CN113128003B - 基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法 - Google Patents

基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法 Download PDF

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CN113128003B CN202110332008.8A CN202110332008A CN113128003B CN 113128003 B CN113128003 B CN 113128003B CN 202110332008 A CN202110332008 A CN 202110332008A CN 113128003 B CN113128003 B CN 113128003B
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Abstract

本发明属于电力系统与地球物理学交叉技术领域，涉及一种基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法，包括：S1、建立区块大地三维电性结构模型；S2、基于麦克斯韦方程的地电场算法；S3、计算地磁暴GMD的地电场分量量值；S4、确定地磁暴GMD的地电场分量的最大值及方向；本发明所述方法提出对省级电网按地市级的辖区对大地进行分块，按地市级辖区建立大地的三维电性结构模型，计算地磁暴GMD的地电场，进而计算各地区电网的GIC，以提高地磁暴GMD的地电场和电网的GIC的计算精度和计算速度。

Description

基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法
技术领域
本发明属于电力系统与地球物理学交叉技术领域，涉及一种基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法，特别是涉及地磁暴的地磁扰动(geomagneticdisturbance，GMD)对交流电网影响的地电场计算方法。
背景技术
本发明所述的地磁暴是指太阳磁场剧烈活动所引起的地磁暴。地磁暴的GMD在地面感应电场，电场在电网中产生的地磁暴感应电流(geomagnetically induced current，GIC)影响电网的安全运行。准确计算地电场是计算GIC，进而评估GIC对电网安稳的影响以及灾害防治的基础。以往的基于大面积的地磁暴地电场算法，计算工作量大和计算时间长，只适用于电网GIC的离线分析，不适合电网运行调度中的GIC事故处理的在线分析，影响电网GIC事故处理的速度。
对于GMD地电场的算法，目前的基于平面波理论的算法，认为整个研究区域或某块区域的地电场是相同的，算法没有充分考虑所研究的大面积区域或某块区域大地电性构造上的差异，因此会影响电网GIC计算结果的准确性；另外，采用有限元法计算大面积的地磁暴地电场，对自适应剖分的网格数量多，计算工作量大和计算时间长。随着电网规模增大，本发明提出对大面积区域按地区分块计算地磁暴地电场，提高地电场和GIC的计算精度和速度。
发明内容
随着电网规模日益增大，大电网中的GIC分布也越来越复杂，提高地磁暴地电场的计算精度和计算速度，对电网运行调度中的GIC在线分析及GIC事故处理的意义重大。
本发明提出对省级电网按地市级的辖区对大地进行分块，按地市级辖区建立大地的三维电性结构模型(又称为：三维大地电阻率模型、大地三维电性结构模型或三维大地电性结构模型)，计算GMD地电场，具体技术方案如下：
一种基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法，包括以下步骤：
S1、建立区块大地三维电性结构模型：
收集历史大地电磁测深数据资料，获得视电阻率原始数据，按地市级的辖区分区块，建立区块大地三维电性结构模型；
S2、基于麦克斯韦方程的地电场算法：
对给定地磁暴GMD，根据大地的介电常数ε和磁导率μ0＝4π·10-7H/m，基于麦克斯韦方程和平面波法计算地磁暴GMD的地电场；
S3、计算地磁暴GMD的地电场分量量值：
地磁暴GMD的强度和方向都随时间变化，根据步骤S1的模型和步骤S2的算法，以及地磁暴GMD强度和方向的变化，计算地磁暴GMD的地电场分量量值；
S4、确定地磁暴GMD的地电场分量的最大值及方向：
电网的GIC与作用在输电线路上的地磁暴GMD的地电场分量量值及方向有关，根据步骤S3的地磁暴GMD的地电场分量，分析获得地磁暴GMD的地电场分量的最大值及方向。
在上述技术方案的基础上，步骤S1的具体步骤为：
