1.本发明涉及电气工程技术领域，具体涉及一种变电站防灾减灾数字孪生系统。
背景技术：2.自然灾害多发的区域易受到地震、极端天气和地质灾害的侵袭。区域电网的建设不可避免地在此类地区建设变电站，从中长期看，包括特高压在内的各类变电站受自然灾害影响的可能性非常高。
3.目前大量变电站为无人或少人值守，自然灾害一旦发生，难以快速组织足够人力物力进行灾害损失评估，导致电网运行部门难以在数小时内准确掌握受灾情况，导致难以作出科学的应急响应决策。为在灾害发生过程中及早发现，并进行灾害影响程度评估，有必要通过基于数字孪生技术，建立变电站防灾减灾数字孪生系统，实现受灾后快速掌握灾损情况，从而紧急调整电网运行模式，制定抢修方案。
4.基于数字孪生技术的灾害评估依赖于现场的各类监测传感数据，而的环境监测技术大多采用有线传感器，在电气设备本体上布置困难且维护成本高，设计开发无线传感网络实现地震响应数据的便捷获取至关重要。
技术实现要素：5.为了克服上述缺陷，本发明提出了一种变电站防灾减灾数字孪生系统，所述变电站防灾减灾数字孪生系统包括：无线监测传感器网络和变电站受灾物理分析模块；
6.所述无线监测传感器网络，用于监测与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据的无线监测传感器网络；
7.所述变电站受灾物理分析模块，用于基于所述与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据分析变电站受自然灾害损坏情况。
8.优选的，所述变电站受自然灾害损坏情况包括下述中的至少一种：滑坡体侵入导致的变电站受自然灾害损坏、气温下降导致的变电站内部绝缘设备受损、变电站基础沉降导致的变电站内部封闭气体绝缘设备受损、大风天气导致的变电站避雷针和支柱型电气设备、地震导致的变电站电气设备和建筑物受损。
9.优选的，所述与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据的获取过程包括：
10.采集变电站历史发生受损时的自然监测数据；
11.对所述变电站历史发生受损时的自然监测数据进行预处理；
12.计算变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性，并基于变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性筛选与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据。
13.进一步的，所述预处理包括下述中的至少一种：异常值识别、数据清洗、结构振动响应预处理。
14.进一步的，所述计算变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性，并基于变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性筛选与变电站受自然灾害损坏相关的
自然监测数据包括：
15.计算变电站发生受损与各种自然监测数据之间的皮尔逊相关系数和灰色关联度；
16.若变电站发生受损与各种自然监测数据之间的皮尔逊相关系数和灰色关联度分别超过第一阈值和第二阈值，则该气象特征数据对应的气象特征为与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据。
17.进一步的，所述第一阈值为0.9，所述第二阈值为0.8。
18.优选的，所述无线监测传感器网络包括：安装于主变套管和避雷器套管下端根部的套管应变无线监测传感器、安装于主控楼顶的第一加速度无线传感器、安装于站内场地地表的第二加速度无线传感器、安装于避雷针顶部的风振的加速度无线传感器、安装于gis伸缩节位置的伸缩节变形无线传感器、安装于gis的固定支架底部的支架应变无线监测传感器、安装于gis固定支架底部的支架应力无线传感器、安装于基础分缝处的第一相对位移量无线传感器、安装于变电站的位移围栏上的第二相对位移量无线传感器。
19.进一步的，所述变电站受灾物理分析模块具体用于：
20.以安装于主变套管和避雷器套管下端根部的套管应变无线监测传感器所监测的应变数据、安装于主控楼顶的第一加速度无线传感器监测所监测的加速度数据、安装于站内场地地表的第二加速度无线传感器所监测的加速度数据为触发值，采用弹性梁连接的质点串模型分析变电站的地震损伤程度；
21.以安装于避雷针顶部的风振的加速度无线传感器所监测的加速度数据为触发值，采用多自由度弹簧连接的刚体模型分析变电站的风振内力；
