CN110046405A - 一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法，包括以下过程：获取杆塔设计的工程基本信息，其中工程基本信息包括工程地形数据和杆塔基本参数；根据工程基本信息进行杆塔系列规划，得到杆塔系列中不同塔型的杆塔使用条件；对杆塔系列中不同塔型的塔头三维单线模型进行设计；根据杆塔基本参数、杆塔使用条件和三维单线模型，计算各工况电气荷载；对杆塔结构进行三维设计优化，得到杆塔的三维模型；对杆塔的三维模型进行三维挂点校验，校验合格则完成杆塔的三维设计。本发明将杆塔规划设计的环节均在三维设计系统中一体化完成，有利于避免各环节工作人员的重复劳动，杜绝各环节衔接过程中的信息缺失和错误，提高杆塔设计的数字化水平。

Description

一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法及系统

技术领域

本发明属于输电工程设计技术领域，具体涉及一种架空输电线路杆塔三维协同规划设计方法及系统。

背景技术

传统杆塔规划设计流程中各环节的工作相对独立，即使采用计算机CAD辅助工作，环节之间的衔接也大多由人工完成。环节与环节之间、不同专业之间、不同的参建单位之间流转的中间资料和最终成品均为二维状态，不仅不够直观，在加工、施工的过程中往往还需要二次加工，导致浪费大量时间，降低了工作效率。

输电杆塔作为输电线路的重要组成部件，一般约占线路本体总投资的30%，研发大荷载、高强度的输电杆塔是保证电网安全稳定运行的重要技术手段，而目前杆塔规划设计的各环节相对独立，环节之间缺乏有效衔接，造成设计建模信息流转不畅、流程链整体效率较低。随着电网建设进入新的阶段，设计及加工各环节信息共享，信息融合的需求越来越强烈，构建输电杆塔设计一体化平台，实现杆塔规划、设计与加工的业务融合和信息共享，促进杆塔规划设计提高显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法及系统，该设计方法及系统中输电电气专业的杆塔系列规划、塔头尺寸设计、电气荷载计算，输电结构专业的杆塔建模、结构计算、放样级模型生成，专业间的提资与会签均采用三维设计技术，通过协同工作完成，各个设计环节与工程各参建单位之间流转的中间资料和最终成品均为三维模型，促进了设计与加工的有机协同并减少重复性建模工作，可提升整个产业链的效率，进一步提高线路工程设计的数字化水平。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法，其特征是，包括以下过程：

S1，获取杆塔设计的工程基本信息，其中工程基本信息包括工程地形数据和杆塔基本参数；

S2，根据工程基本信息进行杆塔系列规划，得到杆塔系列中不同塔型的杆塔使用条件；

S3，对杆塔系列中不同塔型的塔头三维单线模型进行设计；

S4，根据杆塔基本参数、杆塔使用条件和三维单线模型，计算各工况电气荷载；

S5，对杆塔结构进行三维设计优化，得到杆塔的三维模型；

S6，对杆塔的三维模型进行三维挂点校验，校验合格则完成杆塔的三维设计。

进一步的，工程地形数据包括工程地形数据、沿线地形平断面图、导地线参数；杆塔基本参数包括金具串尺寸与重量、三维金具模型、断线张力与不平衡张力系数、电气间隙、以及杆塔电气间隙计算和杆塔电气荷载计算所必须的工程基本参数。

进一步的，塔头三维单线模型设计包括：

根据杆塔规划条件绘制三维空间间隙圆；

选定塔头型式并调整塔头各组成模块的尺寸，得到塔头三维单线模型。

进一步的，对杆塔的三维模型进行三维挂点校验包括：

将三维金具模型与杆塔的挂点三维模型进行适配，，如杆塔挂点与金具匹配则通过校验。

相应的，本发明还提供了一种架空输电线路杆塔三维协同规划设计系统，其特征是，包括基础数据获取模块、杆塔系列规划模块、塔头设计模块、电气荷载计算模块、三维杆塔建模模块和三维挂点校核模块；

