變電工程三維設計系統二次專業解決方案探討

國網無錫供電公司 顧水福

中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司 趙智成

0 引言

隨著電網建設難度的增加、設計的競爭日趨激烈，迫切的要求采用更先進的技術來解決好變電工程的設計、施工及運行中涉及到諸多相關的因素，提高變電工程設計的水平和服務質量?；谌S信息技術開展變電工程設計，既是電力系統發展的趨勢，又是時代進步的必然。

目前我國的電力行業，發電廠工程的三維輔助設計經過十多年的摸索和實踐已經趨于成熟，并且在設計中體現出了效率和效益。而在電網工程方面，三維輔助設計尚處于起步階段，國家電網公司相關部門也已陸續發布電網工程的數字化移交規范。

目前圍繞變電站三維設計問題已有大量學者開展了相關工作，并取得了一定進展。文獻[1]、[3]通過工程實例探索了變電站的三維設計及數字化移交工作，實現了三維建模、二三維貫通、碰撞檢查、自動工程量統計、三維漫游等功能；文獻[2]以MICROSTATION為基礎數據庫平臺，提出協同設計管理的基本思路，實現“三維設計、二維出圖”；文獻[4]對三維數字化設計技術的應用效果進行了介紹，對輸變電工程應用三維數字化設計技術存在的問題提出了建議；文獻[5]對變電站設備模型庫的建設內容、建設方法進行了研究和探討；文獻[6]通過對Promis-e軟件的開發運用，繪制變電站電氣二次典型間隔的施工圖，并論述了設計流程、效果及軟件優缺點。

目前對變電站三維數字化的研究主要集中在協同設計的流程管理及電氣一次、土建專業的三維設計研究方面，系統二次專業由于更多的是體現功能原理，難以具象為三維實物模型，其三維數字化設計方案研究還比較少。本文基于二次系統數字化設計現狀，研究變電站二次專業的三維設計工作流程及實施方案，實現三維快速建模，二維三維有機高效協同的數字化設計手段，為施工、調試、運維提供更好的支撐。

1 系統二次專業數字化設計現狀及提升思路

1.1 二次主要設計軟件應用情況

目前，設計人員開展系統二次設計時，直接基于廠家提供的原理圖及屏柜端子圖，利用CAD工具完成端子到端子的連接。隨著技術的成熟，目前借助數字化設計工具，如上海欣電生產的面向傳統變電站的硬接線設計工具ELEC，可方便的完成端子排-電纜的設計，并可生成電纜清冊、端子排接線表、端子排接線圖。隨著智能變電站的發展，需開展光纜的設計與虛回路設計。目前，開展光纜設計與虛回路設計主要采用容弗科技、長園深瑞、五采生產的設計軟件。主要面向智能變電站完成光纜設計、虛回路設計、虛實對應、導出光纜清冊、自動生成IPMAC地址，自動劃分VLAN，生成SCD文件等功能。

隨著三維技術的不斷發展，基于三維數字化設計變電站被廣泛認為具有直觀、增強現實的優點，是未來變電站工程設計的趨勢?；谌S數字化的變電站設計在很多地區被試點應用，當前主流的三維設計軟件有Bently公司生產的Bentley Substation 、博超數字化三維變電設計平臺STD等。

圖1 現階段二次數字化設計流程Fig.1 Current digital design process of secondary system

目前二次主要設計軟件存在以下突出問題，一是每一個軟件都針對一個領域完成了部分設計功能，各專業的設計工具不能單獨支撐起整個變電站的設計；二是每個專業數字化設計數據相互獨立，缺乏數字化設計數據共享機制，不能充分相互利用各專業數據；三是數字化設計軟件在一定程度上提升了設計效率，但效率提高還有很大空間。

1.2 現階段二次主要設計軟件應用情況

二次數字化設計應用的主要軟件為采用深度定制的電回路設計軟件ELEC、自主研發的全景模型光回路設計軟件Smartdesigner以及深度定制的敷設軟件Autolay，并且通過開發軟件模塊接口，實現了二次系統三維數字化設計全覆蓋及大部分的數據共享。軟件之間接口及配合如圖2所示。

圖2 二次數字化軟件應用現狀Fig.2 The application of secondary system digital softwares

除圖2中虛線部分的數據暫未實現接口以外，其余均已實現數據傳遞和共享。但是各部分均有提升空間，根據多年的應用經驗，提升最主要的需求來自于以下三方面：跨專業數據及功能模塊共享、基于通用設計與模板庫的二次系統自動構建、基于平臺海量數據的應用拓展。

1.3 二次專業三維設計總體提升思路

為充分利用各專業數字化設計的優勢與設計成果，避免重復建模帶來的額外勞動，大幅提升設計效率與設計質量。本文提出與當前三維數字化設計系統定制接口，利用當前系統中標準格式的一次接線圖模型、總平面圖、變電站通用設計規范開展二次設計工作。

