行与否会对整个电网产生直接影响，为了提升输电线路智能化、数字化的运维水平，基于输电线路的在线监测系统仍然是目前研究的重点。
文献[1]针对高压输电线路分布广、线路长、地形地貌复杂等特点，以及目前野外站点的线路运行状态的检查方式仍以现场人工定期检查方式为主的问题，提出了一种基于高压输电线路在线监测系统，研究和设计了基于无线传感技术的输电线路在线监测系统。文献[2]利用5G的高带宽、低延时、高精度、宽空域等特点，通过具备5G通信能力的无人机，在5G网络环境下实现输电线路无人机全自动巡检、无人机 VR巡检及无人机智能联动等应用场景，能够真正实现 5G 无人机在输电线路巡检的应用，减少人工成本，提高输电线路巡检质量，及时发现输电线路及其周边环境存在的问题，保障输电线路运行安全。文献[3]面向极寒条件下，传统电网覆冰输电线路状态监测技术不完善的问题，提出了一种基于巡检机器人的电网覆冰输电线路状态智能监测技术，主要采用图像分析法对输电线路的状态特征进行提取，主要提取的特征包括输电线路局部状态特征、输电线路覆冰厚度的状态特征，在完成特征提取后，对输电线路覆冰状态进行检测和监测。文献[4]以嘉兴市某220 kV输变电工程为例，提出了基于无人机航摄技术、倾斜摄影实景三维技术的可视化分析技术，利用倾斜摄影的三维建模技术可以很好的为变电线选线选址提供可视化依据。
随着以上无线传感网络、5G、无人机巡线、可视化等新技术在输电线路场景的引入，目前已经极大地提高了输电线路运维效率，并且也为输电线路的智能化提供了基础设施和数据基础，但还未达到输电线路运行状态的全面感知与智能分析的要求，数字孪生技术的快速发展为解决这些问题提供了新的 思路。
模型、传感器、运行过程等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成对物理世界的映射，从而反映相对应的物理实体的
[6]
全生命周期过程”。数字孪生可以应用在许多领
域，例如在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用比较广。在国内目前应用最深入的是工程建设领域，而关注度最高、研究最热的是智能制造领域
[7]
。数字孪生同样可以应用于能源领域，我国
的卢强院士很早也提出了数字电力系统的概念，并指出可以利用数字电力系统改善电力系统的安全性和稳定性[8]。
最近，有越来越多的研究将数字孪生技术应用于电力系统。文献[9]提出了一种电力数字孪生系统，并给出该系统的设计框架，主要从电力系统健康状态监测、负荷预测、用户行为分析、电力系统故障诊断、微网系统优化以及电力智能巡检等方面进行研究。文献[10]对于电力物联网无法满足全面的电力设备运行状态评估和全生命周期预测的准确度问题以及电力物联网海量传感设备信息共享的问题，提出了一种基于数字孪生的电力物联网架构，该架构主要包括4个方面：物理对象、信息对象、服务系统及孪生数据，详细阐述了该模型的运行机制，对改善电力物联网全生命周期管理技术具有重要意义。文献[11-12]结合数字孪生技术的发展现状及趋势，提出了在智能发电系统和智能电厂中部署数字孪生技术的体系架构和一般性方法，研究结果可为数字孪生技术在发电领域产业化发展提供理论和方法参考。文献[13]介绍了国网上海市电力公司浦东供电公司开展数智化转型，以数字化为手段，打造智慧电网的情况，并提出数字孪生变电站的探索，该探索模式是开展数智化转型的重要技术手段，对传统作业模式产生了革命性的变化，同时也为能源行业的数智化转型提供了借鉴和参考。文献[14]通过比较国内外不同领域对数字孪生技术的定义和应用，探讨了面向智慧能源系统的数字孪生技术的定义，对其通用架构、关键技术和生态构建分别进行了阐述，据此进一步分析了数字孪生技术在智慧能源行业的部署和应用案例。从技术发展、生态构建和政策建立3方面给出了对策建议，为数字孪生技术在智慧能源行业的工程应用提供参考。
从以上研究可以看出，大部分基于电力数字孪生的研究在宏观或系统顶层设计方面，对于数字孪
电力信息通信2 数字孪生技术研究现状
美国密歇根大学教授迈克尔格里夫斯于2002年提出了数字孪生一词，指通过采集设备的物理数据，构建一个可以表征该物理设备的模型，并比较工程设计和模型的区别，来更好地理解设计与生产，从而加强对设备全生命周期的管理。经过十几年的发展，数字孪生的定义也在不断更新和完善[5]。美国国防采办大学定义数字孪生：“数字孪生是充分利用物理
