变电站三维数字化设计讨论
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目录
1.总论 ............................................................. 1 1.1 现状 ......................................................... 1 1.2 三维数字化设计平台优势及特点 ................................. 1 1.3 设计标准及规范 ............................................... 3 2.工程概述 ......................................................... 3 2.1 工程建设规模 ................................................. 3 2.2 配电装置布置型式 ............................................. 4 2.3 建筑结构型式 ................................................. 4 3.电气设备建模 ..................................................... 4 3.1 建模要求 ..................................................... 4 3.2 建模深度 ..................................................... 4 3.3 基本图元选取 ................................................. 5 3.4 电气一次设备建模 ............................................. 5 3.5 电气二次屏柜建模 ............................................. 7 4.土建建模 ......................................................... 8 4.1 结构建模 ..................................................... 8 4.2 建筑建模 ..................................................... 9 4.3 电缆隧道建模 ................................................ 10 5.三维协同设计 .................................................... 10 5.1 模型总装 .................................................... 11 5.2 三维碰撞检查 ................................................ 11 5.3 三维接地设计 ................................................ 13 6 总结 ............................................................ 14
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1.总论
2017年2月，国家电网公司明确提出开展数字电网建设及输变电工程开展数字化三维设计，作为电网全寿期的龙头阶段，对于输变电工程数字化基础数据的积累，要求满足国网公司“四统一”要求，深化应用“通用设计、通用设备”；满足数字化移交要求。设计阶段所产生的输变电工程的数字化成果，一定要在输变电工程全寿期得到应用才可以发挥其价值。因此，开展变电站工程三维数字化设计尤为必要。 1.1 现状
目前，变电工程的设计普遍采用的是二维设计手段，依赖设计者的空间想象力和制图技能完成空间设计，对工程总体空间布置的经济技术比较和优化缺乏控制，很难适应坚强智能电网的要求。 1.2 三维数字化设计平台优势及特点
（1）相较于传统二维设计，三维设计的优势
二维设计不能达到数字化成果要求，同时不满足国网“四统一”和国网数字化移交要求，不能拉通电网工程全寿命周期建设各环节。
数字化三维变电设计平台以工程数据为核心、以数据驱动和BIM技术为手段，实现电气、建筑、结构、水暖、总图全专业数字化协同设计。通过数据驱动实现设计过程的自动化和智能化，通过三维技术实现设计成果的精细化和可视化，借助工程载体实现设计知识管理体系的标准化，并通过数字化设计产生的源头数据为电网工程全生命周期的建设提供强有力的数据支撑。平台涵盖变电设计全部专业，通过大型网络数据库为核心，以三维技术为手段，创造性地采用设计对象映射、属性细分、图形比较等机制，实现统一工程概念下的全专业协同设计，满足国网“四统一”和数字化移交要求。
（2）相较于传统二维设计，三维设计的特点
二维设计不能达到多专业协同设计，从而不满足空间挤压碰撞自动校核，智能化专业计算，设计成果达不到智能化，可视化，三维数字化要求。三维设计满足二维设计达不到的要求。
三维设计自身特点如下：
1）涵盖电气一次、二次、建筑、结构、水暖、总图变电全专业需求，为变
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电全专业数字化设计提供整体解决方案。
2）功能模块完全依据变电工程设计实际需要进行研发，其模块设计符合变电设计规程规范、手册要求，且均通过国内权威机构认定。
3）完全满足数字化移交需要
平台可将工程数据进行数字化打包，其成果涵盖数字化三维模型、工程图纸及工程文档。其中数字化模型在建模颗粒度、建模质量、属性规范性、属性完整性等方面完全符合国网数字化移交相关标准，所生成的工程图纸与工程文档符合相关规程规范，并可实现与数字化模型的自动挂接，平台设计成果已完全具备数字化移交的条件。
4）精确校核计算
依据变电设计规范，在三维空间内由计算机对安全净距进行自动校核。通过该手段，解决复杂隐蔽空间位置的校验难题。基于数字化模型中的数据，利用平台中的导体拉力计算、短路电流计算、防雷接地等模块快速完成变电电气相关计算，相比于传统手工输入和手工校核，计算快速准确，提高设计质量。
5）标准设计
平台包含国网常用典设，且以数字化建模进行平台入库，实现典设的高度复用、快速修改，提升可设计标准化程度，从源头保证工程设计质量。平台对于出图内容及出图样式（文字、线性、图层）进行了规范，实现了成果图纸的标准化、统一化，相比传统人工制图方式，能更好的满足电网公司对于标准化出图的要求。
6）成果一致
平台以工程数据为核心，以数据驱动为手段，实现了“一处修改、协同联动”，保证了设计成果的一致性。例如主接线设备与全站三维模型的联动修改，全站三维模型与配电装置平面图、间隔断面图、材料表等的自动联动.
