变电站二次工程图纸智能化生成技术研究与应用实践_吕小浩.pdf

192023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术变电站二次工程图纸智能化生成技术研究与应用实践吕小浩1 苗国立1 李 迪1 陈瑞峰1 谭 堂2（1.河南送变电建设有限公司 2.武汉凯默电气有限公司）摘要：为提高变电站二次工程图纸设计效率和正确率，推动二次工程图纸设计向标准化和智能化方向发展，提出一种变电站二次工程图纸智能化生成技术。依据变电站典型二次设计原始图纸创建图框库和符号库，并结合实际图纸画法总结布局规则，然后基于变电站物理配置描述文件匹配图框库和符号库，完成小室屏位布置图和屏柜布置图的逻辑画图，获取相对位置信息，最终生成数字化变电站二次工程图纸。以二次工程图纸自主维护的应用为例，验证了变电站二次工程智能化生成技术在实际工作中的有效性和实用性。关键词：二次工程图纸；变电站物理配置描述文件；逻辑画图；数字化图纸0 引言近年来变电站建设进程不断加快，新建变电站和改扩建工程大规模集中投产。变电站二次工程图纸作为工程数据库的源头，是电网建设、运维、管理的数据基础，在实际现场应用中起着表达设计者意图、指导现场接线、检验、运维等重要作用1。但由于缺乏配套的设计工具，目前变电站二次工程图纸仍然由人工依靠计算机辅助设计软件绘制生成，缺乏智能生成方法。国外商品化计算机辅助设计软件在二维工程图的出图方面存在诸多问题，需依靠手工绘制，且二维工程图的出图效率十分低下，智能化程度低。如何提升变电站二次工程图纸设计效率和质量，实现变电站二次工程图纸设计的标准化、智能化，成为当前变电站建设的重要问题2。若能实现变电站二次工程图纸智能化生成3，即可真正做到在设计层面上完善和提升变电站的设计自动化程度。文献 4 中通过以智能变电站各一、二次设备为配置对象，通过提供丰富的配置界面，实现智能变电站内从主接线图、装置建模、物理通信连接、虚拟二次回路连接等一整套完整的设计工作，并依托计算机辅助设计软件二次开发技术，将智能变电站中的配置数据按照用户的需求自动生成各类施工图纸；但这些设计仍需要人工读图，进一步完成施工图纸设计，未完全实现自动设计和标准化设计。文献 5-6 中针对变电站二次回路设计采用 CAD 图纸表达方式无法机器获得设计内容的问题，提出一套完整的变电站二次回路数字化设计流程；并研究服务于数字化设计的变电站二次设备及回路的建模方案。设计人员根据各设备厂商提供的二次设备模型文件及各屏柜厂商提供的屏柜模型文件完成完整的全站数据模型配置和变电站的数据流连接，并最终生成反映全站模型及逻辑信息交互的变电站物理配置描述文件。变电站物理配置描2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 192023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 192023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23202023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术述文件的提出为变电站二次工程图纸智能化生成提供了数据支撑7。本文针对变电站二次工程图纸设计效率低且易出错的问题，提出一种变电站二次工程图纸智能化生成技术。首先依据变电站典型二次设计原始图纸创建一套完整的图框库和符号库，并结合实际图纸画法总结布局规则，然后利用成图工具组建小室屏位布置图和屏柜布置图，并获取相对位置信息，基于变电站物理配置描述文件8匹配图框库和符号库，生成数字化SVG 格式变电站二次工程图纸9。最后探讨该技术在二次工程图纸自主维护中的应用实践，证明该技术在提高变电站二次工程图纸设计效率、保证生成图纸的正确性方面的有效性和实用性。1 图框库和符号库创建变电站典型二次设计原始图纸主要包括：变电站小室屏位布置图、屏柜布置图、柜内元件图、装置背板图、端子排图、二次原理图等六类。通过分析这六类图纸完成图框库和符号库的创建。通过比较分析这六类图框的特性，变电站小室屏位布置图图框、屏柜布置图图框、柜内元件图图框、装置背板图图框以及二次原理图图框可共用一个图框，端子排图图框由于绘制高度要求和其他图有明显区别，需采用不同的图框。依据变电站典型二次设计原始图纸中对图框的区域划分和信息设定，将图框右下角预留五个区域，分别是用于填写图纸所属屏柜描述+图纸类型名称、图纸所属变电站描述、图号、图纸页号以及图纸页数，其中图纸所属屏柜描述通过变电站物理配置描述文件中的 Cubicle（屏柜）元素的desc 描述属性值获取，图纸所属变电站描述通过变电站物理配置描述文件中的 Substation（变电站）元素desc 描述属性值获取，图号默认按照 V1.00 填写，页号从数字 01 开始依次增加，页数按照图纸总张数填写，如图 1 所示。按照变电站典型二次设计原始图纸类型分别建立符号库，可分为变电站小室屏位布置图符号库、屏柜布置图符号库，柜内元件图符号库，装置背板图符号库，端子背板图符号库以及二次原理图符号库如图 2 所示。