基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法

汪晓， 朱兆华， 周凯， 沈杨

(国网安徽省电力有限公司检修分公司， 安徽， 合肥 231131)

0 引言

随着中国国家电网有限公司能源互联网企业建设工作的逐步推进[1]，对输电线路的智能巡检提出了更高的要求[2]。传统的输电线路巡检往往采用人工巡检或无人机巡线的方式进行线路巡查[3-4]，巡查点位少，不能覆盖所有地点的树木生长情况[5-6]。同时，人工与无人机巡检后采用离线进行数据采集，分析效率低，不能及时开展输电线路树木距离告警工作[7-8]，影响输电线路运行的安全与稳定。

国内外许多学者对输电线路树木距离告警工作做了大量研究。文献[8]提出了一种基于三维上流有限元法的输电线路树木距离告警方法，根据直流线路的合成电场，计算树木到输电线路的距离。文献[9]提出了一种基于临近时电场分析的输电线路树木距离告警方法，通过对输电线路有限元分析，计算树木的形状、高度、位置等信息。文献[10]提出了一种基于树木生长高度预测的输电线路树木距离告警方法，通过对输电线路的树木生长规律进行预测，在即将发生树木过高的情况下进行预警。文献[11]提出了一种基于电场变化规律的输电线路数据距离告警方法，通过对树木临近导线的电场变化规律分析，当树木临近输电线路时进行告警。由此可见，输电线路树木距离告警研究方法多样，且取得的一定的效果。但上述研究方法中，树木种类繁多，生长规律、影响的电场变化不尽相同，树木距离告警准确率低。

为解决输电线路附近树木生长快、发现难度大的问题，本文提出一种基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法。首先通过摄像头获取树木的特征信息，构建输电线路树木的数字孪生模型，对树木的生长周期和可能造成的输电线路危害进行仿真，并对树木造成的输电线路进行预警。最后，通过对输电线路树木距离告警的实例分析，其结果验证了数字孪生输电线路树木预警方法的有效和可行性。

1 输电线路树木距离告警框架

本文提出基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法，该方法重点考虑各类型树木生长特性分析和输电线路树阻事故分析的问题。输电线路树木距离告警框架如图1所示。该框架主要包括输电线路树木特征提取、数字孪生模型建立、树木危害仿真分析、树木事故置信度分析和树木距离告警通知等5个环节。

图1 输电线路树木距离告警框架图

在输电线路树木特征提取环节，根据安装在输电线路杆塔上的摄像头提取输电线路视频数据进行输电线路识别与输电线路附近的数据特征数据进行识别，获取输电线路及附近不同类型树木的数量、面积、生长特点、距离输电线路距离等特征数据。在建立数字孪生模型环节，根据输电线路及附近树木的视频特征数据，采用层次细节算法实现输电线路及其附近的树木环境三维建模。在树木危害仿真分析环节，对输电线路附近树木的生长周期和可能造成的输电线路危害进行仿真，获取可能出现的树木触电危害。在树木事故置信度分析环节，通过贝叶斯网络对树木可能造成的输电线路事故进行置信度分析，验证树木可能造成的风险。在树木距离告警通知环节，根据输电线路树木距离告警数据，向电网巡检人员发出任务通知工单。

2 输电线路树木距离告警模型

基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法是一种输电线路附近数据生长特性的告警方法，可提高输电线路树木距离告警的准确性。

2.1 输电线路树木特征提取

树木生长特点即树木1个周期内的生长速度，以1个月为周期，通过摄像头拍摄1个月前后树木的图片。采用视频测距方式，对比分析图片树木1个月的生长高度。

首先，在输电线路沿线杆塔中安装摄像头，以提取输电线路杆塔、导线、附属设施及附近树木视频数据；其次，通过输电线路识别，获取输电线路的杆塔、导线位置、对地距离等信息；再次，对输电线路附近不同类型树木的数量、面积、生长特点、距离输电线路距离等特征数据。

为解决输电线路监控视频数据量大造成提取特征效率低的问题，采用主成分分析法(principal component analysis, PCA)对图像数据进行降维[12]。PCA方法通过空间的线性投影，将输电线路的高维图像数据映射到低维度数据空间。文中的视频尺寸为720P(1 280×720)，维度为1 280×720= 921 600维向量，降维后为的向量为256×144=36 864维向量。

设输电线路原始视频数据为ja个ka维数据，其排序矩阵为Ajk，设视频数据时间为Ta，协方差矩阵Ba为

(1)

设输电线路杆塔导线位置、对地距离、附近不同类型树木的数量、面积、生长特点、距离输电线路距离的特征行为da，数据降维后的矩阵Ca为

Ca=Bada

(2)

