陳莉

摘 要：近年來，我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展迅速，且較好地滿足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的用電需求。變電站作為電力系統(tǒng)中變化電壓以及接受、分配與控制電能的主要場(chǎng)所，對(duì)于電力運(yùn)行的效率和安全具有重要影響。為了進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，探索變電站內(nèi)在的協(xié)同機(jī)制。該文從變電站的角度出發(fā)，引入三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，通過對(duì)變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，在結(jié)合其設(shè)計(jì)原理和思路的基礎(chǔ)上，對(duì)變電站三維設(shè)計(jì)的方案展開了深入研究。研究結(jié)果表明，在三維協(xié)同設(shè)計(jì)方案確定之后，放在變電站當(dāng)中進(jìn)行具體實(shí)踐，實(shí)效性顯著。

關(guān)鍵詞：變電站 三維協(xié)同設(shè)計(jì) PDMS平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TM769 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（c）-0052-02

對(duì)傳統(tǒng)的二維變電站設(shè)計(jì)進(jìn)行分析可知，其不僅具有龐大的工作量，而且在設(shè)計(jì)發(fā)生相關(guān)變更時(shí)，其所修改的內(nèi)容難以相互聯(lián)動(dòng)，無(wú)法滿足精細(xì)化生產(chǎn)管理的要求。因此，加強(qiáng)對(duì)新型變電站設(shè)計(jì)方法的研究并改變傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式下變電站工作的局限性，進(jìn)而提高變電站多專業(yè)協(xié)同作業(yè)的效率已成為當(dāng)前電力領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問題?；诖?，該文提出了三維協(xié)同設(shè)計(jì)的變電站布置方式，以期為提高變電站多專業(yè)協(xié)同作業(yè)效率和實(shí)現(xiàn)其精細(xì)化設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考意見。

1 變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

1.1 變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)概述

變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)是以三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)為支撐的，通過借助三維設(shè)計(jì)手段將變電站設(shè)計(jì)過程中涉及到的建筑、水工、以及電氣、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)和暖通等多專業(yè)設(shè)計(jì)工作共同集中到數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)領(lǐng)域的協(xié)同設(shè)計(jì)，在避免基于傳統(tǒng)互提文件資料形式而產(chǎn)生的信息不一致問題的同時(shí)，提高變電站設(shè)計(jì)的精細(xì)化水平，最終，確保用電安全并滿足人們的用電需求[1]。

1.2 三維協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

變電站的三維協(xié)同設(shè)計(jì)主要具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：首先，滿足變電站精細(xì)化設(shè)計(jì)的要求，能夠?qū)μ幱谌S空間中的變電站之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確的校驗(yàn)，并能夠以全面且準(zhǔn)確的材料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)降低碰撞與沖突發(fā)生的可能性。其次，此種變電站的設(shè)計(jì)方式能夠滿足多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的需求，將不同專業(yè)放置在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)中進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，進(jìn)而從整體上提高各個(gè)專業(yè)協(xié)同工作的效率，降低接口錯(cuò)誤發(fā)生的概率[2]。最后，三維變電站模型能夠?yàn)闃I(yè)主提供較為真實(shí)的變電站三維空間展示效果，同時(shí)，以專業(yè)化的變電站數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)其生命周期管理，從而為變電站工程的后期養(yǎng)護(hù)與維修提供便利。

2 變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)原理及思路

變電站的三維協(xié)同設(shè)計(jì)是以其三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，主要包括了專業(yè)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)以及數(shù)字化移交接口子系統(tǒng)。通過將全站不同專業(yè)的三維模型作為主要依據(jù)，變電站協(xié)同設(shè)計(jì)子系統(tǒng)利用其后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，并借助圖紙、數(shù)據(jù)相結(jié)合的參考機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)同一工程下的不同專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)。在協(xié)同子系統(tǒng)方面，不同專業(yè)則各司其職，即負(fù)責(zé)本專業(yè)的具體工作，并盡可能地參考其他專業(yè)的有效設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及圖紙，為其協(xié)同管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供信息支持。此外，協(xié)同子系統(tǒng)還能夠根據(jù)各工程單位對(duì)其內(nèi)部的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行科學(xué)劃分，進(jìn)而統(tǒng)一各專業(yè)間的設(shè)計(jì)環(huán)境[3]。同時(shí)，以統(tǒng)一的定位點(diǎn)作為基礎(chǔ)，引入系統(tǒng)工程管理來實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)。在成品圖紙與中間產(chǎn)品圖紙方面，則以不同的專業(yè)進(jìn)行區(qū)分后分別存入系統(tǒng)，方便用戶對(duì)其查看與編輯。當(dāng)基于全站的三維模型建立完畢后，以三維碰撞檢查的方式對(duì)是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行衡量和判斷，若在檢查過程中產(chǎn)生碰撞，便將碰撞的結(jié)果回傳至相關(guān)專業(yè)進(jìn)行修改，從整體上確保變電站三維模型的科學(xué)性和有效性。

