CN111832914B - 一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法及系统，包括：以输电线路结构参数和外部载荷为输入，以对不同环境条件下输电线路对应的受力状态、损伤状态以及疲劳寿命为输出，训练机器学习模型；构建所述待评估输电线路的数字孪生模型；将待评估输电线路沿线的实时环境状态信息传输至所述数字孪生模型，输出待评估输电线路对应的受力信息、损伤信息以及疲劳状态，实时评估待评估输电线路的结构健康状况。本发明通过在数字空间对输电线路健康状态进行实时监测与评估，缺陷识别更全面，且识别效率更高。
Description
技术领域
本申请属于输电线路检测技术领域，尤其是涉及一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法及系统。
背景技术
输电线路是电能传输的大动脉，其健康安全运行是国家能源安全的重要组成部分。输电线路的安全运行包含两个部分：电能的安全传输、输电线路的结构健康。输电线路结构复杂，由众多部件连接构成，包含铁塔、绝缘子、导线以及各种连接金具等。在长时间的运行过程中，各部件发生腐蚀、磨损、疲劳等损伤不可避免，一旦损伤达到破坏极限，而不能被及时发现，将会发生倒塔、断线等事故，影响电力的安全供应。
当前，为了避免事故的发生，需要投入大量的人力进行输电线路巡视，进行缺陷识别与消除。即便如此，类似悬垂线夹内部导线断股等隐蔽缺陷不能有效识别，依然会导致事故的发生；另外，现场运维对于微小缺陷不能识别，无法在最初阶段控制缺陷；除此之外，由于缺乏有效的评估手段，被识别的缺陷是否会影响输电线路的安全，无法准确判断，完全依靠现场人员的经验，加大了风险。
并且，目前的人工运维只能做到局部的缺陷识别与消除，并不能整体评估输电线路的结构健康。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中依靠人工运维对输电线路进行检测，只能做到局部的缺陷识别与消除，不能整体评估输电线路的结构健康的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法及系统，本发明为待评估输电线路在数字空间建立一个数字孪生模型，该数字孪生模型与待评估输电线路在线监测装置之间进行数据交换，完全再现待评估输电线路的运行状态，在数字空间对输电线路健康状态进行实时监测与评估，缺陷识别更全面，且识别效率更高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法，包括：
将待评估输电线路沿线的实时环境状态信息传输至预先构建的待评估输电线路的数字孪生模型；
根据所述数字孪生模型输出的待评估输电线路各部件对应的受力信息、损伤信息以及疲劳状态，评估待评估输电线路的结构健康状况。
本发明第二方面提供一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估系统，包括：
数据监测传输模块，用于将待评估输电线路沿线的实时环境状态信息传输至预先构建的待评估输电线路的数字孪生模型；
评估模块，用于根据所述数字孪生模型输出的待评估输电线路各部件对应的受力信息、损伤信息以及疲劳状态，评估待评估输电线路的结构健康状况。
本发明的有益效果是：本发明为待评估输电线路在数字空间建立一个数字孪生模型，该数字孪生模型与待评估输电线路在线监测装置之间进行数据交换，完全再现待评估输电线路的运行状态，在数字空间对输电线路健康状态进行实时监测与评估，缺陷识别更全面，且识别效率更高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例的健康评估方法流程图；
图2是本申请实施例的数字孪生模型输出的电力金具U型环磨损状态示意图；
图3是本申请实施例建立的有限元模型。
