CN107765102B - 一种雷电参数反演计算优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷电监测系统的技术领域，更具体地，涉及一种雷电参数反演计算优化方法。本发明的雷电参数反演计算优化方法，通过扫描各探测站传播路径地形，依据地形高程数据识别出路径上的山体，并判别山体是否符合参数计算修正原则前提条件，并给出相应的建议修正参数。也可以通过与其他实测系统数据进行比对，修正模型计算参数，最终通过修正后的模型计算出相应雷电参数。本发明的雷电参数反演计算优化方法综合计算出雷电回击、雷电流幅值、雷电陡度等雷电基础参数，计算方法简单，计算结果准确，为分析雷电特性，获取雷电规律提供数据保证，且偏差较小，能够保证同源的一致性。

Description

一种雷电参数反演计算优化方法

技术领域

本发明涉及雷电监测系统的技术领域，更具体地，涉及一种雷电参数反演计算优化方法。

背景技术

雷电是自然界中频繁发生的一种瞬时放电现象，其放电过程伴随的强电场、强磁场、大电流、强亮光、强冲击波和强电磁辐射等效应，对广域分布的电力设施造成了严重的损害，长期威胁着电网的安全稳定运行。随着我国现代互联大电网的迅速发展，电力系统的复杂性和非线性程度与日俱增，导致即使微小的外界扰动也可能带来不可预知的后果，而雷击造成的输电线路闪络是系统出现扰动的重要因素之一。因此加强电网雷电监测与防护，从而减少雷害事故，是保障电力系统安全供电，建设坚强电网的必要前提。

目前，雷电监测系统在雷电定位计算方面继承了“时差+方向”的综合定位思想，并提出实现了定位与参数计算模型的自优化技术。然而，这种自优化技术存在诸多问题：在系统监测电网分布达到一定规模时，探测到雷电波信号的探测站增多，雷电波传播路径更加复杂，导致多种探测误差在定位计算中被引入，影响系统定位计算精度；采用迭代计算方法，在雷电活动爆发期计算产生延时，同时也无法达到历史数据分析整理的速度运行要求；采用固定的雷电电磁波传播模型来计算雷电流参数，会导致由不同原始数据组合计算出来的雷电参数偏差较大，无法保证同源一致性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种雷电参数反演计算优化方法，计算雷电回击、雷电流幅值、雷电陡度等雷电基础参数，为分析雷电特性，获取雷电规律提供数据保证。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种雷电参数反演计算优化方法，包括以下步骤：

S1.根据雷电监测系统监测的雷电定位位置对每个参与定位探测站设定出地形扫描路径，并采用三维地形扫描工具对雷电传播路径地形进行扫描；

S2.在步骤S1后，通过高程数据比对，定义出传播路径上的山体，然后对每个山体判断其是否符合参数计算修正原则前提条件，若不符合，则不修正；若符合，则转步骤S3；

S3.在步骤S2后，依据修正原则修正计算结果得到雷电回击、雷电流幅值I、雷电流波形陡度S参数；

S4.在步骤S1后，结合雷电定位位置与参与定位各原始数据进行参数计算，得到雷电回击、雷电流幅值I、雷电流波形陡度S参数；

S5.在步骤S3或步骤S4后，通过将计算得到的雷电回击、雷电流幅值I、雷电流波形陡度S参数与其他系统雷电参数测量数据进行比对，修正模型计算参数，最终通过修正后的模型计算出相应的雷电参数。

优选地，步骤S2中的参数按如下方法判定是否负荷参数计算修正原则：

(1)若山体面向雷电通道一侧，距离山体10km之外的区域，雷电辐射磁场受山体的影响变化较小，上升时间在修正过程中修正的幅度不超过0.1μs，磁场峰值在修正过程中修正的幅度不超过3％；

(2)若山体背向雷电通道一侧，山体对磁场峰值的影响随着观测点和山体距离的增加而减小，在超过80km的区域不做修正，在10km～80km区间磁场峰值在修正过程中修正的幅度小于5％；

(3)若山体背向雷电通道一侧，山体高度大于2km时，磁场峰值在修正过程中修正的幅度小于30％，上升时间在修正过程中修正的幅度不超过0.4μs，传播延时在修正过程中修正的幅度不超过1μs。

优选地，所述雷电回击的闪电与放电的时间差≤1s、空间间距≤10km。地闪后续回击是指在地闪首次放电发生后一秒钟间隔里通过同一闪击通道出现在地面同一点或邻近点的云地放电。海量数据优化定位对回击的定义：时间差≤1s、空间间距≤10km闪击束归为一个完整地闪放电过程。地闪主放电的回击数标为n(最大值为14)，后续回击的回击分别标为-1，-2，.....，-(n-1)。

优选地，所述雷电流幅值I的计算方法如下：

假设某处的地闪回击通道为一电流源且以回击传输速度V向上传播，则根据传输线模式在距离为D的地方产生的辐射场分量B(D，t)按式(1.1)计算：

其中，C为光速，V为回击速度，一般取1.3×10⁸m/s；μ₀为真空磁导率，框形磁场天线的感应电压ε＝n×s×dB/dt，t为传输时间，式中n为框形磁场天线线圈匝数，s为线圈面积；框形磁场天线的感应电压ε经过积分、放大后可得到U：

