CN115955011A - 一种基于数字孪生的交改直线路参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的交改直线路参数确定方法，本发明首次基于目前工程应用中热门的数字孪生技术，提出了针对交流线路改造为直流线路的线路参数确定方法。能够综合、统一确定的线路参数包括输送功率、额定电压、线路弧垂、绝缘子串片数等，在考虑导线机械强度的同时解决了交改直工程中上述重要电气绝缘参数的选择问题，节约了采用实物进行试验的耗材成本，也大大降低了交改直工程可行性分析的困难程度，保证了工程的安全可靠性。本发明首次将高速网络、高精度传感器应用于交流线路改造项目，能有效在改造前采集交流运行时的各项数据，并且准确传输给后续环节，最终实现交改直工程参数的准确研判。

Description

一种基于数字孪生的交改直线路参数确定方法

技术领域

本发明属于直流配电网领域，具体涉及一种基于数字孪生的交改直线路参数确定方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展、用电需求多样化，部分地区尤其是经济发达地区出现了供电容量不足问题。而且，随着近年来能源结构的转型升级，交流配电网面临负荷、输入能源种类多样化的问题，在面对用电潮流变化时保证供电质量也更加困难。直流配电网络除了可以有效提高输电容量、降低电能损耗以外，还能保证更高的电能质量以及更好的运行方式。但是，额外架设直流输电网需要昂贵的成本以及珍贵的土地资源，在大跨越区间的线路寻址也更加困难。因此，将现存的交流线路改造为直流输电方式是解决上述问题更好的选择。

有学者初步提出了关于线路额定功率确定的方法，而其他学者则针对交改直后发生的事故进行了分析，得出了一些对于交改直工程影响较大的参数。当数字孪生这个概念从2010年被美军提出开始，人们已经对该技术在许多领域的应用进行了探索。数字孪生技术不仅能提高设备健康管理智能化水平，还能够有效降低研究成本、减少因实测带来的材料损耗，在工业设计生产领域的应用具有广阔的前景。

现有的交改直工程所涉及线路如图1所示，电能从变电站出发，通过这些线路传输到各地。由于在交改直工程中，杆塔1、杆塔高度2、杆塔跨度3和输电线缆4的材质基本不会改变，但是该交流线路在直流运行下的绝缘配合性能却不能通过实测来确定。而且包含线路弧垂5与绝缘子串6中绝缘子片数在内的绝缘参数都需要与输电的额定功率相符。导线的线路弧垂5首先会影响线路的耐拉伸能力，线路弧垂5过大或者过小对线路的机械强度的考验很大。另外，可以看出当线路弧垂5过大时，其与地面的距离越近，产生的电磁场强度会越大，除了会对杆塔1的寿命造成影响以外，还会对线路经过的城市、村庄中的居民的身体健康产生影响。绝缘子串6上绝缘子片数的设置则主要决定了线路的绝缘水平，需要以投入直流运行后线路的电流为参考设置，过少的绝缘子会导致线路绝缘性能太差，过多的绝缘子片数则会增加日常维护、清洗的难度，导致污闪等故障出现概率增加。

但是目前进行的交改直工程中，一般不会改变或者拆除已架设好的线路与杆塔，因此大部分参数不会变化，但是线路的额定功率与电压也需要根据实际需要来确定。同时导线绝缘子片数等电气绝缘配合参数的确定则需要通过已有数据进行计算，但是仅仅通过数学计算和单一仿真模型无法获得与现实具有高度相关性的结果，如果基于上述方法获得的结果进行交改直工程，会增加以直流方式投入运营后事故发生概率，影响供电的安全可靠性。而目前提出的参数确定方案中，一般仅针对单个参数进行选择，但实际上一般需要将多个参数综合考虑才既能保证线路拥有较高的传输功率，又能保证线路的安全稳定运行。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于数字孪生的交改直线路参数确定方法解决了在交改直工程中绝缘子片数和导线弧垂的线路参数的选取精度低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于数字孪生的交改直线路参数确定方法，包括以下步骤：

S1、采集高压输电线路各项数据，通过无线网络和高保真电缆将高压输电线路各项数据发送至数据空间；

S2、通过数据空间将高压输电线路各项数据进行预处理，得到预处理后的数据；

S3、根据设定的模型训练参数和预处理后的数据搭建初步数字孪生模型，得到电压、电流和电场孪生数据；

S4、判断电压、电流和电场孪生数据与高压输电线实际运行数据是否相同，若是，则将初步数字孪生模型作为训练好的数字孪生模型，并进入S5；若否，则改变训练参数并返回S3；

S5、根据训练好的数字孪生模型得到直流运行条件下最优高压输电线路的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数，完成交改直线路参数确定。

