一种变电站倾斜悬吊式管母线的三维设计方法与流程

1.本发明涉及变电站技术领域，尤其是一种变电站倾斜悬吊式管母线的三维设计方法。


背景技术：

2.倾斜式悬吊管母线是变电站常见的一种母线布置型式，采用v型绝缘子把管母线悬挂在母线架构上，具有母线弧垂小、风偏位移小、母线构架拉力小的特点，是220kv及以上变电站常用的一种户外母线布置型式。
3.近些年来变电站三维设计正在逐步推广应用，针对倾斜式悬吊管母线三维设计尚未有成熟的解决方案，计算数据和模型实体无法产生映射关系。目前通常采用以下2种设计方式：第一种方式采用典型工程设计方案，倾斜式悬吊管母线空间关系确定，直接绘制模型实体；第二种方式先采用计算程序完成计算，再在三维设计软件内输入结果驱动生成模型实体。上述两种方式把计算和模型布置看成了三维设计的一体两面，改变计算条件不会影响模型，模型调整不会影响计算输入参数，模型则最终失去了应用意义。


技术实现要素：

4.本发明需要解决的技术问题是提供一种变电站倾斜悬吊式管母线的三维设计方法，实现了倾斜式悬吊管母线计算数据与模型实体产生了映射关系，建立更有效、更准确的几何模型，实现了变电站倾斜悬吊式管母线的自动三维设计。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
6.一种变电站倾斜悬吊式管母线的三维设计方法，包括以下步骤：
7.s1、在倾斜悬吊管母线计算装置前端写入参数；
8.s2、在倾斜悬吊管母线计算装置后端创建sql基础数据库；
9.s3、倾斜悬吊管母线计算装置计算与校核管母线位移与挠度；
10.s4、倾斜悬吊管母线模型生成装置生成与修改模型。
11.本发明技术方案的进一步改进在于：所述倾斜悬吊管母线计算装置采用浏览器/服务器模式开发，包括互相分离的实现人机交互功能的计算装置前端系统和用于实现数据库读写、物理参数计算功能的计算装置后端系统；
12.所述计算装置前端系统采用node.js作为js运行环境，依托vue设计前端整体框架，采用typescript作为脚本语言，采用less作为css预处理语言，采用element ui作为ui组件库，采用nginx进行服务部署；
13.所述计算装置后端系统，采用sql server为数据库，采用asp.net core api为主框架，通过sqlsugar实现数据库的orm操作，利用c#语言实现物理参数计算功能。
14.本发明技术方案的进一步改进在于：所述倾斜悬吊管母线模型生成装置基于autodesk revit平台进行二次开发，包括采用wpf技术的模型生成装置前端和参数化模型数据库，并与倾斜悬吊管母线计算装置共享计算装置后端；所述参数化模型数据库包括绝
缘子串模型和管母线模型。
15.本发明技术方案的进一步改进在于：s2中，创建sql基础数据库，包括电气材料数据库和计算规范数据库；
16.所述电气材料数据库中电气材料至少包括绝缘子串、绝缘子串组装金具和管母线；所述绝缘子串组装金具至少包括绝缘子片、z型挂板、u型挂环、ws型碗头挂板、qp型球头挂环、联板、平行挂板、花兰螺栓、均压环、屏蔽环、悬吊线夹；
17.所述计算规范数据库至少包括短路电动力单位基准值、管母线风压高度变化系数、35～500kv配电装置海拔修正a值表。
18.本发明技术方案的进一步改进在于：所述电气材料数据库中，所述绝缘子串至少包括以下数据：组装型号和组装金具数量，且组装金具调用电气材料数据库；所述绝缘子串的组装金具至少包括以下数据：型号、高度、受风面积、覆冰重量；所述绝缘子片还包括直径数据；所述管母线至少包括以下数据：导体材质、导体型号、导体尺寸、导体线膨胀系数(1/℃)、弹性模数、导体自重。
19.本发明技术方案的进一步改进在于：所述计算规范数据库中，所述短路电动力单位基准值数据表至少包括以下数据：三相短路、两相短路冲击系数值kch；所述管母线风压高度变化系数α至少包括以下数据：高度和风压系数值；所述35～500kv配电装置海拔修正a值表至少包括以下数据：海拔高度、电压等级、电气校验a1、a2值。