其中，k为积分器放大倍数，k′＝k×n×s，雷电流幅值I按式(1.3)计算：

I＝k″(2πC/μ₀V)DU (1.3)

其中，k″＝1/k′＝1/(k×n×s)，D为雷击点到探测站的距离，U为雷电探测站探测到的信号幅值。

优选地，所述雷电流幅值按雷电流归一化修正模型修正，按式(1.4)计算每个探测站计算峰值电流I_def：

其中，r为探测站与雷击点的距离。

地闪雷电流峰值计算采用多站信号强度归一化(100km)处理方法，雷电流幅值分布趋于合理、公式拟合吻合程度高。归一化处理是合适的数学处理方法，将各个参入计算的信号强度值归算至100km，可用RNSS表示，RNSS按式(1.8)计算：

其中，参数b值取1.13，λ值取100000km。

优选地，所述雷电流波形陡度S按如下公式计算：

S＝I_c/t_c (1.5)

其中，t₁，t₂，...t_n为每个波形上升时间，d₁，d₂，...d_n雷击点计算与不同探测站之间的距离，α为优化影响因子，α∈(0，1)，I_c为雷电流最大幅值，t_c为雷电流最大幅值对应的时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的雷电参数反演计算优化方法，依据定位结果，扫描从雷电定位点至各探测站传播通道的地形数据，从而针对不同通道影响雷电电磁波传播的地形特征，修正电磁波传播模型参数，综合计算出雷电回击、雷电流幅值、雷电陡度等雷电基础参数，为分析雷电特性，获取雷电规律提供数据保证，且偏差较小，能够保证同源的一致性。另外，本发明还可通过与其他实测系统数据进行比对，并通过修正后的模型计算出相应的雷电参数，计算方法简单，计算结果准确。

附图说明

图1为本发明的雷电参数反演计算优化方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示为本发明的雷电参数反演计算优化方法的第一实施例，包括如下步骤：

S1.根据雷电定位位置对每个参与定位探测站设定出地形扫描路径，并采用三维地形扫描工具对雷电传播路径地形进行扫描；

S2.在步骤S1后，通过高程数据比对，定义出传播路径上的山体，然后对每个山体判断其是否符合参数计算修正原则前提条件，若不符合，则不修正；若符合，则转步骤S3；

S3.在步骤S2后，依据修正原则修正计算结果得到雷电回击、雷电流幅值I、雷电流波形陡度S参数；

S4.在步骤S1后，结合雷电定位位置与参与定位各原始数据进行参数计算，得到雷电回击、雷电流幅值I、雷电流波形陡度S参数；

S5.在步骤S3或步骤S4后，通过将计算得到的雷电回击、雷电流幅值I、雷电流波形陡度S参数与其他系统雷电参数测量数据进行比对，修正模型计算参数，最终通过修正后的模型计算出相应的雷电参数。

其中，雷电参数计算优化原则如下：

(1)若山体面向雷电通道一侧，距离山体10km之外的区域，雷电辐射磁场受山体的影响变化较小，上升时间在修正过程中修正的幅度不超过0.1μs，磁场峰值在修正过程中修正的幅度不超过3％；

(2)若山体背向雷电通道一侧，山体对磁场峰值的影响随着观测点和山体距离的增加而减小，在超过80km的区域不做修正，在10km～80km区间磁场峰值在修正过程中修正的幅度小于5％；

(3)若山体背向雷电通道一侧，山体高度大于2km时，磁场峰值在修正过程中修正的幅度小于30％，上升时间在修正过程中修正的幅度不超过0.4μs，传播延时在修正过程中修正的幅度不超过1μs。

另外，雷电回击按如下方法进行计算：

地闪后续回击是指在地闪首次放电发生后一秒钟间隔里通过同一闪击通道出现在地面同一点或邻近点的云地放电。海量数据优化定位对回击的定义：时间差≤1s、空间间距≤10km闪击束归为一个完整地闪放电过程。地闪主放电的回击数标为n(最大值为14)，后续回击的回击分别标为-1，-2，.....，-(n-1)。

另外，雷电流幅值I的计算方法如下：

假设某处的地闪回击通道为一电流源且以回击传输速度V向上传播，则根据传输线模式在距离为D的地方产生的辐射场分量B(D，t)按式(1.1)计算：

其中，C为光速，V为回击速度，一般取1.3×10⁸m/s；μ₀为真空磁导率，框形磁场天线的感应电压ε＝n×s×dB/dt，式中n为框形磁场天线线圈匝数，s为线圈面积；框形磁场天线的感应电压ε经过积分、放大后可得到：

其中，k为积分器放大倍数，k′＝k×n×s，雷电流幅值I按式(1.3)计算：

I＝k″(2πC/μ₀V)DU (1.3)

