一种基于三维间隙重构与多源先兆融合的输电线-树体放电可控复现及预警系统与方法

本发明涉及输电线路放电试验、树线故障风险模拟与状态预警，具体涉及一种基于三维间隙重构和多维放电先兆感知，对输电导线与树体之间的动态间隙、树体等效电气参数及放电先兆信号进行同步获取与融合分析，并实现树线放电工况可控复现、风险评估、分级预警及安全控制的系统与方法。

背景技术：

1、输电线路通道内及其周边生长的树木在风力、降雨及枝叶负载变化等因素作用下会发生持续摆动。当树木枝叶与带电导线之间的空气间隙逐渐减小时，局部电场强度随之增大，可能依次出现电晕放电、局部放电、沿枝叶表面泄漏放电以及空气间隙闪络等现象。严重时，不仅可能造成输电线路跳闸，还可能引起枝叶燃烧、绝缘损伤及输电通道火灾，影响电网的安全稳定运行。因此，对输电导线与树体之间的动态接近过程及其放电演化规律进行模拟和预警具有重要意义。

2、目前，树线放电研究通常采用固定导线、树体试样、升降平台或摆动机构搭建试验装置，通过改变树体与导线之间的相对位置，模拟枝叶接近带电导线的过程。部分试验装置还利用风机对树体施加气流，以模拟自然风作用下的枝叶摆动。但是，现有装置多采用恒定风速、单方向风场或预设机械运动方式，导线运动与树体运动之间缺乏统一的时间关联，难以真实复现随机风场下导线舞动和树体摆动共同作用形成的动态间隙变化过程，导致不同试验之间的工况一致性和结果重复性不足。

3、现有树线间隙监测通常以激光测距、图像测量或单点距离传感器获得导线与树体之间的最近距离，并将该距离作为放电风险判断和试验控制依据。然而，实际树冠由大量形态不规则、空间分布离散的枝条和叶片组成，在风力作用下可能同时形成多个接近导线的潜在风险点。单一测距结果难以完整反映不同枝叶点的空间位置、接近速度及运动方向，也无法准确描述树冠与导线之间随时间变化的三维间隙分布，容易遗漏局部高风险位置。

4、在放电状态监测方面，现有方法主要通过泄漏电流、工频电流、电场强度、紫外图像或可见光图像判断树线放电是否发生。单一信号容易受到环境噪声、背景光、机械振动及电磁干扰的影响，其检测结果存在一定的不确定性。部分监测系统虽然同时配置紫外、超声或电流传感器，但各类信号通常独立采集和判断，缺乏统一时间基准下的特征融合及放电阶段识别，往往只能在明显局部放电或闪络发生后输出告警，难以在电晕起始或放电发展初期形成稳定、可靠的先兆预警。

5、树体的含水率、枝叶密度、表面湿润程度及组织结构会显著影响其等效电阻、等效电容和表面泄漏特性。试验过程中，树体还可能因水分蒸发、局部发热、放电侵蚀及环境条件变化而发生电气参数漂移。现有试验通常根据试验前测量值或经验参数设定树体等效支路，并在整个试验过程中保持不变，难以反映树体状态变化对放电起始条件和放电电流的影响，从而降低放电模拟和风险评估结果的准确性。

6、此外，现有试验装置对目标树线间隙的调节多采用基于实测误差的反馈控制。当风速突然变化或树体摆动幅度增大时，反馈控制存在一定滞后，可能导致实际间隙偏离目标轨迹，甚至在控制系统作出响应前进入危险放电区间。与此同时，间隙监测、树体参数测量、放电先兆检测和安全保护通常由相互独立的模块完成，尚未形成由动态间隙重构、树体参数更新、放电先兆感知、风险约束生成及运动控制组成的闭环协调机制。

7、因此，现有技术仍难以同时解决随机风场下树线相对运动的可控复现、多个潜在风险点的三维动态识别、树体等效电气参数的在线更新、多维放电先兆的融合判断以及风险约束下的预测控制等问题，有必要提出一种能够对输电导线与树体之间的动态接近和放电演化过程进行准确模拟，并实现超前预警与安全控制的技术方案。该内容与原专利初稿所述技术方向保持一致。