圖3 提升后的二次設計流程圖Fig.3 Secondary system digital design process after lifting

為提高設計效率，建立設備、端口、屏柜通用圖元庫，快速完成變電站二次裝置配置、組屏，形成原理設計的基礎數據。利用廠家ICD、IPCD、端子排實例化裝置圖元與屏柜，同時與已有的虛回路設計軟件進行接口約定，將設計虛回路結果，導入到本系統，自動開展裝置端口、物理回路、虛回路的對應，形成施工圖。

在完成上述設計各環節的設計工作后，三維平臺中逐步集成了變電站土建、電氣一次、電氣二次數據，這些數據可為變電站施工、調試、運維、改擴建提供業務價值數據。通過利用三維數字化設計集成的設計數據，根據設計、施工調試、運維作業的業務特點，為不同的使用者呈現不同的業務數據，如對施工階段線纜敷設的數據支撐、標牌吊牌的數據支撐、對改擴建運維檢修的仿真數據支撐、對調試運維環節提供二次故障排查的支撐數據等，通過為后續作業環節提供直觀的數據支撐，進一步將設計的價值延伸到變電站的全生命周期（見圖3）。

2 系統二次三維設計技術實現方案

2.1 二次回路設計提升關鍵技術

為提高二次系統三維設計效率及設計質量，需引入接口技術，三維圖元庫技術、通用規則庫應用技術、典型間隔連接關系配置等技術。

2.1.1 與其它設計模塊的數據及模型接口

二次回路三維設計開展前，為提升設計質量與提高設計效率，需充分利用其他專業模塊的設計成果。

一是與系統圖設計模塊、三維模型布置設計模塊約定數據與模型接口，獲取總平面圖、一次接線圖以及配置的圖元、組裝的屏柜信息及模型。

二是開發與電纜敷設模塊接口，為電纜設計軟件提供屏柜信息、端子排信息，并可獲取連接好的電纜設計數據。

三是二次設計模塊的設計結果（設備清冊、光纜清冊、電纜清冊、網線清冊、二次設計模型數據）可反向提供給三維設計平臺進行設計數據集成、關聯展示以及業務數據組織與應用。

2.1.2 三維圖元庫技術

為提高設計效率，對標準設備、屏柜、元件建立通用圖元庫，開展二次回路設計時，利用通用圖元庫進行裝置配置、組屏、設計回路。

（1）通用智能裝置圖元（IED）

圖4 通用智能裝置圖元Fig.4 General intelligent device graphic element

不同類型的二次裝置擁有不同的屬性，如表1：

表1 裝置模型屬性表（部分）Table 1 Property table of device models(part)

（2）屏柜圖元的定義：

屏柜作為智能裝置的容器單獨建模，二次屏柜的規格相對固定，屏柜圖元包含屏頭、屏體、底座三部分。二次系統三維建模時，根據組屏方案把屏柜圖元和智能裝置圖元進行組裝。

（3）智能裝置端口、接頭的定義

裝置端口有光口、電口之分。裝置端口與智能裝置組合時，電口默認單列排布，光口默認雙列排布。

圖5 光口及電口圖元Fig.5 Optical and electrical interface graphic elements

光口接頭、電口接頭分別對應著光纖的端子和以太網的水晶頭。分別對這兩種類型的接頭進行建模。

圖6 光口及電口接頭圖元Fig.6 Optical and electrical adapter connector graphic elements

2.1.3 二次設備配置規則庫

初步設計階段當主接線、總平面布置確定后，根據通用設計規范二次配置部分，行成二次設備配置規則庫，自動完成裝置配置及組柜。

圖7 二次裝置配置規則庫示意圖Fig.7 The schematic diagram of the secondary device configuration rules

圖8 二次屏柜組柜規則庫示意圖Fig.8 The schematic diagram of the cabinet configuration rules

2.1.4 典型間隔屏柜連接經驗庫

組柜完成后，利用典型間隔連接經驗庫，可自動完成同類型間隔的屏間原理接線，包括光纜接線、電纜接線，根據工程情況適當調整后，即可自動形成光纜連接表、電纜連接表。

圖9 光纜連接經驗庫Fig.9 Optical cable connection experience base

圖10 電纜連接經驗庫Fig.10 Cable connection experience base

2.2 設計實現方案

2.2.1 初步設計階段

初步設計階段的主要設計提升在于：基于通用設計、通用設備創建完成二次裝置配置規則庫、二次屏柜組柜規則庫后，當主接線及總平面確定，即可自動完成二次設備配置及組柜數據及模型。

而后根據光、電纜連接經驗庫，可生成典型間隔連接圖和光電纜連接表；根據站控層交換機、站控層間隔層設備的配置識別，可自動生成站控層網絡拓撲和網線連接表。

（1）與當前各專業設計系統的接口

要求當前三維數字化設計軟件可輸出帶有標識的標準三維模型，同時滿足U3D的通用3D圖形格式標準。

利用文件描述作為接口的數據交互，采用XML標準格式，對關鍵信息進行定義，確保接口文件的可讀性。

（2）配置及組柜模塊實現

根據變電站電壓等級、一次接線圖，按照《110（66）kV～220kV智能變電站設計規范》與《330kV～750kV智能變電站設計規范》，自動形成站控層、過程層、間隔層的主機、交換機、保護裝置、測控裝置、合并單元、智能終端、故障錄波裝置等二次裝置的數量配置及通用裝置的配置，自動完成典型間隔組屏。