20.本发明技术方案的进一步改进在于：s3中，倾斜悬吊管母线计算装置计算与校核管母线位移与挠度，具体包括以下步骤：
21.s31、在倾斜悬吊管母线计算装置前端的可视化参数输入界面，完成环境参数、电气设计参数、悬挂参数的输入；
22.s32、倾斜悬吊管母线计算装置根据s31输入参数并调用s2中的sql基础数据库进行中间参数计算；
23.s33、基于输出参数和中间参数完成预设非线性方程求解计算管母线垂直位移值v、管母线水平位移值d、管母线挠度值d；
24.s34、基于输出结果与s2中的sql基础数据库设计校验，完成参数校验；
25.s35、基于校验结果，在校验合格的情况下把s31设计输入参数和s33计算结果推送至倾斜悬吊管母线模型生成装置。
26.本发明技术方案的进一步改进在于：s31中，所述环境参数包括温度、风速、覆冰、海拔高度；所述电气设计参数包括电压等级、短路电流、架构跨距、架构宽度、导体相间距、绝缘子串、集中荷载；所述悬挂参数包括水平档距x、垂直档距y、横向档距z、悬臂长度、悬挂高度。
27.本发明技术方案的进一步改进在于：s32中，所述中间参数包括工况参数、荷载参数；所述工况参数包括温度、风速、覆冰、短路电流，并按照参数值分为最高温及最低温、最大风速、50％最大风速，短路、覆冰四种工况；按照工况参数值、输入参数、短路电动力单位基准值kch、管母线风压高度变化系数α生成荷载参数，包括绝缘子串受到垂直力f、绝缘子串受到水平力h、绝缘子单位长度的重量w。
28.本发明技术方案的进一步改进在于：s4中，倾斜悬吊管母线模型生成装置生成与修改模型，具体包括以下步骤：
29.s41、倾斜悬吊管母线模型生成；
30.s411、基于s31中设计输入参数水平档距x、垂直档距y、横向档距z，确定倾斜悬吊管母线绝缘子串空间定位；
31.s412、调用s2中的sql基础数据库中绝缘子串信息，建立绝缘子串的参数化族，并导入到revit软件环境中，通过参数化驱动模型生成v型绝缘子串模型；
32.s413、基于设计输入参数水平档距x、垂直档距y、横向档距z和s412中绝缘子串模型，进行管母线模型空间定位，确定相间距、相地距离、悬挂高度；
33.s414、管母线模型采用直径、长度参数驱动生成模型，按照管母线空间定位信息完成空间布置；
34.s415、通过extensible storage framework接口，在管母线模型中写入设计输入参数和结果进行存储；
35.s42、倾斜悬吊管母线模型修改；
36.s421、对管母线模型进行修改；
37.s422、对绝缘子模型进行修改。
38.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
39.1、本发明通过开发倾斜悬吊管母线计算装置与倾斜悬吊管母线模型生成装置，实现了倾斜悬吊管母线计算和模型的结合，模型与计算双向关联，保证了生成的模型的准确性。
40.2、本发明依赖基础数据库解决了数据的查询、读取、管理问题，简化了设计人员的计算输入工作，同时利用数据库中的管母线、绝缘子数据，实现了参数化模型生成，提升了建模效率。
41.3、本发明倾斜悬吊管母线计算装置与倾斜悬吊管母线模型生成装置采用了双前端共享一个后端的模式，使计算装置既可以独立运行又可以与模型生成装置关联运行，满足多场景的应用需要。
42.4、本发明通过将模型生成与计算校核紧密结合，保证生成的倾斜式悬吊管母线模型满足工程设计要求，并实现在倾斜式悬吊管母线模型发生变化时，自动修正设计物理输入参数，计算后调整倾斜式悬吊管母线模型；设计物理输入参数发生改变时，计算后调整倾斜式悬吊管母线模型，实现了变电站倾斜悬吊式管母线的自动三维设计。
