基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法

汪曉， 朱兆華， 周凱， 沈楊

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司， 安徽， 合肥 231131)

0 引言

隨著中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)有限公司能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)建設(shè)工作的逐步推進(jìn)[1]，對(duì)輸電線路的智能巡檢提出了更高的要求[2]。傳統(tǒng)的輸電線路巡檢往往采用人工巡檢或無人機(jī)巡線的方式進(jìn)行線路巡查[3-4]，巡查點(diǎn)位少，不能覆蓋所有地點(diǎn)的樹木生長(zhǎng)情況[5-6]。同時(shí)，人工與無人機(jī)巡檢后采用離線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析效率低，不能及時(shí)開展輸電線路樹木距離告警工作[7-8]，影響輸電線路運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)輸電線路樹木距離告警工作做了大量研究。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于三維上流有限元法的輸電線路樹木距離告警方法，根據(jù)直流線路的合成電場(chǎng)，計(jì)算樹木到輸電線路的距離。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于臨近時(shí)電場(chǎng)分析的輸電線路樹木距離告警方法，通過對(duì)輸電線路有限元分析，計(jì)算樹木的形狀、高度、位置等信息。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于樹木生長(zhǎng)高度預(yù)測(cè)的輸電線路樹木距離告警方法，通過對(duì)輸電線路的樹木生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，在即將發(fā)生樹木過高的情況下進(jìn)行預(yù)警。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于電場(chǎng)變化規(guī)律的輸電線路數(shù)據(jù)距離告警方法，通過對(duì)樹木臨近導(dǎo)線的電場(chǎng)變化規(guī)律分析，當(dāng)樹木臨近輸電線路時(shí)進(jìn)行告警。由此可見，輸電線路樹木距離告警研究方法多樣，且取得的一定的效果。但上述研究方法中，樹木種類繁多，生長(zhǎng)規(guī)律、影響的電場(chǎng)變化不盡相同，樹木距離告警準(zhǔn)確率低。

為解決輸電線路附近樹木生長(zhǎng)快、發(fā)現(xiàn)難度大的問題，本文提出一種基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法。首先通過攝像頭獲取樹木的特征信息，構(gòu)建輸電線路樹木的數(shù)字孿生模型，對(duì)樹木的生長(zhǎng)周期和可能造成的輸電線路危害進(jìn)行仿真，并對(duì)樹木造成的輸電線路進(jìn)行預(yù)警。最后，通過對(duì)輸電線路樹木距離告警的實(shí)例分析，其結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)字孿生輸電線路樹木預(yù)警方法的有效和可行性。

1 輸電線路樹木距離告警框架

本文提出基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法，該方法重點(diǎn)考慮各類型樹木生長(zhǎng)特性分析和輸電線路樹阻事故分析的問題。輸電線路樹木距離告警框架如圖1所示。該框架主要包括輸電線路樹木特征提取、數(shù)字孿生模型建立、樹木危害仿真分析、樹木事故置信度分析和樹木距離告警通知等5個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 輸電線路樹木距離告警框架圖

在輸電線路樹木特征提取環(huán)節(jié)，根據(jù)安裝在輸電線路桿塔上的攝像頭提取輸電線路視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行輸電線路識(shí)別與輸電線路附近的數(shù)據(jù)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，獲取輸電線路及附近不同類型樹木的數(shù)量、面積、生長(zhǎng)特點(diǎn)、距離輸電線路距離等特征數(shù)據(jù)。在建立數(shù)字孿生模型環(huán)節(jié)，根據(jù)輸電線路及附近樹木的視頻特征數(shù)據(jù)，采用層次細(xì)節(jié)算法實(shí)現(xiàn)輸電線路及其附近的樹木環(huán)境三維建模。在樹木危害仿真分析環(huán)節(jié)，對(duì)輸電線路附近樹木的生長(zhǎng)周期和可能造成的輸電線路危害進(jìn)行仿真，獲取可能出現(xiàn)的樹木觸電危害。在樹木事故置信度分析環(huán)節(jié)，通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)樹木可能造成的輸電線路事故進(jìn)行置信度分析，驗(yàn)證樹木可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。在樹木距離告警通知環(huán)節(jié)，根據(jù)輸電線路樹木距離告警數(shù)據(jù)，向電網(wǎng)巡檢人員發(fā)出任務(wù)通知工單。

2 輸電線路樹木距離告警模型

基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法是一種輸電線路附近數(shù)據(jù)生長(zhǎng)特性的告警方法，可提高輸電線路樹木距離告警的準(zhǔn)確性。

