三维设计在电网工程建设中的应用研究.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯动 力 与 电 气 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯三维设计在电网工程建设中的应用研究于慧(广西鑫盟工程咨询有限公司 广西南宁 530000)摘要：随着我国电网工程建设数量的不断增加，当前我国电网工程在建设与发展的过程中已经实现了从传统的二维设计转向三维设计为主的模式。三维设计是借助3D设计模型进行的新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础，是建立在平面和二维设计的基础上，是使设计目标更立体化、更形象化的一种新兴设计方法，已经成为当前我国电网工程建设中不可或缺的一个重要组成部分。但是就当前我国三维设计在电网工程建设中的实际情况来看，由于针对三维设计的应用还存在一定的不足，使整个电网工程的建设还处于不断深入研究中。基于此，该文将以三维设计为基础，分析三维设计在电网工程建设中的关键技术，并结合实际的实践应用成效探讨三维设计在电网工程建设中的应用，以期为我国电网工程建设与三维设计技术的应用提供指导。关键词：三维设计 电网工程建设 设计平台 关键技术中图分类号：TM63文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)16-0082-04Research on the Application of 3D Design in the Construction of Power Grid EngineeringYU Hui(Guangxi Xinmeng Engineering Consulting Co.,Ltd.,Nanning,Guangxi Zhuang Autonomous Region,530000 China)Abstract:With the continuous increase of the number of power grid project construction in China,at present,power grid engineering in China has changed from the traditional two-dimensional design mode to the mode centered on three-dimensional design in the process of construction and development.3D design is the foundation of a new generation of digital,virtualized and intelligent design platform with the help of the 3D design model,is a new design method which makes the design goal more three-dimensional and more visual based on planar and 2D design,and has become an indispensable important part of the current power grid engineering construction in China.However,as far as the current actual situation of three-dimensional design in power grid engineering construction in China is concerned,there are still some shortcomings in the application of three-dimensional design,so that the construction of the whole power grid project is still under continuous in-depth research.Based on this,this study will analyze the key technologies of 3D design in power grid engineering construction based on 3D design,and discuss the application of 3D design in power grid engineering construction in combination with actual practical application results,so as to provide some guidance for the construction of power grid engineering and the application of 3D design technology in China.Key Words:3D design;Power grid project construction;Design platform;Application自改革开放以来，我国电网企业的发展速度大幅度加快，已经逐渐建设形成一套相对完善的电力系统，为群众的生活和工作提供了更多的保障。