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生技术在输电线路中的应用仍处于起步阶段，相关的技术拓展和应用场景研究仍不充分，尚未形成系统性的研究框架，为了进一步提高输电线路运检的时效性与智能化程度，本文提出了面向输电线路的数字孪生架构，并分析研究了试点建设方案。
1）感知层。在输电线路实体目标设备上安装各类传感采集设备，包括实体测控设备、保护测控设备、环境监测设备等。由于输电线路分散的跨度大等问题，采集设备需要支持无线传输模式，在偏远没有信号的地方还需要使用多跳的方式完成数据 传输。
2）边缘计算层。由于感知层设备多、协议杂，且地理位置不确定，边缘计算设备通过有线或无线的方式对感知层的多模异构数据进行采集、汇聚和转发上云，该设备集成了协议解析组件、采集组件、转发组件以及边缘计算应用，即使在云端失联的情况下，也能通过边缘计算应用实现对感知层的采集和控制。
3）物联层。为边缘计算设备、感知层直连设备
3 面向输电线路的数字孪生架构
结合数字孪生的通用架构，本文给出了数字孪生面向输电线路系统的架构，基于电力物联网云、管、边、端的整体架构和输电线路系统的特点，将架构分为5部分：感知层、边缘计算层、物联层、数字孪生层和交互层，如图1所示。
ӔӂӔӂ⭘䖟Ԧ㲊⽪提供安全可靠的注册接入、数据采集、协议解析、数据转发、边缘计算应用下发等核心功能，实现输电线路设备标准化接入和采集数据的共享共用，提升平台“全息感知、开放共享、融合创新”的能力。
4）数字孪生层。数字孪生所构建的输电线路系统仿真模型使用了“模型驱动 + 数据驱动”的混合建模技术，采用基于模型的系统工程建模方法学，以“数据链”为主线，结合AI技术对系统模型进行迭代更新和优化，以实现真实的虚拟映射[15-17]。
5）交互层。基于数字孪生的输电线路系统虚拟模型可实现客户与模型之间的实时交互，也可利用语音、动作等技术，建立客户与智能设备之间的联系。同时，也可为第三方客户提供应用接口，实现数据和功能的共享共用[18]。
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transmission lines
4 基于数字孪生的大运会输电侧数字化平台试
点建设方案
4.1 方案必要性分析
1）响应成都市“三城三都”建设要求，支撑大运会电力保障的需要。响应成都市“三城三都”（世界文创名城、旅游名城、赛事名城和国际美食之都、音乐之都、会展之都）建设的总体要求，小范围全链条应用输电侧数字孪生建设的最新成果，完成输电侧输电线路的数字化管理，开展输电侧数字孪生场景试点，为即将举办的国际赛事第31届世界大学生夏季运动会电力保障提供有力支撑，支撑大运会输电侧数字化建设。
2）全面监测线路运行状态，提升运检智能化的
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大量数据从输电线路物理实体目标设备中产生，通过感知层中的采集设备进行采集，然后在边缘计算层进行汇聚和分析；边缘计算层通过边缘计算设备将数据以光纤或无线网络的形式传送给云端物联层；物联层将数据流转到数字孪生层，通过建模管理、仿真服务、孪生共智后进行数据整合和模拟运算；交互层以虚拟和显示的方式实现人机交互，交互指令可以发送至物理层对物理设备进行控制，并实现以“沉浸式”方式给用户虚拟展示。
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需要。当前阶段输电线路运维检修多采用线路数据采集后，由三方合作单位对数据进行分析，提供服务报告的形式开展，此类工作方式周期长、成本高、时效性低，不能高效、智能的发现线路存在的问题，不能及时开展线路检修与消缺工作，影响线路运行的安全性与稳定性。故有必要采用更先进的信息技术，实现输电线路运行状态的全面感知与智能分析，进一步提高输电线路运检的时效性与智能化程度，从而提高输电线路运检的工作效率。4.2 需求分析
500 kV桃乡变电站—220 kV红砂变电站、500 kV桃乡变电站—220 kV柏合变电站—110 kV高桐变电站—110 kV阳光变电站等大运会高压输电线路经过龙泉经济开发区，河流、桥梁、公路、铁路、工地等密布，线路情况复杂，受各类不利因素影响，故障风险较高，运检人员运维难度大、运维成本高；同时由于线路是成都城区以及大运会的主要供电线路，对线路稳定性与可靠性的要求极高，若出现较大故障或故障不能短时间解除，将会造成巨大的经济损失与社会形象负面影响。