图中，1-铁塔、2-导线、3-金具。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法，如图1所示，包括：
将待评估输电线路沿线的实时环境状态信息传输至预先构建的待评估输电线路的数字孪生模型；
根据所述数字孪生模型输出的待评估输电线路各部件对应的受力信息、损伤信息以及疲劳状态，评估待评估输电线路的结构健康状况。
本实施例中所述输电线路的主要部件有：导线、避雷线、金具、绝缘子、铁塔、拉线和接地装置等。本实施例主要针对的待评估输电电路的部件包括导线、铁塔和金具。
铁塔即输电塔，由于运行环境的特殊性，会出现一些例如倒塌、折断等事故，尽管铁塔的结构也进行了改进，也仍然不能避免出现损坏的风险，而这些事故均是由于受力异常导致。
电力金具在输变电中有非常重要的作用，而电力金具U型环的疲劳寿命对电力金具的正常运行非常重要，不同载荷下，U型环的疲劳寿命也是不同的，电力金具U型环的磨损受风速的影响。
导线是固定在铁塔上输送电流用的金属线，由于导线常年在大气中运行，受拉力、风、冰、雨、雪和温度变化的影响，以及空气中所含化学杂质的侵蚀，很容易出现损伤、断股等故障。若导线发生损伤或断股时，通过导线的过载流量过大，局部发热氧化，应及时处理。
本实施例针对上述导线、金具和铁塔的故障情况，通过检测损伤信息、疲劳状态信息以及受力信息，来评估输电线路的结构健康状况。本实施例输入数字孪生模型的实时环境状态信息主要包括温度、风速、覆冰状态信息。
本实施例为待评估输电线路在数字空间建立一个数字孪生模型，该数字孪生模型与待评估输电线路在线监测装置之间进行数据交换，完全再现待评估输电线路的运行状态，在数字空间对输电线路健康状态进行实时监测与评估。如图2所示，即为本实施例数字孪生模型输出的电力金具U型环磨损状态。
可选的是，本实施例构建数字孪生模型的方法为：
根据电力GIS系统以及输电线路建设资料，在训练好的机器学习模型中输入待评估输电线路的结构信息和部件信息，构建所述待评估输电线路的数字孪生模型，其中，所述机器学习模型以典型输电线路结构参数和外部载荷为输入，以有限元计算的不同环境条件下所述典型输电线路对应的受力状态、损伤特征以及寿命极限为输出。
本实施例通过机器学习算法，以典型输电线路结构参数和外部载荷为输入，以有限元计算的不同环境条件下所述典型输电线路对应的受力状态、损伤特征以及寿命极限为输出，训练机器学习模型，并将训练好的机器学习模型保存，每次有新的输电线路需要评估时，就调用该机器学习模型，构建对应的数字孪生模型。
可选的是，本实施例还包括计算典型输电线路各部件的受力状态、损伤特征以及寿命极限的步骤：
S1:使用热模拟试验机，测量输电线路铁塔、金具、导线等的结构参数，并依据所述结构参数建立典型输电线路耐张段的有限元模型。
本实施例的结构参数主要包括弹性模量、应力-应变曲线、泊松比等，结构参数要足够丰富，尽量覆盖实际输电线路耐张段可能具备的结构。
本实施例所述的有限元模型必须包含铁塔1、关键连接位置处的金具3、导线2的三维实体模型，如图3所示即为本实施例建立的有限元模型。
S2:以测量得到的所述结构参数为输入条件，采用S1所述有限元模型，计算不同风速、覆冰、振动等条件下典型输电线路导线、金具、铁塔等的受力状态。
S3:根据S2的计算结果，提取所述典型输电线路导线、金具、铁塔的承载特征以及各连接位置的接触应力特征。
S4:实用摩擦磨损试验机测量所述典型输电线路导线、金具、铁塔的所用材料在S3提取的所述接触应力特征条件下的磨损曲线；
S5:将S3提取的所述典型输电线路导线、金具、铁塔的承载特征进行分类总结，使用疲劳试验机，在统计的承载应力幅值和频率范围内，选取多组承载应力幅值和频率，测量所述典型输电线路各部件所用材料的疲劳寿命。
S6:将所述磨损曲线及疲劳寿命作为边界条件，输入S1中建立的所述有限元模型，计算不同风速、覆冰、振动等环境条件下，所述典型输电线路导线、金具、铁塔的损伤特征及寿命极限。
