CN116247807A - 一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法及系统，包括如下步骤，S1、分别获取线缆和线缆槽盒的空间位置；S2、根据空间位置确定槽盒拟合位置，并根据环境情况建立槽盒的模型；S3、发送指标信号检测线缆，获得指标信号基于槽盒模型的三维变化曲线；S4、对不同电子围栏分别设置维护指标，根据维护指标对三维变化曲线分段判断是否需要维护；将变电站内线缆的实际情况转换为数字模型进行判断显示，提高了对于远程维护监测的便捷程度，能够对变电站内的线缆槽盒进行监测，准确得到线缆的维护位置；便于对槽盒集合内不同槽盒的位置进行数字刻画，避免重复调用空间位置数据，使得同一槽盒集合内槽盒的位置可用同一组数据来表示。

Description

一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法及系统

技术领域

本发明涉及变电站线缆维护监测技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法及系统。

背景技术

变电站建设模式不断更新，从常规变电站到智能变电站，从常规建设模式到模块化建设方式，其中线缆的敷设方案也随着不断调整，以适应和满足变电站建设技术方案,但是对于变电站线缆明敷槽盒的优化设计和标准化工艺还不够完善。随着设计施工一体化的不断发展，对变电站管线敷设优化提出新的需求。目前变电站都采用钢结构模块化建设，施工周期短，安装要求高；其中墙板采用一体化墙板，无法现场加工，对管线敷设的提出了更高的要求，不能有丝毫的差错。暗敷方式后期不管施工还是设计造成的遗漏都很难补救，甚至还会影响工期及造成一定的经济损失。

现有技术中，线缆因为敷设形式多种多样，在进行维护时仍需要人工到现场逐处进行查看维护，效率低下，费时费力。

例如，一种在中国专利文献上公开的“地理接线图维护方法、系统及介质”，其公告号：CN114238529A，公开了包括获取变电站列表、变电站维护状态、变电站下的线路列表和线路维护状态；打开地理接线图，加载已维护的变电站及线路数据；选择需要维护的线路并锁定该线路，但是该方案不能对变电站线缆进行维护监测。

发明内容

为了解决现有技术中变电站内部线缆敷设没有规则难以统一的进行维护监测、维护监测不准确的问题，本发明提供一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法及系统，能够对变电站内的线缆槽盒进行监测，准确得到线缆的维护位置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法，包括如下步骤，S1、分别获取线缆和线缆槽盒的空间位置；S2、根据空间位置确定槽盒拟合位置，并根据环境情况建立槽盒的模型；S3、发送指标信号检测线缆，获得指标信号基于槽盒模型的三维变化曲线；S4、对不同电子围栏分别设置维护指标，根据维护指标对三维变化曲线分段判断是否需要维护。分别获取线缆和线缆槽盒在变电站内的位置，建立槽盒关于位置和环境的数字模型；通过检测信号的变化和槽盒的数字模型得到检测结果数字模型，对不同槽盒位置建立不同的维护指标，从而确定每处电缆是否需要维护；进一步的，不同维护指标的确定为数字模型不同字段的阈值，从而将变电站内线缆的实际情况转换为数字模型进行判断显示，提高了对于远程维护监测的便捷程度，能够对变电站内的线缆槽盒进行监测，准确得到线缆的维护位置。

作为优选的，S2的实现包括将多个空间位置相近的槽盒集合为槽盒集合，槽盒集合中包括多个槽盒的相对位置的空间系数，空间系数的确定包括相对位置在同一坐标系下的不同的变换矩阵。分别获取每个槽盒的空间位置后，对空间内设定精确度范围，对精确度范围内的多个槽盒组成槽盒集合，对槽盒集合内的每个槽盒空间位置关于空间中心进行变换得到位置变换矩阵，将位置变换矩阵设为空间系数，从而使得每个槽盒的空间位置转换为当前槽盒集合的数字位置关系。通过槽盒集合的建立使得变电站内槽盒可以根据位置进行一次划分，便于对变电站内不同位置的槽盒实现统一参考，通过获得槽盒的空间系数，便于对槽盒集合内不同槽盒的位置进行数字刻画，避免重复调用空间位置数据，使得同一槽盒集合内槽盒的位置可用同一组数据来表示。