22.以安装于gis伸缩节位置的伸缩节变形无线传感器所监测的伸缩节变形量数据、安装于gis的固定支架底部的支架应变无线监测传感器所监测的应变数据为触发值，或者以安装于gis固定支架底部的支架应力无线传感器所监测的应力数据、安装于基础分缝处的第一相对位移量无线传感器所监测的位移量数据为触发值，采用约束弹性体模型分析变电站的伸缩节、罐体和支架的变形是否在允许值范围；
23.以安装于变电站的位移围栏上的第二相对位移量无线传感器所监测的位移量数据为触发值，采用分析变电站周围滑坡体的变形量和滑塌范围。
24.进一步的，所述系统还包括：用于汇集无线传感数据并送至变电站受灾物理分析模块进行变电站受自然灾害损坏情况分析的lora数据站。
25.进一步的，所述无线监测传感器网络中的无线传感器采用lora低功耗局域网。
26.进一步的，所述变电站的位移围栏按20-50米为一区段。
27.本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
28.本发明提供了一种变电站防灾减灾数字孪生系统，包括：无线监测传感器网络和变电站受灾物理分析模块；所述无线监测传感器网络，用于监测与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据的无线监测传感器网络；所述变电站受灾物理分析模块，用于基于所述与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据分析变电站受自然灾害损坏情况。本发明提供的技术方案，能够实现多种灾害的有效监测评估，比以往技术中的监测与评估系统，具有技术先进、集成性强、效率高的特征；
29.进一步的，本发明提出了适用于变电站环境的，且反应变电站在自然灾害性灾损特点的无线传感器网络方案。该方案可实现对现有变电站最小的建设和维护干扰，同时获
取足够的数据用于驱动数字孪生模型。
附图说明
30.图1是本发明实施例的变电站防灾减灾数字孪生系统的主要结构图；
31.图2是本发明实施例的变电站受自然灾害损坏类型示意图；
32.图3是本发明实施例的变电站应用场景图；
33.图4是本发明实施例的基于物理引擎的变电站受灾物理分析模块的原理示意图；
34.其中，1为位移围栏；2为边坡线；3为风振加速度监测点；4为套管应变监测点；5为gis低温收缩变形和应力监测点；6为gis基础沉降变形和应力监测点；7为地表地震动监测点；8为主控楼地震加速度响应监测点；9为地形走势线；10为无线传感网络接收终端。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.实施例1
38.参阅附图1，图1是本发明的一个实施例的变电站防灾减灾数字孪生系统的主要结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的变电站防灾减灾数字孪生系统主要包括：无线监测传感器网络和变电站受灾物理分析模块；
39.所述无线监测传感器网络，用于监测与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据的无线监测传感器网络；
40.所述变电站受灾物理分析模块，用于基于所述与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据分析变电站受自然灾害损坏情况。
41.其中，所述变电站受自然灾害损坏情况包括下述中的至少一种：滑坡体侵入导致的变电站受自然灾害损坏、气温下降导致的变电站内部绝缘设备受损、变电站基础沉降导致的变电站内部封闭气体绝缘设备受损、大风天气导致的变电站避雷针和支柱型电气设备、地震导致的变电站电气设备和建筑物受损。
42.具体的，在变电站可能受到的典型自然灾害中，雷电、洪涝和山火灾害已经有相对成熟的应对技术。
43.变电站受到的自然灾害类型中，可以分为隐秘性灾害和瞬时性灾害，如图2所示。
44.隐秘性灾害指的是灾害的最终结局是突然的，但发展的过程时间长且不易察觉。这部分灾害类型包括1)山区变电站的边坡滑塌，滑坡体侵入变电站导致损害；2)低温天气导致线状结构的封闭气体绝缘设备泄漏或绝缘能力下降，导致的设备故障；3)变电站基础沉降导致的长跨度布置的封闭气体绝缘设备破坏。对此类灾害的监测与评估有助于早期防治。
45.瞬时性灾害指的是灾害的孕育和最终结局均在短时间内发生，此时难以预警但需要在灾后快速评估损失。这部分灾害类型包括1)极端大风电气导致的变电站避雷针和支柱
型电气设备损害；2)地震导致的多类型变电站电气设备和建构筑物震损。对此类灾害的监测与评估有助于灾后采取应急措施。
46.在识别上述灾害类型的基础上，建立无线传感网络和数字孪生模型，可更加智能和高效地灾害数据收集和灾损评估，从而提升变电站防灾减灾能力。