本文對(duì)變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)選取的是PDMS三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，其最大的優(yōu)勢(shì)就在于能夠?qū)Φ谌秸Z(yǔ)言支持其內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)操作予以良好的支持。因此，選取面向?qū)ο箝_發(fā)相對(duì)成熟的C#語(yǔ)言作為主要的程序開發(fā)語(yǔ)言，同時(shí)，將PML語(yǔ)言作為其內(nèi)部執(zhí)行語(yǔ)言，用以提高PDMS的執(zhí)行效率。在數(shù)據(jù)庫(kù)方面，由于SQL數(shù)據(jù)庫(kù)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和較為清晰地結(jié)構(gòu)，且能夠?qū)贑#語(yǔ)言的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速查找，因此，選取SQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為變電站PDMS的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。以上述組織方式為基礎(chǔ)，變電站三維協(xié)同程序的設(shè)計(jì)便可在PDMS當(dāng)中運(yùn)行，通過將C#語(yǔ)言直接寫入程序，進(jìn)而為PML利用批處理文件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的寫入奠定良好基礎(chǔ)。

3 三維協(xié)同設(shè)計(jì)方案

3.1 電氣系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)主要包括電氣設(shè)備建模定位以及懸線布置和安全距離校驗(yàn)等方面的工作。

首先，對(duì)電氣設(shè)備建模定位。設(shè)計(jì)思路為：對(duì)項(xiàng)目系統(tǒng)回路中的設(shè)備名稱以及設(shè)備的排列順序進(jìn)行自動(dòng)檢索，從而生成回路中的各類設(shè)備模型并實(shí)現(xiàn)各設(shè)備模型的定位。電氣設(shè)備模型定位的實(shí)施方式主要有兩種，分別為：（1）軸網(wǎng)定位，事先選出兩條交叉點(diǎn)進(jìn)行定位，在向其中加入第三個(gè)方向的偏移實(shí)現(xiàn)設(shè)備的定位；（2）相對(duì)定位，以當(dāng)前其他設(shè)備的位置為依據(jù)進(jìn)行定位[4]。此外，電器設(shè)備模型還需根據(jù)其軸網(wǎng)定位或是相對(duì)定位實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)功能，即此設(shè)備同選定其當(dāng)前位置的參照物進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)軸網(wǎng)或是相對(duì)設(shè)備本身發(fā)生位置偏移時(shí)，設(shè)備應(yīng)自動(dòng)更新定位。

其次，進(jìn)行懸線布置工作。設(shè)計(jì)思路為：選取懸垂線最大弧垂與兩處掛線點(diǎn)的高度作為參考，進(jìn)而對(duì)懸線在三維空間中的形態(tài)進(jìn)行模擬，同時(shí)，對(duì)三維空間進(jìn)行檢查，判斷其是否滿足具體的設(shè)計(jì)要求。實(shí)施方案如下：對(duì)懸線進(jìn)行分析可知，由于其在空間是具有相對(duì)位置的方位的，而絕緣子串則以大量金具的空間的非直角形式存在。因此，可利用PDMS對(duì)架構(gòu)上掛點(diǎn)進(jìn)行確定的方式實(shí)現(xiàn)懸線同絕緣子串的連接。還需說明的是，由于絕緣子串是由用于連接的金具和片數(shù)可變的絕緣子共同組成的，故可通過定義模板的方法來實(shí)現(xiàn)其空間定位。對(duì)于用戶而言，只需指定模板的類型以及所需的絕緣子片數(shù)即可[5]。