根据需求以及对线路实地调研，需建设输电线路全景感知、鱼塘电子围栏与声光告警、外力破坏人工智能识别、树木距离监测告警、塔基鸟巢监测告警、导线温度监测等应用场景，提高线路故障诊断和定位准确度，降低人工巡视难度及成本，保障线路稳定运行。
4.3 平台建设方案及场景实现
遵循国网软件设计的总体原则，根据需求，基于输电线路全链路数字孪生的大运会保电服务平台总体架构如图2所示。
总体架构自下而上主要分为感知层、边缘计算层、物联层、企业中台层，总体支撑大运会保电服务平台。4.3.1 感知层
主要包含输电设备和采集设备2类，采集设备包括测控设备、视频监控设备以及环境监测设备等，实现对端层输电设备的采集和控制。并利用无人机机载激光雷达、红外传感、360度视频摄像头以及测距传感器等物联感知设备，实现多触点、全渠道数据接入和处理，获取高精度三维线路走廊地形、地貌、地物和线路设施设备空间信息，将采集后的数据发送到云端进行统一存储和分析计算。按照杆塔、导
图2 大运会保电服务平台总体架构
Fig.2 Architecture of power guarantee service platform for
FISU World University Games
䟷䳶䇮⍻䇮䗩㕈䇑㇇䇮⭥㜭㓸ㄟ⢙㚄㇑⨶⍻䟿⸕㓔/㓯㖁㔌䗩㕈䇑㇇≷㚊㖁⢙㚄⢙⨶փ䗃⭥㓯䐟䬮䐟⭏Աъѝѝ㔏а㿶仁⭥… … 䘀Պ⭥HPLC/RS485/RS232/RF⸕㿶仁ⴁ䇮⧟ⴁ⍻䇮䗃⭥䇮㔍㕈Ѣ⭥㔶䠁䱴䇮电力信息通信线、金具、绝缘子串、塔基、附属设施、监测装置等类型导入3DMax进行建模，实现三维标准化模型库的建立，真实反映设备设施细节和特征，直观了解设备设施的位置、尺寸及与周围设备设施的相对空间位置关系等信息。4.3.2 边缘计算层
包含具有边缘计算能力的电力智能终端和汇聚网关。电力智能终端南向用于实现对输电线路各类端设备的接入管理、数据采集、协议解析、数据存储、边缘计算以及数据转发上云等功能。联合物联平台，连接输电线路端设备，提供数据实时交互、巡检策略下达、实时控制等物联开放服务。并基于边缘计算实现前后端协同的输电线路全天候智能监控，借助高清夜视摄像实现高压输电线路的在线监控。对于环境复杂、通信能力受限等场景，可以将数据通过多跳汇聚的方式传输给汇聚网关，再通过汇聚网关与云端通信。4.3.3 物联层
主要通过物联管理平台提供感知设备的量测能
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力和端设备的实时控制能力。物联管理平台是链接端、云的重要组件，为边缘计算设备、输电设备提供安全可靠的注册接入、数据汇聚、数据流转、控制下发、应用管理等核心服务，在云边通信中起承上启下的作用。
4.3.4 企业中台层
包含输电线路全链路数字孪生服务、数据中台服务、统一视频平台、供电服务指挥平台等共同支撑大运会保电服务平台的建设。输电线路全链路数字孪生的功能包括智能感知、线路孪生、智能分析等，其中智能感知运用智能感知设备对导线、杆塔、气象、地形、异物等对象实现实时的数据采集与感知，支撑线路数字化孪生；线路孪生基于线路实体构建数字模型，结合感知数据实现线路的数字化孪生与全景感知，支撑各类业务智能化开展；智能分析基于输电线路的数字化孪生与人工智能技术，构建线路全景感知、鱼塘电子围栏、外力破坏识别、树木距离监测告警、塔基鸟巢监测预警业务场景。统一视频平台提供实时视频流数据的采集、存储和分析功能，并将视频流数据存储到数据中台。供电服务指挥平台使用公司现有的平台为数据中台提供数据支撑。数据中台将统一视频平台、供电服务指挥平台、生产数据、输电线路状态监测数据流转给输电线路全链路数字孪生应用的各组件中，数据流转过程如图3所示。
1）基于移动通信技术，通过数据中台与业务系统数据交互，按需求与生产管理系统、输电线路设备状态在线监测系统、统一视频平台等进行数据交互。
2）结合数据中台按需获取环境监测感知数据、电力设备监测数据、视频监控数据等基础数据，大数据组件将基础数据送入人工智能组件，通过模型训练和深度学习，为保电管控分析数据的获取提供理论和基础。
3）结合外部短信和邮件服务，将实时告警信息准时推送至平台用户。