基础数据获取模块，用于获取杆塔设计的工程基本信息，其中工程基本信息包括工程地形数据和杆塔基本参数；

杆塔系列规划模块，用于根据工程基本信息进行杆塔系列规划，得到杆塔系列中不同塔型的杆塔使用条件；

塔头设计模块，用于对杆塔系列中不同塔型的塔头三维单线模型进行设计；

电气荷载计算模块，用于根据杆塔基本参数、杆塔使用条件和三维单线模型，计算各工况电气荷载；

三维杆塔建模模块，用于对杆塔结构进行三维设计优化，得到杆塔的三维模型；

三维挂点校核模块，用于对杆塔的三维模型进行三维挂点校验，校验合格则完成杆塔的三维设计。

进一步的，工程地形数据包括工程地形数据、沿线地形平断面图、导地线参数；杆塔基本参数包括金具串尺寸与重量、三维金具模型、断线张力与不平衡张力系数、电气间隙、以及杆塔电气间隙计算和杆塔电气荷载计算所必须的工程基本参数。

进一步的，塔头设计模块中，塔头三维单线模型设计包括：

根据杆塔规划条件绘制三维空间间隙圆；

选定塔头型式并调整塔头各组成模块的尺寸，得到塔头三维单线模型。

进一步的，三维挂点校核模块中，对杆塔的三维模型进行三维挂点校验包括：

将三维金具模型与杆塔的挂点三维模型进行适配，，如杆塔挂点与金具匹配则通过校验。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1）本发明杆塔系列规划、塔头尺寸规划、荷载计算、杆塔模型建立、模型放样、施工图生成等杆塔规划设计的环节均在三维设计系统中一体化完成，有利于避免不同专业设计人员、制图人员、塔厂放样等各环节工作人员的重复劳动，杜绝各环节衔接过程中的信息缺失和错误，提高杆塔设计的数字化水平；

2）本发明设计阶段实现联塔金具与挂点的三维试装配，可有效避免施工过程中发生金具无法安装或与铁塔构件发生碰撞的现象；

3）本发明设计输出除了传统的二维杆塔结构图和放样图外，还提供供项目建设各单位共享的放样级杆塔三维模型，有助于工程信息的三维数字化移交和数字化运行维护，为建管和运维提供了便利，提高整个电网运行的可靠度；

4）本发明针对目前输电线路工程三维设计的发展方向，立足于输电三维设计平台，可以和输电线路三维设计平台整合，既可方便的利用线路三维设计平台中的输入数据，也可为线路三维设计提供更便捷的杆塔规划设计功能。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是三维智能排位及杆塔系列规划流程图；

图3是塔头三维单线模型设计流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法，包括以下过程：

S1，获取杆塔设计的工程基本信息，其中工程基本信息包括工程地形数据和杆塔基本参数；

S2，根据工程基本信息进行杆塔系列规划，得到杆塔系列中不同塔型的杆塔使用条件；

S3，对杆塔系列中不同塔型的塔头三维单线模型进行设计；

S4，根据杆塔基本参数、杆塔使用条件和三维单线模型，计算各工况电气荷载；

S5，对杆塔结构进行三维设计优化，得到杆塔的三维模型；

S6，对杆塔的三维模型进行三维挂点校验，校验合格则完成杆塔的三维设计。

实施例

本发明的一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法，图1为该方法的流程图，设计人员实施杆塔规划设计时包括以下步骤：

步骤1.电气专业设计人员首先选定工程的基本信息，如线路路径、电压等级、导地线型号、金具串型、气象条件等，根据设计人员的选取结果查询基础数据库中的数据，从而得到工程地形数据、沿线地形平断面图、导地线参数、金具串尺寸与重量、三维金具模型、断线张力与不平衡张力系数、电气间隙等杆塔电气间隙计算和杆塔电气荷载计算所必须的工程基本参数。

基础数据库是一个可维护的基础数据库，涵盖了通用设计库，标准工艺库，规程规范库，地理信息库，输电专题图，导、地线数据库，气象条件库等线路杆塔设计需要的各方面基础数据，为后续设计提供基础数据支持；同时数据库是一个可维护的数据库，设计人员在设计过程中也可随时将原数据库中未涵盖的数据补充入基础数据库中。

2.电气专业设计人员进行杆塔系列规划，得到杆塔系列中不同塔型的水平档距、垂直档距、呼高、KV值等杆塔使用条件，这些杆塔使用条件同时也作为杆塔电气间隙计算与杆塔电气荷载计算的输入条件，该步骤具体如图2所示。

