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输电线路数字化设计基础知识
  • 发布日期:2019-05-22      浏览次数:472
    • GIS 技术的应用深化以及激光雷达、航空摄影等数据采集技术的发展,为输电线路数字化设计提供了有利技术支撑。国内电力设计企业先后对输电线路数字化设计展开了探索与研究,通过不断的实践,积累了大量的工程应用案例与实践经验,为开展输电线路数字化设计奠定了良好的基础。

       

      1.GIS 选线应用多样化

              很多电力设计企业都建立了自己的GIS 平台,借助GIS 平台,采用高分辨率卫星影像,进行大范围路径选择、方案比选,在减少土地占用、房屋拆迁,保护环境等方面发挥了重要的作用。

              各设计企业开展设计工作的工具软件种类繁多,包括制图类工具、计算类工具、管理类工具等。由于技术架构、基础平台、开发语言的差异,各软件系统间相互孤立,数据无法共享。工程设计数据需要重复录入到不同的软件工具中,人工完成系统间数据的传递,缺乏一体化管理。

              

      2. 选线过程可视化

              输电线路经常通过居民区、林区和其他特殊区域,其设计工作广泛应用基于二维坐标的GIS 系统,输出成果采用二维方式表达,难以展现三维空间层次及位置关系。

              随着计算机图形学的发展和可视化技术日益完善,将当前二维设计转向三维可视化己经成为可能(见图6-1 )。部分设计企业建立的GIS 辅助应用系统己经开始探索设计过程可视化的应用与研究。系统基于三维GIS 平台,集矢量地图、影像图、数字高程模型等基础地理空间数据,规划电网数据、设计电网数据、勘测数据、专题数据等各种设计资源数据为一体,能够真实再现电网工程及现场地理信息,提供对送电线路导地线、杆塔及金具360 。视角查看、空间分析、跳线计算、三维空间量测,为输电线路数字化设计提供全新的手段。

       

      3 设计成果移交数字化

              随着信息技术的发展,电网工程从规划设计到施工建设再到运行维护,每个阶段都会产生数字化成果。即使在设计阶段,随着数字化设计工作的开展,在电网工程的可研、初设、施工图设计不同阶段也都将产生相应的数字化成果。但是目前的工作模式只关注当前阶段所需要的数据,对整体环节的信息流通考虑较少,造成信息孤岛效应,信息难以贯通,数字化成果共享率低。

              为解决该问题,电网企业己经探索开展数字化移交工作。数字化移交工作以数据流和信息流为主线,以统一的标准和规范为保障,为电网工程建设和管理的全过程提供、的数据源。数字化移交工作从电网工程建设全过程入手,对全局进行统筹考虑。在电网工程建设初期就建立统一的数字化设计标准,当电网工程向下一阶段移交时数字化成果同步移交。当工程建设完成后,电网工程和数字化成果同步向运行移交,不仅能、完整地反映电网工程的现状,而且能在时间维度上进行回溯。

              数字化移交工作贯穿电网工程规划、设计、施工和运行等各个阶段,移交过程中主要涉及数据采集、数据整理和数据移交3 个阶段。此外,制定规范化的移交流程、标准化的移交内容和统一的数据规约,也是保证数字化移交工作有效开展的关键环节。在少数工程上已经开始尝试进行数字化移交,应用效果己经初步体现。

              从国内的总体情况看,数字化设计技术在输电线路中的应用,基本上还停留在选线、方案比选阶段,已经引入了可视化理念,但多数集中在终设计成果的三维展示上,还未真正实现可视化设计。数字化移交己开始初步尝试,工程设计阶段的数字化移交己有少量应用。

      02输电线路数字化设计的特点

              与传统设计相比,输电线路数字化设计大的特点是改变设计工作模式降低设计人员现场踏勘的频度与工作强度,将设计人员的精力解放出来,投入到路径方案比选与优化工作中。同时实现数字化设计是个漫长的探索过程,需要进行大量的模型积累和数字化软件开发工作。输电线路数字化设计的特点有以下几个方面。

       