2.1 輸電線路樹木特征提取

樹木生長(zhǎng)特點(diǎn)即樹木1個(gè)周期內(nèi)的生長(zhǎng)速度，以1個(gè)月為周期，通過攝像頭拍攝1個(gè)月前后樹木的圖片。采用視頻測(cè)距方式，對(duì)比分析圖片樹木1個(gè)月的生長(zhǎng)高度。

首先，在輸電線路沿線桿塔中安裝攝像頭，以提取輸電線路桿塔、導(dǎo)線、附屬設(shè)施及附近樹木視頻數(shù)據(jù)；其次，通過輸電線路識(shí)別，獲取輸電線路的桿塔、導(dǎo)線位置、對(duì)地距離等信息；再次，對(duì)輸電線路附近不同類型樹木的數(shù)量、面積、生長(zhǎng)特點(diǎn)、距離輸電線路距離等特征數(shù)據(jù)。

為解決輸電線路監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)量大造成提取特征效率低的問題，采用主成分分析法(principal component analysis, PCA)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降維[12]。PCA方法通過空間的線性投影，將輸電線路的高維圖像數(shù)據(jù)映射到低維度數(shù)據(jù)空間。文中的視頻尺寸為720P(1 280×720)，維度為1 280×720= 921 600維向量，降維后為的向量為256×144=36 864維向量。

設(shè)輸電線路原始視頻數(shù)據(jù)為ja個(gè)ka維數(shù)據(jù)，其排序矩陣為Ajk，設(shè)視頻數(shù)據(jù)時(shí)間為Ta，協(xié)方差矩陣Ba為

(1)

設(shè)輸電線路桿塔導(dǎo)線位置、對(duì)地距離、附近不同類型樹木的數(shù)量、面積、生長(zhǎng)特點(diǎn)、距離輸電線路距離的特征行為da，數(shù)據(jù)降維后的矩陣Ca為

Ca=Bada

(2)

2.2 建立數(shù)字孿生模型

在降維后的輸電線路及附近樹木視頻特征信息的基礎(chǔ)上，采用層次細(xì)節(jié)算法實(shí)現(xiàn)輸電線路及其附近的樹木環(huán)境三維建模。

層次細(xì)節(jié)算法(level of detail, LOD)是一種三維模型建立方法，在觀測(cè)點(diǎn)靠近三維輸電線路及附近樹木信息時(shí)，能獲取到細(xì)節(jié)豐富的信息；在觀測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離三維輸電線路及附近樹木信息時(shí)，細(xì)節(jié)信息逐漸模糊[13]。采用LOD算法進(jìn)行輸電線路及附近樹木的三維建?？捎行岣邤?shù)字孿生效率。

設(shè)數(shù)字孿生中輸電線路及其附近樹木的三維起伏度為e1,e2,…,en，其中n為三維邊的總數(shù)；設(shè)三維調(diào)節(jié)因子為ha，輸電線路及其附近樹木的三維模型Ra為

(3)

2.3 樹木危害仿真分析

在獲得輸電線路及其附近樹木的三維模型后，開展樹木危害仿真分析[15]，對(duì)輸電線路附近樹木的生長(zhǎng)周期和可能造成的輸電線路危害進(jìn)行仿真，獲取可能出現(xiàn)的樹木觸電危害。

設(shè)仿真的周期頻次為nb，樹木的生長(zhǎng)歷史高度為hc，樹木生長(zhǎng)仿真的預(yù)測(cè)值hd為

(4)

通過對(duì)輸電線路的視頻數(shù)據(jù)分析和對(duì)樹木生長(zhǎng)仿真預(yù)測(cè)，判斷樹木的現(xiàn)有高度和生長(zhǎng)速度，當(dāng)樹木在1年內(nèi)即將到達(dá)輸電線路的安全距離時(shí)，進(jìn)行告警?？捎行Ы鉀Q輸電線路附近樹木生長(zhǎng)過快，發(fā)現(xiàn)難的問題。

2.4 樹木事故置信度分析

在輸電線路附近樹木危害仿真分析后，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)樹木可能造成的輸電線路事故進(jìn)行置信度分析，驗(yàn)證樹木可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)輸電線路樹木生長(zhǎng)可能出現(xiàn)的概率總數(shù)為nc，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)函數(shù)為δ，概率事件為Y，輸電線路樹木事故驗(yàn)證分布概率為Z為