技术实现思路

1、针对现有树线放电试验装置难以真实复现随机风场下导线与树体的耦合运动、单一距离测量容易遗漏局部风险点、树体电气参数不能随试验过程动态更新、单一放电信号预警可靠性不足以及反馈控制存在响应滞后等问题，本发明提供一种基于三维间隙重构与多维先兆感知的输电线-树体放电可控复现及预警系统与方法。本发明通过构建导线-树体动态运动、三维间隙感知、树体等效参数在线辨识、多维放电先兆融合、风险约束生成及预测反馈控制之间的闭环关系，实现树线动态接近工况的可控复现、多个潜在放电风险点的同步识别以及放电过程的分级预警和安全处置。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、本发明提供一种基于三维间隙重构与多维先兆感知的输电线-树体放电可控复现及预警系统，包括模拟电源、保护开关、试验导线、树体、风场发生模块、导线-树体耦合模拟模块、三维间隙重构模块、树体等效参数在线辨识模块、放电先兆感知模块、风险建模模块、控制模块和预警模块。

4、所述模拟电源经保护开关与试验导线连接，用于向试验导线施加试验电压；所述保护开关用于在试验异常或放电风险达到保护阈值时切断模拟电源与试验导线之间的电气连接。

5、所述风场发生模块包括阵列风源和风场控制序列发生单元。所述阵列风源包括作用于试验导线的导线侧风源和作用于树体的树体侧风源，各风源的风速和风向能够独立调节。所述风场控制序列发生单元按照统一时间基准生成导线侧风场控制序列和树体侧风场控制序列，使导线侧风场参数与树体侧风场参数保持预设的时间相关性、幅值关系和相位关系。

6、所述导线-树体耦合模拟模块包括导线悬挂机构、树体承载机构和运动执行机构。所述导线悬挂机构允许试验导线在导线侧风场作用下产生摆动；所述树体承载机构用于安装真实树体试样或参数可调人工树；所述运动执行机构用于调节树体的高度、水平位置和/或摆动状态。试验导线和树体在对应风场及运动执行机构作用下形成随时间变化的相对运动，从而复现不同风况下的树线动态接近过程。

7、所述三维间隙重构模块包括三维扫描单元、多视角图像采集单元、坐标配准单元和点云融合单元。所述三维扫描单元采用线激光扫描、结构光扫描或其他三维测量方式获取试验导线及树体枝叶的空间数据；所述坐标配准单元将不同视角和不同时刻获得的导线数据及树体数据配准至统一坐标系；所述点云融合单元形成试验导线点云和树体枝叶点云，分别计算多个枝叶候选点至试验导线的空间距离、距离变化率和接近方向，并根据预设风险判据确定多个潜在风险点，形成随时间更新的三维间隙场。

8、所述树体等效参数在线辨识模块包括隔离耦合支路、探测信号发生单元、响应采集单元和参数辨识单元。所述探测信号发生单元通过隔离耦合支路向树体施加与试验电压隔离的低幅值探测信号；所述响应采集单元采集树体对所述低幅值探测信号的电压响应和电流响应；所述参数辨识单元根据所述电压响应和电流响应获得树体阻抗，并根据树体等效电气模型在线更新树体等效电阻和/或等效电容。所述低幅值探测信号的频率与试验电压频率及放电检测频带相互分离，以减小对高压试验和放电先兆检测的影响。

9、所述放电先兆感知模块用于按照统一时间戳同步采集光、声、气和电类放电先兆信号。其中，光类放电先兆信号包括紫外辐射信号和/或可见光图像，声类放电先兆信号包括超声局部放电信号，气类放电先兆信号包括臭氧浓度和/或其他放电特征气体浓度，电类放电先兆信号包括高频电流、电场强度、泄漏电流和/或电压变化信号。

10、所述风险建模模块接收三维间隙重构模块输出的潜在风险点位置、距离、距离变化率和接近方向，接收树体等效参数在线辨识模块输出的树体等效电阻和等效电容，并接收放电先兆感知模块输出的多维放电先兆信号。所述风险建模模块根据上述信息计算各潜在风险点对应的风险指数，并根据所述风险指数生成包括允许最小间隙、允许最大接近速度、风场调节范围和运动执行机构运行边界中的一种或多种的风险约束。

11、所述控制模块包括目标间隙轨迹输入单元、间隙预测单元、前馈控制单元和反馈校正单元。所述目标间隙轨迹输入单元用于设定一个或多个潜在风险点对应的目标间隙变化轨迹；所述间隙预测单元根据历史风场参数、导线和树体的运动状态以及三维间隙场预测未来时段的树线间隙变化；所述前馈控制单元根据预测间隙与目标间隙轨迹之间的偏差生成前馈控制量；所述反馈校正单元根据实测三维间隙场、风险指数和风险约束生成反馈控制量。所述控制模块根据前馈控制量和反馈控制量调节导线侧风场、树体侧风场和/或运动执行机构，使实际树线间隙在风险约束限定的安全范围内跟踪目标间隙轨迹。

