一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法，包括：获取地区电网结构信息，获取待建模输电线路的设备参数、运行数据以及外部信息；从电学角度对输电线路实体进行特征映射，建立考虑电磁机理的输电线路数字孪生模型；从力学角度对输电线路实体进行特征映射，建立考虑结构特性的输电线路数字孪生模型；利用层次分析法提出考虑气象条件外部因素的输电线路智能化状态评估指标；对各层次指标进行评分，将得到的各指标权重计算输电线路综合性安全评估值，根据计算结果将线路分为低风险、中风险和高风险三个等级；解决了输电线路安全评估依赖传感数据和人工处置经验，无法满足输电线路实时风险评估及风险管控的需要等技术问题。技术问题。技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法


[0001]本专利技术属于输电线路安全评估
，尤其涉及一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法。

技术介绍

[0002]随着现代电力系统规模不断扩大，电压等级不断提高，网架结构日益复杂，电网运行面临的潜在风险也越来越多。近年来极端自然灾害事件(如冰灾、山火等)明显增多，极大增加了输电侧不确定性，给电力系统安全运行带来严重影响；逐渐增多的用户和电网的交互使得电网负荷波动变大，增加了用电侧不确定性。此外，人为操作等不确定因素对电力系统的影响也不容忽视。
[0003]电力系统主网输电线路运行安全的不确定性会给系统带来潜在安全风险隐患，但目前很多地区电网存在输电线路线长、点多、面广的特点，可能发生的缺陷和故障也较多。传统监测运维依赖于传感数据和人工处置经验，无法满足输电线路实时风险评估及风险管控的需要。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法，以解决现有技术对输电线路安全评估依赖传感数据和人工处置经验，无法满足输电线路实时风险评估及风险管控的需要等技术问题。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法，所述方法包括：
[0007]步骤1、获取地区电网结构信息，获取待建模输电线路的设备参数、运行数据以及外部信息；
[0008]步骤2、从电学角度对输电线路实体进行特征映射，建立考虑电磁机理的输电线路数字孪生模型；
[0009]步骤3、从力学角度对输电线路实体进行特征映射，建立考虑结构特性的输电线路数字孪生模型；
[0010]步骤4、基于数字孪生模型信息，利用层次分析法提出考虑气象条件外部因素的输电线路智能化状态评估指标；
[0011]步骤5、基于数字孪生模型信息对各层次指标进行评分，利用层次分析法得到的各指标权重计算输电线路综合性安全评估值，根据计算结果将线路分为低风险、中风险和高风险三个等级。
[0012]获取地区电网结构信息包括获取电网电压等级，明确节点和线路的连接关系，获取发电机节点与负荷节点信息，得到电网拓扑图；
[0013]获取待建模输电线路基本设备参数包括电气参数，电气参数包括电阻、电抗和电纳、允许最大传输容量，结构参数包括导线型号和材质、直径和长度、悬挂高度及断股情况；
[0014]获取输电线路运行数据包括线路两端电压、线路电流和线路潮流，运行数据通过潮流计算或电网量测传感设备获取；
[0015]获取外部信息包括气象因素，气象因素包括温度、风速、风向和湿度。步骤2所述从电学角度对输电线路实体进行特征映射，建立考虑电磁机理的输电线路数字孪生模型的方法包括：
[0016]步骤2.1、对于远距离输电线路，考虑电能传输机理从电气量角度出发建立输电线路均匀传输线分布参数模型，模型由无穷的微源级联构成；
[0017]步骤2.2、根据线路微元的电气关系建立电气微分方程，在线路全程内进行微分求解得到线路两端等值方程组，即为线路准确的机理模型，通过机理模型对线路的电气量进行计算求解：
[0018][0019]式中：分别为入端电压相量和电流相量；分别为末端电压相量和电流相量；l为线路长度；为线路的波阻抗；Z
u
为单位长度导线的阻抗，Y
u
为单位长度导线的导纳；ω为角频率；j表示虚数；为线路传播常数；
[0020]线路的输入阻抗Z1为：
[0021][0022]步骤3所述建立考虑结构特性的输电线路数字孪生模型的方法包括：
[0023]步骤3.1、输电线路的结构模型是从力学角度对线路进行分析建模，进行结构孪生建模考虑输电线路线长引起的弧垂效应，输电线路采用钢芯铝绞线，以两端的杆塔为支撑，当架空线上的载荷均匀分布时，悬挂于两端点的导线形状为悬链线，因此导线的弧垂模拟使用悬链线公式；
[0024]步骤3.2、以a、b为输电线路悬挂点，轴向应力分别为f
a
和f
b
，均匀载荷沿线路分布为ρ，方向垂直向下，架空线最低位置为o；选取线路方向为x轴坐标，平行于比载方向为y轴坐标，架空线上任一点c，取长为l
oc
的一段线路作为受力分析对象，x轴和y轴的平衡方程为：
[0025][0026]式中，f
c
为c点的轴向应力；f0为o点轴向应力在x轴方向的分量；θ为f
c
和x轴的夹角；
[0027]两式相除得：
[0028][0029]即为微分形式的输电线路结构方程，该式表明：当比值ρ/f0一定时，架空线上任意一点处的斜率与该点至弧垂最低点之间的线长成正比；对上式两边微分得：
[0030][0031]分离变量进行积分求解得：
[0032][0033]该式为积分形式的输电线路结构方程，其中c1和c2取决于坐标系原点位置。
[0034]步骤4所述利用层次分析法提出考虑气象条件外部因素的输电线路智能化状态评估指标的方法包括：
[0035]步骤4.1、分析影响输电线路安全运行的影响因素，建立层次结构模型；
[0036]步骤4.2、针对各层级安全评估因素，构建判断矩阵；
