变电工程模块化建设的研究与探讨

徐剑佩，许 慧，张冰淇

(浙江省送变电工程有限公司，浙江 杭州 310016)

0 引言

近年来，在“宁让电等发展，不让发展等电”的要求下，浙江电网一直以年均新扩建百座110 kV 及以上变电站的规模进行建设。如何高质高效建成一座变电站，一直是电力人努力探索的方向。传统的变电工程施工模式面临着时间紧张、成本控制、工程质量管理、环境保护、产业工人减少等一系列挑战。因此，寻求一种能够提高施工效率、降低成本并确保工程质量的新模式显得尤为重要[1]。模块化建设(包括模块化设计、制造、运输、安装、维护等)作为一种新型工程建设模式，已在其他行业取得一定成效。通过将复杂项目划分为相对独立的模块，可以将设计、制造、装配等环节进行分离，实现并行作业和快速安装，不仅可以提高施工效率，还能减少人力资源浪费，降低材料损耗，提升工程质量。

1 实施背景

随着社会经济的快速发展，变电工程建设面临着工程规模大、建设周期短、质量要求高、成本管控高等要求，传统的建设模式已难以满足市场和社会需求。为提高变电工程建设的质量和效率，实现变电工程的绿色发展和转型升级，借鉴其他行业的成熟经验并采用社会现有的建筑制成品，结合变电工程特点及地域特色，逐步采用模块化建设将成为一种新趋势。

2022 年，国家电网公司提出“六精四化”基建工作要求，在工程建设上实施“四化”建设，以标准化为基础、绿色化为方向、模块化为方式、智能化为内涵，全面推进“价值追求更高、方式手段更新、质量效率更优”的高质量建设。其中，模块化建设是变电工程中最具创新性和前瞻性的一种基建形式，是实现变电工程智能化和绿色化的重要途径。变电站模块化建设是指将变电站中各个功能部件按照一定规格和标准在工厂内预制成标准化或定制化的模块单元，并在现场进行组装、安装和调试的一种建设形式，其具有施工周期短、占地面积小、环境适应性强、运行维护方便等特点，是适应时代发展的一种高效节能的变电站建设解决方案。

2 变电工程模块化建设相关概念

2.1 模块化系列概念

模块化观点最早应用于计算机软件开发，每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起成为整体，完成系统所要求的功能。

相应的，对工程建设模块化应用而言，相关概念可作如下阐述。

1) 模块。在工程系统结构中，模块是可组合、分解和更换的单元。其可以是一个部件、一个设备、一个系统或一个子系统，具有相对独立的功能和结构，且可与其他模块通过标准化接口进行连接和交换[2]。

2) 模块化。模块化是将复杂工程建设系统分解为更好的可组装模块的一种方式。模块化可通过对系统的功能分析和结构分解，设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的工程构造，以满足工程的不同功能需求和应用条件。

3) 模块化施工。通过对不同组件设定不同功能，把一个工程问题分解成多个小的独立的互相作用的组件，通过机械化施工、模块化安装来完成复杂的大型的工程建设。模块化建设可实现工程各个模块的标准化、批量化、工厂化制造和装配式、机械化安装，提高施工效率和质量，缩短施工周期。

4) 模块化设计。模块化设计是指基于对工程一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格产品功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同产品，以满足现场不同施工需求的设计方法。模块化设计可实现工程各个模块的相对独立性、互换性、通用性等特征，提高设计质量和效率，缩短设计周期[3]。

2.2 模块化建设的规律

2.2.1 模块化建设原则及其特征

通过近五年的实践、研究，逐步梳理并总结了模块化建设的五大特征。

1) 特征一：“少量化”，即尽量以最少量的标准模块组成尽可能多的产品形态，同时保证产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，模块间的联系尽可能简单。

2) 特征二：“系列化”，即以有限的产品品种和规格，最大限度但又经济合理地满足工程建设的需求。

3) 特征三：“独立性”，即允许对模块进行独立的设计、制造、调试、修改和调整，方便不同的专业化企业进行生产。

4) 特征四：“互换性”，即统一标准化模块接口的结构、尺寸和参数，使得模块之间可以轻松互换，以满足更多不同产品的功能需求。

5) 特征五：“通用性”，即有助于实现横向和纵向产品系列之间模块的通用性以及跨系列产品之间模块的通用性。

2.2.2 模块化与“四化”的联系

新调整的“四化”(标准化、机械化、绿色化、智能化)，与模块化有着密切的联系，即模块化是“四化”的载体与表象，而“四化”是模块化的起点与落脚点。推动变电站模块化建设的本质就是推动电网工程领域的“四化”建设。

1) 标准化是模块化的前提。只有产品规格、接口形式、节点构造等完成标准化的设计，才能实现模块化构配件的自由组合，从而形成满足功能需求的产品。

2) 机械化是模块化的延展。模块化的特点在于标准化预制、装配式安装，模块化产品的生产与安装都依赖机械化实现，同时还能达到机械化减员的效果。

3) 绿色化是模块化的内核。模块化的最终目的在于减少工程现场湿作业，通过提升施工效率，大幅度降低资源损耗、减少水土污染。

4) 智能化是模块化的途径。模块化制作与安装过程均需要智能化辅助，模块化建设模式也为变电站智能化发展创造了条件。

2.3 变电站模块化建设的内涵与外延

根据上述模块化的分析，可以推导出变电站模块化建设的内涵：一切有利于减少湿作业或现场加工，有利于提升机械化施工水平，有利于增进现场安全文明施工水平的作业方式，就是变电站模块化建设的本质内涵。

同样，也可以将变电站模块化外延作进一步的延展：所有变电站现场湿作业或现场加工的工序，都是未来模块化优化发展的方向；所有现有市场的成熟产品，都是可借鉴并用于变电站模块化建设[4]。