47.本实施例中，所述与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据的获取过程包括：
48.采集变电站历史发生受损时的自然监测数据；
49.对所述变电站历史发生受损时的自然监测数据进行预处理；
50.计算变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性，并基于变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性筛选与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据。
51.其中，所述预处理包括下述中的至少一种：异常值识别、数据清洗、结构振动响应预处理。
52.在一个实施方式中，所述计算变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性，并基于变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性筛选与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据包括：
53.计算变电站发生受损与各种自然监测数据之间的皮尔逊相关系数和灰色关联度；
54.若变电站发生受损与各种自然监测数据之间的皮尔逊相关系数和灰色关联度分别超过第一阈值和第二阈值，则该气象特征数据对应的气象特征为与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据。
55.其中，所述第一阈值为0.9，所述第二阈值为0.8。
56.本实施例中，所述无线监测传感器网络包括：安装于主变套管和避雷器套管下端根部的套管应变无线监测传感器、安装于主控楼顶的第一加速度无线传感器、安装于站内场地地表的第二加速度无线传感器、安装于避雷针顶部的风振的加速度无线传感器、安装于gis伸缩节位置的伸缩节变形无线传感器、安装于gis的固定支架底部的支架应变无线监测传感器、安装于gis固定支架底部的支架应力无线传感器、安装于基础分缝处的第一相对位移量无线传感器、安装于变电站的位移围栏上的第二相对位移量无线传感器。
57.具体的，本发明提供一种最优的实施方式，在如图3所示的应用场景中，变电站灾损监测无线传感器网络包括针对地震、风振、低温、沉降和滑坡的无线监测传感器。无线传感器使用lora低功耗局域网，一般可采用太阳能电池板供能，其中风振监测点也可采用小型风机俘能，这种设计避免了在变电站内进行复杂的传感器线路布置，从而使灾损监测无线传感网络的布置具有便捷性。系统在站内主控楼内设置lora数据站，用于汇集无线传感数据并送至系统服务器进行灾损分析。
58.对于地震灾害，采用在主变套管和避雷器套管应力、主控楼顶加速度与地表加速度监测数据的组合，见图3，监测点的位置分别为：主变套管和避雷器套管下端根部应变测点，得到应变监测数据；主控楼顶加速度测点，得到主控楼顶加速度监测数据；站内场地地表加速度测点，得到地表地震加速度数据和反应谱值，根据应变监测数据分析各类瓷套发生地震弯曲破坏的程度，并估计电气设备顶部地震位移是否超过限值。
59.对于风振灾害，采用监测点位置在避雷针顶部，得到风振加速度数据，从而分析得到该风速下避雷针发生风致损害的程度。
60.对于低温灾害，采用gis伸缩节变形量、滑动和固定支架的弯曲应力监测点，见图3，监测点在gis伸缩节位置，得到伸缩节变形量数据，在划定和固定支架底部，得到支架的应变监测数据。从而分析gis的温度伸缩装置是否超限，没有超限时判断是否正常发挥伸缩功能。对伸缩节变形量小而支架应力大情况，判断为温度应力未释放。
61.对于不均匀沉降灾害，采用gis固定支架应力和基础分缝处位移监测点，见图3，监测点位于gis固定支架底部，得到因沉降变形造成的支架应力；监测点位于基础分缝处，得到基础板块之间相对位移量数据。分析地表承降是否导致了gis罐体内应力大而有绝缘气体泄漏的趋势。
62.对于滑坡灾害，采用在变电站周边边坡线外布设位移围栏，见图3。监测装置为位移围栏，设置在边坡可能滑动的位置处，与可能的边坡滑动线相交。位移监测围栏推荐按20-50米为一区段，在区段的起终点打定位桩，当起终点间弹性钢丝发生变形且排除外界干扰移动时，判断为坡体的变形。根据变形的趋势，判断边坡是否有滑塌的可能性。
63.本实施例中，所述变电站受灾物理分析模块具体用于：
64.以安装于主变套管和避雷器套管下端根部的套管应变无线监测传感器所监测的应变数据、安装于主控楼顶的第一加速度无线传感器监测所监测的加速度数据、安装于站内场地地表的第二加速度无线传感器所监测的加速度数据为触发值，采用弹性梁连接的质点串模型分析变电站的地震损伤程度；