作为优选的，获取槽盒集合的经纬度数据，根据经纬度数据和空间系数确定槽盒的拟合位置，建立槽盒的拟合位置集，将不同经纬度数据的环境情况显示到对应的拟合位置集中。将多个槽盒统一为槽盒集合后，变电站内多个不同位置获相近位置的槽盒通过多个不同位置的槽盒集合表示，进一步的对每个槽盒集合确定其经纬度数据，通过经纬度数据和空间系数得到槽盒集合中每个槽盒拟合后的经纬度位置，拟合后的经纬度位置为拟合位置，使得空间系数集变成拟合位置集，进而对原始经纬度数据处的环境情况加入到拟合位置集中，从而实现对槽盒的位置和环境一同显示。能够获得槽盒的实际位置，并将实际位置的环境进行表示。

作为优选的，拟合位置集的确定包括，对相同拟合位置的槽盒建立电子围栏；根据槽盒不同类型的电缆布置方式，对每个电子围栏内电缆的布置方式与槽盒的的拟合数据组合。对相同拟合位置的槽盒建立电子围栏包括，对拟合后经纬度相同不属于同一个槽盒集合内的槽盒建立电子围栏，从而得到位于变电站相同位置但是不同高度的多个槽盒；将槽盒的不同类型和拟合数据拟合并对电子围栏内的槽盒的拟合数据组合为拟合数据集。通过槽盒位置的第二次分类，实现具有相同位置特征的槽盒的统一显示。

作为优选的，根据环境情况建立槽盒模型的实现包括，获取温度数据并进行数据处理，对处理过的温度数据进行温度数据特征提取并异常监测与识别。能够实现对槽盒温度的准确监测。

一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测系统，包括槽盒，槽盒中设有多个线缆；线缆连接有处理模块，处理模块用于对槽盒进行建模；处理模块连接有采集模块，采集模块用于发出检测信号并检测槽盒环境。槽盒为方形空心件，槽盒用于为线缆提供敷设管道，同时便于对内部的线缆进行监测与保护；变电站内设有一个处理模块，处理模块的两端与线缆连接，同时处理模块与采集模块无线连接。通过采集模块和处理模块实现槽盒的相关数据采集和数字建模，同时便于对槽盒内线缆进行检测，实现变电站内线缆的位置和环境建模及实时的维护监测，提高维护效率和监测准确性。

作为优选的，槽盒包括槽盒基本件和连接件，槽盒基本件中设有对称布置的线缆槽，线缆槽分别明敷至变电站内外。通过槽盒将线缆明敷至变电站中，便于为维护一体化墙板和检修便捷提供技术支撑，可实现后期管线运行维护的可视化操作、简单性和高效性。

作为优选的，采集模块包括信号发射端，信号发射端与处理模块连接，处理模块连接有多个环境变量传感器，环境变量传感器用于检测变电站内外的多种环境变量。采集模块包括多个位置传感器，位置传感器分别位于不同的槽盒中，位置传感器用于检测槽盒的位置，位置传感器与处理模块连接；环境变量传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器等传感器，能够分别检测变电站不同位置的多种环境变量。

本发明具有如下优点：

(1)将变电站内线缆的实际情况转换为数字模型进行判断显示，提高了对于远程维护监测的便捷程度，能够对变电站内的线缆槽盒进行监测，准确得到线缆的维护位置；(2)便于对槽盒集合内不同槽盒的位置进行数字刻画，避免重复调用空间位置数据，使得同一槽盒集合内槽盒的位置可用同一组数据来表示；(3)能够获得槽盒的实际位置，并将实际位置的环境进行表示；(4)通过采集模块和处理模块实现槽盒的相关数据采集和数字建模，同时便于对槽盒内线缆进行检测，实现变电站内线缆的位置和环境建模及实时的维护监测，提高维护效率和监测准确性。