7）快速出图
平台出图方式为直接对三维数字化模型进行剖切出图，并实现尺寸、标高、序号自动标注。三维数字化模型修改后，只需要一键更新，即可自动快速出图，避免设计延误。平台除了可以直接生成传统二维设计需要的平面图、断面图，还可以利用数字化三维设计的优势，生成轴侧图。对于模型布置较为复杂的安装位置，轴测图相比于二维图纸，更便于施工单位理解设计意图，保障施工质量。
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8）空间碰撞检查
通过三维碰撞检查功能，依据设定的检验规则，对各类模型的位置在空间中进行自动检查，对于可能出现的碰撞做到“提前检查、提前修正”，保证各种类型的管道、设备、土建设施间无碰撞，避免建设过程中因碰撞导致的设计变更和返工，以及由此所造成的进度延迟与成本浪费。
9）精准统计
依托数字化模型的建立，平台在三维真实空间中实现了对于各类设备及材料的精确统计，避免了传统设计中因缺乏有效手段所导致的材料统计误差较大，采购浪费等问题。例如电缆智能敷设功能，可根据三维最优路径进行电缆模拟敷设，保证电缆在满足设计规范的前提下长度最短，节省建设成本。
10）可视化成果输出
依托数字化模型的建立，通过渲染，优化等手段将全站进行动画视频整体仿真成果输出，达到可视化要求，更好的链接施工，运维等部门。
标准统一的数据管理及设计人员标准管理平台涵盖工程数据库，通过合理的数据结构设计管理各种版本的设备资料、过程和成品文档以及各类技术资料。通过使用用户管理：达到用户信息建立，设计权限设置；工程管理：工程信息建立，工程卷册建立；库管理：方案库、设备库、组件库、符号库的建立与维护；标准化管理：统一设置出图风格和标准，统一设置设计规则。 1.3 设计标准及规范
根据国网公司下发的2017年相关文件，其中适用主要有以下规范: 《输变电工程三维设计交互模型规范》 《变电站(换流站)三维设计建模规范》
《输变电工程三维设计技术导则 第1部分：变电站(换流站)》
2.工程概述
2.1 工程建设规模
110kV变电站工程规模如下所示： 主变：本期2×63MVA，终期3×63MVA； 110kV出线：本期2回，终期4回； 10kV出线：本期30回，终期45回；
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无功补偿装置：本期4×4800kVar，终期6×4800kVar； 所用变：本期2×100kVA，终期2×100kVA。 2.2 配电装置布置型式
110kV变电站采用国网公司模块化设计施工图(2016版)110-A2-6方案，采用全户内一栋楼布置。主变压器为户内水平分体布置，110kV配电装置采用户内GIS布置，电缆进出线；10kV采用户内金属开关柜双列布置，电缆出线。 2.3 建筑结构型式
110kV变电站工程110kV采用钢框架结构。
3.电气设备建模
3.1 建模要求
根据国网公司相关文件要求，结合依托工程特点，本次设备建模的要求如下所示：
1)变电站工程三维设计，应建立关键尺寸准确、属性参数完整的设备、材料、建(构)筑物、材料及其它实施的三维模型。
2)变电站工程三维设计模型应统一度量单位、统一属性定义、统一建模规范、统一层级划分。
3)变电一次、二次系统及材料模型采用基本图元建模
4)不同应用软件之间模型转换的要求，实现数据共享。三维设计模型文件格式统一为.GIM。 3.2 建模深度
本次竞赛通过分解和剖析目前初步设计、施工图设计的范围和深度，根据国网公司相关文件要求，GIM模型在不同设计阶段，要求建模深度略有不同： 初步设计阶段
初步设计阶段，GIM模型要求为通用模型，主要用途为显示设备的最大占位与设备的基本设计参数通用模型在设备具体外形及属性不明确的情况下可根据设计深度要求进行适当简化。 施工图、竣工图阶段
施工图、竣工图阶段，GIM模型要求为产品模型。产品模型是在通用模型基础上，明确了设备、设施的安装底座、接线端子板的开孔信息、表计安装方位信息、均压装置、接地装置、排油阀、压力释放装置、设备检修运维空间等信息。