最后，進(jìn)行安全距離的校驗(yàn)。由于變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)是多專業(yè)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行工作的，而一類變電設(shè)備能夠?qū)ζ渲苓吿囟ǚ秶鷥?nèi)具有特定含義的元件進(jìn)行捕捉，因此，為帶電設(shè)備全距離校驗(yàn)工作的實(shí)現(xiàn)提供了可能。根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)不同等級(jí)的電壓，將不同工況下帶電設(shè)備的安全距離以數(shù)據(jù)的形式輸入至SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，確保相關(guān)數(shù)據(jù)的安全性。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在項(xiàng)目設(shè)置中對(duì)各類帶電設(shè)備的電壓等級(jí)進(jìn)行規(guī)定，從而確保安全距離校驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和權(quán)威性。安全距離的校驗(yàn)主要包括兩種形式，分別為單個(gè)檢查和批量檢查。在單個(gè)檢查方面，校驗(yàn)人員可先將某一配電裝置打開，進(jìn)而對(duì)其單獨(dú)工作下的安全空間進(jìn)行確定，同時(shí)進(jìn)行碰撞檢查與區(qū)域顯示，從而獲取實(shí)時(shí)碰撞結(jié)果。在批量檢查方面，當(dāng)所需檢查的設(shè)備較多且工況較為復(fù)雜時(shí)，則可向系統(tǒng)提交檢查請(qǐng)求，服務(wù)器端則在制定的時(shí)間內(nèi)對(duì)全部的提交的檢查申請(qǐng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全距離的校驗(yàn)，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)中工用戶和電力維護(hù)人員查看。

3.2 變電土建模塊設(shè)計(jì)

變電土建模塊的設(shè)計(jì)工作主要包括了溝道布置、道路布置與架構(gòu)布置三方面工作。

首先，進(jìn)行溝道布置。建立專用數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站電纜溝道的材料統(tǒng)計(jì)。當(dāng)前，電纜溝道的等級(jí)主要由0.4 m×1.0 m、0.6 m×1.0 m、0.8 m×1.0 m、1.0 m×1.0 m、1.2 m×1.0 m和2 m×1.0 m，在按照設(shè)計(jì)圖紙和具體工況對(duì)溝道進(jìn)行上述等級(jí)的分層后，便可建立起溝道系統(tǒng)，即主溝道、次溝道以及主次溝道的T型連接和L型連接程序，從而為用戶對(duì)溝道的快速建模提供依據(jù)。在具體實(shí)施方面，由于PDMS是三維建模工具，并不具備結(jié)構(gòu)計(jì)算功能，因此，可先在土建結(jié)構(gòu)中加入荷載，并將中間文件安全導(dǎo)出，在經(jīng)PDMS接口程序的處理后，生成符合PKPM（建筑工程軟件研究所）規(guī)范的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算，生成溝道施工圖紙。其次，進(jìn)行道路布置。變電站三維模型中道路布置的實(shí)現(xiàn)方法同溝道布置方法相似，也由結(jié)構(gòu)截面拉伸形成[6]。以參數(shù)化道路90°直角的可變參數(shù)彎路為例，該元件為90°固定直角的轉(zhuǎn)彎道路，出入口的長(zhǎng)度以及寬度和高度與轉(zhuǎn)彎半徑均能夠自由調(diào)整。將元件的origin點(diǎn)設(shè)置為其出入點(diǎn)的交接口，利用PDMS以土建的方式實(shí)現(xiàn)道路設(shè)置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)道路的安全距離校驗(yàn)，確保道路布置的合理性。最后，進(jìn)行架構(gòu)布置。變電土建架構(gòu)由人字柱和三角柱兩部分組成，以專業(yè)提資的要求為依據(jù)，將爬梯、鼠籠以及避雷針等設(shè)置在架構(gòu)柱處，并通過程序開發(fā)以模板的形式生成。

4 應(yīng)用案例

以戶外礦山變電站的三維協(xié)同設(shè)計(jì)為例，目前，礦山變電站的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)是基于PDMS的軟件集，而PDMS則是面向基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)及其構(gòu)造與運(yùn)營(yíng)的一類綜合型軟件平臺(tái)產(chǎn)品，不僅具有較高質(zhì)量的施工進(jìn)度模擬功能，而且還能夠?qū)ψ冸娬窘Y(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)施的施工漫游動(dòng)畫的錄制和播放予以良好支持。以我國(guó)重點(diǎn)能源工程500 kV蘋果二變電站的設(shè)計(jì)為例，其是我國(guó)南方電網(wǎng)全面貫徹和落實(shí)西電東送戰(zhàn)略方針的關(guān)鍵項(xiàng)目。選取PDMS的MicroStation軟件集作為其三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，就現(xiàn)階段而言，利用PDMS軟件進(jìn)行變電站的協(xié)同設(shè)計(jì)仍然存在著諸多方面的問題，具體表現(xiàn)為：（1）多分裂導(dǎo)線問題。當(dāng)前PDMS軟件平臺(tái)并不能夠?qū)λ姆至鸭耙陨系膶?dǎo)線掛接問題予以良好的解決；（2）電氣設(shè)備距離校驗(yàn)問題。當(dāng)前，PDMS軟件的使用大都是在全部電氣設(shè)備和土建模型被精準(zhǔn)確定后進(jìn)行的，而設(shè)計(jì)人員并不能對(duì)全部電氣設(shè)備間的距離進(jìn)行確定時(shí)，便會(huì)采取逐點(diǎn)手動(dòng)測(cè)量的方式對(duì)設(shè)備間的最短距離進(jìn)行校驗(yàn)，從而在增加了電氣設(shè)備距離校驗(yàn)工作量的同時(shí)，也使得校驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)一步加大，影響了校驗(yàn)工作的結(jié)果[7]。

