CN114118831A - 一种基于数字孪生的输电线路管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字孪生的输电线路管理系统，包括数字底板层、数据感知模块、后台服务中心、本地处理中心、和显示层；本发明通过自主学习的多系统数据融合算法处理，将输电线路及变电站等设施设备三维建立模型、数据与各类子系统数据互联，在构建的数字孪生平台实现数据实时的交互和精准的对应，实现多应用系统在统一的“一张图”上管理，并对故障告警、巡检人员等提供精准的位置服务，通过多系统的数据交互与协同，实现对可能发生的故障、事故事件，实现快速响应和及时科学合理的处置，为安全监测、线路巡检等工作提供强大的平台支撑。
Description
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的输电线路管理系统。
背景技术
在输电过程中，输电线路和变电站是保障输电安全的关键之一，输电线路的日常管理涉及多个模块，如，高压线路管理信息系统、数据采集与监视控制系统(SCADA)系统、防雷定位、视频研判系统等，监控系统，但是各个模块之间的信息大多数是各自独立的，数据难以共享，且各个子系统难以与真实场景有效的结合起来，无法为输电线路的管理或巡检起到很好的辅助作用。
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程；输电线路和变压站的监控系传统的监控显示是以二维视图为主，显示的数据之间相互独立，难以共享交互，不便于对实际中各个位点的信息进行协同的显示，且在事故发生时，不能与现实中的位置实现精准的对照，不便于故障发生时的快速定位。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种基于数字孪生的输电线路管理系统，该系统通过建立统一的时空基准、时空大数据、时空信息云平台以及支撑环境，为各应用提供数据基础和平台支撑，为输电线路的精细化管理提供良好的数据基础和操作平台。
本发明的技术方案如下：
一种基于数字孪生的输电线路管理系统，包括数字底板层、数据感知模块、后台服务中心、本地处理中心、和显示层；
所述数字底板层为根据高压输电线路、塔杆、变电站以及输电线地理位置、周围的山行地貌所构建的虚拟的数字孪生模型；
所述数据感知模块包括现有的各种计量防护设备实体、现有的各种计量防护设备在数字孪生模型中的仿真；依照计量防护设备实体的实体位置，将现有的各种计量防护设备在数字孪生模型相应位置仿真，实现各种计量防护设备实体与数字孪生模型的关联，同时将测量到的各种物理实体处数据转化为数字孪生模型的数据；
所述后台服务中心包括数据库、用于外部安全监控中心子系统数据接入的数据接口、运算中心和用于人机交互的后台观测平台；所述数据库用于存储数字孪生模型数据、数据感知模块仿真数据、数据感知模块仿真与数字孪生模型的关联数据、计量防护设备的实测数据、告警数据、备注信息以及外部安全监控子系统的接入数据；所述运算中心对各类数据进行处理，并运用基于自主神经元基础神经网络的数据融合算法对筛选后的数据进行融合，数据融合算法利用数据库中的已知数据进行训练，实现对输电线路各类信号的自动精确分类和提取，之后可在后台监测平台上对融合结果进行直观的体现，同时，若融合结果的数值超出预设的数值范围则发出警告；
所述本地处理中心包括本地处理模块和通信模块，所述本地处理模块采集部分本地计量防护设备的数值，并通过通信模块发送，同时根据预设的操作动作，控制计量防护设备实体进行相应的动作；所述通信模块用于与本地的计量防护设备实体、显示层、云端幅度中心进行通信；
所述显示层用于人机交互，包括三维可视化场景界面与数据展示面板，所述三维可视化场景界面显示所选择的数字孪生模型和各种计量防护设备的仿真模型；数据展示面板可根据用户的需求选择相应的数据或内容进行显示。
进一步的，所述数字底板层的搭建和所述数据感知模块的设置包括以下步骤：
S11根据基础地理信息数据，搭载矢量数据、高分辨率影像数据、高程模型数据以及地理实体数据，以地形图为基础，对境界、政区、道路、山行、水系、院落、建筑物，植被等内容进行实体化，并赋予唯一编码，作为与其它系统和专题数据进行关联的基础；
S12将变电站、塔杆、与其他输电相关设施的数据模型置入数字孪生模型中进行仿真还原，并根据不同设施或设备模型的精度要求，进行数据模型的仿真还原；
