变电架构的三维分析及计算机辅助设计

变电架构的三维分析及计算机辅助设计
发表时间：2018-09-12T15:46:09.763Z 来源：《基层建设》2018年第22期作者：张雪莉1 李骞2 屈曼3 高雄飞4 王英5
[导读] 摘要：本文所介绍的是对变电架构的三维分析及计算机辅助设计方法，包括三维有限元分析方法及其程序设计，它改变了传统的简化方法，提高了设计精度和速度；同时包括有限元分析中的自动排序功能，该功能的实现减轻了设计者应用本软件的数据准备工作量；还包括本软件所能实现的自动绘图功能，这些功能满足了初步设计和施工设计的要求。

1/3/4/5中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司陕西西安 710054；2国网陕西省电力公司西安供电局陕西西安 710054 摘要：本文所介绍的是对变电架构的三维分析及计算机辅助设计方法，包括三维有限元分析方法及其程序设计，它改变了传统的简化方法，提高了设计精度和速度；同时包括有限元分析中的自动排序功能，该功能的实现减轻了设计者应用本软件的数据准备工作量；还包括本软件所能实现的自动绘图功能，这些功能满足了初步设计和施工设计的要求。

关键词：变电架构；三维分析；辅助设计
一、变电架构的三维有限元分析方法
变电架构的三维分析方法，是将变电架构作为空间杆系按照有限元法进行分析，它的力学原理是位移法。

空间杆系的位移法是根据平衡条件求出结构上的基本位移（节点位移），再利用杆端力和杆端位移之间的角变位移方程式求出杆端力，从而计算其它截面的内力。

对于空间杆系结构，每个节点六个位移，其中三个线位移，另三个是转角位移。

将杆件的局部坐标系转换到结构的总体坐标以后，可按照“对号入座”的方式叠加形成整个结构的位移法方程：
[K][X]=[P]
式中：[K]一系数矩阵，即总刚度矩阵；
[X]一所有的位移。

等式右面的[P]由两部分组成：一部分为作用在节点上的外力，另一部分为原来在等式左面的固端内力分移到等式右面去的。

上式中，每个方程式的意义都表示与某一位移对应的节点内外力的平衡。

应用线性代数知识求解上述位移法方程组就可以求得各组荷载作用下的节点位移，进而可以求得杆件内力。

关于大型线性代数方程组的求解、对称稀疏矩阵的存贮以及特征值问题，早有比较成熟先进的算法，本文不再引述。

下面简要叙述变电架构作为空间杆系的程序设计方法，将通用的位移法原理在具体问题的程序中实现，要做好数据文件的组织，选择好计算方法，并根据规范要求完成内力组合及构件的强度及稳定校核。

在程序设计中，考虑的数据文件如下：（1）总的引导信息；（2）杆件两端节点编号数组；（3）杆件截面积数组；（4）节点坐标数组；（5）杆件截面力学特性数组；（6）关于坐标转换矩阵的指示信息；（7）关于节点荷载和杆上荷载的信息；（8）关于共面节点的指示信息；（9）关于质量矩阵的信息；（10）关于地震力方面的信息。

以上数组，对于通用结构可以按照本软件所定的格式填写。

这种方法适应范围广，但数据量大、繁杂，并要求力学概念清楚，空间思维明确。

本软件对于变电架构的常用形式，提供了自动排序自动生成上述数组的功能，只要提供少量的控制参数，就可以完成所需的内力分析与组合、构件的强度与稳定校核，并提供与绘图程序所需的接口。

在程序实现中，对于总刚度矩阵采用了一维变带冤存贮方式，求解大型线性代数方程组采用改进的平方根法，求解动力计算的特征值方程采用同时迭代法。

二、变电架构计算机辅助设计
1变电架构的绘图功能
变电架构计算机辅助设计软件包是面向屋外变电站架构初步设计及施工图设计的专用软件，除可以完成变电架构的分析计算外，还可以用参数式设计或交互式设计的方法绘制以下各设计阶段的主要图纸。

1）绘制架构透视图并对构件进行分类统计；
2）绘制架构基础平面布置图并对基础进行分类统计；
3）绘制架构梁的加工详图并自动统计材料用量；
4）绘制架构柱身的加工详图并自动统计材料用量；
5）根据用户给定的参数，绘制架构基础的施工详图并自动统计材料用量；
6）应用本构件提供的菜单，绘制土建结构的其它图纸；
7）应用本软件提供的图形汉字库方便地输入图形的汉字说明。