43.5、本发明方法消除了倾斜悬吊管母线布置的主观性和随意性，通过倾斜悬吊管母线计算装置与倾斜悬吊管母线模型生成装置实现科学布置，解决了传统设计计算和建模的巨大繁重工作，使倾斜悬吊管母线布置更加智能化，提高了设计效率。
附图说明
44.图1是本发明中变电站倾斜悬吊式管母线的三维设计方法流程图；
45.图2是本发明中倾斜悬吊管母线计算装置示意图；
46.图3是本发明中倾斜悬吊管母线模型生成装置示意图；
47.图4是本发明中计算装置前端与模型生成装置前端共享计算装置后端示意图；
48.图5是本发明中的sql基础数据库数据组成示意图；
49.图6是本发明中倾斜悬吊管母线计算装置计算与校验流程图；
50.图7是本发明中倾斜悬吊管母线模型生成流程图；
51.图8是本发明中倾斜悬吊管母线模型修改流程图；
52.图9是本发明中倾斜悬吊管母线模型示意图。
具体实施方式
53.下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
54.如图2所示，倾斜悬吊管母线计算装置采用b/s模式(浏览器/服务器模式)开发，包括互相分离的计算装置前端系统与计算装置后端系统框架；实现人机交互功能的计算装置前端系统采用node.js作为js运行环境，依托vue设计前端整体框架，采用typescript作为脚本语言，采用less作为css预处理语言，采用element ui作为ui组件库，采用nginx进行服务部署；用于实现数据库读写、物理参数计算功能的计算装置后端系统，采用sql server为数据库，采用asp.net core api为主框架，通过sqlsugar实现数据库的orm操作，利用c#语言实现物理参数计算功能。
55.如图3所示，倾斜悬吊管母线模型生成装置基于autodesk revit平台进行二次开发，包括采用wpf技术的模型生成装置前端和参数化模型数据库，并与倾斜悬吊管母线计算装置共享计算装置后端；所述参数化模型数据库包括绝缘子串模型和管母线模型。
56.如图4所示，倾斜悬吊管母线计算装置与倾斜悬吊管母线模型生成装置采用了双前端共享一个后端的模式。
57.如图1所示，一种变电站倾斜悬吊式管母线的三维设计方法，包括以下步骤：
58.s1、在倾斜悬吊管母线计算装置前端写入参数。
59.s2、在倾斜悬吊管母线计算装置后端创建sql基础数据库。
60.如图5所示，s2中，创建sql基础数据库，具体包括以下步骤：
61.s21、建立电气材料数据库；
62.s21中，电气材料数据库用于获取倾斜悬吊管母线材料和物理特性参数，电气材料至少包括：绝缘子串、绝缘子串的组装金具和管母线。其中，绝缘子串的组装金具至少包括：绝缘子片、z型挂板、u型挂环、ws型碗头挂板、qp型球头挂环、联板、平行挂板、花兰螺栓、均压环、屏蔽环、悬吊线夹。
63.绝缘子串至少包括以下数据：组装型号和组装金具数量，且组装金具调用电气材料数据库。
64.绝缘子片至少包括以下数据：型号、重量、高度、受风面积、覆冰重量、直径。
65.z型挂板、u型挂环、ws型碗头挂板、qp型球头挂环、联板、平行挂板、花兰螺栓、均压环、屏蔽环、悬吊线夹至少包括以下数据：型号、高度、受风面积、覆冰重量。
66.管母线至少包括以下数据：导体材质、导体型号、导体尺寸、导体线膨胀系数(1/℃)、弹性模数、导体自重。
67.s22、建立计算规范数据库。
68.s22中，计算规范数据库用于获取倾斜悬吊管母线的计算和布置参数，其中，计算规范至少包括：短路电动力单位基准值、管母线风压高度变化系数、35～500kv配电装置海拔修正a值表。
69.短路电动力单位基准值数据表至少包括以下数据：三相短路、两相短路冲击系数
值kch。
70.管母线风压高度变化系数α至少包括以下数据：高度和风压系数值。
71.35～500kv配电装置海拔修正a值表至少包括以下数据：海拔高度、电压等级、电气校验a1、a2值。
72.建立电气材料数据库和计算规范数据库，数据主要来源于生产厂家及规程规范。
