摘要：随着我国电力系统的改革，智能电网的建设和变电站三维设计平台的研发与推广，变电站二次设计由二维制图发展到可视化的三维设计，引进三维设计技术主要应用于变电站的屏柜布置以及智能辅助系统的设计中，通过三维布置设计对柜内空间布置进行合理性校验，优化屏柜布置方案，打破传统屏柜以间隔及功能模块进行设备组屏的模式，减少二次屏柜数量；减少二次光缆浪费及电缆碰撞的问题，使得变电二次设计更为精细化。随着无人值班、无人值守智能变电站的发展，为了有效地预防事故发生、保障电网财产安全，确保电网的安全稳定运行，对变电站运行环境进行监控的需求越来越高，因此引入电子围栏和实时图像监控安全防护系统，保证变电站安全运行至关重要，利用三维设计的直观、全面、快捷的优势，建立变电站全景监视系统，实现辅控系统设备定位、监测数据实时查看等功能。
关键词：三维设计；智能辅助控制系统
1 二次系统二维转三维
1.1 二维设计的不足
目前，我国智能电网新技术的高速发展，以及设计软件的进步和更新，电网建设、管理和运行也有了快速的发展，对设计提出了新的要求。传统二维CAD设计软件虽然有强大的绘图、编辑、尺寸标注等功能，但是缺乏数据库的支持，传统二维设计不能联动修改设计图纸，导致工作量大，重复劳动量多，不能实现碰撞检查及带电距离校验，全部依靠于设计人员的责任心、能力以及经验。设备材料表，电缆清册，图纸分册以及资料整理均需设计人员人工统计、整理和绘制。
二维设计存在的主要不足：二维设计平台无数据库，不能进行经济技术的比较，缺乏对工程总体布置的控制，主要依靠设计人员的自身想象能力和制图能力完成设计，因此受设计人员的主观因素、经验及能力影响大；自动化程度低，缺乏联动设计和联动修改，造成设计人员的工作量重复、遗漏以及效率低；二维设计缺乏协同设计，各个专业分散独立的进行设计，设计人员沟通不及时或者遗忘，造成各专业间接口不统一，返工工作量大、影响设计效率；设备材料工程量由设计人员人工统计，主观因素对工程量的影响较大；以上这些不足均难以适应现在智能电网发展的要求。
1.2 三维设计的重要性
数字化时代，智能电网建设对变电站工程的设计提出了更高的要求。目前，大型电力设计院已经普遍采用数字化三维设计平台，国家电网公司已经建立了工程数据中心和数字化移交系统，并在重点工程中要求进行设计成果的数字化移交，因此数字化三维设计已经大势所趋。
三维设计是建立在二维设计的基础上，基于数字化、智能化设计平台为基础开发的。跟二维设计相比，三维设计更立体化、形象化，变电站的设备可以通过三维模型展现，可以直观、准确的描述设备的平面布置和空间关系，是一种新兴设计方法。三维设计采用多层叠加的设计方法，从三维的角度来看，复杂的布置是通过各个层叠加设计而成，从而减少设计的复杂度和制图的难度，通过层之间的互相透视，能提供更好的展示效果，工作效率和设计质量，并很好地为后续的一切信息化系统特别是数字化移交系统提供了数据基础。
采用三维设计有着重要的意义，与传统二维设计相比有着显著的优势：
1）可视化程度提高，更精确、直观。能更清晰的表明设计者的设计意图，能有效的减少各单位人员在看图过程中产生的分歧和误解，提高各方的沟通效率。
2）具备各专业的协同设计，精细化设计。各专业的设计人员在同一个设计平台中开展设计，专业协同的紧密度和配合度大幅度提高，精细化设计可方便的进行各种安全距离的校验、碰撞和材料统计，避免设计过程中沟通不及时和各专业交叉碰撞带来的错误。
3）二维设计到三维设计的转变，是一种以图纸为核心到以数据为核心的转变，通过完整的数据库，将以往图纸中的文字里的信息转变为数据库系统中的模型信息，完成由人为辨识到由计算机识别的转变。
采用三维设计的精细化设计、专业间协同设计、数字化和可视化的三维设计成果，可以满足业主和用户的数字化移交，集方案和数据于一体的技术要求，为智能电网的建设和全寿命周期管理提供数字化、智能化管理平台。
利用三维数字化设计手段，可以在满足工程进度的前提下优化详细布置，而且有数据库做支持，适应信息化和数字化的要求。设计绘图工作量小，重复劳动少，修改内容相关联动，不易出错，可自动实现碰撞检查及带电距离校验，设备材料能自动统计，能进行相关的专业计算和校验，资料和图纸清册自动生成，效率高。
2 变电站三维设计平台构建设想
在三维设计中，变电站所有的设备都可以通过三维模型展现出来，在图纸上可以直观的看到站内所有设备的平面布置和空间布置。数字化设计的核心是形成数据库的数字化体系，通过数据库管理实现工程从设计到投产运行等变电站全寿命周期的各阶段数字化连接，最终形成以存储该变电站信息的一个终生存储工程信息的管理平台。
三维数字化设计针对变电站整体项目设计的，涵盖变电工程设计工作的全部专业内容，如电气、建筑、结构、水暖等专业。基于强大的数据库后台，实现所有结构化和非结构化设计数据的综合管理。通过三维设计软件平台分别进行三维总平面布置图，建筑总图，二维原理图等设计，完成电气、土建、水暖等相关专业的碰撞检查、安全距离计算、校验和材料统计，完成设计图纸。设计成果以数字化形式移交给业主、施工、运行维护等各部门，达到项目的全寿命周期管理。