可选的是，本实施例将待评估输电线路的实时环境状态信息传输至所述数字孪生模型的步骤包括：
对待评估输电线路沿线的环境状态进行实时监测，并将所述环境状态的实时监测数据转化为机器学习算法能够识别的数据形式，然后实时传输至数字孪生模型。
本发明为待评估输电线路在数字空间建立一个数字孪生模型，该数字孪生模型与待评估输电线路在线监测装置之间进行数据交换，完全再现待评估输电线路的运行状态，在数字空间对输电线路健康状态进行实时监测与评估，缺陷识别更全面，且识别效率更高。
实施例2：
本实施例提供一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估系统，包括：
数据监测传输模块，用于将待评估输电线路沿线的实时环境状态信息传输至预先构建的待评估输电线路的数字孪生模型；
评估模块，用于根据所述数字孪生模型输出的待评估输电线路各部件对应的受力信息、损伤信息以及疲劳状态，评估待评估输电线路的结构健康状况。
可选的是，还包括数字孪生模型构建模块，用于：
根据电力GIS系统以及输电线路建设资料，在训练好的机器学习模型中输入待评估输电线路的结构信息和部件信息，构建所述待评估输电线路的数字孪生模型，其中，所述机器学习模型以典型输电线路结构参数和外部载荷为输入，以有限元计算的不同环境条件下所述典型输电线路各部件对应的受力状态、损伤特征以及寿命极限为输出。
可选的是，数字孪生模型构建模块还包括计算单元，用于计算典型输电线路各部件对应的受力状态、损伤特征以及寿命极限，具体计算过程包括：
测量输电线路不同部件的结构参数，建立典型输电线路耐张段的有限元模型；
以测量得到的所述结构参数为输入条件，采用所述有限元模型，计算不同环境条件下典型输电线路不同部件的受力状态；
根据计算得到的所述受力状态，提取所述典型输电线路各部件的承载特征以及各连接位置的接触应力特征；
测量所述典型输电线路各部件在提取到的所述接触应力特征条件下的磨损曲线；
将提取的所述典型输电线路各部件的承载特征进行分类总结，在统计的承载应力幅值和频率范围内，选取多组承载应力幅值和频率，测量所述典型输电线路各部件的疲劳寿命；
将所述磨损曲线及疲劳寿命作为边界条件，输入所述有限元模型，计算不同环境条件下，所述典型输电线路各部件的损伤状态及寿命极限。
可选的是，所述数据监测传输模块还用于：
对待评估输电线路沿线的环境状态进行实时监测；
将所述环境状态的实时监测数据转化为机器学习算法能够识别的数据形式，并实时传输至数字孪生模型。
可选的是，所述有限元模型包含所述典型输电线路的铁塔、关键连接位置金具、导线的三维实体模型。
可选的是，所述待评估输电线路的实时环境状态信息包括温度、风速和覆冰状态信息。
本实施例健康评估系统的实现请参阅实施例1。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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。
Claims (8)
1.一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法，其特征在于，包括：
将待评估输电线路沿线的实时环境状态信息传输至预先构建的待评估输电线路的数字孪生模型；
根据所述数字孪生模型输出的待评估输电线路各部件对应的受力信息、损伤信息以及疲劳状态，评估待评估输电线路的结构健康状况；
构建待评估输电线路的数字孪生模型的方法为：
根据电力GIS系统以及输电线路建设资料，在训练好的机器学习模型中输入待评估输电线路的结构信息和部件信息，构建所述待评估输电线路的数字孪生模型，其中，所述机器学习模型以典型输电线路结构参数和外部载荷为输入，以有限元计算的不同环境条件下所述典型输电线路各部件对应的受力状态、损伤特征以及寿命极限为输出。
