送电线路数字化设计技术发展现状及展望_江岳.pdf

32http:/电 力 勘 测 设 计第1期DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.01.006送电线路数字化设计技术发展现状及展望江 岳，李小亭，周文武，谭浩文，薛永锋(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)摘要：总结送电线路数字化技术发展的国内外现状，从标准、工作边界及平台成熟度方面分析当前送电数字化工作存在的问题，分析送电线路设计的数据流特征，在此基础上提出送电数字化平台的改进建议，提出送电数字化技术发展的展望。关键词：送电线路；数字化；三维设计；设计平台中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)01-32-05Development Status and Prospect of Digital Design Technology of Transmission LinesJIANG Yue,LI Xiaoting,ZHOU Wenwu,TAN Haowen,XUE Yongfeng(Northwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd of China Power Engineering Consulting Group.,Xian 710075,China)Abstract:This paper summarizes the domestic and foreign status quo of the development of power transmission line digital technology,and analyzes the current problems in power transmission digital work from the aspects of standards,work boundaries and platform maturity.The paper analyzes the data flow characteristics of power transmission line design.On this basis,suggestions for improving the power transmission digital platform are put forward.Finally,the paper puts forward the prospect of the development of power transmission digital technology.Keywords:transmission lines;digitalization;3D design;design platform*收稿日期：2022-09-15 第一作者简介：江岳(1981)，男，硕士，工程师，研究方向为高压输电线路设计。0 引言随着计算机技术的发展，从 20 世纪 80 年代起，在制造业尤其是航空航天领域较早地开始利用数字化技术进行虚拟制造。1975年，“BIM之父”乔治亚理工大学的 Chuck Eastman 教授创建了 BIM 理念，此后的数十年，建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术在逐步发展中形成了集设计、施工、管理于一体，贯穿全寿命周期应用的先进理念。在交通、电力、市政等基础设施行业中，也已经普遍尝试采用三维数字化设计技术，如公路、铁路通过应用地理信息系统和空间实景模拟进行选线，水电、火电、核电用于设备、管线综合布置，尤其是在综合管廊中对于不同行业的管线精细模拟、协同布置、综合管理的应用，三维数字化设计的优势非常明显。国务院 2015 年颁布的中国制造 2025提出，数字化研发设计工具普及率要从 2013 年的 52%提高到 2025 年的 84%。党的十九大报告提出：“数字中国、智慧社33送电线路数字化设计技术发展现状及展望http:/ 企业数字化转型与工程数字化创新 第1期 会”，其实现的前提是工程数字化。国务院办公厅、各省建委已陆续发文推行 BIM 工程，工程数字化已是大势所趋，而三维数字化设计则是工程数字化的源头。随着工业 4.0 时代的到来，云计算、物联网、大数据、3D 打印等新理念、新技术的发展，三维数字化必将促进行业生产方式发生变革。电网工程设计专业多、技术复杂、协调工作量大，三维数字化设计的应用具有显著意义。2018 年开始，国网范围内的 35 kV 以上输变电工程开始全面应用三维设计，完成三维移交。1 送电线路数字化设计技术发展现状数字化技术伴随着信息化技术的发展而发展，在送电线路领域，国内、外的发展路径从国内开始发展三维设计开始有了明显不同。1.1 国外现状目前国际上通用的输电线路辅助设计软件 有 PLS-CADD(Power Line Systems-Computer Aided Designand Drafting)软件系统，它是国际上一款比较成熟、且很流行的高压输电线路勘测设计软件。PLS-CADD 软件系统可以进行二维、三维设计，但不具备协同工作、三维展示、模型信息存储、数据移交等功能，与国内的要求存在一定差距。而 PLS-Tower 等国际通用的杆塔计算软件均侧重于杆塔应力计算，无法生成杆塔产品模型及装配模型。由于发展的思路不同，国外暂时也没有可供国内参考的送电线路数字化设计相关标准。1.2 国内现状1)标准制定2017 年，国家电网有限公司(以下简称“国网公司”)按照“标准先行、科研支撑、试点建设、加快推进”的总体原则，开展输变电工程数字化设计工作。依托试点工程，从软件规则、建模规则、设计规则和移交规则四方面出发，编制了一系列技术标准。