（江苏科能电力工程咨询有限公司210000）
第一章概述
1.1变电站数字化三维设计的优势
随着工业化与信息化深度融合发展，三维设计技术作为提升企业信息化水平的重要平台，已成为国际高水平工程公司进行工程设计、施工、管理的重要辅助手段。目前，三维设计技术在国外电力、石化、纺织等领域得到了较为广泛应用。就中国电力而言，三维设计技术在火电厂、核电站得到了广泛应用。但是，在我国变电站领域，三维设计技术运用却极为稀少，国内变电站三维设计技术研究缺乏。目前国内变电设计工程普遍采用传统二维设计方式，依靠工程师的空间想像力和基本制图技能完成空间设计，工作效率较低。同时市场环境对设计院提出了更高要求。研究如何提升变电工程的设计手段、加速设计周期、提高设计质量、降低工程成本、并可实现对业主的数字化移交，对于提高设计工作质量和效率以及业主进行全寿命周期管理都有着重要意义。
数字化设计是以数据库为核心，多维信息模型为依托，通过数据驱动模型，将设备编号(包括设备型号、KKS编码、物料号等)、设备参数、设备安装图及二次接线图等各专业的设计信息融会贯通，形成完整的数字化档案，全面提高了工程设计的质量与效率的新一代设计技术。三维设计技术是数字化设计的实现手段之一，在变电站设计中宜应用在多专业交叉，易发生软硬碰撞的区域。
1.2国内外发展现状及趋势
三维数字化设计是未来变电工程设计的趋势,通过精细化协同工作,能够大幅提高设计质量和效率。通过工程应用中的实际经验,总结了三维精细化设计的特点。同时,Bentley软件在变电站三维数字化设计中具备特有的优势,随着三维模型的积累以及软件的不断改进,将会引领未来变电工程设计、建造和管理等全寿命周期的数字化革命。
我院使用Bently公司的Substation数字化三维设计平台，已经在部分变电站设计中使用，建立贯穿方案设计、初步设计、施工图设计和竣工图设计全部设计周期，取得许多经验，不仅成功的将新的设计模式应用在设计工作中，还正在形成与之相适应的标准化知识管理体系和技术管理体系，并由此优化设计流程，形成了较为完整的全新的设计体系。
同时，采用数字化三维模型针对业主所采用的GIS、MIS、项目管理、采购等系统平台均提供数据接口，可服务于设计阶段以后的施工管理阶段，乃至运行阶段，为变电站运行管理全生命周期中持续发挥作用，实现从设计阶段开始的数字化移交方案。
图1.1-1变电工程数字化设计
第二章数字化三维设计平台简介
2.1三维设计平台架构
传统的三维建模技术已经在方案设计中普遍采用，但是其主要用途仅是效果的展示，并不具备施工图设计的能力，无法协助提高设计效率，对设计本身也不能提高其质量。
Substation数字化三维+设计平台作为全新的设计载体是以数据库为核心，以三维技术为手段，结合标准化知识管理体系的精细化变电设计平台。平台通过设计数据驱动与共享实现设计流程的自动化，借助三维技术实现设计成果的精细化，进而实现全专业模型级的协同设计。
以大型网络数据库SQLServer作为数据存储载体。提供了变电设计全专业的设计功能，并可在此基础上进行多专业协同设计；平台中三维建模均采用参数化设计手段。计算与图形相结合，设计成果准确、可靠。可在三维模型中直接剖切生成施工图。
图2.1-1三维布置设计流程图
变电站模型是由工程数据库支撑的具有详尽工程与设备信息的三维数字化模型，通过专业设计软件的解读与处理，可以针对模型直接进行计算、校验、材料统计和抽取平断面施工图、安装图和土建专业提资图表。
图2.1-2基于三维协同设计的电网工程设计过程示意图
2.2三维设计平台功能
2.2.1电气专业设计功能
1)数字化主接线设计功能
主接线设计是变电站系统设计的关键，是建立整个变电站逻辑模型的过程，通过主接线的数字化设计实现从设备信息到变电站逻辑模型直至变电站布置模型的全程数字化，同时为真正意义的数字化移交提供基础。
通过数字化主接线设计使得计算机真正理解录入设备在变电站中的作用，以此为基础实现自动KKS编码及接线逻辑校验。
数字化主接线设计的流程图如下：
图2.2-1数字化主接线设计流程图
2)数字化三维设备
按以往设计流程，厂家设备图分平面、断面、侧面等图块。从设备安装图以纯图块的形式复制到间隔断面图上，图块缺少设备类型、相序、接线位置等属性。调整设备支架高度、尺寸值也是直接修改图形的形式手工调整。
采用数字化三维设计平台，设备入库后统一使用，更新。设备的平、断、侧面图块集中显示在一个窗口中，并增加了三维图块，使得设备外形直观可见。设备三维图块可通过两个方案获取：一、采用厂家三维图，将厂家三维图转化为CAD中三维实体，并对带电区域及接线点进行赋值；二、采用设备参数化方法，本布置设计平台的设备参数化功能对于各种设备进行了统计汇总，通过输入某种设备的关键尺寸，可自动生成一个该型设备的三维图块，可以快捷、灵活地生成各种类型、尺寸的三维图块，模拟图块与设备实际外形基本一致，可用于设备三维尺寸的安全净距校验及三维审查，参数化设备的平断面图仍使用厂家提供的二维图，保证最终生成的平断面间隔图设备外形详尽准确。通过以上功能从而实现了设备的三维化。