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结合本次竞赛依托工程，设备建模深度满足通用模型要求。 3.3 基本图元选取
基本图元作为三维建模时使用的最小几何图形单元，包括常规几何体和特色几何体，由一组控制参数进行模式。常规几何体包括：长方体、球体、圆柱、圆环、棱台等，特色几何体包括：瓷套、绝缘子串、端子板等。
根据变电站(换流站)三维设计建模规范(试行)的要求，组合电器GIS的建模内容及几何要求如下表所示
表1 组合电器GIS的建模内容及几何要求
类型 设备名称 部件 断路器及两端隔离开关 接地开关 电流互感器 电压互感器 避雷器 变电设备 组合电器(GIS) 套管 电缆终端箱 母线 操动机构箱 安装底座及支架 接地端子 法兰 汇控柜 检修爬梯 基本图元 圆柱、圆台 圆柱、圆台 圆柱、圆台 圆柱、圆台 圆柱、圆台 瓷套 圆柱、长方体 圆柱 长方体 长方体 端子板 法兰 长方体 长方体、圆柱 通用产品模型 模型 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 关键部位 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 本次建模基本图元主要选用：圆柱、圆台、长方体。 3.4 电气一次设备建模
根据国家电网公司三维设计通用模型库（110(66) ~750kV变电站部分）模型文件（2018年版）中的相关设备模型，结合本工程具体特点，本次选用的通用模型主要为：
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图1 主变110kV进线间隔通用模型
图2 110kV出线间隔通用模型
图3 110kV母设间隔通用模型
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图4 110kV分段间隔通用模型
3.5 电气二次屏柜建模
根据国家电网公司三维设计通用模型库（110(66) ~750kV变电站部分）模型文件（2018年版）中的相关设备模型，结合本工程具体特点，本次选用的通用模型主要为：
图5 二次屏柜通用模型
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4.土建建模
依托工程110kV变电站为全户内变电站，设计方案采用国网通用设计A2-6方案，建筑结构型式为装配式钢结构。本次竞赛土建三维设计主要包括建筑、结构、基础 、电缆沟等内容。 4.1 结构建模
建筑结构设计应首先建立结构模型，施加荷载进行计算，确定框架及基础材料、尺寸。目前，三维软件尚不能进行结构计算，主要依靠PKPM等主流结构专业计算软件进行建模计算，经计算后的结构模型通过软件接口插件导入三维软件平台。
本次结构设计在PKPK中进行建模计算，根据计算模型信息，在三维软件中进行实体建模。结构基础部分建模如图6所示。
图6 GIS室基础模型
钢框架建模如下图7所示；
图7 钢框架模型 第8页 共14页
4.2 建筑建模
在软件中定义建筑构件参数，分别布置地面、墙体、屋面、女儿墙、门窗、等建筑构件。如图8、9、10所示：
图8 GIS室建筑模型轴测图
图9 GIS室建筑模型侧视图
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图10 GIS室建筑模型前视图
4.3 电缆隧道建模
依据平面布置图，GIS室内布置2000×3000电缆隧道，110kV出线采用两电缆隧道，通向变电站站外。
完成上述结构、建筑、电缆沟等建模之后，根据电气总的平面图，对所有部分进行组装。
组装后的模型如图11所示。
图11 GIS室土建总装模型
5.三维协同设计