结合电网运行调度的要求，对省级电网按地市级的辖区对大地进行分区块，利用历史大地电磁测深数据资料，通过对各辖区大地电性结构的分析，把大地三维电性结构模型剖分成n个小区域，每个小区域是一维分层结构，各地市辖区看作多个小区域组成，每个小区域的深度及电性构造根据实际数据进行仿真建模；
通过各辖区自上而下建立分区分块的大地三维电性结构模型(即区块大地三维电性结构模型)，对地磁暴GMD(地磁暴的地磁扰动)的地电场进行计算，得到区块大地三维电性结构模型；
所述历史大地电磁测深数据资料包括：大地电磁剖面数据和深度电性数据；
所述区块大地三维电性结构模型以地理方位正南方向为X轴，正东方向为Y轴，垂直大地方向为Z轴。
在上述技术方案的基础上，步骤S2的具体步骤为：选取区块大地三维电性结构模型作为求解区域V，大地水平面(即大地地表面)、地表下方的水平截断面及大地水平面边界处的截断面构成闭合曲面S；假设大地具有均匀的介电常数ε和均匀的磁导率μ0，大地电磁感应方程表示为式(1)-式(5)，
Figure BDA0002996463630000031
Figure BDA0002996463630000032
Figure BDA0002996463630000033
Figure BDA0002996463630000034
Figure BDA0002996463630000035
其中，▽为梯度算子，B为磁感应强度，
Figure BDA0002996463630000036
为磁感应强度向量，μ0＝4π·10-7H/m，
Figure BDA0002996463630000037
为与地面平行的面电流密度，E为电场强度，
Figure BDA0002996463630000038
为电场强度向量，ρ为体电荷密度，σ为电导率，t表示时间；
在假设空气中电导率σ＝0，且大地导体中的传导电流远大于位移电流的条件下，采用直角坐标系建模时，则电场强度E的方程式改写为式(6)，磁感应强度B的方程式改写为式(7)，
Figure BDA0002996463630000039
Figure BDA00029964636300000310
其中，ω为角频率，
Figure BDA0002996463630000041
表示沿Z轴方向求二次偏导数，X轴正方向为地面正南方向，Y轴正方向为地面正东方向，Z轴正方向为大地垂直向下方向，j为虚数单位；
设置磁场边界条件为：将大地水平面设为地面边界，底面边界条件Ez＝0，其中，Ez为
Figure BDA0002996463630000042
在Z轴上的分量；
将区块大地三维电性结构模型看作多个电导率水平分量均匀分布的分块模型，且各个分块模型间的电流密度在分界面两侧连续，因此将式(6)改写为式(8)，
Figure BDA0002996463630000043
其中，k2＝jωμ0σ，其通解表示为式(9)，
Figure BDA0002996463630000044
其中，C、D和k为待定系数；
根据式(6)和式(7)得到式(10)，
Figure BDA0002996463630000045
其中，Ey为
Figure BDA0002996463630000046
在Y轴上的分量，Ex为
Figure BDA0002996463630000047
在X轴上的分量，By为
Figure BDA0002996463630000048
在Y轴上的分量，Bx为
Figure BDA0002996463630000049
在X轴上的分量，
Figure BDA00029964636300000410
为X轴正方向的单位向量，
Figure BDA00029964636300000411
为Y轴正方向的单位向量。
在上述技术方案的基础上，步骤S3的具体步骤为：
通过地面地磁台观测，获得地磁场数据，所述地磁场数据包括：地磁场磁感应强度水平分量FH、地磁场磁感应强度垂直分量FZ和磁偏角DF；
根据式(11)计算Bx，根据式(12)计算By，
Bx＝FHcosDF (11)
By＝FHsinDF (12)
区块大地三维电性结构模型采用三维立体模型，将区块大地三维电性结构模型拆分成n层，每个区域内的大小及电阻率不同；
针对一个区块大地模型的剖面，各层电导率分别为σi1,σi2,...,σin，对应的深度分别为Z1,Z2,...,Zn-1,Zn，其中，Zn→∞；
由式(10)得出第m层电场水平分量Ex的通解为式(13)，
Figure BDA0002996463630000051
其中，Cm、Dm和km为待定系数；
在深度为Zn的层中有Ex＝0和By＝0，故第n层电位移矢量Dn为0；
第n层的波阻抗Zbn如式(14)所示，
Figure BDA0002996463630000052
其中，kn表示待定系数；
