基于三維模型的變電站二次電纜模擬敷設方法及其應用

張嘯宇,趙 曄,王 強,張立云,周雪濤

(河北省送變電有限公司,河北 石家莊 050051)

變電站電纜敷設的常規施工方式為設計單位按照敷設電纜要求出具圖紙,施工單位按照設計圖現場施工。傳統方式下,電纜設計精度難以達到施工安裝工藝精度要求;電纜路徑規劃常存在不合理情況,交叉線路多和電纜超容,施工難度大;電纜長度不精確,易造成材料浪費,工程電纜造價難以有效控制;施工過程未實現提前模擬,安裝過程不可逆,出現問題難以修正;無法滿足數字化運維對于電纜管理的需要。使用三維模擬施工仿真軟件進行電纜敷設,利用三維模型與物理實體的一致性,對電纜敷設過程進行模擬和三維展示,可以有效減少電纜交叉,施工人員可以在實際敷設前根據模擬效果對電纜位置、施工方案進行及時調整[1]。

1 電纜模擬敷設方法

1.1 三維模型的建立

按照Q/GDW 11810.1—2018《輸變電工程三維設計建模規范 第1部分:變電站(換流站)》建立與電纜敷設相關聯的基礎設施三維模型,具體包括電纜附屬模型(電纜橋架/支架)、場地及周邊設施模型(地下溝道、電纜通道)及電纜連接兩端的電氣設備模型。三維模型建立完成后,需要對所需要的電氣設備以及電纜通道利用KKS(電廠標識系統,用來標識變電站零部件的輔助系統)進行編碼,并建立電氣的相互連接點。隨后將其導入至電纜清單中,根據清單中的內容核對用電設備中的連接點是否已架設完成,如果有連接點未建立,三維模型就會立刻提示。連接點建設完成后,開始建立電纜通道,即建立一個可以分層、涵蓋電纜路徑的大通道。電纜通道分層不需要考慮電纜支架,可以等待電纜敷設后再通過軟件進行分層處理[2]。

1.2 最短路徑優化算法

電纜通道布置完成后,以設備連接點為電纜始端、末端開始電纜路徑搜索。電纜路徑搜索算法需滿足下列要求:一是,路徑搜索自動進行,搜索速率不低于1 000條/min,保證模擬敷設效率;二是,路徑規劃規則可配置,滿足多種敷設規則,即最短原則、優先順序、電纜類型(等級)匹配、容積率限制等;三是,敷設結果支持人工調整,保證敷設方案的可實施性。經過論證選擇以粒子群算法為基礎進行二次電纜模擬敷設平臺的二次開發。

在粒子群算法中,任何一種優化之后的結果都是粒子群在空間搜索中所處的位置,即粒子的運動方式決定了粒子運動過程中的方位以及長度,所有粒子群都跟蹤著當前最優粒子群,并通過自身的運動方式在空間中搜索最優的過程。所以,關于粒子在更新后的頻率及其所占位置的計算方法,如式(1)和式(2)所示。

根據式(1)、式(2)可知,粒子群算法在電纜敷設過程中,可以使其敷設的總路徑達到最小的數值。粒子群算法是在粒子移動過程中被提出來的,假設粒子在移動過程中有2條路徑,路徑1與路徑2的長度存在些許的差異,路徑1的整體長度要更短一點。而粒子在進行路徑選擇過程中,大多情況是隨機選擇,粒子在移動過程中會將自身存在的某一特征分散至路徑1或者路徑2上,在相同時間內,由于路徑1的長度相對較短,就會導致路徑內會吸引到更多的粒子。根據上述提出的粒子群原理,可以將最短路徑的問題進行轉化,轉化之后可以用幾何問題進行表示,具體如圖1所示。

圖1 轉化為幾何問題后示意

假如,將平面中某一給定原始點集合設為Q,隨后再將平面中新增的輔助點集合設為D,那就需要尋找幾何上的一個點在連接過程中的最短軌跡。將電纜敷設過程中最短線路問題轉變為生成樹中最小目標數值的問題,就需要設H(B,R,E)為經過賦權之后沒有路徑的形狀,B={1,2,3,…,n}為平面圖形內部所有數據點的全部集合,E為網絡矩陣,R為邊集。假定當變量cij=0時,點(i,j)不在最短路徑上;而當變量cij=1時,點(i,j)在最短路徑上。那么,就可以將電纜敷設的最短路徑利用式(3)、式(4)進行表示。

式中:A為電纜敷設過程中產生的路徑;eij為矩陣E中的相關元素信息[4]。

1.3 模擬敷設步驟

對電纜敷設的最短路徑進行優化之后,需要利用此路徑對電纜進行模擬敷設。而電纜模擬敷設的過程主要是調取幾種類型的數據,電纜自身的本體數據、電纜通道和起點終點設備所處位置的數據[5]。而在對電纜進行模擬敷設之前,還需要對工井的尺寸進行確定。工井尺寸與電纜彎曲半徑相關,利用電纜半徑以及中心線間距離,確定工井最終尺寸

式中:J為排管與接頭之間平面的距離;m為電纜彎曲部分的最小半徑;f為電纜的外部直徑。根據式(5)可以計算出電纜的彎曲程度,并根據相關設備所需要的適應面積,來最終確定工井的尺寸。