65.以安装于避雷针顶部的风振的加速度无线传感器所监测的加速度数据为触发值，采用多自由度弹簧连接的刚体模型分析变电站的风振内力；
66.以安装于gis伸缩节位置的伸缩节变形无线传感器所监测的伸缩节变形量数据、安装于gis的固定支架底部的支架应变无线监测传感器所监测的应变数据为触发值，或者以安装于gis固定支架底部的支架应力无线传感器所监测的应力数据、安装于基础分缝处的第一相对位移量无线传感器所监测的位移量数据为触发值，采用约束弹性体模型分析变电站的伸缩节、罐体和支架的变形是否在允许值范围；
67.以安装于变电站的位移围栏上的第二相对位移量无线传感器所监测的位移量数据为触发值，采用分析变电站周围滑坡体的变形量和滑塌范围。
68.具体的，所述变电站受灾物理分析模块基于主流的物理引擎构建，如physx引擎或bullet引擎，通过数物理引擎为主要类型的电力设施和建构筑物赋予刚度、质量和连接承载力等物理属性，从而在灾损监测无线传感数据的驱动下分析变形、内力和倒塌等特征。
69.基于物理引擎的变电站设施灾损数字孪生模型的具体特征如图4所示。其中：
70.边坡变形滑塌采用有粘结的散体材料模型，以坡体的特征变形量为触发值，分析滑坡体的变形量和滑塌范围；
71.gis设备的温度变形和沉降变形采用约束弹性体模型，以弹性体的变形量为触发值，分析伸缩节、罐体和支架的变形是否在允许值范围并判断其趋势；
72.避雷针和支柱类设备采用多自由度弹簧连接的刚体模型，通过加速度值积分得到的顶部位移量，判断风振内力；
73.电气设备地震响应采用弹性梁连接的质点串模型，通过应变监测值得到底部应力值，并结合地表地震动监测数据分析地震下电气设备的变形量和关键截面内力，判断地震损伤程度。
74.进一步的，所述系统还包括：用于汇集无线传感数据并送至变电站受灾物理分析模块进行变电站受自然灾害损坏情况分析的lora数据站。
75.进一步的，所述无线监测传感器网络中的无线传感器采用lora低功耗局域网。
76.进一步的，所述变电站的位移围栏按20-50米为一区段。
77.本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：
78.本发明提供了一种变电站防灾减灾数字孪生系统，包括：无线监测传感器网络和变电站受灾物理分析模块；所述无线监测传感器网络，用于监测与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据的无线监测传感器网络；所述变电站受灾物理分析模块，用于基于所述与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据分析变电站受自然灾害损坏情况。本发明提供的技术方案，能够实现多种灾害的有效监测评估，比以往技术中的监测与评估系统，具有技术先进、集成性强、效率高的特征；
79.进一步的，本发明提出了适用于变电站环境的，且反应变电站在自然灾害性灾损特点的无线传感器网络方案。该方案可实现对现有变电站最小的建设和维护干扰，同时获取足够的数据用于驱动数字孪生模型。
80.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
技术特征：1.一种变电站防灾减灾数字孪生系统，其特征在于，所述系统包括：无线监测传感器网络和变电站受灾物理分析模块；所述无线监测传感器网络，用于监测与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据的无线监测传感器网络；所述变电站受灾物理分析模块，用于基于所述与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据分析变电站受自然灾害损坏情况。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变电站受自然灾害损坏情况包括下述中的至少一种：滑坡体侵入导致的变电站受自然灾害损坏、气温下降导致的变电站内部绝缘设备受损、变电站基础沉降导致的变电站内部封闭气体绝缘设备受损、大风天气导致的变电站避雷针和支柱型电气设备、地震导致的变电站电气设备和建筑物受损。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据的获取过程包括：采集变电站历史发生受损时的自然监测数据；对所述变电站历史发生受损时的自然监测数据进行预处理；计算变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性，并基于变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性筛选与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述预处理包括下述中的至少一种：异常值识别、数据清洗、结构振动响应预处理。