进一步地：所述S1中，所述高压输电线路各项数据包括线路架设路线及其起始点电能供给情况、线路经过的人口聚居地、杆塔高度与跨度、导线材料、线路交流运行条件下的电流电压数据、电磁场数据和温度数据。

进一步地：所述S1中，采集线路交流运行条件下的电流数据、电压数据、电磁场数据和温度数据的方法具体为：

通过高精度电流互感器和电压互感器采集线路交流运行时的电流电压数据，通过高精度高斯计和RJ电场测量仪采集线路交流运行时的电磁场数据，通过红外温度仪采集线路交流运行时的温度数据。

进一步地：所述S2具体为：

通过数据空间将高压输电线路各项数据进行分类和编码，并将分类和编码后的数据通过聚类融合算法进行聚类处理，将聚类处理后的数据进行增强处理，标明重要数据、省略重复数据和删除受损的错误数据，得到预处理后的数据。

进一步地：所述S3包括以下分步骤：

S31、根据预处理后的数据中线路架设路线及其起始点电能供给情况和线路经过的人口聚居地建立三维几何模型；

S32、将预处理后的数据中杆塔高度与跨度、导线材料、线路交流运行条件下的电流电压数据、电磁场数据、温度数据和三维几何模型输入电路和有限元模块中，根据模型训练参数训练三维几何模型，得到初步数字孪生模型；

S33、根据模型训练参数对初步数字孪生模型进行反复调整，将调整完成后的初步数字孪生模型以交流工况运行得到电压、电流和电场孪生数据。

进一步地：所述S5具体为：

以直流方式运行不同的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数情况下训练好的数字孪生模型，得到直流运行条件下最优高压输电线路的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数，并将其代入交改直工程，完成交改直线路参数确定。

本发明的有益效果为：

(1)本发明首次基于目前工程应用中热门的数字孪生技术，提出了针对交流线路改造为直流线路的线路参数确定方法。能够基于该方法综合、统一确定的线路参数包括输送功率、额定电压、线路弧垂、绝缘子串片数等，在考虑导线机械强度的同时解决了交改直工程中上述重要电气绝缘参数的选择问题，节约了采用实物进行试验的耗材成本，也大大降低了交改直工程可行性分析的困难程度，保证了工程的安全可靠性。

(2)本发明首次将高速网络、高精度传感器应用于交流线路改造项目，能有效在改造前采集交流运行时的各项数据，并且准确传输给后续环节，最终实现交改直工程参数的准确研判。在改造后，则能继续采集直流运行参数，实现该线路的全寿命周期维护，能够实时监测线路运行时会出现的问题。

(3)本发明针对每个特定工程所搭建的数字孪生模型与采集的运行数据，均可在工程结束后，通过同样的传输途径，为下一次交改直工程提供有效的参考，并不会因为工程对象的改变而浪费搭建模型投入的资源，并且在下一次孪生模型使用时提供的结果会更加准确。

附图说明

图1为现有的交改直工程所涉及线路示意图。

图2为本发明的一种基于数字孪生的交改直线路参数确定方法流程图。

图3为本发明的预处理具体过程示意图。

图4为本发明的数字孪生模型示意图。

其中：1、杆塔；2、杆塔高度；3、杆塔跨度；4、输电线缆；5、线路弧垂；6、绝缘子串。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，一种基于数字孪生的交改直线路参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集高压输电线路各项数据，通过无线网络和高保真电缆将高压输电线路各项数据发送至数据空间；

S2、通过数据空间对高压输电线路各项数据进行预处理，得到预处理后的数据；

S3、根据设定的模型训练参数和预处理后的数据搭建初步数字孪生模型，得到电压、电流和电场孪生数据；

S4、判断电压、电流和电场孪生数据与高压输电线实际运行数据是否相同，若是，则将初步数字孪生模型作为训练好的数字孪生模型，并进入S5；若否，则改变训练参数并返回S3；

S5、根据训练好的数字孪生模型得到直流运行条件下最优高压输电线路的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数，完成交改直线路参数确定。

所述S1中，所述高压输电线路各项数据包括线路架设路线及其起始点电能供给情况、线路经过的人口聚居地、杆塔高度与跨度、导线材料、线路交流运行条件下的电流电压数据、电磁场数据和温度数据。

在本实施例中，线路架设路线与杆塔参数、输电线材料基本不会变化，因此交改直后线路的安全可靠性受到严峻考验。线路起始点的电能供给情况能决定最终线路传输功率的范围。而在线路经过城市或者村庄等位置时，由于线路中有较大电流，会在周围产生较强的电场、磁场，在线路参数选择时需要着重考虑。