电网企业通过借助人工智能技术与信息技术等建立完善的电力系统，不仅能够保障电力系统的正常运行，还能够为相关技术与设计工程的实施提供数据支撑。将三维设计应DOI：10.16661/ki.1672-3791.2212-5042-0535作者简介：于慧（1985），女，硕士，工程师，研究方向为工商管理。82SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 动 力 与 电 气科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION用于电网工程建设中，不仅能较好地改善和解决传统二维设计存在的设计结构不规范、数据供给不完善的问题，还能借助三维设计中软件技术的优势，从元件库中提取想要的对象，输入各专业的初设条件、总图、设备布置图、设备条件图等进行3D模型的建设，从而为后续的工程建设提供数据与模型支撑1。当前，三维设计在电网工程建设中已经被广泛应用，其本身拥有的强大的数据库功能可满足电网企业的实际发展需求。因此，针对三维设计在电网工程建设中的应用进行分析能够较好地展现出三维设计的优势，同时也能为相关的电网工程建设提供保障，促进其健康、稳定地发展。1 三维设计的特点分析目前，我国数字技术、信息技术和计算机技术取得了巨大的进步和创新，电力已经成为人们生活及生产过程中不可或缺的、重要的组成部分。电力需求量在不断增加的同时，对智能化电网工程的建设也提出了更高的标准与要求。传统的电网工程设计主要是通过使用二维设计进行开展的，但二维设计在实际应用过程中存在效率低下、质量不高等问题，无论是设计方式还是后续的操控都存在一定的不足，无法实现在电网工程建设的全周期的数字化传递，而三维设计的应用是在传统二维设计的基础上进行重新优化。三维设计主要是使用软件来创建三维对象或形状的数学表示形式的过程，创建对象称为三维模型，这些三维模型用于计算机生成（CG）设计。以电网工程为例，三维设计技术的使用是基于建筑信息模型（BIM）创建和管理建筑资产信息的整体流程开展的，能够将结构化、多领域数据整合在一起，以在其整个生命周期内生成资产的数字表示，为后续的工程建设提供一定的数据支撑，优化了智能三维信息设计平台的建设2。在电网工程建设中的变电站的设计包含建筑物、结构、电缆保护管等，借助数据结构模型的优势能够实现针对性的计数与操控，提升设计的精度与准确性。例如：在变电站的工程建设中应用三维设计技术优势，不仅能有效地融合电气、建筑和结构等各项应用，同时还能借助三维设计中数据处理的优势创建有针对性的数据库，综合数据库设计出相应的三维模型，以实现自动绘图、链接更新、净距检查和三维数字协作，对提升设计质量与效率有着重要的意义。2 三维设计在电网工程建设中的应用现状分析中国制造2025 中要求将数字化研发设计工具普及率达到84%，现阶段，我国应把现代的各种信息化、人工智能技术都应用起来，发挥优势和长处，建设数字中国，推动数字经济的发展。工程数字化与信息化的发展已经成为当前我国发展的重点内容。数字化与信息化在发展过程中重视信息技术的高效利用是一个非常重要的过程，而三维设计理念与技术的优势恰好能够满足我国工程数字化的实际发展需求。将三维设计应用于电网工程建设当中已经有 5 年的时间，2017年，国家电网公司首次提出将采用三维设计帮助实现设计走向一个新的阶段。通过借助完成设计成果全信息仿真，集成技术并提升工程建设管理水平。随着我国移动互联网的高速发展，各种信息技术、云技术以及大数据技术的不断普及，三维数字化设计不仅能较好地改善和解决传统二维设计中存在的质量不高等问题，同时还能使整个电网工程建设变得更加高效化、专业性，能够满足现阶段电网工程建设的实际需要。当前，我国二维设计技术的使用已经变得更加的完善和成熟，但二维设计中的AutoCAD技术已经无法满足现阶段工程全生命周期设计与生产的实际需求。将三维技术应用于电网工程设计建设当中能够使用自动化的流程替代手动制图，可在计算机上以三维方式使用一组点精确表示和可视化展示对象，达到精细化、智能化以及可视化的建设标准3。当前，三维设计技术已经在我国的建筑、铁路以及其他的市政工程中得到了较为广泛的应用，但是在电网工程建设中由于深入性研究的范围较窄，还处于初步的研究当中。例如：将三维技术应用于电网工程建设的专业化协同发展与设计交互等领域还很难满足现阶段的实际发展需求。