CN107179430A - 一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电力技术研究领域，尤其涉及一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法。该方法包括：根据地磁场监测数据，基于等效电流体系模型，获取地磁场水平分量。根据所述地磁场水平分量，基于平面波模型和大地电导率模型，获取地磁感应电场值。通过所述地磁感应电场值，基于电路模型，获取地磁感应电流的理论值。根据所述地磁感应电流的理论值与实际相关参数，评估不同水平地磁感应电流的风险。该方法能够减小地磁监测台站与地磁监测点之间，由于距离远而产生的地磁场水平分量误差，能够提高地磁感应电流的理论值的计算精度。因此，该方法能显著地提高中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估的准确性。

Description

一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法

技术领域

本申请涉及电力技术研究领域，尤其涉及一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法。

背景技术

太阳的大尺度爆发性活动会对全球的电网系统造成广泛的影响。其影响机理是：携带高速等离子体的太阳风与地球磁层相互作用，引起地磁场短时间内的大幅度扰动，在跨越地面大范围区域内产生强大的地磁感应电场。该电场在地表的人工导电体中驱动的电流称为地磁感应电流(Geomagnetically Induced Current,GIC)。

当地磁感应电流通过接地的中性点流入变压器时会导致变压器铁芯半周饱和，在激励电流中产生大量谐波，不仅增加了变压器的无功消耗，还可能引起保护继电器误操作。同时，铁芯的高度饱和还会引起因金属结构件和油箱局部过热及绝缘老化，严重的情况下会导致变压器损毁而产生大面积断电事故。

综合国内外现有的技术方案，基于空间电流体系构建的地磁感应电流计算模型已非常成熟。其中，R.Pirjola和D.H.Boteler相继提出的平面波模型(Plane Wave Model，PWM)和复镜像法(Complex Image Method，CIM)一直被广泛应用。但由于地磁监测台站与监测点的距离较长、大地电导率模型选择的不合理等因素，导致理论模型计算的结果对与实际值存在较大误差。因此，亟待提供一种精确度较高的地磁感应电流风险评估方法。

发明内容

本申请提供了一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法，以提高对中低纬局域电网中的地磁感应电流的风险评估的准确性。

一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法，包括如下步骤：

步骤一、根据地磁场监测数据，基于等效电流体系模型，获取地磁场水平分量；

步骤二、根据所述地磁场水平分量，基于平面波模型和大地电导率模型，获取地磁感应电场值；

步骤三、通过所述地磁感应电场值，基于电路模型，获取地磁感应电流的理论值；

步骤四、根据所述地磁感应电流的理论值与实际相关参数，评估不同水平地磁感应电流的风险。

可选的，所述根据地磁场监测数据，基于等效电流体系模型，获取地磁场水平分量，包括：

根据地磁场监测数据，基于等效电流体系模型，通过插值计算的方法，获取地磁场水平分量。

可选的，所述大地电导率模型为一维分层的大地电导率模型；

根据视电阻率和地表阻抗，基于所述一维分层的大地电导率模型，可获取一维分层的大地电导率。

可选的，所述根据所述地磁感应电流的理论值与实际相关参数，评估不同水平地磁感应电流的风险，包括：

根据地磁感应电流的理论值与实际相关参数，评估不同扰动源、不同变电站、不同变压器结构下，中低纬局域电网的地磁感应电流的幅值。

可选的，所述实际相关参数包括中性点直流电流监测数据、与磁暴相关的地磁指数和研究区域上空的电离层参数。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请基于等效电流体系对地磁场监测数据进行插值计算，获得整个研究区域均匀对应的地磁场的地磁场水平分量，减小了地磁监测台站与地磁监测点之间，由于距离远而产生的地磁场水平分量误差。通过使用一维大地电导率模型，提高了地磁感应电流的理论值的计算精度。因此，通过该方法能显著地提高中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法的原理示意图。

具体实施方式

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法的流程图。图2为本申请实施例提供的一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法的原理示意图。其具体内容如下所示。

步骤一、根据地磁场监测数据，基于等效电流体系模型，获取地磁场水平分量。

首先，从中低纬局域电网的研究区域内的各个地磁监测台站，获得高分辨率的地磁场监测数据。随后，基于Viljanen和Amm于2004年提出的等效电流体系(SphericalElementary Current System，SECS)模型，对该地磁场监测数据进行插值计算，获得整个研究区域的地磁场水平分量。

具体而言，将等效电流体系假定成距离地面某高度的均匀无限大电流片，用单元格将其划分为整齐的网格，根据广义欧姆定律，运用水平磁场方程对台站的测量数据进行线性拟合，获得整个研究区域内电离层电流在地面各个网格点对应的地磁场水平分量。

步骤二、根据所述地磁场水平分量，基于平面波模型和大地电导率模型，获取地磁感应电场值。

由于本申请提供的技术方案的研究对象为局域电网，因此，应用平面波模型(Plane Wave Model，PWM)计算研究区域的地磁感应电场值。

具体地，由于PWM假设空间电流诱发的地磁场为垂直向下传播的平面波，因此，根据Maxwell微分方程将感应电场表示为水平地磁场的函数。将经过插值计算后的地磁场水平分量带入该地磁场的函数，即可算出研究区域内的地磁感应电场值。