73.s3、倾斜悬吊管母线计算装置计算与校核管母线位移与挠度。
74.s3中，倾斜悬吊管母线计算装置计算与校核管母线位移与挠度，其中倾斜悬吊管母线计算装置，可实现以下功能：管母线位移、挠度计算。管母线位移计算主要包括管母线垂直位移值v、管母线水平位移值d的计算；管母线挠度计算包括管母线最大挠度值d的计算。
75.如图6所示，倾斜悬吊管母线计算装置计算与校核，具体包括以下步骤：
76.s31、在倾斜悬吊管母线计算装置的可视化参数输入界面，具体完成环境、电气设计、悬挂参数的输入。
77.其中，环境参数包括温度、风速、覆冰、海拔高度；电气设计参数包括电压等级、短路电流、架构跨距、架构宽度、导体相间距、绝缘子串、集中荷载；悬挂参数包括水平档距x、垂直档距y、横向档距z、悬臂长度、悬挂高度。
78.s32、倾斜悬吊管母线计算装置根据s31输入参数并调用s2中的sql基础数据库进行中间参数计算。
79.其中，中间参数包括工况参数、荷载参数。工况参数包括温度、风速、覆冰、短路电流，并按照参数值分为最高温及最低温、最大风速、50％最大风速，短路、覆冰四种工况；按照工况参数值、输入参数、短路电动力单位基准值kch、管母线风压高度变化系数α生成荷载参数，包括绝缘子串受到垂直力f、绝缘子串受到水平力h、绝缘子单位长度的重量w。
80.s33、基于输出参数和中间参数完成预设非线性方程求解计算。
81.预设非线性方程求解方程基于《电力工程设计手册变电站设计》附录a公式(a
‑
12)、(a
‑
15)、(a
‑
16)、(a
‑
17)、(a
‑
18)、(a
‑
19)、(a
‑
20)、(a
‑
21)：
[0082][0083][0084][0085]
[0086][0087][0088][0089][0090]
其中，x是水平档距，y是垂直档距，z是横向档距，f是v形绝缘子串所受到的垂直力，h是v形绝缘子串受到的水平力，w是一串绝缘子单位长度质量，均是已知量；l是绝缘子串的曲线实际长度，c1是松弛绝缘子串悬链线常数，c2是拉紧绝缘子串悬链线常数，t1是松弛绝缘子串的悬挂点拉力，t2是拉紧绝缘子串的悬挂点拉力，f1是松弛绝缘子串的垂直力，d是悬吊点的水平位移，v是悬吊点的垂直位移，均是未知量。
[0091]
从这些故障状态的8个独立非线性方程求解出管母线垂直位移值v、管母线水平位移值d。
[0092]
在规范数据库中增加“多跨连续梁的内力系数”，该规范来源于《电力工程设计手册变电站设计》表5
‑
19，查询跨中挠度系数k1和k2值，并按以下公式进行计算：
[0093][0094][0095]
d＝y1+y2[0096]
其中y1是均布荷重挠度，y2是集中荷载挠度，k1是挠度均布系数；k2是挠度集中系数；q是管母线单位长度重量，来源于材料数据库；l
m
是管母线长度；e是管母线弹性模数；j是管母线惯性矩。
[0097]
求解出管母线挠度值d。
[0098]
s34、基于输出结果与s2中的sql基础数据库设计校验，完成参数校验：
[0099]
s341、确定倾斜式悬吊管母线是一个空间立体结构，需要在立体的三维空间中对水平档距x、垂直档距y、横向档距z进行带电安全距离校核，从35～500kv配电装置海拔修正a值表获取a1和a2值，校验管母线发生垂直位移、水平位移后是否满足安全净距a1和a2值。
[0100]
s342、倾斜式悬吊管母线跨距要满足挠度要求，校验计算挠度是否小于限值要求。
[0101]
s35、基于校验结果，在校验合格的情况下把s31设计输入参数和s33计算结果推送至倾斜悬吊管母线模型生成装置。
[0102]
s4、倾斜悬吊管母线模型生成装置生成与修改模型。
[0103]
s41、倾斜悬吊管母线模型生成。
[0104]
如图7所示，s41中，倾斜悬吊管母线模型生成，具体包括以下步骤：
[0105]
s411、基于s31中设计输入参数水平档距x、垂直档距y、横向档距z，确定倾斜悬吊管母线绝缘子串空间定位。