附图说明

下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1是本发明中一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法步骤示意图。

图2是本发明中一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测系统框图。

图中：

1-槽盒；2-处理模块；3-采集模块。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，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。

如图1所示，在一个较佳的实施例中，本发明公开了一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法，包括如下步骤，S1、分别获取线缆和线缆槽盒的空间位置。

在使用时，获取线缆相对于槽盒的位置，获取槽盒之间的相对位置，槽盒的相对位置中包括了线缆的相对位置，使得对线缆的位置监测可以转换为槽盒的位置监测，对槽盒的位置监测可以转换为对槽盒集合的位置监测，最终使得对槽盒的划分监测代表了线缆的划分监测。

S2、根据空间位置确定槽盒拟合位置，并根据环境情况建立槽盒的模型；S2的实现包括将多个空间位置相近的槽盒集合为槽盒集合，槽盒集合中包括多个槽盒的相对位置的空间系数，空间系数的确定包括相对位置在同一坐标系下的不同的变换矩阵。分别获取每个槽盒的空间位置后，对空间内设定精确度范围，对精确度范围内的多个槽盒组成槽盒集合，对槽盒集合内的每个槽盒空间位置关于空间中心进行变换得到位置变换矩阵，将位置变换矩阵设为空间系数。获取槽盒集合的经纬度数据，根据经纬度数据和空间系数确定槽盒的拟合位置，建立槽盒的拟合位置集，将不同经纬度数据的环境情况显示到对应的拟合位置集中。将多个槽盒统一为槽盒集合后，变电站内多个不同位置获相近位置的槽盒通过多个不同位置的槽盒集合表示，进一步的对每个槽盒集合确定其经纬度数据，通过经纬度数据和空间系数得到槽盒集合中每个槽盒拟合后的经纬度位置，拟合后的经纬度位置为拟合位置，使得空间系数集变成拟合位置集。拟合位置集的确定包括，对相同拟合位置的槽盒建立电子围栏；根据槽盒不同类型的电缆布置方式，对每个电子围栏内电缆的布置方式与槽盒的的拟合数据组合。对相同拟合位置的槽盒建立电子围栏包括，对拟合后经纬度相同不属于同一个槽盒集合内的槽盒建立电子围栏，从而得到位于变电站相同位置但是不同高度的多个槽盒；将槽盒的不同类型和拟合数据拟合并对电子围栏内的槽盒的拟合数据组合为拟合数据集。通过槽盒位置的第二次分类，实现具有相同位置特征的槽盒的统一显示。

在使用时，检测槽盒的相对位置信息后，通过槽盒的相对位置信息确定槽盒集合，对槽盒集合中心处的槽盒位置进行检测，得到经纬度数据，根据经纬度数据换算得到每个槽盒的拟合位置，再根据拟合位置将槽盒进行分类，得到拟合数据集，每个拟合数据集中包括相同或相似位置结构特征的槽盒，也使得位于同一个拟合数据集中的槽盒具有相近或关联的环境变化量。

根据环境情况建立槽盒模型的实现包括，获取温度数据并进行数据处理，对处理过的温度数据进行温度数据特征提取并异常监测与识别。

在使用时，数据处理包括；数据清理，即清理数据集中的干扰值，包括缺失值、离群点处理等：删除数据：若温度数据的缺失率高达80％，且重要性较低，就可以直接将这部分数据删除。填充数据：若温度数据的缺失率高达低于5％，且较为重要，就需要对缺失的数据进行补充处理。补充方法有插值法填充、模型填充、中位数填充等。

除了缺失数据外，数据清理中还存在另一种情况，即离群点处理。这里的离群点不是指由于变电站装配式线缆槽盒温度异常产生的能正常反映其状态的数据，针对离群点，可以采用

原则来寻找并对数据进行处理，即将偏离均值3σ之外的值认定为离群点，公式如下：

P(|x-μ|＞3σ)≤0.003 (1)