通过分析典型小室屏位布置图完成小室屏位布置图符号库的创建，包含小室符号和屏柜符号；通过分析典型屏柜布置图完成屏柜布置图符号库的创建，包含屏柜前柜体符号、屏柜后柜体符号、设备符号和各元件符图 1 图框图 2 符号库2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 202023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 202023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23212023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术号；通过分析典型柜内元件图完成柜内元件图符号库的创建，包含空开符号、压板符号、按钮符号以及把手符号等；通过分析典型装置背板图完成装置背板图符号库的创建，包含板卡符号、板卡光口符号、板卡网口符号和板卡端子符号；通过分析典型端子排图完成端子排图符号库的创建，包含端子排符号、单层端子排一片端子符号和双层端子排一片端子符号；通过分析典型二次原理图完成二次原理图符号库的创建，包含交流电流模拟量采样符号、交流电压模拟量采样符号、直流电流模拟量采样符号、直流电压模拟量采样符号、开关量输入符号、常开节点开关量输出符号、常闭节点开关量输出符号、RS232 串口符号、RS485 串口符号、继电器线圈符号、常开触点符号、常闭触点符号以及电阻符号等如图 3 所示。每个符号由线和文字组成，包含图形和文字两种信息；图形信息包含图形形状和图形类型，图形形状指由直线、圆、弧线等线条组成的图形，每个图形形状的组合会定义一个坐标插入点，图形类型指图形所代表的含义，例如继电器节点图形类型、继电器线圈图形类型以及电阻图形类型等；文字信息包含文本内图 3 各电子元件符号容和文本内容位置坐标，文本内容指图形形状所代表的含义名称或编号，内容位置坐标指文字左下角起点相对于图形形状中心点的位置。2 基于变电站物理配置描述文件的逻辑画图在电网数字化进程要求下，变电站逐步进入数字化建模阶段。无论是对于新建变电站，还是对于存量变电站，都在向数字化方向发展。目前变电站数字化的主要成果是变电站物理配置描述文件，其采用XML 文件格式，描述了二次屏柜或二次设备的设备配置图、原理图、接线图，并包含设备的板卡、端口等物理能力以及电气设备内的接线端子之间的物理连线的设计配置文件。变电站物理配置描述文件包含有一个Substation（变电站）元素和一个 PartTemplates 元素；Substation 元素包含 1 个或多个 Region（区域）元素和 Bay 元素；Region 元素包含 1 个或多个 Cubicle（屏柜）元素；Bay（间隔）元素包含 1 个或多个 Cable（线缆）元素和多个 DeviceRef（设备或元件引用）元素的引用；Cable 元素包含 0 个或多个 Core（线芯）元素；Cubicle元素表示屏柜，屏柜元素依次包含一个 FunctionArea（功能区域）元素、一个或多个Device（设备或元件）、一个或多个 Core 元素；Device 元素包含一个或多个Part（部件）元素；Part 元素包含零个或多个 Pin（连接点）元素和 Component（元件）元素；PartTemplates（部件模板库）是 PartTemplate 元素的集合，包含一个或多个 PartTemplate（部件模板）元素；PartTemplate元素表示某个型号的部件的模板，PartTemplate 元素包含零个或多个 PinTemplate（连接点模板）元素和ComponentTemplate（元件模板）元素。小室屏位布置图绘制包括：根据变电站物理配置描述文件中 Cubicle（屏柜）元素匹配小室屏位布置图中屏柜符号，根据 Cubicle（屏柜）元素的2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 212023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 212023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23222023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术depth（屏柜深度）属性的值和 width（屏柜宽度）的值实例化小室屏位布置图中屏柜符号的屏柜深度尺寸和屏柜宽度尺寸，根据 Cubicle（屏柜）元素的horizontalCoordinate（同一区域下屏柜之间的相对位置横坐标）属性的值和 verticalCoordinate（同一区域下屏柜之间的相对位置纵坐标）属性的值计算出屏柜在小室中的实际摆放位置。屏柜布置图绘制包括：根据 Cubicle（屏柜）元素的 height（屏柜高度）属性的值和 width（屏柜宽度）的值实例化屏柜布置图中屏柜前柜体符号和屏柜后柜体符号的屏柜高度尺寸和屏柜宽度尺寸，根据Device（设备或元件）元素的 height（设备或元件的高度）属性的值和 width（设备或元件的宽度）属性的值实例化屏柜布置图中设备符号和各元件符号的高度和宽度尺寸，根据 Device（设备或元件）元素的horizontalCoordinate（同一屏柜内的相对位置横坐标）属性的值和 verticalCoordinate（同一屏柜内的相对位置纵坐标）属性的值计算出设备或元件在屏柜中的实际摆放位置。