電纜模擬敷設主要分2步進行:第1步明確敷設方向;第2步明確具體位置,同時考慮電纜支架層數及每一層的排列情況。電纜敷設參照GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》,按照如下要求:電纜路徑選擇在滿足安全要求條件下,應保證電纜路徑最短;電纜在任何敷設方式及其全部路徑條件的上下左右改變部位,均應滿足電纜允許彎曲半徑要求;同一通道內電纜若在同一側的多層支架上敷設,宜按電壓等級由高至低的電力電纜、強電至弱電的控制和信號電纜、通信電纜“由上而下”的順序排列,且同一重要回路的工作與備用電纜應配置在不同層或不同側的支架上;同一層支架敷設時,控制和信號電纜可緊靠或多層疊置。

對長電纜和短電纜加以區別。長電纜是指變電站室內和室外相連接的電纜或長度大于30 m的電纜;短電纜是指室內不同設備之間相互連接的電纜、室外各個設備之間連接的電纜或長度小于30 m的電纜。根據電纜敷設的不同區域,使用長電纜進行排列順序:對某一處相對復雜的區域進行集中、統一敷設,隨后再分批對其他區域進行電纜敷設。對一個地區內的長電纜加以排列:以一個地區內,電纜的出入口為單元,決定這個地區內長電纜的敷設次序。根據預先設計好的敷設次序,并充分考慮每一區域內電纜出入口的轉向狀況,來決定電纜管道左右二端支架的相對位置,然后再從近至遠來對敷設的次序做出相應的調節。確定電纜在變電站內部支架上所在的位置,而所在位置所對應的層級排列順序,大多數情況都是由內向外的[6]。

基于電纜分層、分側敷設原則,標準化配置電纜自動化排列方案并存入模型庫中;依照不同電纜通道中排列算法,根據電纜分層、分側、容積率限制、敷設順序、最短路徑等原則進行電纜自動排列,實現全站電纜三維數字化自動敷設。

2 應用分析

為了測試變電站施工中電纜模擬敷設方法的準確性和應用效果,使用模擬實驗平臺進行試驗分析,選擇該變電站中某一區域的電纜為測試對象,代替實際變電站,降低測試的風險。

2.1 全站電氣二次數字化邏輯模型構建

將傳統二次系統僅體現功能原理、單一接線、人工畫圖的模式轉變為數據賦值、數字賦能的數字化二次系統設計。搭建數字化電氣二次數據庫,利用數據庫進行電氣原理接線圖設計(包括電流回路、電壓回路、控制回路、信號回路等),根據電氣設備原理圖實現端子排自動生成、設備接線和電纜清冊自動生成,形成全站電氣二次數字化邏輯模型。

2.2 三維物理模型與二維數字化邏輯模型關聯

基于電氣二次數字化邏輯模型、土建和一次三維物理模型文件,開展二次邏輯模型與物理模型即二維與三維數據間接口關聯,實現二、三維設計數據實時交互貫通,獲得全站電纜數據庫信息。需要關聯的三維模型包括二次屏柜、裝置以及電纜模型,軟件之間通過創建數據接口獲取設備庫、裝置庫、電纜庫以及對應的芯線、端子等信息,同時開發配套的編號匹配與校驗模塊,將三維模型與二次設計對象通過編號進行關聯,完成設備、裝置以及電纜編號的一致性和準確性校驗。

2.3 全站電纜三維數字化自動敷設

將選擇的區域按照距離進行劃分并記錄,隨機選擇區域內7個不同位置,按照a、b、c、d、e、f、g的順序進行標記,其橫向距離分別為1.36 m、6.08 m、7.65 m、3.39 m、3.28 m、6.19 m、8.64 m,縱向距離分別為3.82 m、2.86 m、5.47 m、5.28 m、0.59 m、6.82 m、2.55 m。根據上述所標記的橫、縱向距離,分別使用插點法與模擬退火化法進行電纜線路敷設,見圖2。圖3為使用本文方法進行電纜敷設的線路。

圖2 使用不同傳統方法電纜敷設路線

圖3 使用本文方法電纜敷設路線

為了驗證測試結果的準確程度,使用2種傳統方法(插點法和模擬退火化法)的敷設技術與本文方法進行對比,測試不同方法敷設線路重疊數量。實驗共進行了10次,表1為實驗測試得出的結果。

表1 不同方法重疊線路條數的監測結果 條

根據表1顯示的檢測結果可知,使用插點法進行電纜敷設時,重疊的線路在16~20條;使用模擬退火化法進行電纜敷設時,重疊線路在8~11條;使用本文方法進行電纜敷設,重疊線路在0~2條。通過上述測試,可看出使用本文方法進行電纜敷設比傳統電纜敷設重疊線路要少?？梢?使用本文方法敷設的電纜之間沒有明顯碰撞,在節約時間成本的同時,也讓變電站電纜線路更加安全可靠。

3 結束語

采用“數字化信息+三維布置可視化”相結合,實現二維數字化與三維模型貫通融合,開展基于BIM模型的變電站二次電纜自動敷設及排列應用研究,實現電纜路徑、回路信息“所見即所得”,直觀指導現場施工,方便運維故障定位,提高電網設備管理維護效率,也可為變電站典型事故應用案例分析提供支撐。

(1)拓展了電纜設計精度。根據施工工藝要求,計算電纜合理走向、長度、真實空間排列位置,實現電纜優化設計。在兼顧傳統施工習慣的同時支持多種自動排列規則,不同類型電纜采用不同規則,自動計算電纜安裝順序及安裝位置。

(2)實現了電纜數字化施工管控。利用數字化三維手段,模擬電纜安裝、優化施工方案、管控施工過程,以保證施工進度、控制施工質量、節省電纜用量。通過配置電纜自動化排列方案并存入模型庫。依照不同電纜通道中排列算法,根據電纜分層、分側、容積率限制、敷設順序、最短路徑等原則進行電纜敷設模擬。