(5)

2.5 樹木距離告警通知

根據(jù)輸電線路數(shù)據(jù)事故置信度分析驗(yàn)證的樹木生長(zhǎng)告警數(shù)據(jù)，生成樹木告警工單，通過移動(dòng)作業(yè)終端向電網(wǎng)檢修公司運(yùn)維人員發(fā)出任務(wù)通知單。

3 仿真流程

基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法仿真流程如圖2所示。

圖2 輸電線路樹木距離告警仿真流程圖

步驟1 對(duì)輸電線路視頻攝像頭中的線路及樹木的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

步驟2 建立輸電線路及附近樹木的三維數(shù)字孿生模型。

步驟3 對(duì)輸電線路附近的樹木危害進(jìn)行仿真分析，首先按樹木的種類，通過視頻測(cè)距判斷樹木的原有高度，然后拍攝1個(gè)月后的樹木高度，從而判斷樹木的生長(zhǎng)速度，當(dāng)樹木的生長(zhǎng)在1年以內(nèi)接觸輸電線路的安全距離時(shí)，進(jìn)行告警。

步驟4 對(duì)輸電線路附近的樹木危害進(jìn)行可信度驗(yàn)證。

步驟5 生成樹木告警工單，通過移動(dòng)作業(yè)終端向電網(wǎng)巡檢人員發(fā)出任務(wù)通知單。

4 算例分析

采用文中所提的基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法，在某省的運(yùn)維檢修公司進(jìn)行實(shí)例運(yùn)行。選取的輸電電路為500 kV線路10條、220 kV線路40條，分析的視頻數(shù)據(jù)為1年。本文使用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)環(huán)境為Win 7，處理器因特爾 2.2 G，內(nèi)存為8 G。

(1) 輸電線路三維模型準(zhǔn)確性分析

輸電線路的三維模型建立是判斷輸電線路樹木距離告警的關(guān)鍵因素，通常的算法輸電線路三維模型準(zhǔn)確率在96%左右，文中的方法可提高三維模型的準(zhǔn)確率。

采用文中所提基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法與二次誤差測(cè)度 (quadric error mactrics, QEM)方法比較輸電線路三維模型準(zhǔn)確性，比較方法為三維模型的尺寸長(zhǎng)度比例與通過輸電線路激光測(cè)距的實(shí)際長(zhǎng)度比例進(jìn)行比較，兩者一致即為準(zhǔn)確。

選擇輸電線路數(shù)量為5、8、10、20、30、40、50個(gè)，2種方法輸電線路三維模型建立準(zhǔn)確性如表1所示。

表1 輸電線路三維模型準(zhǔn)確性分析表

由表1可見，基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法三維模型準(zhǔn)確性高于QEM方法。

(2) 輸電線路樹木距離告警準(zhǔn)確性分析

采用本文所提的基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法與合成電場(chǎng)建模比較數(shù)據(jù)距離告警準(zhǔn)確性，選擇輸電線路個(gè)數(shù)為5、8、10、20、30、40、50個(gè)。2種方法的準(zhǔn)確性比較如圖3所示。

圖3 輸電線路樹木距離告警準(zhǔn)確性圖

由圖3可見，基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法輸電線路樹木距離告警準(zhǔn)確性高于QEM方法。

(3) 輸電線路樹木距離告警準(zhǔn)結(jié)果

基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2 輸電線路樹木距離告警準(zhǔn)結(jié)果

由表2可見，通過本文所提基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法，可對(duì)輸電線路樹木距離預(yù)警進(jìn)行有效評(píng)估。

(4) 樹木生長(zhǎng)速度

通過文中的視頻監(jiān)測(cè)，輸電線路的樹木的生長(zhǎng)速度如表3所示。

表3 樹木生長(zhǎng)速度統(tǒng)計(jì)表

5 總結(jié)

為解決輸電線路附近樹木生長(zhǎng)快，發(fā)現(xiàn)難度大的問題，本文提出了一種基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警方法，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字孿生的輸電線路樹木距離告警模型。在輸電線路及附近樹木數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上，對(duì)樹木的生長(zhǎng)周期和可能造成的輸電線路危害進(jìn)行仿真，在對(duì)樹木可能造成的輸電線路事故進(jìn)行驗(yàn)證后通知運(yùn)行檢修人員處理。最后，通過實(shí)例分析，其結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的有效和可行性。

下一步，將對(duì)輸電線路附近的山火防治做進(jìn)一步研究。