将三维设计技术应用于电网工程建设当中使用的软件类型主要为Bently公司的Substation和Autodesk公司的Revit Structural、MEP、Autodesk Navisworks、Autodesk BIM 360 Glue等，这些技术在实际使用过程中能够实现对数据的高效化处理；ProjectWise协同处理平台通过建立以数据为中心的处理技术，坚持数据驱动图形理念的设计平台，可达到高效化设计和处理的目的。3 三维设计在电网工程建设中的关键技术3.1 电网工程建设设计平台当前，我国绝大部分电网企业所使用的三维设计的平台功能和设计主要包含有基础功能、拓展功能、变电设计以及线路设计这4个板块，其设计平台开发具体见表1。传统的工程设计平台在实际应用过程中不能实现对所有的功能进行互通的特点，同时对于协同管理优势的体现也存在一定的限制。很多电网企业应用传统的设计技术的过程中无法达到全过程的管理，不仅增加了设计的成本，对后续的管理也存在较大的影响。三维设计以ProjectWise平台为例，该平台作为协同管理平台的一个重要组成部分，能够把贯穿项目全生命周期中所有的信息进行集中有效的管理。整合BIM全生命周期中各专业软件产生的图形与数据，在83SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯动 力 与 电 气 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯电网工程中的施工进度管理、质量管理、安全管理以及物资管理等场景中都能得到较好的应用，能够实现BIM整个生命周期的协同工作，达到预定的目标4，其本身具有集成化、标准化、完整化、实时性、安全性以及多样性查询的优势。3.2 数据模型采用统一标准电网工程建设当中包含的内容、专业较为复杂，不同的单位需要在协同工作背景下开展对应的建设，以满足工程建设的实际需要。但是就现阶段我国电网企业在应用设计平台和专业软件过程中呈现出来的模式显示，软件的使用还存在一定的交互困难的情况。为更好地解决这一难题，国际协同联盟建立了IFC等统一标准，通过将三维设计作为电网工程建设的平台，针对设计、勘探、造价、制造、施工、运维等专业的辅助设计计算、地理信息、工程量清单、设备模型、施工模型、数字化移交等工作进行整合，达到数据交互的目的5。4 三维设计在电网工程建设中的实践应用4.1 线路最优路径选择中的应用将三维设计技术应用于电网工程建设中的路径选择，可以直接利用三维技术对整个被建设场所的地形、地貌等进行分析，通过利用地形实测数据以及遥感、航拍构建更加精细的地形三维模型，在构建模型的过程中还能综合地貌的实际情况选择对应的水文、公路、房屋以及基建等因素在内，直观地体现出最佳的路线方案，为后续建设施工的开展提供便捷。4.2 变电站设计、建设中的应用当前，我国在电网工程中将三维设计应用于变电站的技术主要是以建模技术、信息技术、网络技术等为主的一种方式，这种设计方式能够在整个设计和产生中进行使用，对电网工程的生命周期应用具有较好的使用效果。首先，变电站在进行三维建模的过程中需要综合变电站的实际情况来制定工程建模的基点，各专业、各区域的基点要唯一。建立统一的基点之后采用参照或链接的方式集成模型，设计人员再按照统一的项目基点进行设计，这样的方式可较好地改善模型为主不准确的问题。例如：基于 AnyCAD 的 AnyCAD Designer Suite（ADS）套件为三维设计者提供了从模型设计、模型组装、场景设计、场景漫游以及二次开发接口完整的解决方案。设计人员在实际设计时可以直接通过AnyCAD模型脚本设计语言，可以设计出精确的三维模型；结合AnyCAD自定义属性机制，可实现动态模型。此外，还可以直接通过AnyCAD脚本设计语言进行三维动画模拟。图1为AnyCAD模型脚本设计的模型图。其次，三维设计应用于变电站的工程建设当中，还可以借助三维设计中的三维模型的全景监视系统对整个变电站的运行情况进行实时监控。通过三维模型融合监测数据，使变电站抽象的运行与设备数据易于工作人员进行直观监控，同时也能较好地帮助变电站降低人工投入成本，实现高质量的监控标准。最后，借助三维设计的优势可以实现对工程建设的精细化管理模式，将其运用到变电站工程项目施工成本管理中，帮助电力企业处理成本控制等问题，实现各环节之间信息的传递与共享，为施工成本精细化管理提供新的方法和思路6。通过利用三维设计能够实现对建模流程和规则局部补充与完善，形成正向设计图模体系。此外，还能直接利用三维设计中的BIM技术构建出信息模型，将BIM技术、VR技术、AI人工智能技术等有效利用在模型构建中，对项目模型和信息进行增添和删减，促进工程管理的精细化与合理化，对于高质量的现场施工管理有着重要的作用。4.3 在输电线路交叉跨越中的应用三维设计技术优势的应用对电网工程建设中跨越架、杆塔、导地线等的建设具有较好的帮助，能够为后续的施工模拟等提供一定的数据支撑。