5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述计算变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性，并基于变电站发生受损与各种自然监测数据之间的相关性筛选与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据包括：计算变电站发生受损与各种自然监测数据之间的皮尔逊相关系数和灰色关联度；若变电站发生受损与各种自然监测数据之间的皮尔逊相关系数和灰色关联度分别超过第一阈值和第二阈值，则该气象特征数据对应的气象特征为与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据。6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一阈值为0.9，所述第二阈值为0.8。7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线监测传感器网络包括：安装于主变套管和避雷器套管下端根部的套管应变无线监测传感器、安装于主控楼顶的第一加速度无线传感器、安装于站内场地地表的第二加速度无线传感器、安装于避雷针顶部的风振的加速度无线传感器、安装于gis伸缩节位置的伸缩节变形无线传感器、安装于gis的固定支架底部的支架应变无线监测传感器、安装于gis固定支架底部的支架应力无线传感器、安装于基础分缝处的第一相对位移量无线传感器、安装于变电站的位移围栏上的第二相对位移量无线传感器。8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述变电站受灾物理分析模块具体用于：以安装于主变套管和避雷器套管下端根部的套管应变无线监测传感器所监测的应变数据、安装于主控楼顶的第一加速度无线传感器监测所监测的加速度数据、安装于站内场地地表的第二加速度无线传感器所监测的加速度数据为触发值，采用弹性梁连接的质点串模型分析变电站的地震损伤程度；以安装于避雷针顶部的风振的加速度无线传感器所监测的加速度数据为触发值，采用
多自由度弹簧连接的刚体模型分析变电站的风振内力；以安装于gis伸缩节位置的伸缩节变形无线传感器所监测的伸缩节变形量数据、安装于gis的固定支架底部的支架应变无线监测传感器所监测的应变数据为触发值，或者以安装于gis固定支架底部的支架应力无线传感器所监测的应力数据、安装于基础分缝处的第一相对位移量无线传感器所监测的位移量数据为触发值，采用约束弹性体模型分析变电站的伸缩节、罐体和支架的变形是否在允许值范围；以安装于变电站的位移围栏上的第二相对位移量无线传感器所监测的位移量数据为触发值，采用分析变电站周围滑坡体的变形量和滑塌范围。9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：用于汇集无线传感数据并送至变电站受灾物理分析模块进行变电站受自然灾害损坏情况分析的lora数据站。10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述无线监测传感器网络中的无线传感器采用lora低功耗局域网。11.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述变电站的位移围栏按20-50米为一区段。
技术总结本发明涉及电气工程技术领域，具体提供了一种变电站防灾减灾数字孪生系统，包括：无线监测传感器网络和变电站受灾物理分析模块；所述无线监测传感器网络，用于监测与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据的无线监测传感器网络；所述变电站受灾物理分析模块，用于基于所述与变电站受自然灾害损坏相关的自然监测数据分析变电站受自然灾害损坏情况。本发明提供的技术方案，能够实现多种灾害的有效监测评估，比以往技术中的监测与评估系统，具有技术先进、集成性强、效率高的特征。效率高的特征。效率高的特征。
技术研发人员：李圣 程永锋 卢智成 薛耀东 张谦 王海菠 朱祝兵 林森 刘振林 孙宇晗 高坡
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司
技术研发日：2022.06.21
技术公布日：2022/11/1