2输电线路三维可视化辅助设计系统
输电线路三维可视化辅助设计系统推荐采用自下而上的4层次型软件体系结构。

这种体系结构综合考虑了现有的软硬件技术水平和系统需求的因素，充分体现了软件体系结构设计的系统性和可扩充性，是一套面向可视化输电线路设计的、具有高重用度的软件体系结构。

系统各层功能和设计考虑如下：
（1）专业应用层。

专业应用层构成了辅助设计系统与用户交互的界面，包括各种可视化的输电线路显示、查询、设计、数据管理、图表输出等功能。

（2）模型对象层。

主要功能是把多数据源的地理数据转化为单一的、综合的、基于数据模型的对象，从而有效地解决了GIS中多数据源多数据类型的问题。

在模型对象层中，设置了代表三维场景中的地形、覆盖在地形上的矢量对象（如公路、地区边界、河流等）、立体建模的地物对象（如主要的居民地、重要的河流、输电线路上主要的跨越和标注等）和输电线路上的电力器件对象（如输电线、避雷线、杆塔和绝缘子等）。

（3）数据层。

在数据层中，采用文件系统加关系数据库来构成系统的基础数据库，由关系数据库来管理系统的属性数据，由文件系统来管理系统的空间数据。

考虑到三维GIS中对空间数据查询、显示以及分析的特殊要求，需要对管理空间数据的文件系统采用多种形式的优化。

（4）转换通信层。

转换通信层包含数据转换和连接通信两个子层，通信子层的设立屏蔽了各种物理通信介质和网络通信协议的差别，为数据转换子层提供统一格式的数据；数据转换子层负责将不同分系统间的数据分类、转换、融合后上传到数据层；通信层实现了与
电力行业其它数据库的数据共享。

3系统构建原则
构架输电线路三维可视化辅助设计系统所应遵循的原则如下：
（1）系统架构设计。

C/S（Client/Server）和B/S（Browser/Server）是开发模式架构的两大主流技术。

C/S结构可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销；B/S结构用户工作界面通过WWW浏览器实现，极少部分事务逻辑在浏览器实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现。

本系统的架构设计应遵循B/S和C/S相结合原则，以便充分发挥两类架构的优势。

（2）稳定可靠。

稳定性、可靠性是对系统运行的最基本的要求。

作为大型的信息系统，输电线路三维可视化辅助设计系统数据协调通信复杂，一旦发生丢失或者系统崩溃将会造成严重的损失、浪费大量的人力物力，甚至会影响正常的生产活动，所以要充分考虑系统的各个方面，保证系统的稳定性。

（3）可扩展性原则。

输电线路三维可视化辅助设计系统投资巨大、系统结构复杂，较短的开发周期内难以达到预想的功能要求，如何保证这些人力物力的可持续性利用，保证系统能够适应组织机构调整、适应新增的功能需求、适应因流程重组而带来的需求变化也是系统设计和开发中的一个指导思想。

（4）运行高效。

如果运行效率低下，即使系统功能建设非常完善，最终也无法实现实用化。

由于输电线路可视化辅助设计系统数据量大，要确保所选择的三维GIS平台有良好的性能和数据加载手段；除上述手段外，还需要进行良好的需求控制，避免系统功能的冗余。

（5）开放性。

输电线路三维可视化辅助设计系统要实现与其它专业软件的平稳“对接”，设计时就必需确保其有足够的开放性，具有良好的应用编程接口和对业界标准的遵循，保证各模块间相互协调处理、数据共享。

（6）GIS系统的选用。

建设输电线路三维可视化辅助设计系统是一个投入大、时间长的过程，这要求平台供应商对用户的应用系统提供长期的支持和维护。

另外，由于系统所包含的内容非常庞杂，技术涉及面广，应该采用具有广大用户群的GIS产品，从而在技术支持、产品的稳定性和产品的升级换代等方面得到保证。

综上所述，随着计算机图形学的发展和计算机硬件性能的成倍提高使得三维表现技术日益完善，通过这些技术，我们能够构造更接近于现实的三维地表模型和各类设备模型，进一步拓展变电架构三维设计的开发与应用，加快线路设计的自动化、一体化进程，提高线路勘测设计的进度、质量和服务水平。

参考文献：
[1]庄宿军，等．三维立体设计在电力线路选线和测量中的应用[J]．电力勘测设计，2002，9（4）．
[3]景钦刚．基于GIS的三维输电线路规划设计系统的研究[J]．电力建设，2008，14（6）．
[4]陆小艺，徐祖舰，李小明．三维GIS在电网工程设计运行过程中的应用研究[J]．红水河，2009，14（2）．。