第m+1层的顶面为第m层的底面，根据底层波阻抗逐层向上递推，第m层的波阻抗Zbm如式(15)所示，
Figure BDA0002996463630000053
定义
Figure BDA0002996463630000054
式(15)变化为式(16)，
Figure BDA0002996463630000055
由式(16)得反射系数Dm/Cm，其中第m层底面波阻抗为Z(zm+1)，记为Zm+1，则第m层反射系数Dm/Cm如式(17)所示，
Figure BDA0002996463630000056
定义
Figure BDA0002996463630000057
得到第m层的波阻抗Zbm如式(18)所示，
Figure BDA0002996463630000058
其中，第m层厚度hm＝Zm+1-Zm，
递推得到地表波阻抗Zb0，则该区域地面感应电场与磁场之间的关系如式(19)和式(20)所示，
Figure BDA0002996463630000061
Figure BDA0002996463630000062
所述地磁暴GMD的地电场如式(19)和式(20)所示，Ex为正，表示方向为东；Ex为负，表示方向为西；Ey为正，表示方向为北；Ey为负，表示方向为南。
在上述技术方案的基础上，步骤S4的具体步骤为：
根据东西向分量的最大值Exmax，南北向分量的最大值Eymax，由式(21)计算地磁暴GMD地电场的最大值E，
Figure BDA0002996463630000063
通过上述四个关键步骤的建模、分析和计算，获得区块地磁暴GMD的地电场东西向和南北向分量的最大值，从而根据现有技术计算电网的GIC。
本发明的有益技术效果如下：
本发明所述方法提出对省级电网按地市级的辖区对大地进行分块，按地市级辖区建立大地的三维电性结构模型，计算地磁暴GMD的地电场，进而计算各地区电网的GIC，以提高地磁暴GMD的地电场和电网的GIC的计算精度和计算速度。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是1989年3月13日浙江省7地区地磁暴GMD的地电场最大值柱形示意图；
图2是2004年11月9日浙江省7地区地磁暴GMD的地电场最大值柱形示意图；
图3是区块大地三维电性结构模型示意图；
图4是地磁场七要素关系示意图；
图5是区块分层大地电导率模型示意图；
图6是本发明所述基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例中的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
利用本发明提出的基于区块大地电性结构的地磁暴地电场计算方法(即基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法)，以及1989年3月13日和2004年11月9日地磁暴GMD数据,得到的浙江省7个地区地磁暴GMD的地电场(简称：地磁暴地电场)最大值(分量及方向数据略)，分别如图1和2所示。由图1和2可见，两次地磁暴在温州感应的地电场最大；其中，1989年3月13日地磁暴地电场最大值为1.508V/km，2004年11月9日地磁暴地电场最大值为0.998V/km。
由图1和2可见，利用基于区块大地电性结构的地磁暴地电场计算方法，可分别计算省级电网地市级辖区的地电场。电网的GIC与电网的结构和输电线路的走向有关，根据图1和图2的地磁暴地电场最大值的结果，建立电网GIC模型，可计算电网GIC，进而可计算GIC侵害变压器次生的有害干扰，以及评估GIC对电网安全的影响。
本发明地磁暴地电场算法的建模与计算(即基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法)，包括以下步骤：
步骤S1：建立区块大地三维电性结构模型
以往基于平面波理论的算法采用均匀的或一维分层的大地电阻率模型，其大地电阻率模型过于简单，而实际大地的地质类型和土壤结构十分复杂，因此建立精度合理，并能达到实际计算要求的模型至关重要。
结合电网运行调度的要求，对省级电网按地市级的辖区对大地进行分区块，利用大地电磁剖面数据及深度电性数据，通过对各辖区大地电性结构的分析(即分析处理大地电性数据，如图6所示)，把大地三维电性结构模型剖分成n个小区域，每个小区域是一维分层结构，各地市辖区看作多个小区域组成，每个小区域的深度及电性构造根据实际数据进行仿真建模(即根据地质特点，对地市辖区分区分块建模，如图6所示)。
通过各辖区自上而下建立分区分块的大地三维电性结构模型(即区块大地三维电性结构模型)，对地磁暴GMD(地磁暴的地磁扰动)的地电场进行计算，得到区块大地三维电性结构模型。