上述计算中涉及一个重要参数，即大地电导率。本申请采用一维分层大地电导率模型来确定研究区域的大地电导率。具体地，假设地下介质为水平层状分布，各层均匀导电，且满足良导体条件，由大地电磁测深法可以得到邻近两地层波阻抗的递推公式，在确定大地电阻率分层情况后，通过上述递推公式可导出每一层波阻抗的表达式，再通过视电阻率与地表阻抗的关系算出一维分层的大地电导率。

为保证该大地电导率模型的实用性，需要到地磁监测台站所在区域进行实地勘测，以验证该大地电导率模型的精确度。在实际验证的过程中，倘若研究区域所涉及的大地电导率的差异较大，结果就可能出现较大的偏差，导致对地磁感应电流风险评估不准确。此时，可采用仿真研究的获得的仿真电导率，对研究区域中的中低纬局域电网的线路进行分区处理，根据该分区结果，对不同区域所对应的仿真电导率进行加权平均化处理，以获得具有较高精确度的大地电导率，实现土壤电导率的“合理平均化”。

步骤三、通过所述地磁感应电场值，基于电路模型，获取地磁感应电流的理论值。

具体地，根据所述地磁感应电场值，运用电路模型，计算地磁感应电流的理论值。一般情况下，地磁感应电场值对电网的作用相当于施加在不同接地点之间的电压源，该电压源沿电网线路积分后，即为地磁感应电场值。但是，在本申请实施例中，由于步骤二中基于平面波模型，计算地磁感应电场值，因此，可将研究区域内的地磁感应电场值视为均一的。此时，可采用地面电势方法，根据地磁感应电场值计算地磁感应电流的理论值。

在电路拓扑结构和电气参数已知的情况下，地磁感应电流的理论值的计算实质上是一个准直流的电路问题，应用欧姆定律和基尔霍夫定理即可求解，获得地磁感应电流的理论值。

步骤四、根据所述地磁感应电流的理论值与实际相关参数，评估不同水平地磁感应电流的风险。

由于电网中地磁感应电流取决于电网、大地和空间三方面的因素，因此，需要结合上述三方面因素，评估不同水平地磁感应电流的风险。

具体地，结合地磁感应电流的理论值和中性点直流电流监测数据、与磁暴相关的地磁指数、与研究区域上空的电离层参数等相关参数，讨论研究区域的地磁感应电流在磁暴各个时间相期间的主要驱动源及电网的实际响应。

可选的，通过对电网中性点直流电流监测数据进行聚类经验模态分解，去除混杂在电网系统中的其他扰动因素。

根据地磁感应电流的理论值强度，将地磁监测台站的监测数据按照不同的磁暴来源进行分类，评估在不同扰动源、不同变电站、不同变压器结构的情况下该区域电网的地磁感应电流的幅值，并结合电网的安全技术指标考虑变压器等部件是否能够承受同等强度地磁感应电流的干扰，以便切合实际地为研究区域电网系统的运行和设计部门提供有效的参考。

该与磁暴相关的地磁指数包括环电流指数、极光电集流指数。其中，环电流指数是中低纬度磁暴指数，极光电集流指数是高纬度磁暴指数。

综上所述，本申请基等效电流体系对地磁场监测数据进行插值计算，获得整个研究区域均匀分布的地磁监测点对应的地磁场的地磁场水平分量，减小了地磁监测台站与地磁监测点之间，由于距离远而产生的地磁场水平分量误差。通过使用一维的大地电导率，提高了地磁感应电流的理论值的计算精度。因此，通过该方法能显著地提高中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估的准确性。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的年内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据地磁场监测数据，基于等效电流体系模型，获取地磁场水平分量；

根据所述地磁场水平分量，基于平面波模型和大地电导率模型，获取地磁感应电场值；

通过所述地磁感应电场值，基于电路模型，获取地磁感应电流的理论值；

根据所述地磁感应电流的理论值与实际相关参数，评估不同水平地磁感应电流的风险。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据地磁场监测数据，基于等效电流体系模型，获取地磁场水平分量，包括：

根据地磁场监测数据，基于等效电流体系模型，通过插值计算的方法，获取地磁场水平分量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大地电导率模型为一维分层的大地电导率模型；

根据视电阻率和地表阻抗，基于所述一维分层的大地电导率模型，可获取一维分层的大地电导率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述地磁感应电流的理论值与实际相关参数，评估不同水平地磁感应电流的风险，包括：

根据地磁感应电流的理论值与实际相关参数，评估不同扰动源、不同变电站、不同变压器结构下，中低纬局域电网的地磁感应电流的幅值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述实际相关参数包括中性点直流电流监测数据、与磁暴相关的地磁指数和研究区域上空的电离层参数。