图2.2-2设备参数化界面
所有的设备参数均存在数据库中并与主接线图对应。主接线图上的图标及参数标识均自动生成，主接线图替换设备后，三维模型可与之联动，自动替换相应的设备。数据库中已有设备均对应其标准一次安装图及二次接线图。新加设备可在录入后提交一次二次图纸，经审核后由专人加入数据库。
设备入库后设备按类型、电压等级、型号、厂家统一组织采用树状索引。设备选型后自动赋值相应的KKS编码及物料号，新加设备可手动录入。为设计阶段完成后的数字化移交建立多种数据接口。从而实现了设备的数字化。
3)三维设计及剖切平断面图
目前的施工、运行的管理和归档还是以二维图纸为主。本设计平台提供剖取平断面的功能，在三维模型上选择剖取平面或断面，指定剖取范围及剖面方向，即可得到所需的传统二维平断面图纸。由于所有图纸均剖取自三维模型，保证了平断面的一致性。
由于目前尚不是所有厂家都能提供三维图纸，大部分设备仍为参数化近似所得，故可存入厂家二维三视图，剖取平断面时将自动调用。若直接使用了准确的三维图纸则可不录入三视图，软件将自动按三维模型截取所需视图。图纸的图面原则如：标注、图层、线宽及颜色等，均按Substation三维设计平台要求配置。
4)配电装置安全净距校验
本设计平台可根据设备类型识别其所需校验的带电距离，圈选所需检验的区域后，可自动对所有区域进行带电距离校验。对于一些复杂的布置引线情况电气安全净距校验结果准确，表示清晰。
图2.2-3配电装置安全净距校验界面
5)内嵌计算功能
本软件内嵌了大量计算功能，实现了绘图与计算一体化，使得软件在实现数字化设计的同时，也使设计本身变得数字化精细化。
防雷计算
设定好避雷针高度及被保护物高度，选择使用折线法或滚球法计算，直接在图面上放置避雷针，自动得出防直击雷布置图，切换至渲染视图观察计算结果
图2.2-5自动生成材料
更新：将调整后的材料表内容更新到断面图上，材料标示同步更新。
2.2.3数字化三维设计平台功能一览表
2.3三维设计平台优势
综上所述本设计平台的技术优势可总结如下：
1)自动化
工程的逻辑模型和布置模型都是工程数据库记录不同表现形式，同一设备不论是在逻辑模型中还是在布置模型中，其链接的都是工程数据库中的同一设备记录。这样，设计人员在逻辑模型、布置模型或直接在工程数据库中进行的变动，都可以在专业设计软件解读下，自动直线不同设计图纸之间的联动修改。由此突破性地提高了设计效率。
对于具有详尽工程与设备信息的三维数字化模型，通过专业设计软件的解读与处理，可以直接进行计算、校验、材料统计和抽取平断面施工图、安装图和土建专业提资图表，减少了设计人员繁琐统计的工作量。
设计平台内嵌的计算功能可与三维图相互联系，也为工程设计提供了便利条件。
2)标准化
设计平台是使用设计素材进行加工的工具，标准体系是其核心内容。数字化三维设计与移交设计平台提供标准化的知识管理体系。包括：设计制图标准、设备信息标准、软件信息接口标准、标准化典型设计库、标准化设计素材库、设备编码标准、物料编码标准和设计作业与管理标准。
使用本设计平台，由于采用了标准化的数据库，可保证设计的标准化及规范化。经三维校验，工程布置方案可靠性更高；设备外形准确；导线弧垂、设备线夹显示准确；标注、线型等图面规范；平断面图联动、自动统计材料避免了人为的失误；生成的各种计算书均采用标准格式。
3)精细化
采用三维设计的主要目的是通过针对三维变电站模型进行安全净距校验、防雷设计、电缆敷设、材料统计等精细化设计，达到常规二维设计所不能达到的精度和正确性。
三维安全净距校验，实现了与实际情况一致的，空间上的净距校验，使得设计更加合理、安全。另外本设计平台内嵌的诸多计算功能，为优化设计提供了依据，提高了设计质量。
4)可视化
应用三维技术，全方位多视角展示变电站情况，明确了传统平断面图交代不清的死角，使得传统的抽象思维具象到三维模型上。安全净距校核、防雷设计、电缆敷设等设计工作全部在三维变电站模型中进行，过程与结果一目了然，可视化技术极大地降低了设计的复杂程度。同时，可以此三维模型制作渲染效果图，或制作三维漫游模型，在变电站竣工前详尽的将其展示出来。
5)数字化
使用本设计平台进行变电站设计，从全站层面的主接线逻辑关系，到设备层面的设备参数及各种编码，到金具站材，乃至二次及运行方式均存储于数据库中，从传统的文字说明书，转化为了数字化的数据包。同时针对业主所采用的GIS、MIS、项目管理、采购各种系统平台均提供数据接口，可服务于设计阶段以后的施工管理阶段，乃至运行阶段，为业主单位提供更多增值服务。