杆塔系列的规划为现有技术，具体是指一个线路工程的杆塔系列可以根据需要规划成3种塔型、4种塔型、5种塔型等等，每种塔型有不同的适用档距条件，适用档距越大的塔重越重，理论上规划的越多，塔的使用档距划分的越细，使工程的塔重指标越低，但是规划的塔型越多设计及加工就会越繁琐，所以设计人员一般会认为塔的种类继续增加对塔重指标影响比较小时的杆塔个数为一个合适的杆塔系列，也就是一个比较经济的杆塔系列，该设计方法也是已有常用的设计方法。

三维智能排位及杆塔系列规划工作过程包括以下步骤：

2-1）电气专业设计人员判断已设计杆塔对工程的适用性，设计项目组成员经过评估确定是否需要新规划杆塔，如已有杆塔可直接套用则不进入杆塔规划流程，直接调用已有杆塔的三维放样级模型用于工程设计，如已有杆塔不可直接套用，则进入杆塔规划流程；

2-2）进入杆塔规划流程后，系统调用步骤一中获取的沿线地形平断面定位图，利用排位软件进行三维智能排位，排位软件可根据沿线地形平断面图中对地物的属性编辑识别地表的房屋、公路、河流等障碍物并自动避让，智能避障排位的目标为在满足技术要求的条件下使工程造价最低。

2-3）根据排位结果统计整条线路杆塔的水平档距、垂直档距、KV值、呼高等数据的分布概率。根据分布概率采用单纯形法开展1塔、2塔、3塔、4塔、5塔……等多塔方案的杆塔系列规划，然后按照规划的杆塔系列的杆塔使用条件对排位结果中杆塔水平档距利用率小的塔位的塔型或位置进行调整，提高整体的杆塔水平档距利用率，调整完毕后统计杆塔水平档距利用率、塔重指标等结果；

2-4）电气专业设计人员根据杆塔水平档距利用率、塔重指标等统计结果，比较1塔、2塔、3塔、4塔、5塔……等多塔方案的杆塔系列经济性，当规划的杆塔个数增加引起的塔重指标降低低于某一设定的百分比时，电气专业设计人员确定杆塔系列中的塔型个数和各塔型的使用条件。

3.电气专业设计人员对杆塔系列中不同塔型的塔头三维单线模型进行设计，同时三维单线模型尺寸也作为杆塔电气荷载计算的输入，该步骤具体如图3所示。

首先根据杆塔规划条件绘制三维空间间隙圆，电气专业设计人员选定塔头型式后，调整塔头各组成模块的尺寸，进行电气间隙校验后，得到塔头三维单线模型。具体工作过程包括以下步骤，

3-1）电气专业设计人员按照工程需要选择典型的塔头型式，即选定各相导线排列方式，如酒杯塔、猫头塔、鼓型塔、伞型塔等；

3-2）电气专业设计人员根据步骤一中获取的工程基本输入参数、步骤二中获取的杆塔使用条件可利用软件计算各工况的风偏角、小弧垂，并根据步骤一中得到的电气间隙绘制各相三维间隙圆（专业名词，用于校核到校距离塔材杆件的距离是否满足各工况的电气间隙要求），各相三维间隙圆按照选定的导线排列方式排列（导线排列方式即是2-1）中的酒杯塔、猫头塔、鼓型塔等，均为杆塔设计的专业名词）；

3-3)根据电气专业设计人员选定的塔头型式调用塔头的各分段模块（根据各种塔头型式的形状，预制了可拼接成塔头的分段组成模块）进行塔头拼接，然后根据三维间隙圆调整各模块尺寸，进行电气间隙校验后，最后得到符合设计规范的三维塔头单线模型，并提资给结构专业设计人员；

3-4)结构专业设计人员根据杆件受力分析，判断是否需要对受力不合理的杆件布置进行调整，塔头尺寸调整后返回给电气专业设计人员，电气专业设计人员再次对塔头间隙是否满足设计规范进行校核（电气人员校核的是结构专业对塔头尺寸进行微调后导线距离塔材杆件的间隙是否满足规范要求），如有调整再次提资给结构专业设计人员，直至形成电气、结构两专业达成一致的三维塔头单线模型。