4）平台用户通过Restful（微服务标准接口规范）请求，发起对平台系统数据和业务数据的访问。通过链路之间数据流转，保证对输电线路中杆塔、电缆的相关数据进行实时采集与传输，支撑输电线路全链路数字孪生的示范应用。
4.3.5 输电线路全链路数字孪生应用的场景实现
1）线路全景感知场景实现。基于地图，将输电线路设施资源和重要城市景观，在一张图中进行宏观展示，通过全景展示电网链路关系，并依托摄像头和传感装置展示线路、设施、现场实时情况，实时掌握输电线路运行情况、运行监测情况和影响线路设施的重要因素（温度、风速、外破等），结合大数据、云计算、图像识别算法和缺陷识别等技术手段，实现输电线路状态监测、高风险智能识别以及对线路状态和全景感知。
2）鱼塘电子围栏与声光告警场景实现。通过对重点区域安装视频监控，划定电力围栏，实时对线路下方的鱼塘和河流进行监控，并将监控视频或图片通过电力专网回传至数字孪生系统中，进行图像识别分析。对穿越电子围栏或在线路下方垂钓情况进行标注识别，在系统中弹出告警，并通过数字孪生系
电力信息通信⭘䗃⭥㓯䐟䬮䐟⭏⭘Ӫ㜭㓴Ԧ⭏⭘㓴Ԧ统实时展示。
3）外力破坏人工智能识别场景实现。根据不同外破监测场景及其运行环境，在建筑工地、道路维修、市政工程等输电线路进行外破关联分析监测，实现输电线路外破场景状态及可视化的分布式在线实时监测及预警。运用深度学习算法，通过大数据分析，对图像中特定目标进行叠进式数据建模，实现较小运算资源下的精确分类和检测。利用图像智能分析方法，检测电缆线路附近大型机械、现场施工等情况，利用图像识别实现更加精准的外破识别。通过智能化外破感知终端、高位全景视频监测数据等
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䇮䍖⭏ӗⴁ⍻㓯䐟⣦㿶仁⭥䗃⭥㓯䐟⣦㔏а㿶仁ⴁ⍻ѝ图3 数据流转过程Fig.3 Data flow
输电线路全链路数字孪生应用中数据流转过程如下。
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软硬件的自动关联，实现智能巡视、外破类型智能判别，提升防外破巡检效率。
4）导线温度监测预警场景实现。利用贴附在导线、耐张线夹、接续管、引流板等处的高精度温度传感器采集导线温度，从而实现对导线温度的实时监测，并适当部署环境温湿度、风速、雨量及日照强度等多参量传感器，全天候感知导线和连接金具温度、周围气象信息，可使运营部门及时掌握导线发热情况及发展趋势，从而科学安排输电线路在线增容，提升经济效益，提高线路安全运行及信息化管理水平。
5）树木距离监测告警场景实现。通过数字孪生系统建设，并对重点区域安装视频监控，实时对线路沿线进行监控，计算树木和线路的距离，并在数字孪生系统中展示线路和树木的距离，方便巡检人员实时查看树障情况，一旦树木和线路的距离达到阈值，会触发系统报警，提示运检人员需要进行树木 清理。
6）塔基鸟巢监测告警场景实现。通过在杆塔上加装摄像机的方式，实时对杆塔本体进行监控，监控影像通过电力专网回传至数字孪生系统中，通过系统内置的人工智能图像识别算法，分析杆塔上是否存在鸟巢，若存在则发出告警，并在杆塔的数字孪生模型中标出，提示用户进行处理。
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电力信息通信5 结语
输电线路是电力系统的核心组成部分，为了提升输电线路数字化、智能化水平，本文提出了一种基于数字孪生技术的输电线路架构，并将该架构应用于大运会输电全链路数字孪生应用试点建设的场景中，数字孪生技术与输电线路的结合是数字化新基建与电力公司数字化转型的必要探索，是挖掘输电线路数据价值的必要手段，是输电线路运检智能化的必要支撑，是实现大运会保电目标的必要基础保障。本文的技术架构和实践探索可为数字孪生技术在输电领域的发展应用提供借鉴和参考意义。
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编辑 张京娜
收稿日期：2021-05-17
作者简介：
何冰（1974–），男，高级工程师，通信作者，从事电网数字化转型研究工作，41823305@qq.com；
谢天祥（1982–），男，高级经济师，从事电网数字化转型研究工作。
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