基于数字孪生技术的架空输电线路运维

基于数字孪生技术的架空输电线路运维

刘保鑫

云南电网有限责任公司丽江供电局 云南丽江  674100

摘要：随着现代化社会的飞速发展，架空输电线路是电力传输的主要通道，其运维管理工作直接影响电网的正常安全运行。根据国内外的电力设备及输电线路的管理状况，通过合理制定管理措施，提高架空输电线路的运维水平，能够保证电力可靠输出。为了提升架空输电线路的安全性与可靠性，需要研究一种架空输电线路运维技术。数字孪生技术是一种将实体世界中的物理对象或过程与其数字化模型相连接并进行交互的技术。其基于对物理对象或过程的深度建模和仿真，通过数据传感器、物联网、虚拟现实等技术手段，将实时的数据与数字模型进行同步，实现对物理对象的真实时间监测、分析和预测。

关键词：数字孪生技术；架空输电线路；运维；措施

近年来，随着国家数字新基建战略、“双碳”目标及构建新型电力系统等的提出，具有随机性、间歇性、波动性特征的分布式能源快速增长，储能装置、V2G等交互式能源设施以及其他多种能源基础设施大量接入，使得电力系统呈现出结构更加复杂、设备更加繁多、技术更加庞杂的趋势。因此，电力数字化转型之路亟需加快，数字孪生电网应运而生。

1数字孪生模型

1.1设备模型

采集并分析输电设备的几何形状数据，并将搜集到的杆塔本体、导地线、绝缘子、间隔棒等金具数据进行三维重建计算，在虚拟世界中创建架空输电线路模型，采用激光扫描技术完成通道环境搭建，还原电力设施运行场景。

1.2数据传输

在设备数字孪生模型基础上，引入现场遥信、遥测、环境监测等多类型实时数据流，全方位掌握现场运行情况和真实环境信息，从而为远程巡视提供数据支撑和决策依据。

1.3数据映射

将设备模型与即时数据进行孪生映射，从而实现实时查看设备信息、导线符合状态、缺陷记录，实现远程巡视与现场巡视的完全一致，满足远程巡视要求。

2基于数字孪生技术的架空输电线路运维措施

2.1架空输电线路运维预测分析

通过对架空输电线路运维预测分析，可以提前发现潜在的问题，及时进行维护和修复，从而保障输电线路的正常运行和安全性。数字孪生技术结合预测模型的应用，可以帮助运维人员更好地管理和维护输电线路，提高运维效率和可靠性。运用输电线路模型对输电线路运维过程状态进行仿真分析，判断可能出现的危害现象。将类别特征转化为数据进行训练，通过使用变量分箱的方式进行属性特征处理，这样能够使得数据在同一种假设分布中，消除模型的拟合偏差，提升模型的预测性能。在对输电线路的数据变量进行分箱过程中，以负样本的比例差值为基础，将类别变量相同的分到一个箱中，计算不同箱的权重值，使权重满足设定条件。根据计算的信息熵对分量结构进行调整，使得信息熵达到最大，为最优分箱效果。

2.2全天候远程通道可视替代人工通道巡视

应用人工智能图像识别、边缘计算等技术对采集照片进行分析判断并自动告警，全面掌控通道实景信息，提高通道巡视的自主预警能力。为基层班组配置可视化巡视终端，第一责任人为班长，同时全员开展移动端可视化巡视，第一责任人为设备主人，形成PC端+移动端的双重通道可视化巡视模式。制订通道可视化巡视管理制度，规范化管理基层班组远程通道巡视作业，通道可视化巡视周期根据线路区段重要程度确定，其中，危险点、三跨等重要区段，设备主人每半天至少查看一次最新通道图片；厂区、苗木等临时吊装点等其他特殊区段，设备主人每天至少查看一次最新通道图片；一般区段，设备主人每三天至少查看一次最新通道图片；设备主人即时复核设备自动识别的告警图片。实现远程通道可视替代人工通道巡视。

2.3自主运维

通过构建数字孪生管控平台,实现了对设备的全景监测、状态评价等功能，准确掌握各设备的运行状态,从而实现虚拟巡视功能,在提升运维效率的同时降低人力成本投入，并依托激光点云三维模型进行,还能够自动生成抢修工单,将故障影响范围、维修建议等信息推送给工作人员。