三维协同设计将各设计阶段、所有专业集中在同一个管理平台开展设计和发布成果，工作量大、内容复杂，需要对工程组人员、项目环境和设计文档进行标准化管理，保证设计有序及设计质量。
三维协同设计包含两个层面含义，其一是指将专业内（例如工程中线路选线或杆塔排位等）工作任务按照一定的规则划分成若干个子任务，每个子任务分派给不同的设计人员，最终通过子任务合并来达到完成整个专业设计的目的；其二是指多专业之间的协同工作，协同设计中各专业相互配合，进行深度频繁的数据交互。电气、结构、勘测等专业可提资或发布本专业的成果供其他专业使用。设
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计过程涉及多个专业多名人员，通过各专业各设计人员相互配合才能完成。三维协同设计的作用就是实现多专业在统一设计平台实现信息实时交互，满足基础信息的传承和共享要求，极大地提高设计效率和质量。设计方式由顺序工作优化为并行工作，设计成果在同一模型空间展示。 5.1 模型总装
通过电气设备建模、土建建模之后，通过专业软件提供的参考、链接功能，在预先规定好的项目原点将电气设备，土建结构等内容，完整放置在一张图纸中，本竞赛完成模型总装如图12所示：
图12 全站建模轴侧图
5.2 三维碰撞检查
三维设计较传统二维设计相比的重要特点，就是可以满足空间挤压碰撞自动校核，如带点间隙校验，风偏校验等。平面布置设计是变电工程设计的重点，电气安全距离是否满足要求，土建构建筑与电气设备基础或电缆沟、隧道等地下基础是否有交叉打架更是体现设计人水平与能力的一项重要指标。 5.2.1 “硬碰撞”检查
本竞赛依托工程的一个显著特点：电气设备为全户内布置，空间狭小，设备布置紧凑，经常会出现设备基础打架等现象。本次竞赛在完成模型总装后，重点对此部分内容进行检查。检查发现一下地方存在“硬碰撞”
a.110kVGIS配电室出线侧电缆隧道与钢框架基础存在交叉碰撞，如图13所示
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发生碰撞
图13 出线电缆隧道与建筑基础碰撞
发现问题之后，土建专业同电气一次专业进行沟通，在满足GIS设备对墙的各项通道距离要求和隧道内电缆敷设要求的前提下，将出线侧电缆隧道位置整体向右挪动后，碰撞点消失，如图14所示：
碰撞解除
图14 出线电缆隧道与建筑基础碰撞解除
5.2.2 “软碰撞”检查
电气安全距离检查
电气安全距离要求对于电气平面布置影响较大，传统二维设计对于安全距离的校验停留在空间想象层面，本次借助三维设计软件，对本次竞赛依托工程中的重点电气距离点进行校核，如下所示：
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A2满足要求
图15 中性点成套装置对主变套管安全距离(相对相)
A1满足要求
图16 中性点成套装置对墙的安全距离(相对地)
5.3 三维接地设计
全站接地网设计如下图所示：
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图17 接地网示意图
本工程接地网设计采用水平接地网为主，垂直接地极为辅的复合接地网，水平接地网采用-60×6铜覆扁钢，垂直接地极采用φ50铜覆钢管，长度为3米。
6 总结
依托本次竞赛工程，借助三维设计软件，本专题主要实习了一下功能： 三维布置模型与接线原理图联动
实现了主接线与三维布置模型的关联，主接线、三维总平面、断面图及材料 清册数据一一对应，联动修改。保证了工程数据的一致性和唯一性，使得工程信 息“一处修改，处处修改”。
三维空间电气距离校验
依据变电站相关设计规范，在三维空间内校核安全净距，相比于传统二维人 工校验方式，可解决复杂空间位置的校验问题，校验结果更为准确。
三维可视化接地设计
借助三维软件，实现接地设计的空间立体化展示，材料表的精确、自动统计。
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