      (1) GIS 平台一体化

              输电线路的特点决定了输电线路数字化设计必须以GIS 平台为载体,因此在数字化设计过程中, GIS 将起到统一工作平台和全过程数据载体的作用。首先要实现GIS 平台实时化,就是指利用GPS 及RS 技术,对数据进行动态更新,保证GIS 平台数据的时效性。在数据层面,依托GIS 平台对地理信息数据进行组织与管理,确保各个工程建设阶段GIS 平台的连续有效。其次是实现GIS 平台应用过程化,指的是在应用层面,覆盖输电线路设计的可研、初设、施工图设计各阶段。后是GIS 平台应用协同化,在路径选择、电气设计、结构设计、协同设计及数据移交等方面实现协同应用。

       

      (2) 设计对象标准化

              输电线路设计元素包括导地线、绝缘子串及其他金具,杆塔、基础及附属设施。在开展数字化设计时,需要调用数据库中设计元素参数,进行校核、计算与优化。建立设计元素标准化模型是开展数字化设计的基础。

              电网企业制定的输变电工程通用设计涵盖各电压等级的杆塔模块、绝缘子串等,给出了使用条件等设计参数,还提供了详细的结构参数,为输电线路设计对象标准化提供了依据。

       

      (3) 设计过程可视化

              数字化设计引入了可视化技术,使人能够在三维图形中直接对具有形体的信息进行操作。它打破传统的二维平面图思维的束缚,使参与者在三维环境中实现实时仿真设计。

              输电线路数字化设计不仅能够使设计人员体会到身临其境的感觉,还提供在三维空间中计算、分析、校核与优化。输电线路数字化设计可视化特点体现在设计过程、设计成果两方面,具体包括以下几点:

       

      1 )利用可视化技术,实现场景再现

              采用可视化技术与GIS 技术的结合,实现地理信息系统的数字化展现,通过与各种专题图(地震烈度图、污区图、雷电强度分布图等)的综合应用,实现线路路径的优化设计,为设计者、评审者和建设者提供三维可视化的现场再现,协助相关人员确定技术原则和方案。

       

      2) 可视化空气间隙校验

              线路电气设计通过三维可视化设计,实现了空气间隙的自动校验。数字化设计技术可以准确模拟出实际情况,结合参数化模型

      信息,可以快速完成静态和动态下的安全距离校验。

       

      3) 可视化的统计功能

              采用数字化设计,依托于强大的数据库支撑,实现自动生成材料总表等设计文件,大大节省了设计工作量,统计成果准确、美观。

       

      (4) 专业设计协同化

              输电线路设计工作涉及勘测、系统、变电、电气、结构、技经等专业,各专业相互交叉,共同完成设计工作。引入数字化设计技术,结合专业特点、业务流程,通过数据同步、碰撞处理、版本管理、网络信息发布等技术,将各专业纳入统一的数据模型、统一的平台管理,各专业能够并行完成各自设计工作,及时将专业成果和信息向外发布和传递,实现异地设计、工程管理及互提资料在内的多专业协同设计。

       

      (5) 设计成果数字化

              输电线路数字化设计终产生的成果,将以数字化的形式通过数据库技术进行存储、组织管理,形成数字化设计成果,包括工程数据、地理信息数据、文件资料以及三维模型4 种类型数据。各种数据通过统一的模型描述,具备可查询、可追溯的特点,在输变电工程全寿命周期内流转,满足电网企业对数据使用的需求。

      03输电线路数字化设计功能

              数字化设计技术改变了设计的工作模式,解决多专业协同工作的碰撞与冲突问题,全面实现设计信息的共享,是设计企业发展与进步的必然选择。输电线路数字化设计功能包括以下几方面。

      ( 1 )输电线路路径比选方面

              数字化选线重点应用高分辨率卫星影像,结合规划区、保护区、煤矿采空区等专题数据,对线路路径进行大范围选择、方案优化等工作,具体提供路径选择(包括人工选线、自动选线)、方案比对、宏观技术技经指标统计等功能。终成果包括数字化模型、路径方案图、方案技术经济比较表等,满足可研选线阶段设计应用。