2.4数字孪生技术监控数据处理

数字孪生技术在输电线路监控数据处理中可以应用于特征提取、异常数据告警、数据降维和投影、数字孪生三维建模及贝叶斯网络分析等方面，对有效处理监控数据并提升输电线路的安全性、可靠性具有重要意义。为解决输电线路监控视频数据问题，需要对数据进行特征提取。运用数字孪生技术进行异常数据告警，能够提升输电线路的告警准确性。通过模型获得距离观测点最近的三维输电线路的信息，就能够提高数字孪生效率。

2.5图像信息的优化

图像信息采集时受照度的影响，很容易出现图形畸变、图像模糊问题。尤其是在全自动巡检机器人使用过程中，周围林木形态复杂、光照强度差异明显，输电线路故障缺陷信息提取难度较大。针对以上问题，本次设计过程中对图像处理模型进行优化，包括灰度化、二值化、滤波去噪、锐化等。故障诊断环节，远程终端需将全自动巡检机器人拍摄的正射影像，通过其附带坐标信息进行解算，去除重叠部分拼接成完整图片。一般可采用Unet网络提取方法，对目标稠密区域、线路存在精度偏低、边缘粘连等干扰项进行剔除，在加深网络中形成清晰的输电线路运行图像。若背景环境特别复杂，还可在直接向深层网络输入大量原始图像数据，对图像数据进行复杂处理，得到准确的输电线路故障缺陷特征。

2.6外破预警

根据不同外破监测场景及其运行环境，进行外破关联分析监测，采用图像智能分析方法，监测输电线路保护区内大型机械、现场施工等情况，实现输电线路外破场景状态及可视化的分布式在线实时监测及预警。通过智能化外破感知终端、高位全景视频监测数据等软硬件的自动关联，实现智能巡视、外破类型智能判别，提升防外破巡视效率。

2.7故障判别

智能机器人在用于输电线路巡检时，如果遇到事故，肯定不能正常进行工作。所以，对智能机器人来说，自主故障诊断和复位是关键的功能，依据对故障处理方法的区别，主要以自恢复故障、可替换故障、需修复故障为主[3]。当出现了可自恢复故障时，机器人中的有关模块可自动排查故障；而可替换故障主要是机器人在出现了故障以后，能够自动采取替换方案，减小故障所造成的危害；当机器人出现了需修复故障后，机器人一般无法正常使用，需停止巡检工作由人工处理机器人的故障。

在智能机器人使用中，机械故障相对常见，这类型故障多表现为机械传动部件之间的约束，这种约束下，机构无法正常使用。当驱动单元驱动展臂机构运动时，智能机器人检测到的驱动器反馈计数，不呈线性变化关系，未产生传感器限位信号，当出现了这一方面的表现后，意味着机器人展臂机构被锁死，在检测到了这一方面的故障后，控制系统停止运行，应由专人来处理。

结论

数字孪生技术是一种将实际物理系统与数字模型相结合的先进技术。在输电线路的运维中，数字孪生技术可以帮助运营商实现智能化、高效化的运维管理。通过对线路数据的实时监测和分析，数字孪生技术可以帮助预测线路的运行状态，提前发现潜在故障隐患，并实现线路的智能维护。从架空输电线路运维入手，文章研究了数字孪生技术等相关问题，探究了基于数字孪生技术的架空输电线路运维应用。通过对电网输电线路进行维护等，提高电网运维效率，及时发现线路的异常现象，降低故障发生率。

参考文献：

[1]王益民,王静平,仇丽.基于数字孪生技术的变电站碳排放监测平台应用[J].工业建筑,2021,51(12):207.

[2]尚可,张宇琳,张飞舟.基于数字孪生技术的智慧停车场总体架构[J].北京航空航天大学学报,2023,49(8):2029-2038.

[3]朱艺雯.数字孪生技术驱动下智慧图书馆场景化服务模式研究[J].互联网周刊,2022(24):25-27.

[4]马超,梁科,李新平,等.数字孪生技术在高压电缆领域的应用探索[J].高压电器,2023,59(1):70-76.