柜内元件图绘制包括：根据 Device（设备或元件）元素的 name（设备或元件在屏柜内的编号）属性的值和 desc（设备或元件描述）、Port（端子）元素的 no（端子或连接点编号）属性的值以及在 Core（内部连接）元素中检索端子的对侧连接端子编号实例化柜内元件图中各元件符号内的值。装置背板图绘制包括：根据 Device（设备或元件）元素的 name（设备或元件在屏柜内的编号）属性的值、Board（板卡）元素的slot（板卡或子元件编号）属性的值、Port（端子）元素no（端子或连接点编号）属性的值以及在 Core（内部连接）元素中检索端子的对侧连接端子编号实例化装置背板图中板卡符号、板卡端口符号和板卡端子符号内的值。端子排图绘制包括：根据 Device（设备或元件）元素的 name（设备或元件在屏柜内的编号）属性的值、Board（板卡）元素的 slot（板卡或子元件编号）属性的值、Port（端子）元素no（端子或连接点编号）属性的值、Core（内部连接）元素中检索端子的对侧连接端子编号以及 Cable（线缆）元素中检索端子的连接信息实例化端子排图中端子排符号和端子排端子符号的值。二 次 原 理 图 绘 制 包 括：根 据 Cable（线 缆）元素和 Core（线缆缆芯）元素下属性的值实例化各电子元件符号的值，根据 Core（线缆缆芯）元素的数量计算二次原理图中连接线的数量，根据ComponentTemplate（元件模板）元素实例化各符合的值。3 图纸智能生成二次工程图纸创建于电力系统现场施工前期，存在后期电力系统现场施工修改现场接线的情况，导致二次工程图纸与现场实际接线不一致，为电力系统的后续安全运维带来风险。投运时间几十年的变电站由于时间周期长，存在图纸缺失等问题更加严重。二次工程图纸智能化生成对变电站二次工程图纸自主维护与更新，保证二次工程图纸与现场实际接线一致有重要意义。位置文件是数字化移交过程中必不可少的文件，是实现二维自动成图的基础，但目前鲜有能直接生成位置文件的方法和工具，同样缺失定义位置文件的指导性规范文件，依靠手动填写位置文件是极其困难的。本文定义了变电站二维位置文件建模，包含有一个 Substation（变电站）元素；Substation 元素包含 1 个或多个 Region（区域）元素；Region 元素包含 1个或多个 Cubicle（屏柜）元素；Cubicle 元素包含一个或多个 Device（设备或元件）。Cubicle（屏柜）元素属性和Device（设备或元件）元素属性如图4所示。2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 222023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 222023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23232023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术改扩建需要修改变电站物理配置描述文件时，可通过变电站小室屏位布置图符号库和屏柜布置图符号库中的符号，搭建小室屏位布置图和屏柜布置图，并在成图工具中输入搭建的符号属性值和位置文件，如图 5所示。工程设计中，常见的图纸格式为 PDF 格式和DWG 文件，但存在图纸属性单一、数据交互困难、无法实现数据源端维护、图纸查找不方便等问题。本图 4 位置文件元素属性图 5 基于符号库成图变电站小室屏位布置图位置坐标计算方法是以小室左上角为二维坐标参考原点，小室内屏柜是以屏柜摆放后左上角为相对二维坐标计算点，屏柜位置可由屏柜柜门朝向属性 shaftDirection 元素、横坐标属性 horizontalCoordinate 元素以及纵坐标属性verticalCoordinate 元素三个元素定义，如图 7 所示。屏柜布置图上设备或元件的位置坐标计算方法是按屏柜前柜体符号、屏柜后柜体符号分别计算，以屏柜左上角为二维坐标参考原点，屏柜内设备或元件根据定义的设备符号和各元件符号，取符号上一点为相对二维坐标计算点，具体按照组成符号的图形形状不同定义的计算点也不同，一般有三种定义方式：取最大外围框的左上角为相对二维坐标计算点、取最大外围框的顶部中心为相对二维坐标计算点或取图形形状的正中心为相对二维坐标计算点。位置文件采用 XML 文件格式，描述全站屏柜、设备以及元件的相对二维坐标位置。对于没有变电站物理配置描述文件或变电站后期2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 232023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 232023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23242023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术根据位置文件调用符号库中的符号，按照位置坐标放置，并对符号中的文本内容按照变电站物理配置描述文件中对应属性值进行实例化填写。以端子排图生成为例进行说明，按照上述过程执行，根据变电站物理配置描述文件对端子排图中各符号进行实例化，包括端子排名称取 Device 元素的name 属性值、端子排描述取 Device 元素的 desc 属性值、端子排端子编号取 SubDevice 的 name 属性值、端子排端子描述取 SubDevice 的 desc 属性值、柜间线缆取 Cable 元素及 Core 元素属性值。