消除兩類典型高壓直流輸電對地電場干擾的探究

李 通,張彩艷,王勝慶,雷正超,高振生

(1.甘肅省地震局安西地震臺，甘肅 酒泉 736100；2.甘肅省地震局嘉峪關(guān)地震臺，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；3.甘肅省地震局高臺地震臺，甘肅 張掖 734300)

0 引言

地電場數(shù)據(jù)是觀測方法、技術(shù)、電磁環(huán)境及場地條件相結(jié)合的系統(tǒng)反映[1-2]，記錄的是大地電場和自然電場的綜合信息，正常數(shù)據(jù)呈較穩(wěn)定的日變形態(tài)[3-5]。中國大陸地電場曲線呈峰—谷型、近直線型、無序變化型和混合型[6]。近年來，高壓直流輸電對地電場數(shù)據(jù)造成了嚴(yán)重干擾，表現(xiàn)形式主要有急始型和緩始型兩種。干擾造成的幅度可達(dá)到正常電場日變幅度數(shù)倍甚至數(shù)十倍以上，造成地電場數(shù)據(jù)曲線形態(tài)近似為一條直線。目前，很多臺站均受高壓直流輸電干擾，所以消除高壓直流輸電對地電場干擾迫在眉睫。

2015年2月以來，在酒湖線、哈鄭線高壓直流輸電線路建成后的測試與檢測時段，甘肅省瓜州臺、嘉峪關(guān)臺、山丹臺、高臺臺地電場數(shù)據(jù)均受到不同程度的高壓直流輸電影響，最大影響量是正常地電場數(shù)據(jù)日變幅度的18倍以上，其干擾表現(xiàn)形式主要有急始型和緩始型兩種。

1 資料選取及干擾特征

文章選取瓜州臺地電場數(shù)據(jù)和嘉峪關(guān)中心臺地電場原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。瓜州臺和嘉峪關(guān)臺地電場主測量儀器均是ZD9A-II，分辨率優(yōu)于10 μV，采樣率為1次/(分鐘·通道)，采用固體不極化電極，電極埋深在4 m左右，在含有NaCl溶液的土壤里，共埋設(shè)6個電極。瓜州臺地電場以“L”布極方式布設(shè)了NS、EW、N45°E六條測線(見表1、第47頁圖1)。投入觀測以來，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，在電極和裝置系統(tǒng)穩(wěn)定時，年平均相關(guān)系數(shù)在0.995以上[注]李 通，胡建軍，王勝慶，等.安西臺(瓜州電場)2016年度觀測報(bào)告。。嘉峪關(guān)臺地電場以雙“L”布極方式布設(shè)了NS、EW、N45°E六條測線(見表1、圖1)。2017年10月優(yōu)化改造后數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯改進(jìn)。

表1 瓜州臺和嘉峪關(guān)臺地電場裝置參數(shù)Table 1 Device parameters of Geoelectric field in Guazhou and Jiayuguan stations

2 原理和方法

一般來說，急始型和緩始型兩種形態(tài)均可以劃分三個階段：t1-t2的干擾開始階段，t2-t3的干擾穩(wěn)定階段，t3-t4干擾結(jié)束階段。由于高壓直流漏電流的方向和漏電位置不同，產(chǎn)生的干擾有上升型和下降型(見第47頁圖2)。

圖1 參與計(jì)算的臺站位置圖Fig.1 Location map of stations participating in the calculation

圖2 一組高壓直流輸電干擾的三個階段Fig.2 A set of the three stages of HVDC transmission interference

急始型干擾的開始、結(jié)束時間點(diǎn)都比較明顯，很容易在“地電數(shù)據(jù)處理軟件—V2017.1”繪制的原始數(shù)據(jù)曲線上確定。t1-t2、t3-t4兩個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化幅度相對較大且變化急劇，t2-t3時間段內(nèi)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在某個值附近(見圖3)。

緩始型干擾的四個時間點(diǎn)為t1、t2、t3、t4。從原始曲線上看比較模糊，難以確定。且t1-t2、t3-t4兩個時間段的變化緩慢，t2-t3時間段內(nèi)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在某個值附近(見第48頁圖4)。