12、当任一潜在风险点的风险指数达到预警阈值时，所述预警模块根据三维间隙场、树体等效参数及多维放电先兆特征识别当前放电状态，并输出对应的分级预警信息。所述放电状态包括安全状态、电晕起始状态、局部放电状态、临界闪络状态和闪络击穿状态中的一种；所述分级预警信息包括正常、关注、预警和保护中的一种。当风险指数达到保护阈值时，所述控制模块停止目标间隙轨迹跟踪，并输出降低试验电压、控制保护开关分闸、减小风场输出以及控制树体朝增大树线间隙方向运动中的一种或多种安全控制指令。

13、进一步地，所述三维间隙重构模块根据各枝叶候选点与试验导线之间的距离、距离变化率和接近方向筛选潜在风险点，并对空间相邻的枝叶候选点进行聚类，以避免将同一枝叶区域重复识别为多个独立风险点。

14、进一步地，所述放电先兆感知模块在预设同步时间窗内对光、声、气和电类信号进行基线校正、特征提取和归一化处理；当至少两类放电先兆特征满足对应判据，并且潜在风险点的风险指数达到设定阈值时，确定系统进入放电先兆状态。

15、进一步地，所述风险建模模块根据潜在风险点的距离、距离变化率、树体等效电阻、树体等效电容以及多维放电先兆特征的变化幅度和持续时间，对风险指数进行迭代更新。

16、本发明还提供一种基于上述系统实施的输电线-树体放电可控复现及预警方法，包括以下步骤：

17、s1，设定试验电压、树体状态、目标风况以及一个或多个潜在风险点对应的目标间隙轨迹；

18、s2，按照统一时间基准生成导线侧风场控制序列和树体侧风场控制序列，分别驱动试验导线和树体运动，使试验导线与树体形成动态相对运动；

19、s3，获取试验导线和树体枝叶的三维空间数据，将所述三维空间数据配准至统一坐标系，形成试验导线点云和树体枝叶点云；

20、s4，分别计算多个枝叶候选点至试验导线的距离、距离变化率和接近方向，根据预设风险判据确定多个潜在风险点并形成三维间隙场；

21、s5，通过与试验电压隔离的隔离耦合支路向树体施加低幅值探测信号，采集树体的电压响应和电流响应，获得树体阻抗并在线更新树体等效电阻和/或等效电容；

22、s6，按照统一时间戳同步采集光、声、气和电类放电先兆信号，对所述放电先兆信号进行特征提取和融合处理；

23、s7，根据各潜在风险点的距离、距离变化率、接近方向、树体等效电阻、树体等效电容及多维放电先兆特征计算风险指数，并生成对应的风险约束；

24、s8，根据历史风场参数、三维间隙场及导线和树体的运动状态预测未来时段的树线间隙变化，根据预测间隙与目标间隙轨迹之间的偏差生成前馈控制量，根据实测三维间隙场及风险约束生成反馈控制量，并调节风场参数和/或运动执行机构；

25、s9，根据风险指数和多维放电先兆特征识别放电状态并输出分级预警信息；

26、s10，当风险指数达到保护阈值时，停止目标间隙轨迹跟踪，执行降低试验电压、控制保护开关分闸和/或控制树体朝增大树线间隙方向运动的安全控制操作。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、(1)本发明按照统一时间基准分别控制作用于试验导线和树体的风场，使导线舞动与树体摆动保持预设的时间相关关系，能够提高随机风场下树线动态接近工况的可控性和重复性。

29、(2)本发明通过三维点云重构获得导线与多个枝叶点之间的距离、距离变化率及接近方向，能够同时识别多个潜在放电风险点，减少仅采用单一最近距离时出现的局部风险遗漏。

30、(3)本发明通过隔离耦合支路和低幅值探测信号在线更新树体等效电阻和等效电容，使树体含水状态、表面湿润程度及放电作用引起的电气参数变化能够实时反映至风险评估和控制过程中。

31、(4)本发明融合光、声、气和电类放电先兆信号，并结合三维间隙状态和树体等效参数判断放电状态，能够降低单一信号受环境噪声和电磁干扰影响造成的误判，提高电晕起始和局部放电阶段的预警可靠性。

32、(5)本发明将潜在风险点状态转化为最小安全间隙、最大允许接近速度和执行机构运行边界等风险约束，并通过预测前馈与反馈校正协同控制树线相对运动，能够减小仅采用反馈控制时的跟踪滞后，并在风险达到保护阈值时及时停止试验和增大树线间隙。

33、(6)本发明将动态间隙感知、树体参数在线更新、多维放电先兆感知、风险建模、运动控制及安全保护构成闭环系统，能够为不同树体状态和不同风场条件下的树线放电特性研究、树障风险评估及输电线路预警方法验证提供可重复的试验条件。