[0037]步骤4.3、计算判断矩阵的特征根和特征权重向量，进行层次排序；
[0038]步骤4.4、对结果进行一致性校验，选择满足一致性要求的安全评估因素。
[0039]建立层次结构模型的方法为：基于步骤1获取的信息及步骤2、3建立的数字孪生模型建立的层次结构模型为：以A表示线路运行情况、A1表示线路潮流，A2表示线路送端节点电压，A3表示线路末端节点电压；
[0040]B表示线路参数，B1表示线路断股情况，B2表示钢筋铝绞线锈蚀情况，B3表示导线悬挂高度，B4表示导线弧垂偏差情况；C表示外部气象信息，C1表示温度，C2表示湿度，C3表示风速，C4表示风向。
[0041]构建判断矩阵的方法为：根据层次结构模型本层所有因素对上一层对应因素的相对重要性程度的比较，m
ij
为判断矩阵的元素，表示同层因素两两比较的结果：
[0042][0043]式中：n表示本层评价指标总数；评价法则为：若i和j同等重要，则m
ij
＝1；若i比j重要10—50％，则m
ij
＝2；若i比j重要50％以上，则m
ij
＝3；
[0044]数字孪生模型体现的线路电磁特性和结构特性比外部气象条件重要，即重要性程度：线路运行情况>线路参数>气象条件，则判断矩阵为：
[0045][0046]线路运行情况下一层A1、A2、A3的判断矩阵J
A
为：
[0047][0048]线路参数下一层B1、B2、B3、B4的判断矩阵J
B
和气象条件下一层C1、C2、C3、C4的判断矩阵J本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法，其特征在于：所述方法包括：步骤1、获取地区电网结构信息，获取待建模输电线路的设备参数、运行数据以及外部信息；步骤2、从电学角度对输电线路实体进行特征映射，建立考虑电磁机理的输电线路数字孪生模型；步骤3、从力学角度对输电线路实体进行特征映射，建立考虑结构特性的输电线路数字孪生模型；步骤4、基于数字孪生模型信息，利用层次分析法提出考虑气象条件外部因素的输电线路智能化状态评估指标；步骤5、基于数字孪生模型信息对各层次指标进行评分，利用层次分析法得到的各指标权重计算输电线路综合性安全评估值，根据计算结果将线路分为低风险、中风险和高风险三个等级。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法，其特征在于：获取地区电网结构信息包括获取电网电压等级，明确节点和线路的连接关系，获取发电机节点与负荷节点信息，得到电网拓扑图；获取待建模输电线路基本设备参数包括电气参数，电气参数包括电阻、电抗和电纳、允许最大传输容量，结构参数包括导线型号和材质、直径和长度、悬挂高度及断股情况；获取输电线路运行数据包括线路两端电压、线路电流和线路潮流，运行数据通过潮流计算或电网量测传感设备获取；获取外部信息包括气象因素，气象因素包括温度、风速、风向和湿度。3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法，其特征在于：步骤2所述从电学角度对输电线路实体进行特征映射，建立考虑电磁机理的输电线路数字孪生模型的方法包括：步骤2.1、对于远距离输电线路，考虑电能传输机理从电气量角度出发建立输电线路均匀传输线分布参数模型，模型由无穷的微源级联构成；步骤2.2、根据线路微元的电气关系建立电气微分方程，在线路全程内进行微分求解得到线路两端等值方程组，即为线路准确的机理模型，通过机理模型对线路的电气量进行计算求解：式中：分别为入端电压相量和电流相量；分别为末端电压相量和电流相量；l为线路长度；为线路的波阻抗；Z
u
为单位长度导线的阻抗，Y
u
为单位长度导线的导纳；ω为角频率；j表示虚数；
为线路传播常数；线路的输入阻抗Z1为：4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法，其特征在于：步骤3所述建立考虑结构特性的输电线路数字孪生模型的方法包括：步骤3.1、输电线路的结构模型是从力学角度对线路进行分析建模，进行结构孪生建模考虑输电线路线长引起的弧垂效应，输电线路采用钢芯铝绞线，以两端的杆塔为支撑，当架空线上的载荷均匀分布时，悬挂于两端点的导线形状为悬链线，因此导线的弧垂模拟使用悬链线公式；步骤3.2、以a、b为输电线路悬挂点，轴向应力分别为f
a
和f
b
，均匀载荷沿线路分布为ρ，方向垂直向下，架空线最低位置为o；选取线路方向为x轴坐标，平行于比载方向为y轴坐标，架空线上任一点c，取长为l
oc
的一段线路作为受力分析对象，x轴和y轴的平衡方程为：式中，f
c
为c点的轴向应力；f0为o点轴向应力在x轴方向的分量；θ为f
c
和x轴的夹角；两式相除得：即为微分形式的输电线路结构方程，该式表明：当比值ρ/f0一定时，架空线上任意一点处的斜率与该点至弧垂最低点之间的线长成正比；对上式两边微分得：分离变量进行积分求解得：该式为积分形式的输电线路结构方程，其中c1和c2取决于坐标系原点位置。5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的输电线路安全状态评估方法，其特征在于：步骤4所述利用层次分析法提出考虑气象条件外部因素的输电线路智能化状态评估指标的方法包括：步骤4.1、分析影响输电线路安全运行的影响因素，建立层次结构模型；步骤4.2、针对各层级安全评估因素，构建判断矩阵；步骤4.3、计算判断矩阵的特征根和特征权重向量，进行层次排序；步骤4.4、对结果进行一致性校验，选择满足一致性要求的安全评估因素。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙玉江，李洵，袁捷，卫薇，钱俊凤，舒彧，纪元，杨濡蔓，田钺，
申请(专利权)人：贵州电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：