如图3所示，建立以地理方位正南方向为X轴，正东方向为Y轴，垂直大地方向为Z轴的区块大地三维电性结构模型，标粗区域为一个地市辖区的大地三维电性结构模型，多个块状结构构成省级辖区区块大地三维电性结构模型。
步骤S2：基于麦克斯韦方程的地电场算法
当已知闭合曲面S上的磁感应强度给定后，能够通过时域下的麦克斯韦微分方程唯一确定求解区域V中任何一点的电磁场。选取分区三维大地电阻率模型(即区块大地三维电性结构模型)作为求解区域V，大地水平面(即大地地表面)、地表下方的水平截断面及大地水平面边界处的截断面构成闭合曲面S。假设大地具有均匀的介电常数ε和均匀的磁导率μ0，大地电磁感应方程表示为式(1)-式(5)，
Figure BDA0002996463630000081
Figure BDA0002996463630000082
Figure BDA0002996463630000091
Figure BDA0002996463630000092
Figure BDA0002996463630000093
其中，▽为梯度算子，B为磁感应强度，
Figure BDA0002996463630000094
为磁感应强度向量，μ0＝4π·10-7H/m，
Figure BDA0002996463630000095
为与地面平行的面电流密度，E为电场强度，
Figure BDA0002996463630000096
为电场强度向量，ρ为体电荷密度，σ为电导率，t表示时间。
在假设空气中电导率σ＝0，且大地导体中的传导电流远大于位移电流的条件下，采用直角坐标系建模时，则电场强度E的方程式改写为式(6)，磁感应强度B的方程式改写为式(7)，
Figure BDA0002996463630000097
Figure BDA0002996463630000098
其中，ω为角频率，z为Z轴方向导数，X轴正方向为地面正南方向，Y轴正方向为地面正东方向，Z轴正方向为大地垂直向下方向，j为虚数单位。
区块大地三维电性结构模型不需要考虑地面以上的空气层的电场分布，只涉及地面及地下电场的分布情况。因此，将大地水平面设为地面边界。模型的下边界受地磁场的透入深度有关，已知地表下方约110km处空间电流源产生的地面感应电场随深度的增加逐渐减小，其底面边界条件Ez＝0，其中，Ez为
Figure BDA0002996463630000099
在Z轴上的分量，上述即为如图6所示的设置磁场边界条件。
将区块大地三维电性结构模型看作多个电导率水平分量均匀分布的分块模型，且各个分块模型间的电流密度在分界面两侧连续，因此将式(6)改写为式(8)，
Figure BDA00029964636300000910
其中，k2＝jωμ0σ，其通解表示为式(9)，
Figure BDA0002996463630000101
其中，C、D和k为待定系数；
根据式(6)和式(7)得到式(10)，
Figure BDA0002996463630000102
其中，Ey为
Figure BDA0002996463630000103
在Y轴上的分量，Ex为
Figure BDA0002996463630000104
在X轴上的分量，By为
Figure BDA0002996463630000105
在Y轴上的分量，Bx为
Figure BDA0002996463630000106
在X轴上的分量，
Figure BDA0002996463630000107
为X轴正方向的单位向量，
Figure BDA0002996463630000108
为Y轴正方向的单位向量。
步骤S3：计算地磁暴GMD的地电场分量量值
地磁场是在地面地磁台观测到的数据，观测到的数据包括：地磁场磁感应强度水平分量FH、地磁场磁感应强度垂直分量FZ和磁偏角DF(即如图6所示，输入地磁台原始地磁数据)。
如图4所示，为地磁场的七要素，其中F表示地磁场总磁感应强度，FZ为地磁场总磁感应强度F的垂直分量，FH为地磁场总磁感应强度F的水平H分量，FX为地磁场总磁感应强度F的北向X分量，FY为地磁场总磁感应强度F的东向Y分量；DF为磁偏角，表示：H分量向量与X分量向量的夹角；I为磁倾角，表示F向量与H分量向量的夹角；N表示方向北，E表示方向东。
北向磁场Bx为图4中FX分量，表达式如式(11)所示，东向磁场By则为FY分量，表达式如式(12)所示，即如图6所示，计算磁场水平分量，
Bx＝FHcosDF (11)
By＝FHsinDF (12)
区块大地三维电性结构模型采用三维立体模型，将区块大地三维电性结构模型拆分成n层，每个区域内的大小及电阻率不同，图5表示图3模型中一个区块大地模型的剖面。区块各层电导率分别为σi1,σi2,...,σin，对应的深度分别为Z1,Z2,...,Zn-1,Zn，其中，Zn→∞。
由式(10)得出第m层电场水平分量Ex的通解为式(13)，