电力施工人员在进行交叉跨越施工模拟时可以直接综合输电线路的规范与要求等设计出导引绳、牵引绳、导地线、防护网图1 AnyCAD模型脚本设计的模型图表1 设计平台功能及需求概况平台功能基础功能拓展功能变电设计线路设计需求数据库管理、文件处理、三维建模、工具接口管理、多用户协同管理、远程访问协同检查、工程量统计、自动出图、仿真分析等电气一次侧设计、电气二次侧设计、土建设计电气设计、施工便道设计、杆塔设计、基础设计84SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 动 力 与 电 气科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION的张力、弧垂关系、风偏距离、承载力关系等关键数据，并以此为基础为后续的搭建工作提供位置、尺寸以及规格等保障7。施工人员也可以综合数据选择对应的施工方案，从而提升输电线路工程施工的整体质量。4.4 在特大型输电线路跨越工程中的应用以特变电工新能源公司电力设计院参与前期设计的乌鲁木齐尉犁高速公路胜利隧道口施工用电项目为例，作为国家级重点工程，该项目是乌鲁木齐市作为自治区首府连接南疆最核心、最便捷和最具有辐射带动效应的主通道。该项目在设计前期对整个工程的山体纵切、横切、铁塔搭建、影像选图等方面都非常困难。在工程开始前，技术人员通过借助三维设计的优势对整个施工场所进行三维模型的构建，并模拟了最优的施工方案，与现场搭建和施工的要求一致。现阶段，该项目运行的时间已经超过2年，能够为地区供电站点提供高质量、高效率的设计服务。图2为该项目的三维设计模拟图。4.5 集成技术的应用三维设计在实际应用的过程中相较于传统的二维设计其本身具有较多的优势，能够提升设计质量及效率，但也存在与工程实际不相符的问题，很难真正达到解决电网工程建设实际问题的需求。三维设计模型与GIS技术在水利水电以及各类市政工程中的应用范围较广，但针对电网工程的建设的应用还存在一定的不足。因此，为更好地解决这一问题，有学者将三维设计与AR技术结合，将三维模型与AR技术以手机、平板等智能设备进行结合实现了对电网工程1 1的模型构建，这样的技术不仅能够实现信息的高效化处理，同时对于传统三维设计中细节处理不当等问题也能得到较好的解决8。技术人员在利用三维设计时可以通过工程的区域信息以及施工信息等进行优化设计，对于提升三维技术的高效利用有着重要的意义。4.6 三维设计评审要点应用电网工程项目评审是评估整个工程质量的重要标准，当前我国针对电网工程建设的评价体系已经逐渐成熟，具体的内容包含以下3个方面：第一，结合三维设计评审的深度要求等对三维设计的模型范围、几何精度、属性特性等进行审核核实，确保其精度等能够达到标准；第二，综合分析工程的精细化要求是否达到标准，通过利用三维设计模型精细统计量进行统计分析，以减少因人工核算造成的偏差问题，提升工程的整体质量；第三，综合三维设计的协同性等进行评审，同时针对审核单位质量管理体系建设、人员配备等进行评审，以确保其质量能够达到标准9。5 结语三维设计是我国电网工程建设中不可缺少的一个重要组成部分，对提升电网工程质量与效率有着重要的作用。现阶段，我国电网工程建设中应用三维设计主要集中在模型建模与后续的施工碰撞等阶段，但还有部分地区针对三维设计的优势使用频率较低。在未来的发展当中应当重视三维设计技术的应用，结合工程的实际情况选择对应的三维技术，确保其能够在满足设计施工要求的基础上提升工程的整体质量，促进我国电网工程的稳定发展。参考文献1 彭博,李锦川,张育臣,等.基于三维设计成果的电网基建工程数字化管理模式的研究J.工程管理学报,2021,35(3):94-99.2 熊静,李思浩.基于三维设计的变电站高压电气距离动态校验方法J.微型电脑应用,2022,38(5):203-205.3 李斌,冯延明,刘伟,等.基于K-Medoids聚类算法的电网工程数据处理技术研究J.电子设计工程,2021,29(22):119-127.4 成丽春,肖芳,宋光红,等.三维设计软件在工厂埋地管网设计中的应用与展望J.天然气与石油,2020,38(3):118-122.5 唐伟杰.基于三维设计的HGIS配电装置优化布置应用研究J.湘潭大学学报(自然科学版),2021,43(1):107-116.6 丁璨,陈天凡,聂太平,等.基于地震响应谱分析的500 kV混合式直流断路器改进设计J.科学技术与工程,2021,21(10):4048-4054.7 方昱璋,张海文,郭嘉成.基于BIM与遗传算法的电网工程数据信息处理系统设计J.电子设计工程,2021,29(6):168-172.8 谢露艳.基于GIS技术的电网工程数字化设计移交系统集成设计J.制造业自动化,2021,43(4):141-144.9 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