       

      (2) 电气设计方面

              数字化电气设计重点在于应用标准数据库,结合空间分析技术、动态规划算法等相关技术,在选线成果基础上进行杆塔选型、排位等工作,具体提供杆塔排位(包括人工排位、优化排位>、杆塔选型(包括人工选型、自动选型)、电气计算、空间距离校验及材料设备统计等功能。终成果包括数字化模型、排位后的平断面图、路径图、电气特性图、计算书、杆塔明细表、材料设备统计清册等,满足初步设计及施工图设计阶段的业务应用。

       

      (3) 结构设计方面

              数字化结构设计重点在于应用数据库中电气、测量、水文、地质等相关专业的提资数据,结合力学计算、强度计算、稳定计算、连接计算等相关技术,开展杆塔结构设计、基础结构设计工作,具体提供杆塔受力分析、杆材优化、有限元分析、大开挖基础设计、原状土基础设计、铁塔高低腿配置、基础配置等功能。终成果包括数字化模型、杆塔结构施工图、基础结构施工图、设计参数等。

       

      (4) 协同设计方面

              协同设计重点解决输电线路设计工作中所涉及的勘测、电气、结构、技经等各相关专业间的相互提资、工作冲突、成果共享等问题,具体提供工程管理、流程管理、成果发布、集成出图、设计成果管理等功能。

      04输电线路数字化设计的流程

      四、输电线路数字化设计的流程

              输电线路数字化设计流程包括地理信息数据准备、路径规划、线路设计、数字化成果四部分(见下图) 。在进行输电线路数字化设计时,首先需要针对项目数字化设计开展基础性、规划性工作,确定数字化设计技术原则和技术方案,选定数字化编码系统,确定数字化设计中的各种规则、模板。在技术原则和技术方案框架内,各专业根据项目内容及相关设计规程规范要求进行数字化设计、校核及成品成图。

      输电线路数字化设计框架图

       

      ( 1 )地理信息数据准备

              地理信息数据是输电线路数字化设计的基础,包括数字正射影像、数字高程模型、基础矢量数据和电网专题数据。

              数字正射影像是对航空(或航天>相片进行数字微分纠正和镶嵌,按一定图幅范围裁剪生成的数字影像集。

      数字正射影像

       

              数字高程模型是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型,常与数字正射影像配合构建地理信息三维场景(如下左图) 

      数字高程模型 

       基础矢量数据是指按地理信息要素分类的数据,包括水系、居民区、交通和行政区、地貌植被与土质、注记等基础数据(见上右图 ) 。

             电网专题数据包括污秽区、气象区、覆冰区、雷害区、规划区、自然保护区、风景区、舞动区、煤矿采空区、林区、建筑群、铁路、公路、河流、线路、管线等重点区域、交叉跨越及标注数据(见下图) 。

       

       不同设计阶段需要准备的地理信息数据类型基本相同,但对数据的精度要求不同,具体开展工作时,需要根据设计阶段应用要求进行准备。

       

      (2) 路径规划

             基于多元地理信息系统可以进行线路路径选择,通过对现有地理信息数据、电网建设区域内的电网专题数据的集成,使输电线路设计相关的专业数据资料信息化、数字化,从而提高路径选择的质量和效率。

       

      (3) 线路设计

              利用建立的多维信息模型,开展线路数字化设计。所有设计信息加载于多维信息模型中。

              输电线路的多维信息模型库包含杆塔库、绝缘子串库、导地线库、基础库等。杆塔、基础、绝缘子串模型建立的过程其实就是相关专业设计的过程。依靠计算机技术,实现由设计成果参数自动形成设备的三维模型文件。

       

      (4) 数字化成果

              输电线路工程数字化设计技术基于全寿命周期管理理念,以编码标准体系贯穿始终,以设计为信息源头,通过各种数字化技术的应用,使工程数字化信息在各工程参与方之间传递,在工程可行性研究、初步设计、招投标、建设、运行和退役等各个阶段实现全过程管理。

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