水力发电厂电气二次接线智能设计研究

乔文涛，赵 茂，李全胜

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

传统的水力发电厂电气二次设计依托于AutoCAD[1]，主要存在以下弊端：①收到的资料格式不统一，需要花费大量时间确认、识别；②电气二次各个系统分属多个工程师设计，配合工作多，协同性差，而且所有配合的信息都需要手动填写，自动化程度低；③制图工作需要纯手动完成，电缆敷设表需要对几千根电缆逐一测量长度、填写路径等信息，导致制图工作效率低下。

基于以上弊端，考虑借助三维数字化手段进行电气二次接线智能化设计。然而，电气二次接线智能设计由于关联的系统多，涉及的逻辑规则复杂[2，3]，已是整个电气设计领域的深水区。经过调研和查阅已有文献，发现目前常用的电气设计软件没有电气二次接线功能，大型设计院定制开发的电气二次模块还没有全面成熟应用。基于现实需求和市场现状，本文针对水力发电厂电气二次接线智能化设计进行了深入研究。

1 技术框架

吸纳汽车、飞机行业数字化的经验，结合水电行业的特点和实际需求，通过对3DE 平台进行二次开发，创建了水电厂电气二次接线智能设计系统[4，5]。整个系统分为标准化输入、智能化处理和格式化输出三大环节。通过导入标准化信息为系统提供原始数据，依托智能接线模块实现工程师高效工作，借助智能电缆敷设系统（以下简称CIL）提供的电缆通道实现电缆统计，自动生成电缆表。整个系统的技术框架如图1 所示。

2 系统介绍

针对厂家提供的资料格式不统一问题，研究制定了标准化信息导入模板，该模板以通用的Excel表格型式承载，如图2 所示。表格中的信息可实现在3DE 平台上一键导入，智能设计系统能自动识别并存储数据，从而为电气二次正向化设计提供基础支撑。

图2 标准化信息导入模板

智能化处理离不开辅助系统的支撑。依托于规程规范，并融入设计院多年的设计经验，建立了专家系统，用于保障整个智能设计系统安全高效运行。比如，根据GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》等规范，建立了电缆选型规则，系统根据规则可实现对电缆自动选型，替代了传统手动输入。数字化设计需要对各种信息进行规范化编码，由此建立了一系列编码规则。比如，电气设计中必不可少的电缆编号，通过参考有关规定并借鉴之前的项目经验，建立了电缆编号规则。系统根据该规则可实现电缆自动编码，既可用于系统对电缆的识别，又可用于施工图的信息输出。每个工程的电缆型号不同，如阻燃/低烟无卤/耐火、聚氯乙烯绝缘/聚乙烯绝缘等，智能化系统可根据每个工程实际需求，快速修改源程序，实现每个项目此类参数的自定义修改。系统的另一个重要支撑是标准设备库，结合主流产品参数，建立了相关电气设备的三维模型，并丰富了设备信息，比如增加电缆外径、重量等参数，以便于正向化多专业协同设计过程中的信息调用。

基于以上辅助系统的支撑，建立电气二次接线智能设计模块，它同时展示了电缆两端的信息，可在一个界面实现1 端到N 端的数据访问。该模块具有以下4 个亮点功能：①系统可以给每根电缆自动赋色，提高辨识度；②工程师只需根据专业知识选取要连接的信息点，系统自动拾取远端信息，对侧自动更新；③电缆型号和电缆编号根据智能化辅助决策系统自动选型，对侧自动更新；④左下角的区域支持自定义修改，可以对自动生成的信息进行手动修改，系统会优先采用人工设定值。

通过利用已开发的CIL 系统在三维环境中快速建立电缆通道，然后将智能化处理后的二维逻辑图与三维环境进行映射，借助BIM 模型中规划的电缆通道进行电缆自动敷设，最后可一键生成Excel 型式的电缆敷设表。该表经过格式化处理，包含电缆始端、终端、电缆型号、编号、长度、路径等全部电气二次电缆敷设需要的信息，完全可满足现场施工需求。同时，为了满足国内传统的施工图型式需要，智能化系统也可生成传统的端子接线图。

3 应用前景

研究成果能够实现数据快速读取、电气二次设计“一张图”、信息自动生成、输出格式化等，可极大提高水力发电厂电气二次设计效率和出图质量，能为减少设计周期、缩短调试时间、实现早日发电提供重要保障。本成果不受行业限制，可广泛应用于水电、变电站、火电、核电等的电气二次设计工作。

同时需要指出的是，电气二次接线智能化系统的应用，一方面需要依赖于厂家按照标准化信息导入模板提供端子信息，这需要在招标阶段进行明确。另一方面，电缆的自动敷设需要借助于BIM 模型，这就需要整个项目能提供三维数字化支撑。

4 结语

本文针对传统水力发电厂电气二次接线设计存在的弊端，提出了数字化设计新模式。研究成果主要有以下创新点：①吸纳了汽车、飞机等行业电气二次数字化的经验，结合水电行业的特点及自身实际设计模式，提出了水电行业电气二次数字化设计框架。②融合大量专业规范和工程经验，结合工程师实际需求，打造了电气二次智能化设计模板。可实现在“一张图”上实现端子图设计工作，包括两端信息同界面查找、提取和连线，电缆自动选型，电缆编号自动生成等。③大胆创新，建立了3DE 应用新模式。首次在3DE 平台上实现Excel 表格导入的信息符号化显示，该模式不仅可应用于水电厂电气二次设计，还可以用于其他行业和专业的3DE 平台数字化设计。