式中，P(|x-μ|＞3σ)代表距离平均值3σ之外的概率；σ代表标准差；μ代表均值；x代表原始数据点。

数据处理包括数据变换；数据变换，即对数据格式、形式、结构等进行变换，使其能够适用于数据挖掘，具体包括数据归一化、离散化等。数据归一化是指对数据按照一定比例进行缩放，使其量纲处于统一的范围内。处理公式如下：

式中，y是归一化后的温度值，y_max、y_min为归一化后的数值的缩放范围的最大值和最小值；x_max、x_min代表温度数据序列中的最大值和最小值；x代表原始温度数值。

离散化处理是指将连续的数据划分为小的区段。在这里通过计算数据信息熵来进行数据分组。具体过程如下：

步骤1：对温度数据集按照升序的顺序排序。

步骤2：按照下述公式计算每相邻两个数据之间的候选分割点。

式中，T_i代表候选分割点；a_i代表第i个温度数据；代表i+1个温度数据。

步骤3：重复上述步骤，构建候选分割点集。

步骤4：从候选分割点集中选取一个能够使信息熵值最小的分割点；信息熵值Ent(s)计算公式如下：

式中，s代表数据集合；k代表数据数量；p_j代表第j个数值出现的次数。

步骤5：利用该断点将数据集分为两个区间。

步骤6：判断熵是否＞阈值且＜指定的数据分组个数？若满足上述条件，完成温度数据离散化处理；否则，重复上述步骤，递归地对温度数据序列进行分组，直至满足条件。

预处理后，温度数据质量满足了后续数据挖掘的要求。

温度数据特征提取的实现包括；通过关联维来表示温度数据特征，具体过程如下：

步骤1：根据变电站装配式线缆槽盒温度数据建立相空间，得出相空间矢量[f₁,f₂,...,f_M]。

其中，

M＝N-(r-1)t(6)

式中，N表示特征量；t代表时延；r表示嵌入维数；{f₁,f₂,...,f_N}代表温度数据集。

步骤2：将任意两个矢量之间的最大分量作为二者间距d_max，计算公式如下：

|f_i-f_j|＝d_max (7)

式中，f_i，f_j分别表示差异度系数与分布特征集，d表示适应度函数。步骤3：计算关联积分。计算公式如下：

式中，S代表关联积分；K代表相空间中数据点的数量；l代表既定正数；H代表Heaviside函数，其表达式如下：

步骤4：计算关联维C。计算公式如下：

步骤5：数据特征提取公式表达如下：

式中，a代表倍频因子；φ_i代表近似系数标准差。Z越大，关联维越小，说明数据集中数据越稀疏。

变电站装配式线缆槽盒温度异常监测与识别的实现包括；异常指数计算公式如下：

式中，D代表一个对角元素为0的对称矩阵。d_ij代表测试数据集特征与正常特征数据库中特征之间的距离。

计算平均距离，公式如下：

式中，

代表测试数据集特征与正常特征数据库中特征之间的平均距离。

由此计算该测试数据集的异常指数，公式表达式如下：

式中，E表示约束特征参数分布集。

其中，

按照下述表1，对比得出变电站装配式线缆槽盒温度异常状态。

表1变电站装配式线缆槽盒温度异常状态

通过异常识别，能够实时监测到变电站装配式线缆槽盒温度变化情况，并将异常指数加入到拟合数据集合中，从而建立槽盒的数字模型。

S3、发送指标信号检测线缆，获得指标信号基于槽盒模型的三维变化曲线；S4、对不同电子围栏分别设置维护指标，根据维护指标对三维变化曲线分段判断是否需要维护。

在使用时，分别获取线缆和线缆槽盒在变电站内的位置，建立槽盒关于位置和环境的数字模型；通过检测信号的变化和槽盒的数字模型得到检测结果数字模型，对不同槽盒位置建立不同的维护指标，从而确定每处电缆是否需要维护；进一步的，不同维护指标的确定为数字模型不同字段的阈值，从而将变电站内线缆的实际情况转换为数字模型进行判断显示，发射指标信号通过电缆，记录指标信号的变化，根据指标信号和槽盒的数字模型建立三维变化曲线，对不同电子围栏内的维护指标和三维变化曲线进行对比，在三维变化曲线的值达到维护指标时则对该处槽盒判断需要进行维护。

