基于数字孪生的输电线路覆冰在线评估系统 CNR218-058

项目背景

本文针对电力生产中的实际痛点，研发了数字孪生的输电线路覆冰在线评估系统，有效提高了作业效率与安全水平。某供电局约200km的110kV及以上输电线路穿越高海拔山区（海拔300至800m），冬季覆冰期约45天。覆冰过厚（>15mm）会导致导线舞动和铁塔倾覆——2023年因覆冰导致约2基铁塔倒塔和约5km导线断股。传统覆冰监测全靠人工观冰——巡线人员步行到高海拔区段用测厚规测量导线上的冰层厚度、拍照记录,巡回一次约8h,且夜间无法巡查——而恰恰夜间气温最低、覆冰速度最快（约2至4mm/h）。约30%的覆冰事件发生在夜间——人工巡冰无法捕捉。

存在问题

人工观冰效率低（单次8h）且夜间无法涵盖。覆冰增长速度最快时无人知晓。导线覆冰后的实际拉力变化未实时监控——仅凭冰厚无法完全判断导线应力是否已逼近额定拉力。

创新目标

三项目标：一、在约10个覆冰高风险杆塔安装微气象站（温度、湿度、风速和降水量）和绝缘子串的拉力传感器；二、拉力+气象数据驱动数字孪生模型评估导线实时覆冰厚度和应力；三、覆冰>10mm应力>80%额定拉力自动告警并推送至调度和运检。

技术方案

每个监测点的拉力传感器（量程0至200kN，精度±0.5kN）串联在绝缘子挂点处——直接测量导线对铁塔的下拉力。无覆冰时拉力约为导线的自重张力（每相约15至30kN随档距变化）；覆冰时冰重附加在导线上，拉力随之增大——冰厚与额外拉力之间的关系由档距、导线截面积和覆冰密度的力学公式计算。数字孪生模型以这约10个点的实测拉力和当地气象数据为边界条件——沿整条线路插值推算其中约200个档距的覆冰厚度分布（以3D GIS地图叠加色阶显示——绿色<5mm→黄色5至10mm→橙色10至15mm→红色>15mm）。当任意档距的覆冰>15mm或导线拉力>80%额定值（约160kN对应的钢芯铝绞线约LGJ-240/40mm²的额定拉力约200kN）时自动推送告警至调度手机和运检值班室。微气象站以太阳能+蓄电池供电，拉力传感器取电于临近的通信塔的直流屏。

创新亮点

数字孪生替代人工观冰——8小时缩至约30秒自动计算,夜间涵盖空白段彻底消除。拉力+气象多源融合——不仅知道"冰多厚"还知道"拉力还剩多少裕度"——为除冰决策(直流融冰vs人工敲冰)提供定量依据。3D色阶图直观——调度和运检在一张图上就看到"哪几档的红了"，精确到档距级。

落地应用效果

2025年12月覆冰期投入运行。覆盖约200km线路。覆冰期成功预警3次覆冰>15mm的事件——均在预警后约2h内执行直流融冰操作避免了进一步覆冰和倒塔风险。拉力数据显示与覆冰厚度的模型预测偏差<±2mm（在约3个抽查点与人工观冰值比对）。

产出物：约10套微气象+拉力监测终端、数字孪生软件和3D GIS系统各1套。

适用场景：高海拔和北方覆冰区域的输电线路覆冰在线监测和除冰决策支持。

⚠️ 安全提示：当拉力达到约90%额定拉力时须立即开始融冰或除冰——不能再等；融冰操作中导线的直流电流引起的发热会使冰壳从导线表面脱开并可能突然坠落——融冰操作的约50m范围内须无人。

常见问题

Q：该创新成果的适用场景有哪些？

A：本成果适用于电力系统各类相关作业场景，包括但不限于变电站运维、输电线路检修、配电作业等。具体应用时可根据现场实际情况进行调整。

Q：与传统方案相比，主要优势是什么？

A：主要优势体现在作业效率提升、安全风险降低、操作便捷性增强等方面。经过实际应用验证，综合效益显著。

Q：后续是否有升级计划？

A：将根据现场应用反馈持续改进改进，进一步提升性能和适用性，拓展更多应用场景。

数据来源：项目验收报告及现场应用统计，单位信息已脱敏处理。