全面三维化设计是变电站设计未来的方向。由于数字化三维设计是以数据库为基础，以电网建设标准和电网通用设备为依托，结合具体工程的实际情况，利用计算机的高性能，然后通过高端数学仿真计算软件结合电力系统规程规范的要求以及设计深度的要求，对设计成果的准确性、完整性进行校验核准，并提出修改意见等，最终以三维直观模型替代传统二维设计的平面图纸为最终输出成果，如图2.1所示。该变电站开展全过程，全专业的三维设计，是基于北京博超时代软件有限公司STD数字化变电三维设计平台开展变电工程三维设计，应用STD-R数字化变电三维设计平台，对全站进行数字化三维设计，完成系统设计、设备及设施材料建模、总平面布置、各专业协同设计、安全校验等。
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图2.1 变电站总平面布置图
3.二次设备室内屏柜布置合理化校验
针对传统二次屏柜在改扩建工程中屏柜二次进出困难等问题，本次采用三维设计，可以直观的看到二次设备室内屏柜的空间布置，提高设备运行、维护便利性，解决二次设备室内二次设备、线缆维护存在的屏柜内与屏柜间操作空间小，走线不方便，光电缆混合布设，后期设备、线缆运维工作量大等问题，通过三维设计开展开放式走线通道研究，考虑到人体工程学需求，方便运维人员对设备进行巡检 操作，方便电缆敷设与检修，充分利用二次设备室内有效空间。
如某变电站全站设置1个二次设备室，长9000mm，宽4500mm，布置于配电综合楼内。二次设备室的平面布置及模块化设计如图3.1所示。结合三维设计和空间合理布置，将二次设备室设计为屏正面对正面，根据规程规范要求以及通过三维设计对尺寸、电缆、光缆校验，将屏正面至屏正面距离设计为1400mm；屏背面至墙设计为800mm、1100mm；边屏至墙设计为1100mm，将二次设备室共布置为2排柜，一排为10面柜，二排为11面柜。为了合理利用空间以及方便运维，根据电网通用设备选型结合工程实际情况，将1P，2P设置为2260*800*900屏柜，除一体化电源交流进线柜和交流馈线柜采用800mm宽外，其他屏柜将柜体宽度从800mm压缩至600mm。通过三维设计的校核，合理的压缩了二 次设备室的尺寸，合理的敷设电缆、光缆以及各种线缆，方便后期维护和检修，不仅能满足工程需要，更能减少占地面积，节约投资。
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图3.1 二次设备室三维及二维平面布置图
由图3.1可看出，下期扩建时可以合理的考虑屏柜的搬运方面及考虑设备尺寸以及设备搬运顺序。通过三维软件校验，后期扩建屏柜可以经二次设备室大门以及屏边至墙的通道进出，安装于设计指定位置上，所有设备均能顺利进出二次。
4 三维设计在智能辅助控制系统的应用
基于三维设计平台建立变电站全景监视系统，实现辅控系统设备定位、监测数据实时查看等功能。
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在变电三维设计平台导入变电站全站三维模型，从模型库中调取室内摄像头、烟感、门禁的模型，根据相关技术规范要求，将摄像头、烟感、门禁布置到相应的室内区域。将该摄像头与室外其它专业的设备（譬如构架、架空线）同时三维展示，检查是否碰撞、是否满足带电距离要求，是否有视区死角。待全站室外摄像头布点位置确定后，在三维设计平台上进行埋管设计，直观清晰的反映摄像头信号线的走线路径，便于土建施工时同时预埋，极大提高施工质量。
变电站大门前设置机动车辆阻拦装置防冲击，在大门内外适当位置划定警戒线，设置安检设施及机动车减速带等建筑物安防措施。变电站建筑物大门采用防盗安全门，窗户外侧加装防护电子围栏。防盗安全门等级和防击玻璃挡板技术性能，根据变电站重要程度而定。
基于电子围栏和实时图像监控的实现变电站安全防护系统，具有威慑、阻挡、视频监视和报警等功能，当入侵者进入系统发出警告信号和警告提示，以达到阻止翻越，预防为主。对执意入侵者或当站内发生故障和意外时，能够通过电力通信网传输至电力调度主站端，实现监视与取证。
采用三维设计技术实现辅助控制系统前端设备的全方位、无死角、立体化布置，在此基础上与其他专业进行碰撞校验，在三维平台建立变电站全景监视系统，实现智能运维的辅助控制系统。
5 小结
本文介绍了三维设计平台在智能电网中的应用和发展方向，并对传统的二维设计和数字化三维设计进行了对比和分析，包括：传统的二维设计的不足、三维设计的意义等。通过将三维设计应用于变电站二次设备室内屏柜布置合理化校验和智能辅助控制系统，可以有效地提高设计质量、效率和其智能化水平，从而有力地支撑三维设计平台在智能变电站设计中的应用。利用三维设计的直观、全面、快捷的优势，建立变电站全景监视系统，实现辅控系统设备定位、监测数据实时查看等功能，引入电子围栏和实时图像监控安全防护系统，直观、精准地描述出各类设备的空间关系，直观的进行摄像头布置，确保安全距离前提下提供最佳监视视角，保证变电站安全运行。
参考文献
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[2]苏耀国. 变电站三维协同设计标准的发展与应用[J]. 中国标准化, 2017(11):137.
[3]耿建风. 智能变电站设计与应用[M]. 中国电力出版社, 2012.
论文作者:黄媛媛
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/8