3 变电站模块化建设体系

变电站模块化建设作为变电站建设的新模式，需要构建比较完备的体系，才能实现有效地推广应用[5]。下面就变电站模块化建设体系的构建原则进行探讨。

3.1 供应链体系构建原则

1) 建立变电站模块化建设全品类产品体系，以千种产品、千家厂家的量级，构建变电站标准化建设供应链体系。

2) 以量大为基准，构建平台公司自有购销-配送体系，如装配式围墙、钢结构内外墙板、预应力管桩、螺旋锚等。

3) 以尺寸、颜色、外观等为基准，构建各电压等级变电站模块化产品系列，由业主方采购或厂家配送，如变电站电气设备、卫生洁具等。

4) 异形产品现场预制及机械化安装，逐步实现变电站标准化的施工能力，如围墙基础、预制箱涵等。

5) 以专利为支撑创新产品，支持变电站标准化建设并持续迭代升级，如单元式辅助用房、一体化事故油池、单元式消防砂箱等。

3.2 服务体系构建原则

1) 建立变电站标准化建设的全系列模块化产品目录，不断丰富生产与持续迭代产品类目。

2) 固化变电站建设标准化图集并持续迭代。

3) 提供变电站建设非标产品个性化解决方案。

4) 提供变电站建设难点与痛点的系统性解决方案。

3.3 产品检测体系构建原则

针对市场上模块化产品良莠不齐且没有专门提供模块化产品检测的单位的现状，可建立一套检测制度规范、检测种类齐全、检测设备先进的专门针对变电站模块化材料的检测中心，为全省模块化变电站提供检测服务[6]。

3.4 专用机具研究

工厂化加工、模块化安装均依托于机械设备，研发应用能体现地区模块化特色的产品加工机械、器具，推广适用于钢结构吊装、墙板安装的专用工器具和建筑机器人等器械。

3.5 绿色建材研究

对传统混凝土预制构配件进行绿色化替代，在保障结构安全的前提下，应用可再生混凝土进行模块化产品制造，既可减少对天然石材的依赖程度，也可解决废旧混凝土对生态环境造成的破坏，提高混凝土材料的循环利用率[7]。

3.6 绿色施工方法研究

运用螺旋锚基础方案、预制临建道路等绿色施工技术，减少对临建土地的占用与破坏，缩短临建施工周期，提高资源循环利用率。

3.7 全寿命周期服务体系构建

建立从模块化产品生产配送、结构深化、安装技术指导、后期维护的全寿命周期服务体系，为需求单位提供全方位技术支持与质量保障服务[8]。

4 变电站模块化建设发展路径研究

4.1 模块化平台公司的目标定位

模块化平台公司旨在打造成为浙江电网工程标准化建设综合服务商，通过梳理社会现有建材品类、结合电网工程特点与浙江省地域特色，进行全电压等级变电站部品部件标准化设计，整合内外部资源，持续创新、迭代，构建支撑浙江省电网工程“六精四化”的标准化建设服务体系，推动电网建设高质量发展。

4.2 变电站模块化建设的目标定位

1) 减少电网工程现场作业人员。

2) 加快电网工程整体建设速度。

3) 提升电网工程本质安全水平。

4) 提高电网工程施工工艺品质。

5) 推动电网工程建设模式革新。

4.3 变电站模块化供应范围

以500 kV 输变电工程为基准，高标准构建混凝土预制件、成品建(构)筑物、墙板、装饰装修等标准化产品设计、制造、配送和相应技术服务体系、标准，并以此为基础，推动相关体系、标准向110 kV 及以上输变电工程覆盖。

4.4 变电站模块化配送定位

1) 提供110 kV 及以上工程的模块化设计、施工、验收等系列服务，通过不断积累经验、迭代升级，打造成为浙江省输变电工程专业的模块化、标准化配送服务商。

2) 立足构建批量大、体积小、重量轻的标准化产品配送体系，以“平台配送+市场化服务”或“市场配送+平台服务”的方式提供专业服务。

3) 根据产品配送距离的边际成本，合理确定配送辐射范围，综合应用工厂加工、现场预制等手段，解决标准化产品生产、运输、吊装等问题，降低整体成本。

4) 通过签订长期合约等方式，与标准化产品工厂建立长期战略合作关系，严格管控制造工艺和产品质量，持续优化迭代、不断降低成本，满足“六精四化”要求。

5) 加强市场调研，及时掌握模块化市场最新动态；主动服务对接，了解需求单位对标准化配送产品的功能需求，不断丰富和扩展标准化配送品类和服务范围，加快建立品类齐全、质优价廉的标准化配送体系[9]。

4.5 关于商业模式闭环思考

1) 从构建模块化建设标准化体系入手，通过服务体系的标准化，服务全省110 kV 及以上变电站标准化建设需求，形成浙江经验、浙江标准。

2) 根据现有产品的缺陷或市场空白，通过产品创新实现产品的高附加值，并维持标准化配送体系的运转。

3) 从细化分析产品成本入手，尝试多种生产方式，如自行生产、贴牌加工、合资生产等方式把目前提供的产品和服务做精、做透、做深，逐步形成商业闭环。

5 结束语

综上所述，通过变电站模块化建设的推进，可以提高变电工程建设效率和质量，降低工程风险，节约工期，降低成本，并减少对环境的影响；模块化建设标准化，有助于优化和整合供应链体系，提高供应的效率，降低成本；模块化建设体系化，能够促进技术创新和持续研发迭代，推动绿色建造和可持续发展。随着技术不断进步，模块化建设在变电工程中将发挥越来越重要的作用，也必将成为电网高质量建设的重要抓手。