为实现标准化设计，符号库中符号定义统一的尺寸规格，例如，端子排图符号库中包含的端子排符号、单层端子排一片端子符号和双层端子排一片端子符号图形尺寸如图 7 所示。4 工程实践以河南某特高压换流变电站为例进行实际工程测试验证，该变电站的二次工程图纸创建于现场施工前期，由于投运时间周期长，中间经过多次现场施工改扩建，导致存在二次工程图纸缺失以及图纸与现场实际接线不一致的情况。采用本文所提出的智能化生成技术，通过成图工具配置生成位置文件，基于变电站物理配置描述文件匹配图框库和图元库，智能化生成该变电站二次工程图纸。该变电文生成的图纸采用可缩放矢量图形 SVG 格式，通过成图工具解析变电站物理配置描述文件，解析获取的属性标识信息都可在 SVG 图中存储，避免后期进行图纸修改后，属性不能对应修改或属性遗失的问题。图纸智能化生成架构图如图 6 所示。当完成位置文件和变电站物理配置描述文件的输入后，可智能化生成图纸。通过计算生成图纸数量：根据变电站 Substation 元素包含的 Region（区域）元素数量，得出需要绘制的变电站小室屏位布置图数量；根据 Region 元素包含的 Cubicle（屏柜）元素数量，得出需要绘制的屏柜布置图数量；根据 Cubicle元素中 Device（表示元件时）数量，得出每个屏柜中柜内元件图的数量，规定若某一个元件数量超过图框区域，则数量多的元件单独成一张图，例如规定压板数量超过 27 个以上，单独建一张图纸；根据 Cubicle元素中 Device（表示设备时）数量，得出需要绘制的装置背板图数量；根据端子排摆放的位置画法左端子排图和右端子排图，规定超过图框区域的端子排另外成图；根据 FunctionArea（功能区域）元素划分回路类型，得出二次原理图数量。根据确定的图纸数量，调用图框库中的图框，并对图框预留区域的值按照变电站物理配置描述文件中对应属性值进行实例化填写，图纸页号以及图纸页数根据总的图纸数量计算得出。图 6 图纸智能化生成架构图图 7 端子排符号尺寸定义2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 242023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 242023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23252023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术站共包括 6 个小室，合计 291 面屏柜，如表 1 所示。后期现场改扩建都可通过对变电站物理配置描述表 1 变电站信息图 8 屏柜布置图生成实例表 2 对比结果文件的修改实现对二次工程图纸的更新，将繁杂的图纸变更过程简化为对数字化文件的修改过程。运用本方法自动生成的图纸如图 8 所示。采取常规方式依靠计算机辅助设计软件绘制图纸和采用本技术智能生成图纸进行对比，在生成时间上常规方式单张图纸绘制时间介于 540min 之间，完成全站图纸绘制时间大概需要 300h，而采用智能生成图纸技术单张图纸生成时间不超过 4s，完成全站图纸绘制时间不超过 10min，对比结果如表 2 所示，由对比结果可以看出本文提出的变电站二次工程图纸智能化生成方法在生成时间上具有显著优势。5 结束语本文针对现阶段变电站二次原始 CAD 工程图纸信息属性单一，应用能力弱，手动绘制设计效率低、图纸正确性校核困难等问题，提出一种变电站二次工程图纸智能化生成技术，该方法将设计人员的工作2023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 252023-09期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 252023/8/31 下午3:232023/8/31 下午3:23262023.09.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术456789重点聚焦于变电站物理配置描述文件和位置文件的设计，与二次回路相关的图纸可由按照标准的符合图例自动生成，在明显提高设计效率的同时有效规避了人工设计方式下二次回路绘制信息不对的人工错误，可显著提升智能变电站二次回路设计的正确性，可以有效解决现阶段二次图纸数字化薄弱的问题，为二次高级业务开展奠定基础。同时本文探讨的二次数字化图纸在实际变电站二次专业的应用，为工程图纸维护与更新提供了新的解决思路，对电网的安全稳定运行具有十分重要和积极意义。参考文献123罗俊杰，古偲杨，王郁莹.图纸电子的研究与探讨 J.技术与市场，2019，26（9）：187-188.江秀臣，许永鹏，李曜丞，等.新型电力系统背景下的输变电数字化转型 J.高电压技术，2022，48（1）：1-10.罗克伟.变电站电气二次数字化设计优化方案J.能源与环境，2020（4）：33-34，81.叶翔，刘辉，周永忠.智能变电站图模一体化设计软件实现方案 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