高压直流输电对湖北省地磁观测的影响

2023-10-19张建涛王明贵陈星星

地震地磁观测与研究 2023年3期

张建涛王明贵陈星星周超

（中国武汉430071湖北省地震局）

0 引言

高压直流（high-voltage direct current，HVDC）输电技术因其具有输送距离远、能量损耗低等优点而得到广泛应用。高压直流输电工程外线路或直流控制保护系统故障时，线路间的不平衡电流将形成磁场，造成沿线台站的观测数据出现尖峰和台阶变化，在地磁场垂直分量上的干扰幅度可能达到几十nT（蒋延林等，2014；苏小芸等，2020）。为了应对高压直流输电干扰，地磁工作者进行了许多研究。王锋吉等（2013）研究宁东线对山东地磁观测的影响，首次提出了对干扰数据的处理方法。陈健等（2016）分析江苏地磁台网受影响的现状，总结了检验数据预处理正确性的3种方法。罗词建等（2019）分析陕西地磁观测受高压直流干扰的情况，提出了干扰的判别方法和应对建议。杨兴悦等（2020）研究甘肃省地磁台站受干扰的情况，详述了不同干扰形态的数据处理步骤。

陈俊等（2014）设计的地磁站网高压直流输电判别处理系统，通过对比受到干扰和未受到干扰台站的原始转换分数据曲线，从而判定每组干扰的起止时间和Z分量干扰幅度，但是该系统也有一些不足。其一，除FHD-2B质子矢量磁力仪为分采样外，其他地磁连续观测仪器均为秒采样。对于地磁秒数据的处理而言，利用分数据判定的干扰时间和幅度可能有偏差。其二，该系统目前仅判定Z分量干扰幅度，实际上磁偏角D、磁场总强度F和水平分量H都会受干扰，各监测站数据处理人员只能凭经验确定其干扰幅度。磁场总强度F数据变化形态比Z分量复杂，常出现高压直流干扰和磁场扰动叠加的现象，导致准确判定干扰幅度非常困难。此外，我国已有超过30条高压直流输电线路投运（王锋吉等，2013），“十四五”期间国家电网规划建设14条高压直流输电项目，地磁观测面临的高压直流输电干扰将愈加复杂。

为了保障地磁数据预处理的正确性和精度，针对以上问题开展研究成为当务之急。湖北省位于我国电网“西电东送、南北互供”的中心，省内和周边高压直流输电线路密集，7个地磁测点均受到严重干扰。本文旨在以湖北省地磁台站观测资料为基础，通过多台同分量干扰幅度的对比以及单台不同干扰形态的比较，研究高压直流输电干扰的特征和处理方法，以期为实现受干扰数据的自动化处理提供一定参考。

1 湖北省地磁台站

湖北省有7个台站拥有地磁观测手段，分别是谷城台、丹江台、十堰台、钟祥台、当阳台、恩施台和应城台。各台均配置了FHD-2B质子磁力仪，恩施台和应城台作为国家基准地磁台，还拥有地磁秒采样和绝对观测手段。谷城地磁台原址在谷城县猫子沟，由于观测环境受城市发展干扰，2013年迁至石花镇彭家岭村；丹江台地磁观测点位于丹江口市金刚山公园；十堰台地磁测点在十堰市牛头山林场；钟祥台地磁测点在钟祥市盘石岭林场；当阳台地磁测点在当阳市庙前镇桐树桠村；恩施台位于恩施州土桥坝五峰山；应城台位于应城市汤池镇石堰村。从空间上看，湖北省地磁台站的布局并不科学，人口密度最高的武汉城市圈只有应城台1个测点，鄂西南地区也只有恩施台1个地磁测点，谷城、丹江FHD质子磁力仪测点则距离极近，造成部分地区地磁监测能力相对薄弱。城市发展导致个别地磁观测环境被破坏，如九峰地磁测点受武汉地铁的干扰而搬迁。湖北省地磁台站位置及高压直流输电线路走向见图1。

图1 湖北地磁台站分布与高压直流输电线路走向Fig.1 Distribution of geomagnetic stations and HVDC transmission lines in Hubei Province

2 高压直流输电干扰情况

2.1 高压直流输电线路

截至2022年底，有14条高压直流输电线路对湖北地磁观测造成干扰。其中11条线路通过湖北境内，分别是三常线、三广线、三上线、向上线、锦苏线、葛上线、酒湖线、昌宣线、陕湖线、白江线和白浙线。此外，邻省的海驻线、宁绍线和溪浙线对湖北地磁观测也有影响。从高压直流输电线路走向和台站分布来看，鄂西地区高压直流输电线路相对稀疏，只有酒湖线、白江线和白浙线，鄂东地区线路较为密集。高压直流输电线路的基本信息见表1。