為了解決上述問題，在PDMS軟件平臺(tái)上可進(jìn)行二次開發(fā)，并將部分軟件群進(jìn)行集成，從而提高多分裂導(dǎo)線和設(shè)備距離校驗(yàn)問題的解決效率，具體做法如下：首先，盡可能全面收集變電站三維協(xié)同模型的設(shè)計(jì)依據(jù)與技術(shù)資料，如施工現(xiàn)場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)和電氣設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而為變電站的三維精細(xì)化設(shè)計(jì)奠定良好基礎(chǔ)；其次，在PDMS三維平臺(tái)下，由于三維圖紙是以電氣設(shè)備主接線圖為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此，應(yīng)率先開展工程接線圖與原理圖的設(shè)計(jì)和制備工作，并將其置于同一個(gè)ID上，確保其使用的數(shù)據(jù)庫(kù)源具有較高的統(tǒng)一性。其次，建立基于PDMS的工程三維信息模型，并對(duì)各類電氣設(shè)備的屬性庫(kù)與設(shè)備模型庫(kù)進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，以良好的三維信息模型為PDMS三維協(xié)同平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供全面且準(zhǔn)確的信息。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行電氣設(shè)備的碰撞試驗(yàn)，即對(duì)電氣設(shè)備是否同其他專業(yè)設(shè)備的三維模型發(fā)生位置碰撞進(jìn)行檢查。需要說明的是，在檢查過程中，應(yīng)盡可能地將設(shè)備檢修與其他操作進(jìn)行空間實(shí)體化，進(jìn)而提高碰撞檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。最后，制定好各類建筑物與電氣設(shè)備的顏色，并利用PDMS軟件集向設(shè)計(jì)人員提供二維與三維的色彩效果圖，確保出具的色彩圖同實(shí)際設(shè)備顏色相統(tǒng)一，進(jìn)而制作出變電站全站的漫游動(dòng)畫，以供設(shè)計(jì)者和業(yè)主參考。

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過對(duì)變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)的概念和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述，并結(jié)合其設(shè)計(jì)原理提出了基于PDMS三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)思路，在此基礎(chǔ)上，分別從電氣系統(tǒng)模塊和變電土建模塊兩方面對(duì)變電站的三維協(xié)同設(shè)計(jì)方式做出了系統(tǒng)探究，以我國(guó)重點(diǎn)能源工程500 kV蘋果二變電站的設(shè)計(jì)為例，對(duì)PDMS平臺(tái)和軟件集在變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用的問題和解決方案展開了全面研究?？梢?，未來加強(qiáng)對(duì)變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法的研究和應(yīng)用力度，對(duì)提高變電站設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度和提高變電站不同專業(yè)協(xié)同工作的效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 王磊.三維協(xié)同設(shè)計(jì)在裕隆換流站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2012，10（12）：126-128.

[2] 項(xiàng)玲，邵俊偉，譚海蘭，等.智能變電站的三維協(xié)同設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電業(yè)：技術(shù)版，2012，11（6）：454-459.

[3] 朱曉峰，袁敏，徐偉明，等.基于3D-CAD技術(shù)的智能變電站三維數(shù)字化設(shè)計(jì)探索[J].電氣自動(dòng)化，2014，4（16）：59-61.

[4] 趙雅媛，許萬(wàn)軍，韓永興，等.智能變電站三維設(shè)計(jì)在陜西院的發(fā)展與應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2014，4（16）：8-9.

[5] 郝健，尚光偉.三維協(xié)同軟件在變電站綜合樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2014，1（4）：58-59.

[6] 李波.基于ProjectWise的變電站三維協(xié)同設(shè)計(jì)[J].中國(guó)建設(shè)信息，2013，10（11）：36-39.

[7] 屈力剛，王偉，鞏亞東，等.基于MAS的網(wǎng)絡(luò)化三維協(xié)同設(shè)計(jì)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，5（14）：718-721.

[8] 趙海超，王強(qiáng)，劉敏.基于VPM的教練機(jī)三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究[J].教練機(jī)，2011，3（6）：23-27.