links in the electrical secondary design process. Based on private cloud services and data mining technology， it could realize data running from huge-crowd strategy， the change of computing power from physical strength， and great achievements have been made in smart design and verification， standardization of results， and integration of delivery. The platform has been successfully applied to many large-scale hydropower stations andgood social and economic benefits has been  achieved.

Key words： electrical secondary smart design; hydropower station; schematic diagram; terminal diagram