圖11 裝置自動配置與組柜Fig.11 Automatic device configuration and cabinet

屏柜信息按照三維設計平臺提供的接口的數據中的區域、小室分類管理。

配置完成過程中，完善圖元以下屬性：

表2 初步設計階段智能裝置模型屬性表（部分）Table 2 Intelligent device model property table at preliminary design stage(part)

通過建立典型間隔光纜連接關系，電纜連接關系典型庫，根據電壓等級、間隔類型、接線形式建立典型間隔規則庫，根據典型間隔規則庫自動生成相同類型間隔的屏柜間連接關系。同時根據交換機配置，自動構建站控層網絡。最終完成光纜清冊、電纜清冊、網線清冊，為進一步的光電纜敷設、線纜長度估算提供準確的數據。

2.2.2 施工圖設計階段

施工圖設計階段，需要根據廠家資料對裝置進行實例化，即為裝置和屏柜導入準確參數（如屏柜的端子排、裝置的背板、端口、裝置配置文件等），實例化完成后依據初步設計階段的原理設計結果，完成裝置端口到端口的連接，最終完成詳細的物理回路設計。

（1）裝置實例化

依據廠家提供的裝置配置文件ICD、IPCD的裝置型號、裝置背板端口對裝置進行實例化。利用IPCD配置描述文件中的信息，填充個設備屬性的背板、端口；利用ICD描述文件完善廠家信息、型號信息、軟件版本信息。同時，實例化過程中，在初設階段的基礎上，完善各裝置的屬性信息。

圖12 裝置實例化示意圖Fig.12 Device instantiation diagram

屏柜實例化的具體方法就是對端子排功能區域的定義、功能區端子數量的調整、免熔接光配的端口數量的定義（默認根據光纜線芯自動定義端口數量，根據使用情況調整）。

圖13 屏柜實例化圖Fig.13 Cabinet instantiation diagram

（2）光回路設計模塊

基于初步設計的設備連接圖，通過屏間的光纜或者尾纜的操作，展示光纜兩側的屏柜，及柜內免熔接光配、設備背板，同時展示免熔接光配各端口的詳細定義，以指導設計人員完成端口到端口的連接。

以本間隔連接為典型間隔數據，可通過間隔復制實例化其他間隔的端口連接。對于關聯到公用間隔設備的端口，按順序自動推出可能連接的設備背板，放大端口區域，方便設計人員快速完成公用間隔設備的端口鏈接。

系統通過自學習算法，自動記憶各廠家的設備端口與定義的免熔接光配之間的連接關系，在后續設計時，出現相同的設備，自動進行對應連接。

（3）電回路設計模塊

電回路設計延用現有軟件功能，根據原理圖自動生成端子排，同時進行功能提升：利用初設階段電纜連接的設計結果，根據屏柜實例化以后導入的端子排，進行具體的電纜兩端端子號配置，而后生成端子排，并更新相應原理圖庫的端子號。

完成電纜連接后，形成支撐施工的電纜接線指導數據—電纜連接表、裝置連接模型。將完整的連接模型和電纜回路數據導入三維設計平臺，與屏柜關聯，支撐現場施工，一方面可在端子排接線時實現直觀的一一對應，另一方面，可與實際敷設路徑對應，便于問題查找。

2.2.3 基于三維設計數據的作業支撐方案

（1）施工接線指導

施工接線圖、以屏柜為中心，提供每個裝置的端口對應表，指導端口接線。提供設備的三維模型及詳細接線信息，在移動終端上展示施工人員操作的設備，直觀的指導施工人員完成現場接線、線纜敷設。

圖14 施工接線指導示意圖Fig.14 Construction connection guidance

圖15 邏輯故障定位示意Fig.15 Logical fault location

（2）基于三維全景數據的故障定位

利用設計形成的施工圖階段的數據，為施工、調試人員提供支持故障定位的數據支撐。通過某信息回路的檢索，提供查找故障的關鍵回路信息：區域-屏柜-裝置-端口到端口的回路信息。高亮展示整個回路及設備（見圖15）。

3 結論

本文基于二次三維數字化設計技術現有實施方案及大量工程實施經驗，針對初步設計、施工圖設計階段設計需求，從跨專業數據及功能模塊共享、基于通用設計與模板庫的二次系統自動構建、基于平臺海量數據的應用拓展三方面開展研究，提出二次三維設計手段提升方案。

通過模塊化功能設計、數字化手段延伸，提高設計效率，實現二次三維數字化設計目標。通過創建基于通用設計、通用設備和工程設計數據的設備配置原則庫及標準間隔連接庫，實現配置組柜模塊、自動連接模塊設計，完成二次系統主要設備配置和典型間隔接線自動構建、纜材清冊自動生成，設計效率可提升30%，控纜及光電纜分型號估算準確率可達90%，初步設計即達到施工招標深度要求。

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