2.2 建立数字孪生模型

在降维后的输电线路及附近树木视频特征信息的基础上，采用层次细节算法实现输电线路及其附近的树木环境三维建模。

层次细节算法(level of detail, LOD)是一种三维模型建立方法，在观测点靠近三维输电线路及附近树木信息时，能获取到细节丰富的信息；在观测点远离三维输电线路及附近树木信息时，细节信息逐渐模糊[13]。采用LOD算法进行输电线路及附近树木的三维建模可有效提高数字孪生效率。

设数字孪生中输电线路及其附近树木的三维起伏度为e1,e2,…,en，其中n为三维边的总数；设三维调节因子为ha，输电线路及其附近树木的三维模型Ra为

(3)

2.3 树木危害仿真分析

在获得输电线路及其附近树木的三维模型后，开展树木危害仿真分析[15]，对输电线路附近树木的生长周期和可能造成的输电线路危害进行仿真，获取可能出现的树木触电危害。

设仿真的周期频次为nb，树木的生长历史高度为hc，树木生长仿真的预测值hd为

(4)

通过对输电线路的视频数据分析和对树木生长仿真预测，判断树木的现有高度和生长速度，当树木在1年内即将到达输电线路的安全距离时，进行告警。可有效解决输电线路附近树木生长过快，发现难的问题。

2.4 树木事故置信度分析

在输电线路附近树木危害仿真分析后，采用贝叶斯网络对树木可能造成的输电线路事故进行置信度分析，验证树木可能造成的风险。

设输电线路树木生长可能出现的概率总数为nc，贝叶斯网络的启动函数为δ，概率事件为Y，输电线路树木事故验证分布概率为Z为

(5)

2.5 树木距离告警通知

根据输电线路数据事故置信度分析验证的树木生长告警数据，生成树木告警工单，通过移动作业终端向电网检修公司运维人员发出任务通知单。

3 仿真流程

基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法仿真流程如图2所示。

图2 输电线路树木距离告警仿真流程图

步骤1 对输电线路视频摄像头中的线路及树木的特征数据进行提取。

步骤2 建立输电线路及附近树木的三维数字孪生模型。

步骤3 对输电线路附近的树木危害进行仿真分析，首先按树木的种类，通过视频测距判断树木的原有高度，然后拍摄1个月后的树木高度，从而判断树木的生长速度，当树木的生长在1年以内接触输电线路的安全距离时，进行告警。

步骤4 对输电线路附近的树木危害进行可信度验证。

步骤5 生成树木告警工单，通过移动作业终端向电网巡检人员发出任务通知单。

4 算例分析

采用文中所提的基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法，在某省的运维检修公司进行实例运行。选取的输电电路为500 kV线路10条、220 kV线路40条，分析的视频数据为1年。本文使用的计算机操作系统环境为Win 7，处理器因特尔 2.2 G，内存为8 G。

(1) 输电线路三维模型准确性分析

输电线路的三维模型建立是判断输电线路树木距离告警的关键因素，通常的算法输电线路三维模型准确率在96%左右，文中的方法可提高三维模型的准确率。

采用文中所提基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法与二次误差测度 (quadric error mactrics, QEM)方法比较输电线路三维模型准确性，比较方法为三维模型的尺寸长度比例与通过输电线路激光测距的实际长度比例进行比较，两者一致即为准确。

选择输电线路数量为5、8、10、20、30、40、50个，2种方法输电线路三维模型建立准确性如表1所示。

表1 输电线路三维模型准确性分析表

由表1可见，基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法三维模型准确性高于QEM方法。

(2) 输电线路树木距离告警准确性分析

采用本文所提的基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法与合成电场建模比较数据距离告警准确性，选择输电线路个数为5、8、10、20、30、40、50个。2种方法的准确性比较如图3所示。

图3 输电线路树木距离告警准确性图

由图3可见，基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法输电线路树木距离告警准确性高于QEM方法。

(3) 输电线路树木距离告警准结果

基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法评价结果如表2所示。

表2 输电线路树木距离告警准结果

由表2可见，通过本文所提基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法，可对输电线路树木距离预警进行有效评估。

(4) 树木生长速度

通过文中的视频监测，输电线路的树木的生长速度如表3所示。

表3 树木生长速度统计表

5 总结

为解决输电线路附近树木生长快，发现难度大的问题，本文提出了一种基于数字孪生的输电线路树木距离告警方法，设计了一种基于数字孪生的输电线路树木距离告警模型。在输电线路及附近树木数字孪生的基础上，对树木的生长周期和可能造成的输电线路危害进行仿真，在对树木可能造成的输电线路事故进行验证后通知运行检修人员处理。最后，通过实例分析，其结果验证了本文所提方法的有效和可行性。

下一步，将对输电线路附近的山火防治做进一步研究。