4.电气专业设计人员计算各工况电气荷载，并提资给结构专业设计人员。

根据步骤一中获取的杆塔基本参数、步骤二中获取的杆塔使用条件、步骤三中获取的三维单线模型尺寸调用电气荷载计算公式计算各工况电气荷载（此是现有技术，根据电力设计规范计算），并将电气荷载提资给结构专业设计人员；

5.结构专业设计人员进行三维设计优化和三维放样，得到杆塔三维放样级模型；

三维设计优化和三维放样具体工作过程包括以下步骤，

5-1）结构专业设计人员开展输电杆塔结构的三维设计优化，杆塔三维设计优化包含三部分：杆塔结构设计、杆塔动力分析和有限元数值模拟；

杆塔结构设计包含杆塔整塔外形尺寸、节间布置、交叉材布置、横隔面布置、塔腿布置、辅助材设计、塔身节点设计、横担挂点设计和主材弯矩校核等；杆塔动力分析包含杆塔模态分析、风振系数模拟分析、微风振动分析及施工过程模拟；杆塔有限元模拟分析包含节点静力模拟、节点疲劳模拟、挂点静力模拟和挂点疲劳模拟。上述杆塔结构设计、杆塔动力分析和有限元数值模拟，均由结构专业设计人员调用系统中集成的第三方计算软件模块自动完成。

5-2）三维设计优化完成以后，结构专业设计人员开展杆塔结构的三维制图和放样，得到杆塔的放样级三维模型；

6.结构专业设计人员进行三维挂点校验。

可利用基础数据库中的三维挂点金具模型，用于检查挂点金具与杆塔挂点的匹配性，与动态摩擦、碰撞关系。

具体工作过程包括以下步骤，

6-1）调用步骤1中获取的三维金具模型与杆塔挂点三维实体模型进行适配，查看二者之间的配合和干涉关系，如杆塔挂点与金具匹配则通过校验，如果杆塔挂点与金具不匹配（如孔径与螺栓直径不匹配、挂板间距与金具宽度不匹配），则系统将不匹配信息提供给结构专业设计人员；

6-2）结构专业设计人员对杆塔挂点进行修改，金具三维实体模型与杆塔挂点三维实体模型重新进行适配，直至杆塔挂点通过校验。

相应的，本发明还提供了一种架空输电线路杆塔三维协同规划设计系统，其特征是，包括基础数据获取模块、杆塔系列规划模块、塔头设计模块、电气荷载计算模块、三维杆塔建模模块和三维挂点校核模块；

基础数据获取模块，用于获取杆塔设计的工程基本信息，其中工程基本信息包括工程地形数据和杆塔基本参数；

杆塔系列规划模块，用于根据工程基本信息进行杆塔系列规划，得到杆塔系列中不同塔型的杆塔使用条件；

塔头设计模块，用于对杆塔系列中不同塔型的塔头三维单线模型进行设计；

电气荷载计算模块，用于根据杆塔基本参数、杆塔使用条件和三维单线模型，计算各工况电气荷载；

三维杆塔建模模块，用于对杆塔结构进行三维设计优化，得到杆塔的三维模型；

三维挂点校核模块，对杆塔的三维模型进行三维挂点校验，校验合格则完成杆塔的三维设计。

进一步的，工程地形数据包括工程地形数据、沿线地形平断面图、导地线参数；杆塔基本参数包括金具串尺寸与重量、三维金具模型、断线张力与不平衡张力系数、电气间隙、以及杆塔电气间隙计算和杆塔电气荷载计算所必须的工程基本参数。

进一步的，塔头设计模块中，塔头三维单线模型设计包括：

根据杆塔规划条件绘制三维空间间隙圆；

选定塔头型式并调整塔头各组成模块的尺寸，得到塔头三维单线模型。

进一步的，三维挂点校核模块中，对杆塔的三维模型进行三维挂点校验包括：

将三维金具模型与杆塔的挂点三维模型进行适配，，如杆塔挂点与金具匹配则通过校验。

本发明的有益效果是：

1.本发明杆塔系列规划、塔头尺寸规划、荷载计算、杆塔模型建立、模型放样、施工图生成等杆塔规划设计的环节均在三维设计系统中一体化完成，有利于避免不同专业设计人员、制图人员、塔厂放样等各环节工作人员的重复劳动，杜绝各环节衔接过程中的信息缺失和错误，提高杆塔设计的数字化水平。