其中，k″＝1/k′＝1/(k×n×s)，D为雷击点到探测站的距离，U为雷电探测站探测到的信号幅值。

地闪雷电流峰值计算采用多站信号强度归一化(100km)处理方法，雷电流幅值分布趋于合理、公式拟合吻合程度高。归一化处理是合适的数学处理方法，将各个参入计算的信号强度值归算至100km，可用RNSS表示，RNSS按式(1.8)计算：

其中，参数b值取1.13，λ值取100000km。

另外，广域雷电地闪监测系统实现了探测站对波形的存储，为雷电流波形陡度计算提供了前提条件。根据参与定位的数字式探测站获取相应的波形上升时间，对于每个波形上升时间t₁，t₂，...t_n，根据海量数据优化定位模型，对探测数据降序排序从而得到新的时间序列根据雷击点计算与不同探测站之间的距离得到d₁，d₂，...d_n，建立雷电流上升时间模型如下：

S＝I_c/t_c (1.5)

其中，α为优化影响因子，α∈(0，1)，I_c为雷电流最大幅值，t_c为雷电流最大幅值对应的时间。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种雷电参数反演计算优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.根据雷电定位位置对每个参与定位探测站设定出地形扫描路径，并采用三维地形扫描工具对雷电传播路径地形进行扫描；

S2.在步骤S1后，通过高程数据比对，定义传播路径上的山体，然后对每个山体判断其是否符合参数计算修正原则前提条件，若不符合，则不修正；若符合，则转步骤S3；

S3.在步骤S2后，依据修正原则修正计算结果得到雷电回击、雷电流幅值I、雷电流波形陡度S参数；

S4.在步骤S1后，结合雷电定位位置与参与定位各原始数据进行参数计算，得到雷电回击、雷电流幅值I、雷电流波形陡度S，其中：

雷电流幅值I按下式计算：

式中，C为光速，V为回击速度，取1.3×108m/s；μ₀为真空磁导率，D为雷击点到探测站的距离，t为传输时间，B(D,t)表示辐射场分量；

雷电流波形陡度S按下式计算：

S＝I_c/t_c

式中，I_c为雷电流最大幅值，t_c为雷电流最大幅值对应的时间；

S5.在步骤S3或步骤S4后，通过将计算得到的雷电回击、雷电流幅值I、雷电流波形陡度S参数与其他雷电定位系统的雷电参数测量数据进行比对，修正模型计算参数，最终通过修正后的模型计算出相应的雷电参数；

其中，步骤S2中，按如下方法判定是否符合参数计算修正原则前提条件：

(1)若山体面向雷电通道一侧，距离山体10km之外的区域，雷电辐射磁场受山体的影响变化较小，上升时间在修正过程中修正的幅度不超过0.1μs，磁场峰值在修正过程中修正的幅度不超过3％；

(2)若山体背向雷电通道一侧，山体对磁场峰值的影响随着观测点和山体距离的增加而减小，在超过80km的区域不做修正，在10km～80km区间磁场峰值在修正过程中修正的幅度小于5％；

(3)若山体背向雷电通道一侧，山体高度大于2km时，磁场峰值在修正过程中修正的幅度小于30％，上升时间在修正过程中修正的幅度不超过0.4μs，传播延时在修正过程中修正的幅度不超过1μs。

2.根据权利要求1所述的雷电参数反演计算优化方法，其特征在于，所述雷电回击的闪电与放电的时间差≤1s、空间间距≤10km。

3.根据权利要求1所述的雷电参数反演计算优化方法，其特征在于，所述雷电流幅值I的计算方法如下：

假设某处的地闪回击通道为一电流源且以回击传输速度V向上传播，则根据传输线模式在距离为D的地方产生的辐射场分量B(D,t)按式(1.1)计算：

其中，C为光速，V为回击速度，一般取1.3×10⁸m/s；μ₀为真空磁导率，框形磁场天线的感应电压ε＝n×s×dB/dt，t为传输时间，式中n为框形磁场天线线圈匝数，s为线圈面积；框形磁场天线的感应电压ε经过积分、放大后可得到U：

其中，k为积分器放大倍数，k′＝k×n×s，雷电流幅值I按式(1.3)计算：

I＝k″(2πC/μ₀V)DU (1.3)

其中，k″＝1/k′＝1/(k×n×s)，D为雷击点到探测站的距离，U为雷电探测站探测到的信号幅值。

4.根据权利要求3所述的雷电参数反演计算优化方法，其特征在于，雷电流幅值按雷电流归一化修正模型修正，按式(1.4)计算每个探测站计算峰值电流I_def：

其中，r为探测站与雷击点的距离。

5.根据权利要求1所述的雷电参数反演计算优化方法，其特征在于，所述雷电流波形陡度S按如下公式计算：

S＝I_c/t_c (1.5)

其中，t₁,t₂,…t_n为每个波形上升时间，d₁,d₂,…d_n雷击点计算与不同探测站之间的距离，α为优化影响因子，α∈(0,1)，I_c为雷电流最大幅值，t_c为雷电流最大幅值对应的时间。