所述S1中，采集线路交流运行条件下的电流数据、电压数据、电磁场数据和温度数据的方法具体为：

通过高精度电流互感器和电压互感器采集线路交流运行时的电流电压数据，通过高精度高斯计和RJ电场测量仪采集线路交流运行时的电磁场数据，通过红外温度仪采集线路交流运行时的温度数据。

在本实施例中，数据采集方法使用高精度的传感器对线路以交流运行时的电流、电压和温度的参数进行采集。除了传感器材料的不断迭代升级、精度的提升外，稳定、快速的网络通道也是数字孪生技术核心之一，而对数据准确性有更高要求的位置则需要使用高保真度线缆来采集。设置于高压输电线路的各类传感器可用于后续线路故障监测与预警，搭建的数字孪生模型也可以在下一条线路交改直工程中进行部分修改，提供更加准确的参数确定手段。

所述S2具体为：

通过数据空间将高压输电线路各项数据进行分类和编码，并将分类和编码后的数据通过聚类融合算法进行聚类处理，将聚类处理后的数据进行增强处理，标明重要数据、省略重复数据和删除受损的错误数据，得到预处理后的数据。

在本实施例中，数据增强技术标明重要数据、省略不必要的重复数据、删除受损的错误数据，在提高模型搭建效率的同时避免重要数据被遗漏。

如图3所示，本发明的数据采集方法是采用包括电流互感器、电压互感器等电流电压测量工具、高斯计与RJ电场测量仪电磁场测量工具、红外温度仪等温度测量工具对交流运行时的电流、电压等进行测量，并且将采集到的数据通过边缘网关以及网络上传至服务器或者通过线缆从本地上传。由于采集到的数据种类繁杂、容量过多，需要对其进行处理。处理的方式包含对数据进行分类、编码以及增强，将系统中各项设备进行分类编码，在采集的过程中使用数据扫描仪保证数据独立性，并采用统一的通信协议进行传输，从而保证不同数据之间的协调性，对于部分重要信号使用信号线缆进行采集保证高保真度。使用基于关联矩阵的聚类融合算法，在采集足够多的聚类成员后，依次扫描并最终将过电压、过电流、故障数据放入特定簇中，在采集数据数量有限的情况下，实现数据增强，提高数据的可利用率，并且对重点数据进行分析，并且在对数据处理后，还可将数据可视化。完成上述步骤后，将数据导入孪生模型中，用于模型搭建。在交改直工程完成后，该系统同样可以用于后续监测，保证直流线路运行的安全可靠性。

所述S3包括以下分步骤：

S31、根据预处理后的数据中线路架设路线及其起始点电能供给情况和线路经过的人口聚居地建立三维几何模型；

S32、将预处理后的数据中杆塔高度与跨度、导线材料、线路交流运行条件下的电流电压数据、电磁场数据、温度数据和三维几何模型输入电路和有限元模块中，根据模型训练参数训练三维几何模型，得到初步数字孪生模型；

S33、根据模型训练参数对初步数字孪生模型进行反复调整，将调整完成后的初步数字孪生模型以交流工况运行得到电压、电流和电场孪生数据。

在本实施例中，数字孪生模型相较于之前的分析选型方法，由于其是依托于实际运行获得并经过分类处理后的海量数据训练而来，所以能够准确反映真实情况下线路从交流改为直流运行时的电磁场分布特性、电流电压幅频特性，并且能够综合考虑各电气绝缘参数的配合。另外，由于能够同时进行多种场与力的分析计算，所以在运算时也能够提升并行效率，有效节约时间。

如图4所示，数字孪生模型主要分为现实空间、数据空间和虚拟空间。现实空间中主要包括需要研究的待改造交流线路、测量采集设备、用于存储数据和运行模型的大型计算机、用于从云端获取高精度传感器数据的服务器。以上是现实中的事物，可服务于数字孪生模型的搭建，而在孪生模型搭建完成之后作为孪生模型的研究对象。数据空间主要是负责存储、处理现实空间中获得的数据，并且将其传输给孪生模型。这些层级之间相互配合，保证了数字孪生模型与现实具有高度相关性的同时，也能通过模型获得具有高参考价值的交流改造工程参数建议，保证工程结束后运行的安全可靠性。在数据传输给虚拟空间后，首先基于线路架设路径、地理信息等资料应用3D Experience等建模软件搭建三维模型，再将经数据空间处理后的高识别度数据导入数字孪生软件的电路模块、有限元模块获得初步数字孪生模型。接着，输入激励后运行获得的模型来获得初步孪生数据，再将初步孪生数据输送回数据空间来与其中存储的实测数据进行比较，如果获得的初步孪生数据与实测数据不相符，就需要数据空间8再次提供对应数据来进行反复的训练。在训练结束后，最终的数字孪生模型将具有高度的现实相关性，并且在输入决定好的线路额定功率、额定电压后能够准确计算出线路在进行直流改造后对周边所产生的电磁影响等情况，为工程的参数确定提供有效支撑与帮助。