Figure BDA0002996463630000111
其中，Cm、Dm和km为待定系数；
在图5中的底层深度Zn→∞，在该层中有Ex＝0和By＝0，故第n层电位移矢量Dn为0。因此第n层的波阻抗Zbn如式(14)所示，
Figure BDA0002996463630000112
其中，kn表示第n层的待定系数。
第m+1层的顶面为第m(m<n)层的底面，根据底层波阻抗逐层向上递推，第m层的波阻抗Zbm为
Figure BDA0002996463630000113
定义
Figure BDA0002996463630000114
式(15)可变化为以下形式：
Figure BDA0002996463630000115
由式(16)可得反射系数Dm/Cm，其中第m层底面波阻抗为Z(zm+1)，记为Zm+1，则第m层反射系数为
Figure BDA0002996463630000116
定义
Figure BDA0002996463630000117
得到第m层的波阻抗Zbm为
Figure BDA0002996463630000118
式中第m层厚度hm＝Zm+1-Zm。
以上所述，即如图6所示，根据大地各层电导率和厚度，计算各地区地表波阻抗。
递推得到地表波阻抗Zb0，则该区域地面感应电场与磁场之间的关系如式(19)和式(20)所示，
Figure BDA0002996463630000121
Figure BDA0002996463630000122
所述地磁暴GMD的地电场如式(19)和式(20)所示，Ex为正，表示方向为东；Ex为负，表示方向为西；Ey为正，表示方向为北；Ey为负，表示方向为南。
以上所述，即如图6所示，计算出各地区地电场强度。
利用区块大地三维电性结构模型通过局部平面波法，求解各区域GMD地电场变化。以往算法只计算大范围内地电场变化，而忽视局部地区变化特征，该区块大地三维电性结构模型考虑了区块大地三维电性结构模型的横向变化与地区差异，按照地区划分，提高了区块大地三维电性结构模型的精度。
步骤S4：确定地磁暴GMD的地电场分量的最大值及方向
在地面电场的作用下，任意两点之间存在电位差，在电力设备与大地构成回路中产生GIC。工程主要根据GIC最大值评估危害或制定GIC的治理方案，因而对地磁暴GMD的地电场计算的重点是计算地磁暴GMD的地电场的最大值。
在高磁纬地区，通常是地磁暴GMD的地电场的东西向分量更大。而在中低磁纬(我国)地区，地磁暴GMD地电场的东西向分量和南北向分量都可能比较大。地磁暴GMD地电场的最大值的计算，根据得到的东西向分量的最大值Exmax，南北向分量的最大值Eymax，再由式(21)计算地磁暴GMD地电场的最大值E。
Figure BDA0002996463630000123
以上所述，即如图6所示，得到地电场分量的最大值。
通过上述四个关键步骤的建模、分析和计算，可获得区块地区的地磁暴GMD地电场的东西向和南北向的最大值，从而可计算电网的GIC。
上述各实施例仅用于说明本发明，而并非是对本发明实施方式的限定，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，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立区块大地三维电性结构模型：
收集历史大地电磁测深数据资料，获得视电阻率原始数据，按地市级的辖区分区块，建立区块大地三维电性结构模型；
S2、基于麦克斯韦方程的地电场算法：
对给定地磁暴GMD，根据大地的介电常数ε和磁导率μ0＝4π·10-7H/m，基于麦克斯韦方程和平面波法计算地磁暴GMD的地电场；
S3、计算地磁暴GMD的地电场分量量值：
根据步骤S1的模型和步骤S2的算法，以及地磁暴GMD强度和方向的变化，计算地磁暴GMD的地电场分量量值；
S4、确定地磁暴GMD的地电场分量的最大值及方向：
根据步骤S3的地磁暴GMD的地电场分量，分析获得地磁暴GMD的地电场分量的最大值及方向；
其中，步骤S2的具体步骤为：选取区块大地三维电性结构模型作为求解区域V，大地水平面、地表下方的水平截断面及大地水平面边界处的截断面构成闭合曲面S；假设大地具有均匀的介电常数ε和均匀的磁导率μ0，大地电磁感应方程表示为式(1)-式(5)，
Figure FDA0003615326210000011
Figure FDA0003615326210000012
Figure FDA0003615326210000013
Figure FDA0003615326210000014
Figure FDA0003615326210000015
其中，▽为梯度算子，B为磁感应强度，
Figure FDA0003615326210000021