S13通过物联网建立数字孪生模型中各个设备、计量防护设备的仿真模型与实体设备、计量防护设备的数据对接，实现数据联动。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括标注模块，所述标注模块用于对数字孪生模型中的设施或各种计量防护设备在数字孪生模型中的仿真进行标记和备注，以实现此处特殊信息的展示。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括设备检索模块，可通过设备名称、设备类型、运行状态检索设备，并在三维可视化场景界面的三维场景中定位到搜索得到的设备。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括弹窗定位模块，若融合结果的数值超出预设的范围系统发出警告时，会在三维可视化场景中以高亮、闪烁来提示用户，提醒管理检查是否存在故障等情况，并显示告警简要信息和跳转按键；用户点击相应的跳转按键，三维可视化场景中可直接定位到告警设备的位置，并显示告警详情信息面板。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括环境模拟模块，用于为数字孪生模型提供环境模拟功能，环境模拟会在三维可视化场景界面中模拟天气状况，提供天气状况的直接展示。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括数据查询与分析模块，用于以检索条件来对接入数据的历史数据和系统的历史数据进行查询并进行分析。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括用户权限管理模块，用于不同用户操作权限、数据查看权限、管理权限的分配。
进一步的，自主神经元基础神经网络的数据融合算法中利用改进的残差神经网络(ResNet)实现特征提取。
本发明的工作原理是，利用三维数字孪生技术构建矿区高压输电线路高精度的三维数字孪生模型，并与物理世界的设施、设备实现精准的映射，再利用三维数字孪生平台的实时渲染能力和多数据处理能力，实现多系统、多数据的实时交互，实现基于三维人机交互的日常管理、调度和决策。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过自主学习的多系统数据融合算法处理，将输电线路及变电站等设施设备三维建立模型、数据与各类子系统数据互联，汇聚数据服务、接口服务、功能服务、计算存储服务、知识服务，形成服务资源池，扩充地理实体、感知定位等API接口，在构建的数字孪生平台实现数据实时的交互和精准的对应，实现多应用系统在统一的“一张图”上管理，并对故障告警、巡检人员等提供精准的位置服务，通过多系统的数据交互与协同，实现对可能发生的故障、事故事件，实现快速响应和及时科学合理的处置，为安全监测、线路巡检等工作提供强大的平台支撑；
通过建立平煤矿区高压输电线路数字孪生管理平台，实现了基础数据的统一，时空基础数据的统一、管理平台的统一，一方面避免了后期相关系统建设时的重复建设，实现了集约化建设与管理，另一方面在故障发生时，也大大缩短故障处置的时间，降低了电网每年停电运维时间、减少了现有运维工作人员劳动强度，降低了因故障处置时间长而可能产生的经济损失。
附图说明
图1为本发明实施例的某变电站的数字孪生模型示意图。
图2为本发明实施例的显示层的样例。
图3为本发明实施例的标注在显示层中的显示示意。
图4为本发明实施例的检索模块的检索结果的界面示意。
图5为本发明实施例的某告警设备的定位结果界面示意图。
图6为本发明实施例的环境模拟演示示意图。
图7为本发明的数据融合框架示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于数字孪生的输电线路管理系统，包括数字底板层、数据感知模块、后台服务中心、本地处理中心、和显示层；
所述数字底板层为根据高压输电线路、塔杆、变电站以及输电线地理位置、周围的山行地貌所构建的虚拟的数字孪生模型；如图1为一变电站的数字孪生模型示意；
所述数据感知模块包括现有的各种计量防护设备实体、现有的各种计量防护设备在数字孪生模型中的仿真；依照计量防护设备实体的实体位置，将现有的各种计量防护设备在数字孪生模型相应位置仿真，实现各种计量防护设备实体与数字孪生模型的关联，同时将测量到的各种物理实体处数据转化为数字孪生模型的数据；
所述后台服务中心包括数据库、用于外部安全监控中心子系统数据接入的数据接口、运算中心和用于人机交互的后台观测平台；所述数据库用于存储数字孪生模型数据、数据感知模块仿真数据、数据感知模块仿真与数字孪生模型的关联数据、计量防护设备的实测数据、告警数据、备注信息以及外部安全监控子系统的接入数据；所述运算中心对各类数据进行处理，并运用基于自主神经元基础神经网络的数据融合算法对筛选后的数据进行融合，数据融合算法利用数据库中的已知数据进行训练，实现对输电线路各类信号的自动精确分类和提取，之后可在后台监测平台上对融合结果进行直观的体现，同时，若融合结果的数值超出预设的数值范围则发出警告；