所述S5具体为：

以直流方式运行不同的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数情况下训练好的数字孪生模型，得到直流运行条件下最优高压输电线路的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数，并将其代入交改直工程，完成交改直线路参数确定。

在本实施例中，通过将最优高压输电线路的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数代入交改直工程的设计中，保证工程完成并投入运营后线路的安全可靠性。另外，在工程完工后，安装的器械与模型也可以得到利用。，次搭建的数字孪生模型在修改部分地理信息参数后还可以用于下一次交改直工程中，实现了该工程线路的全寿命周期的管理。

本发明的有益效果为：本发明首次基于目前工程应用中热门的数字孪生技术，提出了针对交流线路改造为直流线路的线路参数确定方法。能够综合、统一确定的线路参数包括输送功率、额定电压、线路弧垂、绝缘子串片数等，在考虑导线机械强度的同时解决了交改直工程中上述重要电气绝缘参数的选择问题，节约了采用实物进行试验的耗材成本，也大大降低了交改直工程可行性分析的困难程度，保证了工程的安全可靠性。

本发明首次将高速网络、高精度传感器应用于交流线路改造项目，能有效在改造前采集交流运行时的各项数据，并且准确传输给后续环节，最终实现交改直工程参数的准确研判。在改造后，则能继续采集直流运行参数，实现该线路的全寿命周期维护，能够实时监测线路运行时会出现的问题。

本发明针对每个特定工程所搭建的数字孪生模型与采集的运行数据，均可在工程结束后，通过同样的传输途径，为下一次交改直工程提供有效的参考，并不会因为工程的改变而浪费搭建模型投入的资源，并且在下一次孪生模型使用时提供的结果会更加准确。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (6)

1.一种基于数字孪生的交改直线路参数确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集高压输电线路各项数据，通过无线网络和高保真电缆将高压输电线路各项数据发送至数据空间；

S2、通过数据空间对高压输电线路各项数据进行预处理，得到预处理后的数据；

S3、根据设定的模型训练参数和预处理后的数据搭建初步数字孪生模型，得到电压、电流和电场孪生数据；

S4、判断电压、电流和电场孪生数据与高压输电线实际运行数据是否相同，若是，则将初步数字孪生模型作为训练好的数字孪生模型，并进入S5；若否，则改变训练参数并返回S3；

S5、根据训练好的数字孪生模型得到直流运行条件下最优高压输电线路的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数，完成交改直线路参数确定。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的交改直线路参数确定方法，其特征在于，所述S1中，所述高压输电线路各项数据包括线路架设路线及其起始点电能供给情况、线路经过的人口聚居地、杆塔高度与跨度、导线材料、线路交流运行条件下的电流电压数据、电磁场数据和温度数据。

3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的交改直线路参数确定方法，其特征在于，所述S1中，采集线路交流运行条件下的电流数据、电压数据、电磁场数据和温度数据的方法具体为：

通过高精度电流互感器和电压互感器采集线路交流运行时的电流电压数据，通过高精度高斯计和RJ电场测量仪采集线路交流运行时的电磁场数据，通过红外温度仪采集线路交流运行时的温度数据。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的交改直线路参数确定方法，其特征在于，所述S2具体为：

通过数据空间将高压输电线路各项数据进行分类和编码，并将分类和编码后的数据通过聚类融合算法进行聚类处理，将聚类处理后的数据进行增强处理，标明重要数据、省略重复数据和删除受损的错误数据，得到预处理后的数据。

5.根据权利要求2所述的基于数字孪生的交改直线路参数确定方法，其特征在于，所述S3包括以下分步骤：

S31、根据预处理后的数据中线路架设路线及其起始点电能供给情况和线路经过的人口聚居地建立三维几何模型；

S32、将预处理后的数据中杆塔高度与跨度、导线材料、线路交流运行条件下的电流电压数据、电磁场数据、温度数据和三维几何模型输入电路和有限元模块中，得到初步数字孪生模型；

S33、根据模型训练参数对初步数字孪生模型进行反复调整，将调整完成后的初步数字孪生模型以交流工况运行得到电压、电流和电场孪生数据。

6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的交改直线路参数确定方法，其特征在于，所述S5具体为：

以直流方式运行不同的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数情况下训练好的数字孪生模型，得到直流运行条件下最优高压输电线路的输电功率、导线弧垂和绝缘子串片数，并将其代入交改直工程，完成交改直线路参数确定。

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