[0106]
s412、调用s2中的sql基础数据库中绝缘子串信息，建立绝缘子串的参数化族，并
导入倾斜悬吊管母线模型生成装置中的参数化模型库中，通过绝缘子串参数化模型生成v型绝缘子串模型。其中，参数化模型按照设定的绝缘子串参数、空间定位信息完成空间布置。
[0107]
s413、基于设计输入参数水平档距x、垂直档距y、横向档距z和s412中绝缘子串模型，进行管母线模型空间定位，确定相间距、相地距离、悬挂高度，具体包括以下步骤：
[0108]
(1)首先在revit软件环境中的楼层平面中点选悬吊管母线b相布置位置：
[0109]
选取第一点为管母线布置起点，位置为b相管母线与架构宽度中心线的交点；选取第二点为管母线布置的终点，位置为b相管母线与架构宽度中心线的交点；
[0110]
(2)程序首先进行管母线高度计算：h
g
＝h
j
‑
y，其中，h
g
是管母线高度，h
j
是架构高度，y是垂直档距；
[0111]
(3)计算管母线悬挂点的位置，由起点和终点确定管母线布置方向单位向量dir，根据选取点、水平档距x、架构宽度、架构跨距完成空间计算；
[0112]
(4)确定绝缘子串挂点位置，根据选取点、横向档距z、架构宽度、架构跨距完成空间计算；
[0113]
(5)根据绝缘子串挂点和管母线悬挂点，确定绝缘子串空间模型定位，调用绝缘子串参数化模型；
[0114]
(6)根据管母线高度h
g
和悬挂点位置，调用管母线直径长度参数驱动生成模型；
[0115]
(7)按照相间距等参数进行空间复制移动，完成a相和c相倾斜悬吊管母线模型生成。
[0116]
s414、管母线模型采用直径、长度参数驱动生成模型，按照管母线空间定位信息完成空间布置。
[0117]
其中，基于s31参数计算管母线长度l
m
的公式如下：
[0118]
l
m
＝l
k
‑
l
left
‑
l
right
‑
b
[0119]
其中，b是架构宽度，l
k
是架构跨距，l
left
是左侧悬臂长度,l
right
是右侧悬臂长度。
[0120]
s415、通过extensible storage framework接口，在管母线模型中写入设计输入参数和结果进行存储，当模型改变后，用于与新模型的数据比较分析。
[0121]
s42、倾斜悬吊管母线模型修改。
[0122]
如图8所示，s42中，倾斜悬吊管母线模型修改，具体包括以下步骤：
[0123]
s421、对管母线模型进行修改。
[0124]
倾斜悬吊管母线的模型实体修改时，新的数据值传入倾斜悬吊管母线的计算装置，通过计算校验后执行模型修改，具体包括以下情况：
[0125]
(1)管母线模型跨距修改后计算结果挠度d并校验是否小于限值要求，校验合格后移动绝缘子模型，并重新生成管母线模型；
[0126]
(2)管母线型号修改，调整设计输入参数，进行s3参数计算与校验，校验合格后调用参数化管母线模型，并重新生成管母线模型；
[0127]
(3)管母线布置参数修改后计算管母线位移并与a1值校验，校验合格后移动绝缘子模型以及管母线模型。
[0128]
s422、对绝缘子模型进行修改。
[0129]
对缘子模型进行修改，具体包括以下情况：
[0130]
(1)绝缘子型号修改，调整设计输入参数，进行s3参数计算与校验，校验合格后调用参数化绝缘子模型，重新生成模型；
[0131]
(2)绝缘子串定位尺寸修改，调整设计输入参数，进行s3参数计算与校验，校验合格后调用参数化绝缘子模型，重新生成模型。
[0132]
生成的倾斜悬吊管母线模型如图9所示。
[0133]
综上所述，本发明通过开发倾斜悬吊管母线计算装置与倾斜悬吊管母线模型生成装置，将模型生成与计算校核紧密结合，保证生成的倾斜式悬吊管母线模型满足工程设计要求，实现了倾斜式悬吊管母线计算数据与模型实体产生了映射关系，建立更有效、更准确的几何模型，实现了变电站倾斜悬吊式管母线的自动三维设计。