所述本地处理中心包括本地处理模块和通信模块，所述本地处理模块采集部分本地计量防护设备的数值，并通过通信模块发送，同时根据预设的操作动作，控制计量防护设备实体进行相应的动作；所述通信模块用于与本地的计量防护设备实体、显示层、云端幅度中心进行通信；
所述显示层用于人机交互，包括三维可视化场景界面与数据展示面板，所述三维可视化场景界面显示所选择的数字孪生模型和各种计量防护设备的仿真模型；数据展示面板可根据用户的需求选择相应的数据或内容进行显示；如图2所示为显示层的样例展示，显示层一般设置在矿区高压输电线路的指挥中心中，数据面板包括若干数据框，在数据框中以数值或以图表形象化的方式展现所需要的各种数值以及反馈全景监控情况，数据框可根据自身需求进行增加、删除、排序、更改等个性化排布。
进一步的，所述数字底板层的搭建和所述数据感知模块的设置包括以下步骤：
S11根据基础地理信息数据，搭载矢量数据、高分辨率影像数据、高程模型数据以及地理实体数据，以地形图为基础，对境界、政区、道路、山行、水系、院落、建筑物，植被等内容进行实体化，并赋予唯一编码，作为与其它系统和专题数据进行关联的基础；以某高压110kV输电杆塔的某一部件举例，仅其基础地理信息中的位置信息就涉及多个三维数据源头，包括GIS的坐标及高程数据、BIM的构件相关数据，而该设备及其基础设施周边的环境等信息需要用到倾斜摄影OSGB、点云等数据；因此，在构建数字孪生体的过程中，我们需要将这些与空间相关的三维数据进行融合处理；对于点云数据，本发明采用三维数字孪生平台支持渲染大规模点云数据；对于BIM数据，可利用数字孪生平台提供插件将revit模型导出为本发明采用的数字孪生平台专用bim模型格式ubim；对于GIS数据，包括影像、矢量、地形、模型等多种类型，其加载可以是本地文件也可以是网络服务；
S12将变电站、塔杆、与其他输电相关设施的数据模型置入数字孪生模型中进行仿真还原，并根据不同设施或设备模型的精度要求，进行数据模型的仿真还原；其中，一级模型包括设施、设备模型以及各种计量防护设备；二级模型包括建筑内部结构；三级模型包括建筑外框、设施设备；一级模型的精度大于二级模型大于三级模型；
S13通过物联网建立数字孪生模型中各个设备、计量防护设备的仿真模型与实体设备、计量防护设备的数据对接，实现数据联动。
进一步的，后台处理中心可以部署在本地的服务器上，也可以部署在云端的服务器上；由于设备以及数据感知模块会提供大量的数据，同时还会接入已有的监控子系统的数据，因此，需要对采集到的不同类型数据或同一类型的数据进行有机统一的整合，使监测结果更加准确；一般的数据融合有数据层融合、特征层融合和决策层融合，本申请的外接数据主要为现有的高压线路管理信息系统、数据采集与监视控制系统系统、防雷接地系统、视频研判系统等，这些数据的上传频率较低，不需要像电量数据那样需要实施毫秒级的采样和上传，因此采用数据层融合能够满足本发明的要求且不会加大系统的硬件开支；本发明采用改进的残差神经网络(ResNet)实现特征提取算法，提高不同数据提取、判断的精度。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括标注模块，所述标注模块用于对数字孪生模型中的设施或各种计量防护设备在数字孪生模型中的仿真进行标记和备注，以实现此处特殊信息的展示；标注的样式设计有不同的展示效果，以向用户进行不同样貌的呈现，如，标注的数据在点击后可以显示在数据展示面板中，或如图3所示的，或者直接以漂浮气泡的形式显示在数字孪生模型中对应的设施仿真模型或设备仿真模型的一侧，同时在三维可视化场景界面中选中的设施或设备被学者被选中后变色，以与其他未选中的设施或设备进行区分；电机单个设备可以显示出设备的详细信息，包括但不限于设备参数、运行状态、维护信息、告警历史等。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括设备检索模块，可通过设备名称、设备类型、运行状态检索设备，并在三维可视化场景界面的三维场景中定位到搜索得到的设备，可查看设备基本信息，方便使用者进行设备相关信息的调取和查询，如图4为检索结果的界面示意。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括弹窗定位模块，若融合结果的数值超出预设的范围系统发出警告时，会在三维可视化场景中以高亮、闪烁来提示用户，提醒管理检查是否存在故障等情况，并显示告警简要信息和跳转按键；用户点击相应的跳转按键，三维可视化场景中可直接定位到告警设备的位置，并显示告警详情信息面板；如图6为某发生告警的设备的定位结果图。