2.1 急始型干擾建模原理

急始型干擾t1-t2、t3-t4時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)呈不規(guī)則形態(tài)，主要是由干擾電流的大幅變化造成的。t1-t2、t3-t4時間段內(nèi)數(shù)據(jù)變化曲線特征雖近似呈對稱性，但時間值上并非都嚴(yán)格等同，故對兩時間段的干擾數(shù)據(jù)分別采用線性插值法進(jìn)行處理。

t2-t3時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)在正常地電場數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上向上或者向下產(chǎn)生一個穩(wěn)定階躍值，故修正t2-t3時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)只需加上或減去相應(yīng)的變化量即可。變化量setp近似可用公式(1)：

圖3 瓜州臺六測道急始型干擾示意圖Fig.3 Sketch map of rapid-start disturbance of six tracks in Guazhou station

(1)

圖4 嘉峪關(guān)臺緩始型干擾示意圖Fig.4 Sketch map of slow-start disturbance in Jiayuguan station

2.2 緩始型干擾建模原理

緩始型干擾t1-t2、t3-t4時間段內(nèi)的干擾近似呈線性，分別以兩時間段內(nèi)數(shù)據(jù)為樣本，擬合出一元線性回歸直線的斜率。t1-t2時間段斜率k計(jì)算原理如公式(2)。根據(jù)時間點(diǎn)的不同，再借助k值對時間段內(nèi)干擾值進(jìn)行修正，計(jì)算原理與過程如式(3)：

(2)

x'ti=xt1+K×xti，

(3)

式中：yt1、yt4可用t1和t4時刻的時值和分鐘值計(jì)算得出；式(2)和式(3)中：ti為t1-t2時間段內(nèi)的時間點(diǎn)；k為t1-t2時間段內(nèi)線性回歸方程的斜率。t3-t4時間段內(nèi)數(shù)據(jù)修正原理同t1-t2，不再贅述。

t2-t3時間段內(nèi)數(shù)據(jù)修正方法與急始型t2-t3時間段內(nèi)處理方法相同，可用公式(1)進(jìn)行修正。

3 算例

3.1 急始型干擾算例

急始型高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)選用瓜州臺地電場2017年5月2日數(shù)據(jù)，當(dāng)日數(shù)據(jù)受酒湖線高壓直流輸電干擾，干擾造成的急始型階躍已完全壓制正常曲線變化形態(tài)(見圖3)。運(yùn)用MATLAB軟件編寫處理模型對瓜州臺北南短測道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(見圖5)，以同樣的方法對六測道數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理(見圖6)，與直接剔除受干擾數(shù)據(jù)后的曲線變化形態(tài)一致。

3.2 緩始型干擾算例

緩始型高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)選用嘉峪關(guān)臺地電場2017年5月26日北東長測道數(shù)據(jù)，當(dāng)日數(shù)據(jù)受酒湖線高壓直流輸電干擾，干擾造成的緩始型階躍嚴(yán)重干擾正常北東長測道曲線變化形態(tài)(見圖4)。運(yùn)用MATLAB軟件編寫處理模型對嘉峪關(guān)臺北東長測道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(見第49頁圖7)。

圖5 MATLAB軟件處理瓜州臺北南長測道主界面圖Fig.5 Main interface diagram of the MATLAB software processing the NS long track in Guazhou station

圖6 瓜州臺地電場六測道數(shù)據(jù)處理后曲線圖Fig.6 Diagram of six tracks geoelectric field after data processing in Guazhou station

4 結(jié)論與討論

運(yùn)用MATLAB軟件建立處理模型，對高壓直流輸電在地電場觀測中造成的急始型和緩始型主要干擾均能達(dá)到較好的處理效果，即保證數(shù)據(jù)的完整性，又提高數(shù)據(jù)的可用性。

文中計(jì)算變化量的公式(1)對于短時段的干擾能直接使用，對于時段較長(超過三個小時)的干擾應(yīng)把日變影響考慮進(jìn)去，可以采用一階差分的方法去除日變干擾。

圖7 嘉峪關(guān)臺地電場北東長測道數(shù)據(jù)處理后曲線圖Fig.7 Diagram of the North-East long-track geoelectric field after data processing in Jiayuguan station

文章對高壓直流輸電在當(dāng)天地電場觀測造成的最典型的急始型和緩始型干擾進(jìn)行了處理。除上述兩種干擾類型外，還有變電流、兩條以上線路同時干擾地電場數(shù)據(jù)的情況，此情況下造成的干擾形態(tài)是急始型和緩始型的疊加，較為復(fù)雜，用現(xiàn)有MATLAB軟件在處理上有一定的局限性，是下一步要研究的目標(biāo)。