为磁感应强度向量，μ0＝4π·10-7H/m，
Figure FDA0003615326210000022
为与地面平行的面电流密度，E为电场强度，
Figure FDA0003615326210000023
为电场强度向量，ρ为体电荷密度，σ为电导率，t表示时间；
在假设空气中电导率σ＝0，且大地导体中的传导电流远大于位移电流的条件下，采用直角坐标系建模时，则电场强度E的方程式改写为式(6)，磁感应强度B的方程式改写为式(7)，
Figure FDA0003615326210000024
Figure FDA0003615326210000025
其中，ω为角频率，
Figure FDA0003615326210000026
表示沿Z轴方向求二次偏导数，X轴正方向为地面正南方向，Y轴正方向为地面正东方向，Z轴正方向为大地垂直向下方向，j为虚数单位；
设置磁场边界条件为：将大地水平面设为地面边界，底面边界条件Ez＝0，其中，Ez为
Figure FDA0003615326210000027
在Z轴上的分量；
将区块大地三维电性结构模型看作多个电导率水平分量均匀分布的分块模型，且各个分块模型间的电流密度在分界面两侧连续，因此将式(6)改写为式(8)，
Figure FDA0003615326210000028
其中，k2＝jωμ0σ，其通解表示为式(9)，
Figure FDA0003615326210000029
其中，C、D和k为待定系数；
根据式(6)和式(7)得到式(10)，
Figure FDA00036153262100000210
其中，Ey为
Figure FDA00036153262100000211
在Y轴上的分量，Ex为
Figure FDA00036153262100000212
在X轴上的分量，By为
Figure FDA00036153262100000213
在Y轴上的分量，Bx为
Figure FDA00036153262100000214
在X轴上的分量，
Figure FDA00036153262100000215
为X轴正方向的单位向量，
Figure FDA0003615326210000031
为Y轴正方向的单位向量。
2.如权利要求1所述的基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法，其特征在于：步骤S1的具体步骤为：
结合电网运行调度的要求，对省级电网按地市级的辖区对大地进行分区块，利用历史大地电磁测深数据资料，通过对各辖区大地电性结构的分析，把大地三维电性结构模型剖分成n个小区域，每个小区域是一维分层结构，各地市辖区看作多个小区域组成，每个小区域的深度及电性构造根据实际数据进行仿真建模；
通过各辖区自上而下建立分区分块的大地三维电性结构模型，对地磁暴GMD的地电场进行计算，得到区块大地三维电性结构模型；
所述历史大地电磁测深数据资料包括：大地电磁剖面数据和深度电性数据；
所述区块大地三维电性结构模型以地理方位正南方向为X轴，正东方向为Y轴，垂直大地方向为Z轴。
3.如权利要求2所述的基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法，其特征在于：步骤S3的具体步骤为：
通过地面地磁台观测，获得地磁场数据，所述地磁场数据包括：地磁场磁感应强度水平分量FH、地磁场磁感应强度垂直分量FZ和磁偏角DF；
根据式(11)计算Bx，根据式(12)计算By，
Bx＝FHcosDF (11)
By＝FHsinDF (12)
区块大地三维电性结构模型采用三维立体模型，将区块大地三维电性结构模型拆分成n层，每个区域内的大小及电阻率不同；
针对一个区块大地模型的剖面，各层电导率分别为σi1,σi2,...,σin，对应的深度分别为Z1,Z2,...,Zn-1,Zn，其中，Zn→∞；
由式(10)得出第m层电场水平分量Ex的通解为式(13)，
Figure FDA0003615326210000032
其中，Cm、Dm和km为待定系数；
在深度为Zn的层中有Ex＝0和By＝0，故第n层电位移矢量Dn为0；
第n层的波阻抗Zbn如式(14)所示，
Figure FDA0003615326210000041
其中，kn表示待定系数；
第m+1层的顶面为第m层的底面，根据底层波阻抗逐层向上递推，第m层的波阻抗Zbm如式(15)所示，
Figure FDA0003615326210000042
定义
Figure FDA0003615326210000043
式(15)变化为式(16)，
Figure FDA0003615326210000044
由式(16)得反射系数Dm/Cm，其中第m层底面波阻抗为Z(zm+1)，记为Zm+1，则第m层反射系数Dm/Cm如式(17)所示，