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括环境模拟模块，用于为数字孪生模型提供环境模拟功能，环境模拟会在三维可视化场景界面中模拟天气状况，提供天气状况的直接展示；环境模拟模块可提供全天24小时的日照模拟，可以实现光照强度、角度的调整；可以提供云层模拟，可以模拟阴天、晴天、多云等多种天气状况；可以提供降雨模拟，可实现不同降雨情况的直观展示。如图6为下雪天气和多云天气的环境模拟示意图。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括数据查询与分析模块，用于以检索条件来对接入数据的历史数据和系统的历史数据进行查询并进行分析；此处进行的分析为简单的统计分析，分析后的数据被发送至显示层显示，可进行如数据同比的柱状图分析、历史数据动态立体趋势图、实时数据立体动态显示，并可根据历史数据进行回归分析以得到正常的数值范围，用于告警时和预警时预设的数值范围的设定参考；在图2的三维图像的外周的数据框中可以显示上述图表。
进一步的，所述基于数字孪生的输电线路管理系统还包括用户权限管理模块，用户权限管理模块提供、建立企业组织结构、账号、权限体系，用于分配企业内部数据资源，管理企业内部应用权限、用于不同用户操作权限、数据查看权限、管理权限的分配，；提供按照企业组织结构进行数据分配、功能分配能力；提供按照组织结构分解和汇总企业数据。
进一步的，自主神经元基础神经网络的数据融合算法中利用改进的残差神经网络(ResNet)实现特征提取；
改进的残差神经网络对采集信号进行分割时，目标特征通过基础网络自动提取。当采用全卷积时，理论上提取的特征规格为[N，1，1，C]，N为每批处理的样本数量，C表示通道数量，有效特征取决于通道数C。在自主学习架构中，Encoder-Decoder(编码-解码)将神经网络分为两个部分，Encoder(编码)完成对样本特征的编码功能，Decoder(解码)对特征解码实现复原。根据采集信号不同特定目标分割的描述，采用Encoder-Decoder深度神经网络实现数据分割时，经过以下几个步骤：
设输入数据为I，并拉直为I∈Rg*c的形式，其中g表示采集数据个数、c表示通道数；
1)Encoder映射fc(I)＝h提取特征，fc：g*c→n；
2)Decoder映射fd(h)＝I实现数据的初步分割；I∈Rg*1，fd：n→g*1，Is表示分割结果，分割种类B＝{b1，b2，……，B1}；分割种类为1；
3)SoftMax fsm(Is)＝IP＝P(I)将分割结果变换成概率值，fd：g*1→g*1；
改进的残差神经网络(ResNet)通过大量的采集数据集合，可对构建的深度卷积神经网络进行训练，从而实现对输电杆塔各类采集信号数据的自动精确分类和提取，自主学习的数据融合框架如图7所示；
每个批次的输入数据包含原始数据和深加工数据标签两个部分；自主学习的数据融合首先经过残差卷积神经网络得到特征图，实现原始数据的编码功能；在此基础上采用反卷积重构，得到深加工数据结果，即实现自主融合功能。数据融合后，得到本矿区高压输电线路的相关重要参数后，通过网络传输至后台服务中心，后台服务中心对数据处理并参照行业相关标准，对矿区高压输电线路的重要信息三维可视化管理、决策分析、设备管理台账管理、统计、以及潜在性隐患的预警分析等等，同时本发明的管理系统还可支持客户端远程浏览、查询和控制。
本发明的管理系统将矿区各个子监控系统的信息整合到数字孪生模型这一张图上，实现了不同子系统的数据整合、共享与协同；本发明基于矿区高压输电线路各类设施、设备数据，搭载空间属性，建立矿区高压输电线路时空大数据基础数据库，实现基于同一时空基础下的布局、分析和决策，准确掌握各类信息，便于基础数据的统一管理；实现了可视化管理，为矿区高压输电线路不同业务操作提供了数据真实统一、操作可视便捷的信息化管理模式；能够为电力运行维护人员提供强力的数据支撑和平台支撑，为矿区输电线路的精细化管理提供良好的数据基础和操作依据；在矿区高压输电线路在故障发生时，能够为故障告警设备、巡检人员等提供精准的位置服务，通过多系统的数据交互与协同，实现快速响应和及时科学合理的处置，可有效缩短故障处置的时间，减少了因故障处置时间长而可能产生的经济损失。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于数字孪生的输电线路管理系统，其特征在于：包括数字底板层、数据感知模块、后台服务中心、本地处理中心、和显示层；
