基于数字孪生技术的输电线路运维方案研究

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摘要：摘要：架空输电线路具有距离长、跨度大等特点。尤其是超特高压输电线路大多在高山大岭区域走线，线路的运行受风霜雨雪等自然环境及外力破坏等因素影响较大。传统的电力线路运维方式主要靠人工巡检，尤其对于高海拔和无人区的线路，运维人员的工作量极大。近年来，随着

　　摘要：架空输电线路具有距离长、跨度大等特点。尤其是超特高压输电线路大多在高山大岭区域走线，线路的运行受风霜雨雪等自然环境及外力破坏等因素影响较大。传统的电力线路运维方式主要靠人工巡检，尤其对于高海拔和无人区的线路，运维人员的工作量极大。近年来，随着三维建模技术和高精度航测技术的发展和成熟，三维数字化技术在输电线路设计领域已经得到广泛的推广，但是三维设计的成果大多数仅停留在设计和基建阶段，在输电线路的运维领域并未得到深度应用。本文将对数字化设计成果延伸至运维阶段的应用方案进行探讨。

　　关键词：数字孪生技术;输电线路

　　一、输电线路数字孪生模型

　　在线路的运维工作中应用数字化技术，首先需要建立输电线路的数字孪生模型。所谓数字孪生，即建立数字模型与实体设备的一一映射，使模型能真实准确地反映客观世界的状态，达到可看、可算和可控的目标。

　　输电线路的数字孪生模型由线路本体模型、通道模型和在线监测数据三部分组成。线路本体模型主要包括杆塔、基础、金具、绝缘子、导地线等输电线路设备。由于输电线路跨度广、元件众多，为了兼顾模型的精度和效率，国内电力行业一般采用GIM格式作为线路本体模型的交互数据。

　　线路通道模型主要包含线行通道内的各种建构筑物和林木等。目前，线路通道的建模方式主要有激光点云和倾斜摄影两种。激光点云是通过发射激光束和接收反射信号从而精确获取物体的空间位置，主要用于交叉跨越电力线路和林木等表面穿透性较强的地物建模。

　　倾斜摄影技术是通過从一个垂直、四个倾斜共五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，再通过先进建模技术高精度还原物体的立体形态，主要用于房屋等表面穿透性不强的地物建模。

　　在线监测数据是通过安装在线路上的温度、张力、覆冰、污秽、风速等监测装置获取线路设备的实时运行状态，并通过算法修正模型中的绝缘子摆角、导线弧垂等动态部分，使模型与设备的真实状况保持高度一致，并为后续的智能运维分析提供准确的边界条件。

　　二、 三维数字化台账

　　传统的电力线路运维台账一般采用表格型式，当线路的拓扑结构或设备状态发生变化时，主要依靠运维人员手动更新台账。输电线路尤其是城市周边线路由于社会发展和电网结构变化等原因发生迁改的机会较大，台账信息的维护工作给运行人员造成了极大的负担。采用数字孪生模型后，当电网结构发生变化时，只需通过数字化移交的手段将设计成果替换原有的孪生模型，即可完成设备台账的更新。同时，三维模型可作为设备属性、运行状态、设计图纸、缺陷和检修记录等信息的查询入口，增加了数据的可视化程度，彻底摆脱传统的翻阅资料和图纸的管理模式。

　　三、 杆塔安全性评估

　　传统的铁塔安全性评估工作需要通过翻阅资料查找杆塔定位的使用条件、计算杆塔荷载，再调用杆塔设计时的计算模型验算杆件是否满足荷载要求，工作量大也容易出错。基于数字孪生模型可以快速获取杆塔的使用条件，通过风速、温度等边界条件可直接生成杆塔的荷载数据。在智能运维平台中嵌入杆塔验算功能模块，即可快速获取铁塔上每根杆件的受力状态。该功能可用于铁塔部分杆件发生锈蚀、弯曲或缺失条件下铁塔整体状态的评估;也可用于极端天气来临前模拟铁塔的受力状态，为运维人员有针对性地对薄弱环节进行紧急加固提供决策依据。

　　四、 塔基稳定性分析

　　输电线路铁塔周边地形由于植被破坏、雨水冲刷等原因，容易对铁塔基础造成影响，进而影响线路安全运行。利用无人机定期对线路通道采集激光点云数据，可获取塔基周围的高清影像和高精度地面高程数据。通过图像识别技术，可快速判断塔基周边地表植被的变化情况;通过不同时期地面高程数据的对比，可分析塔基四周地形的变化趋势，由此可筛选出可能存在地质隐患的塔位。综合以上两项判断结果对隐患塔位加装地基沉降在线监测设备进行重点观测。此方法既可使运维人员快速排查存在地质隐患的塔位，采取有针对性的加固措施，也避免了大规模安装在线监测设备带来的投资大幅增加。

　　五、 输电线路动态增容

　　输电线路的输送容量一般受导线截面、环境温度、风速、日照等因素影响。按照目前的调度运行习惯，线路的输送容量一般在设计阶段按照最严苛的条件来确定。但在线路运行过程中，其边界条件可能与设计取值有所不同。基于数字孪生模型，可快速获取线路上每点的对地及交叉跨越距离、导线温度以及环境温度、风速等边界变量，根据一定的算法得到在不同时期线路可增容的空间，实现线路输送容量的动态控制，最大限度地挖掘设备的利用潜能。

　　结语

　　本文阐述了目前输电线路的运维方式及存在问题，并介绍了输电线路数字孪生模型的构建方法，在此基础上探讨了输电线路基于孪生模型的运维策略，为数字化手段在输电线路运维阶段的应用提供参考。

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