Figure FDA0003615326210000045
定义
Figure FDA0003615326210000046
得到第m层的波阻抗Zbm如式(18)所示，
Figure FDA0003615326210000048
其中，第m层厚度hm＝Zm+1-Zm，
递推得到地表波阻抗Zb0，则该区域地面感应电场与磁场之间的关系如式(19)和式(20)所示，
Figure FDA0003615326210000047
Figure FDA0003615326210000051
所述地磁暴GMD的地电场如式(19)和式(20)所示，Ex为正，表示方向为东；Ex为负，表示方向为西；Ey为正，表示方向为北；Ey为负，表示方向为南。
4.如权利要求3所述的基于区块大地电性结构的地磁扰动地电场计算方法，其特征在于：步骤S4的具体步骤为：
根据东西向分量的最大值Exmax，南北向分量的最大值Eymax，由式(21)计算地磁暴GMD地电场的最大值E，
Figure FDA0003615326210000052
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113779854A (zh) * 2021-10-22 2021-12-10 山东大学 一种计及海岸效应的感应地电场计算方法及系统
CN113917550A (zh) * 2021-11-08 2022-01-11 清华大学 一种考虑海岸效应的磁暴感应地电场计算方法和装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107179430A (zh) * 2017-05-25 2017-09-19 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法
WO2017174843A1 (es) * 2016-04-05 2017-10-12 Universidad De Alcala Dispositivo y procedimiento de obtención de la perturbación geomagnética local a latitudes medias

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102044354B1 (ko) * 2012-12-20 2019-11-13 삼성전자주식회사 데이터베이스 구축을 위한 자기장 맵을 생성하는 방법 및 장치
DE102013210252A1 (de) * 2013-06-03 2014-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Automatische Generierung eines Auswahl-Bilddatensatzes
CA3088097A1 (en) * 2019-06-20 2020-12-20 Afshin Rezaei Zare System and method for geomagnetic disturbance determination for power systems

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017174843A1 (es) * 2016-04-05 2017-10-12 Universidad De Alcala Dispositivo y procedimiento de obtención de la perturbación geomagnética local a latitudes medias
CN107179430A (zh) * 2017-05-25 2017-09-19 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种中低纬局域电网中地磁感应电流的风险评估方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Practical model applicable to investigating the;Pirjola R.;《Advances in Applied Physics》;20131231;全文 *
基于大地电导率分层模型的油气管网地磁暴干扰评估方法;刘连光等;《电网技术》;20150605(第06期);全文 *
考虑海岸效应影响的电网地磁感应电流的计算方法;刘春明等;《中国电机工程学报》;20161120(第22期);全文 *

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