所述数字底板层为根据高压输电线路、塔杆、变电站以及输电线地理位置、周围的山行地貌所构建的虚拟的数字孪生模型；
所述数据感知模块包括现有的各种计量防护设备实体、现有的各种计量防护设备在数字孪生模型中的仿真；依照计量防护设备实体的实体位置，将现有的各种计量防护设备在数字孪生模型相应位置仿真，实现各种计量防护设备实体与数字孪生模型的关联，同时将测量到的各种物理实体处数据转化为数字孪生模型的数据；
所述后台服务中心包括数据库、用于外部安全监控中心子系统数据接入的数据接口、运算中心和用于人机交互的后台观测平台；所述数据库用于存储数字孪生模型数据、数据感知模块仿真数据、数据感知模块仿真与数字孪生模型的关联数据、计量防护设备的实测数据、告警数据、备注信息以及外部安全监控子系统的接入数据；所述运算中心对各类数据进行处理，并运用基于自主神经元基础神经网络的数据融合算法对筛选后的数据进行融合，数据融合算法利用数据库中的已知数据进行训练，实现对输电线路各类信号的自动精确分类和提取，之后可在后台监测平台上对融合结果进行直观的体现，同时，若融合结果的数值超出预设的数值范围则发出警告；
所述本地处理中心包括本地处理模块和通信模块，所述本地处理模块采集部分本地计量防护设备的数值，并通过通信模块发送，同时根据预设的操作动作，控制计量防护设备实体进行相应的动作；所述通信模块用于与本地的计量防护设备实体、显示层、云端幅度中心进行通信；
所述显示层用于人机交互，包括三维可视化场景界面与数据展示面板，所述三维可视化场景界面显示所选择的数字孪生模型和各种计量防护设备的仿真模型；数据展示面板可根据用户的需求选择相应的数据或内容进行显示。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的输电线路管理系统，其特征在于：所述数字底板层的搭建和所述数据感知模块的设置包括以下步骤：
S11根据基础地理信息数据，搭载矢量数据、高分辨率影像数据、高程模型数据以及地理实体数据，以地形图为基础，对境界、政区、道路、山行、水系、院落、建筑物，植被等内容进行实体化，并赋予唯一编码，作为与其它系统和专题数据进行关联的基础；
S12将变电站、塔杆、与其他输电相关设施的数据模型置入数字孪生模型中进行仿真还原，并根据不同设施或设备模型的精度要求，进行数据模型的仿真还原；
S13通过物联网建立数字孪生模型中各个设备、计量防护设备的仿真模型与实体设备、计量防护设备的数据对接，实现数据联动。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的输电线路管理系统，其特征在于：还包括标注模块，所述标注模块用于对数字孪生模型中的设施或各种计量防护设备在数字孪生模型中的仿真进行标记和备注，以实现此处特殊信息的展示。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的输电线路管理系统，其特征在于：还包括设备检索模块，可通过设备名称、设备类型、运行状态检索设备，并在三维可视化场景界面的三维场景中定位到搜索得到的设备。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的输电线路管理系统，其特征在于：还包括弹窗定位模块，若融合结果的数值超出预设的范围系统发出警告时，会在三维可视化场景中以高亮、闪烁来提示用户，并显示告警简要信息和跳转按键；用户点击相应的跳转按键，三维可视化场景中可直接定位到告警设备的位置，并显示告警详情信息面板。
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的输电线路管理系统，其特征在于：还包括环境模拟模块，用于为数字孪生模型提供环境模拟功能，环境模拟会在三维可视化场景界面中模拟天气状况，提供天气状况的直接展示。
7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的输电线路管理系统，其特征在于：还包括数据查询与分析模块，用于以检索条件来对接入数据的历史数据和系统的历史数据进行查询并进行分析。
8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的输电线路管理系统，其特征在于：还包括用户权限管理模块，用于不同用户操作权限、数据查看权限、管理权限的分配。
9.根据权利要求1所述的基于数字孪生的输电线路管理系统，其特征在于：自主神经元基础神经网络的数据融合算法中利用改进的残差神经网络实现特征提取。
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