中国南方电网有限责任公司(以下简称”南网公司”)结合工程应用情况，于 2020 年 4 月发布了35 kV 及以上输变电工程数字化移交标准等 9 项三维设计试行标准，主要包含成果移交、数据模型标准、建模标准及数据管理标准等方面。2018 年，能源行业电网设计标准化技术委员会组织国网经济技术研究院有限公司、电力规划设计总院有限公司等单位编制了输变电工程三维设计相关电力行业标准。中国电力企业联合会于 2019 年成立了输变电工程三维设计标准化技术委员会，并从基础通用标准、技术标准、支撑标准三个维度梳理了输变电工程三维设计标准体系，并组织协会相关单位分批次开展标准编制，其中部分标准已完成。2)设计单位数字化设计推进情况随着计算机技术的发展，送电线路计算机辅助设计软件在近二十年也得到了长足的发展，在此过程中，各设计单位依托自身力量开发了众多专业设计软件，实现了设计手段从手工计算、绘图向电子化的转变，在此过程中一些软件公司开发出通用版本的杆塔排位、跳线计算、铁塔计算等软件，也在送电设计行业得到了广泛应用。2018 年左右，受国网公司三维设计试点等因素催化，国内部分设计单位纷纷与软件公司合作，推出自己的三维设计平台，在此基础上部分软件公司推出了自身的通用版本三维设计平台。也有软件公司基于自身积累，为其他设计单位提供定制版本的开发服务。目前，各设计单位基于购买或合作开发的平台能基本完成送电线路基本的三维数字化设计及移交，但三维数字化平台在日常工程的应用仍存在诸多问题，尚不能为设计单位设计效率提升提供助力。2 送电数字化设计存在的问题电网数字化必须基于特定的数字化平台来开展，对于设计单位而言，三维数字化设计必须依赖于实际的数字化设计工具来实现，当前数字化工作存在的问题很大程度上也是数字化设计平台面临的问题。1)标准不完善2018 年国网公司发布了 13 项三维设计相关标准，中国电力企业联合会则规划了 34 项三维设计相关标准，但对实际工程要素的规范和定义不能完全涵盖实际工程的全部，导致工程设计时常常需要设计单位自主定义部分标准之34http:/电 力 勘 测 设 计第1期外的元件或信息。输变电工程的数字化是以设计为主线，贯穿电网设施全寿命周期的项目管理和协作的一种变革，数字化设计向数字化施工及运维延伸时，也需要相关标准的支撑，这部分标准目前也尚待制定和完善。2)边界不清晰计算机技术的发展，带来了手工绘图向电脑绘图的转变，但手工绘图向电脑绘图也仅仅是绘图工具的升级和转变。传统设计方式向三维设计过渡则意味着设计模式、协同方式、成果型式的整体升级和改变，转变过程中如何做到传统设计方式与三维设计方式优势互补，三维设计成果与传统设计成果配合使用，如何做到数据颗粒度与运行效率之间的平衡，仍需要长时间的探索和磨合。3)平台不成熟成熟的三维设计平台是实现三维设计的基础。当前的三维设计平台在三维移交方面渐趋成熟，但在正向协同设计方面仍然存在诸多不足。此外，电网数字化的目标是在三维设计的基础上，将数字化设计成果向数字化施工和数字化运维延伸，这些目标的实现也要依托数字化平台的不断完善，目前此类平台的完善度尚不能令人满意。3 对送电数字化设计平台架构的改进建议3.1 送电数字化设计特征分析线路三维数字化平台要真正成为线路设计人员的生产力工具，必须结合线路设计的特点和三维数字化设计的优势进行架构。线路设计的主要内容有路径选择、导(地)线选型、绝缘配合及防雷接地设计、金具串组装、架线弧垂计算、杆塔规划、铁塔设计、基础设计、各类使用条件校核等内容。线路设计的内容里有的适合在三维场景下开展，有的则不适合。适合三维设计的场景：线路选线、绝缘子串组装、铁塔设计、基础设计、间隙及对地距离校验等。不适合三维设计的场景：导(地)线选型、绝缘配合及防雷接地设计、杆塔明细表设计、各类使用条件校核、导线力学计算及架线弧垂计算等。和传统设计软件相比，三维数字化平台应是一个信息整合平台，即平台应能尽量整合线路设计过程中的数据，为各个软件或模块提供可供输入的数据，从而将线路设计流程中的各个软件模块数据汇成整条数据流供各个模块使用和共享。在线路设计中，数据的流向如图 1 所示。图中圆的大小代表模块与其他模块数据交互的多少，深蓝色表示本模块适合在三维场景下进行，橙色代表本模块适合在二位场景下进行设计，浅蓝色则居于其中，表示适合二三维协同设计。荷载条件和间隙圆电线力学计算及架线表导、地线选型杆塔规划明细表绝缘配合及防雷接地铁塔设计基础设计塔串配合校验绝缘子串及金具组装图附件安装路径选择杆塔排位通道数据及通道清理图1 线路设计各环节的数据联系由图 1 可知，线路设计时，某些场景是适合在三维场景下开展的，但也有部分工作不适合，必须意识到，不管三维和二维都只是数字化设计的工作界面，不是核心，也不是目的，因此线路平台规划时不应刻意追求在三维场景开展设计工作，而应根据工作特点，选择适合的工作界面来开展。在线路设计过程中，杆塔排位、铁塔设计、明细表设计是与其他设计内容数据联系最多的三项内容，而明细表与其他设计模块的数据交集最多，集中体现了构成线路的大多数要素。在线路三维数字化设计过程中，由于首先需要构筑一个三维数字化的线路，才能借助三维场景来进行某些场景的校核，例如塔串配合校验、交叉跨越距离校验，而只有构建的三维数字化场景的数据颗粒度足够高，才能借助数字化的手段实现对通道内房屋砍伐量、林木砍伐量的准确统计。35送电线路数字化设计技术发展现状及展望http:/ 企业数字化转型与工程数字化创新 第1期 总结线路工程及线路设计的特征，可以得到以下几点结论：1)线路工程是典型的线性工程，线路需要紧密结合沿线地形进行设计。因此设计过程必须紧密结合 DEM 及 DOM 数据，依托数字地球系统，外部环境带来的数据量较大。2)线路设计过程有很多场景更适合用传统方式进行操作，例如杆塔规划、导(地)线选型、导线力学计算、绝缘配合及防雷接地、明细表等，杆塔排位过程中，虽然三维同步排位会更方便查看塔位的可行性，但检查断面的过程仍然更适合二维操作。3)线路工程中某些模块适合用三维元件进行拼装来设计，例如绝缘子串组装过程，但仍有很多场景不适合这种拼装，例如杆塔上配置绝缘子串的