如图2所示，本发明公开了一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测系统，包括槽盒1，槽盒1中设有多个线缆；线缆连接有处理模块2，处理模块用于对槽盒进行建模；处理模块2连接有采集模块3，采集模块3用于检测槽盒内外环境。槽盒为方形空心件，槽盒用于为线缆提供敷设管道，同时便于对内部的线缆进行监测与保护；变电站内设有一个处理模块，处理模块的两端与线缆连接，同时处理模块与采集模块无线连接。槽盒包括槽盒基本件和连接件，槽盒基本件中设有对称布置的线缆槽，线缆槽分别明敷至变电站内外。采集模块包括多个环境变量传感器，处理模块与多个环境变量传感器连接，环境变量传感器用于检测变电站内外的多种环境变量。采集模块包括多个位置传感器，位置传感器分别位于不同的槽盒中，位置传感器用于检测槽盒的位置，位置包括相对位置和经纬度坐标，位置传感器与处理模块连接；环境变量传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器等传感器，能够分别检测变电站不同位置的多种环境变量。

在使用时，处理模块通过位置传感器获取槽盒的相对位置，处理模块通过将环境变量传感器获得槽盒内外的温湿度等环境变量，处理模块将指标信号发送到电缆中，指标信号实时传送自身变化值和对应的槽盒位置到处理模块，处理模块用于建立三维变化曲线，并对三维变化曲线和预设的维护指标进行判断是否需要维护。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法，其特征在于，包括如下步骤，S1、分别获取线缆和线缆槽盒的空间位置；S2、根据空间位置确定槽盒拟合位置，并根据环境情况建立槽盒的模型；S3、发送指标信号检测线缆，获得指标信号基于槽盒模型的三维变化曲线；S4、对不同电子围栏分别设置维护指标，根据维护指标对三维变化曲线分段判断是否需要维护。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法，其特征在于，所述的S2的实现包括将多个空间位置相近的槽盒集合为槽盒集合，槽盒集合中包括多个槽盒的相对位置的空间系数，空间系数的确定包括相对位置在同一坐标系下的不同的变换矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法，其特征在于，获取槽盒集合的经纬度数据，根据经纬度数据和空间系数确定槽盒的拟合位置，建立槽盒的拟合位置集，将不同经纬度数据的环境情况显示到对应的拟合位置集中。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法，其特征在于，所述的拟合位置集的确定包括，对相同拟合位置的槽盒建立电子围栏；根据槽盒不同类型的电缆布置方式，对每个电子围栏内电缆的布置方式与槽盒的的拟合数据组合。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测方法，其特征在于，根据环境情况建立槽盒模型的实现包括，获取温度数据并进行数据处理，对处理过的温度数据进行温度数据特征提取并进行异常监测与识别。

6.一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测系统，适用于如权利要求1至5任一项所述的一种基于数字孪生的变电站线缆维护方法，其特征在于，包括槽盒，槽盒中设有多个线缆；线缆连接有处理模块，处理模块用于对槽盒进行建模；处理模块连接有采集模块，采集模块用于检测槽盒内外环境。

7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测系统，其特征在于，所述的槽盒包括槽盒基本件和连接件，槽盒基本件中设有对称布置的线缆槽，线缆槽分别明敷至变电站内外。

8.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生的变电站线缆维护监测系统，其特征在于，所述的采集模块包括多个环境变量传感器，处理模块与多个环境变量传感器连接，所述的环境变量传感器用于检测变电站内外的多种环境变量。

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