2.根据权利要求1述的基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法，其特征在于，计算不同环境条件下所述典型输电线路各部件对应的受力状态、损伤特征以及寿命极限的步骤包括：
测量输电线路不同部件的结构参数，建立典型输电线路耐张段的有限元模型；
以测量得到的所述结构参数为输入条件，采用所述有限元模型，计算不同环境条件下典型输电线路不同部件的受力状态；
根据计算得到的所述受力状态，提取所述典型输电线路各部件的承载特征以及各连接位置的接触应力特征；
测量所述典型输电线路各部件在提取到的所述接触应力特征条件下的磨损曲线；以及，将提取的所述典型输电线路各部件的承载特征进行分类总结，在统计的承载应力幅值和频率范围内，选取多组承载应力幅值和频率，测量所述典型输电线路各部件的疲劳寿命；
将所述磨损曲线及疲劳寿命作为边界条件，输入所述有限元模型，计算不同环境条件下，所述典型输电线路各部件的损伤状态及寿命极限。
3.根据权利要求1述的基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法，其特征在于，将待评估输电线路的实时环境状态信息传输至所述数字孪生模型的步骤包括：
对待评估输电线路沿线的环境状态进行实时监测，并将所述环境状态的实时监测数据转化为机器学习算法能够识别的数据形式，然后实时传输至数字孪生模型。
4.根据权利要求2述的基于数字孪生的输电线路结构健康评估方法，其特征在于，所述有限元模型包含所述典型输电线路的铁塔、关键连接位置金具、导线的三维实体模型。
5.一种基于数字孪生的输电线路结构健康评估系统，其特征在于，包括：
数据监测传输模块，用于将待评估输电线路沿线的实时环境状态信息传输至预先构建的待评估输电线路的数字孪生模型；
评估模块，用于根据所述数字孪生模型输出的待评估输电线路各部件对应的受力信息、损伤信息以及疲劳状态，评估待评估输电线路的结构健康状况；
还包括数字孪生模型构建模块，用于：根据电力GIS系统以及输电线路建设资料，在训练好的机器学习模型中输入待评估输电线路的结构信息和部件信息，构建所述待评估输电线路的数字孪生模型，其中，所述机器学习模型以典型输电线路结构参数和外部载荷为输入，以有限元计算的不同环境条件下所述典型输电线路各部件对应的受力状态、损伤特征以及寿命极限为输出。
6.根据权利要求5述的基于数字孪生的输电线路结构健康评估系统，其特征在于，所述数字孪生模型构建模块包括计算单元，用于计算不同环境条件下典型输电线路各部件对应的受力状态、损伤特征以及寿命极限，具体计算过程包括：
测量输电线路不同部件的结构参数，建立典型输电线路耐张段的有限元模型；
以测量得到的所述结构参数为输入条件，采用所述有限元模型，计算不同环境条件下典型输电线路不同部件的受力状态；
根据计算得到的所述受力状态，提取所述典型输电线路各部件的承载特征以及各连接位置的接触应力特征；
测量所述典型输电线路各部件在提取到的所述接触应力特征条件下的磨损曲线；
将提取的所述典型输电线路各部件的承载特征进行分类总结，在统计的承载应力幅值和频率范围内，选取多组承载应力幅值和频率，测量所述典型输电线路各部件的疲劳寿命；
将所述磨损曲线及疲劳寿命作为边界条件，输入所述有限元模型，计算不同环境条件下，所述典型输电线路各部件的损伤状态及寿命极限。
7.根据权利要求5述的基于数字孪生的输电线路结构健康评估系统，其特征在于，所述数据监测传输模块还用于：
对待评估输电线路沿线的环境状态进行实时监测；
将所述环境状态的实时监测数据转化为机器学习算法能够识别的数据形式，并实时传输至数字孪生模型。
8.根据权利要求6述的基于数字孪生的输电线路结构健康评估系统，其特征在于，所述有限元模型包含所述典型输电线路的铁塔、关键连接位置金具、导线的三维实体模型。
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