2.本发明设计阶段实现联塔金具与挂点的三维试装配，可有效避免施工过程中发生金具无法安装或与杆塔构件发生碰撞的现象。

3.本发明设计输出除了传统的二维杆塔结构图和放样图外，还提供供项目建设各单位共享的放样级杆塔三维模型，有助于工程信息的三维数字化移交和数字化运行维护，为建管和运维提供了便利，提高整个电网运行的可靠度。

4.本发明针对目前输电线路工程三维设计的发展方向，立足于输电三维设计平台，可以和输电线路三维设计平台整合，既可方便的利用线路三维设计平台中的输入数据，也可为线路三维设计提供更便捷的杆塔规划设计功能。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法，其特征是，包括以下过程：

S1，获取杆塔设计的工程基本信息，其中工程基本信息包括工程地形数据和杆塔基本参数；

S2，根据工程基本信息进行杆塔系列规划，得到杆塔系列中不同塔型的杆塔使用条件；

S3，对杆塔系列中不同塔型的塔头三维单线模型进行设计；

S4，根据杆塔基本参数、杆塔使用条件和三维单线模型，计算各工况电气荷载；

S5，对杆塔结构进行三维设计优化，得到杆塔的三维模型；

S6，对杆塔的三维模型进行三维挂点校验，校验合格则完成杆塔的三维设计。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法，其特征是，工程地形数据包括工程地形数据、沿线地形平断面图、导地线参数；杆塔基本参数包括金具串尺寸与重量、三维金具模型、断线张力与不平衡张力系数、电气间隙、以及杆塔电气间隙计算和杆塔电气荷载计算所必须的工程基本参数。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法，其特征是，塔头三维单线模型设计包括：

根据杆塔规划条件绘制三维空间间隙圆；

选定塔头型式并调整塔头各组成模块的尺寸，得到塔头三维单线模型。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路杆塔三维协同规划设计方法，其特征是，对杆塔的三维模型进行三维挂点校验包括：

将三维金具模型与杆塔的挂点三维模型进行适配，，如杆塔挂点与金具匹配则通过校验。

5.一种输电线路杆塔三维协同规划设计系统，其特征是，包括基础数据获取模块、杆塔系列规划模块、塔头设计模块、电气荷载计算模块、三维杆塔建模模块和三维挂点校核模块；

基础数据获取模块，用于获取杆塔设计的工程基本信息，其中工程基本信息包括工程地形数据和杆塔基本参数；

杆塔系列规划模块，用于根据工程基本信息进行杆塔系列规划，得到杆塔系列中不同塔型的杆塔使用条件；

塔头设计模块，用于对杆塔系列中不同塔型的塔头三维单线模型进行设计；

电气荷载计算模块，用于根据杆塔基本参数、杆塔使用条件和三维单线模型，计算各工况电气荷载；

三维杆塔建模模块，用于对杆塔结构进行三维设计优化，得到杆塔的三维模型；

三维挂点校核模块，用于对杆塔的三维模型进行三维挂点校验，校验合格则完成杆塔的三维设计。

6.根据权利要求5所述的一种输电线路杆塔三维协同规划设计系统，其特征是，工程地形数据包括工程地形数据、沿线地形平断面图、导地线参数；杆塔基本参数包括金具串尺寸与重量、三维金具模型、断线张力与不平衡张力系数、电气间隙、以及杆塔电气间隙计算和杆塔电气荷载计算所必须的工程基本参数。

7.根据权利要求5所述的一种输电线路杆塔三维协同规划设计系统，其特征是，塔头设计模块中，塔头三维单线模型设计包括：

根据杆塔规划条件绘制三维空间间隙圆；

选定塔头型式并调整塔头各组成模块的尺寸，得到塔头三维单线模型。

8.根据权利要求5所述的一种输电线路杆塔三维协同规划设计系统，其特征是，三维挂点校核模块中，对杆塔的三维模型进行三维挂点校验包括：

将三维金具模型与杆塔的挂点三维模型进行适配，，如杆塔挂点与金具匹配则通过校验。