表1 高压直流输电线路Table 1 Basic information of HVDC transmission lines

可以发现，我国高压直流输电工程建设投运的速度越来越快。2010年以前，湖北境内只有三常线等3条±500 kV高压直流输电线路。随着电力需求增长和我国能源结构调整，2011年起平均每年都有一条新线路投运，2013年以后都是±800 kV及以上的特高压输电线路，这导致湖北地磁台站受到的干扰也愈加频繁。除了以上14条已投运的线路，金上—湖北、宁夏—湖南±800 kV特高压直流输电工程正在建设中，未来不可避免对湖北地磁观测造成影响。

2.2 干扰概况

从地磁台网高压直流判别系统获取2017—2022年湖北省地磁台站受干扰的信息，每条线路造成的干扰组数及最大干扰对应日期见表2。同一线路对各台站的干扰幅度并不同：受三广线干扰最大的为当阳台，受酒湖线干扰最大的为恩施台，受昌宣线、海驻线干扰最大的为丹江台。结合湖北地磁台站分布和高压直流线路走向图，不难发现距离线路越近的台站受到的干扰越大。此外，线路同侧台站受到干扰方向相同，异侧台站受到干扰的方向相反。如应城台和恩施台分别位于酒湖线东西两侧，其垂直分量受到的干扰总是反向的。三常线等其他线路在湖北省地磁台站同侧，因此对各地磁台干扰的方向也相同。

表2 2017—2022年湖北地磁台站高压直流输电干扰统计Table 2 Statistics of HVDC transmission interference at geomagnetic stations in Hubei Province from 2017 to 2022

2017—2022年，湖北省地磁台站受到2617组高压直流输电干扰，各线路产生的干扰主要集中在投运后的一段时间。例如，酒湖线投运的前3个月造成252组干扰，海驻线投运的第1个月就造成了163组干扰，陕湖线投运的前2个月产生了236组干扰。原因可能是线路刚运行时容易产生各种故障，当线路进入常态化运行之后，造成干扰的次数将大幅减少，如三上线近5年的年均干扰不到10组。所以，台站受到的干扰并不会随着线路条数的增长而无限增加，但是干扰情况变得逐渐复杂。2022年2条线路同时对湖北地磁观测造成干扰的情况出现了多次，负责判定干扰幅度的专家和台站一线工作人员均疲于应对。2019—2022年，应城台受到高压直流输电干扰分别为114、106、82、119天，对干扰数据的处理占用了地磁业务人员的大部分时间，亟待开发出地磁高压直流干扰自动化处理程序，使地磁台站的广大工作者能够腾出手来开展更多研究工作。

3 高压直流输电干扰处理

高压直流输电干扰对地磁Z分量影响最显著，根据所造成的地磁数据曲线形态差异，可以分为缓变和台阶2类，相应的数据处理方法也不同。

3.1 缓变形态和处理

在一组高压直流输电干扰事件中，所有缓变的幅度之和为零。缓变在数据曲线形态上类似于线性函数，根据其走向可以分为渐变上升和下降型两类。对于前者，干扰幅度从最小值线性增长至零（图2中③），或者干扰幅度由零线性增长至极大值（图2中④），后者则完全相反（图2中①、②）。“中国地震前兆数据处理系统（电磁学科版）”（以下简称地磁数据处理软件）也将缓变分为这4种基本类型，在使用时需要准确选择缓变类型和设置改正幅度。

图2 高压直流输电缓变干扰的4种基本形态Fig.2 Four basic patterns of slow-change interference in HVDC transmission

每一类缓变都可以采用2种思路进行消除，即分别将缓变改正到开始或者结束时刻。对于图2中③所示上升型缓变，幅度为5 nT。可以选择“缓慢上升，归算至上升前”，此时改正量为-5 nT；如果选择“缓慢上升，归算至上升后”功能，则改正量为5 nT。通常缓变持续时间只有几分钟甚至几十秒，在秒数据上需要通过“去除缓变”进行消除。对于FHD-2B等分采样的地磁仪器，当缓变持续时间低于10 min时，只能通过“剔除尖峰”进行处理。也有少数缓变的持续时间达到几十分钟，如三常线2017年11月4日缓变持续45 min。

3.2 台阶形态和处理

处理地磁数据中的高压直流干扰时，必须先去除缓变、再去除台阶。根据一组干扰中缓变的数量可以将其分为单一型、复合型。单一型干扰是最基本的高压直流干扰形态，包含2个数值相等、方向相反的缓变。当缓变持续时间非常短时，在观测数据曲线上表现为一个台阶。使用地磁数据处理软件的去除台阶功能，设定起止时间和改正量，就能直接消除此类干扰。如2019年9月8日受三上线干扰，应城台地磁Z分量出现33.5 nT的台阶，去除台阶前后的数据对比曲线见图3（a）。

图3 高压直流输电干扰典型形态Fig.3 Typical patterns of interference in HVDC transmission

复合型干扰中包含2段以上的缓变，处理方法是先处理每段缓变，将其转换为多个单一型干扰的组合，再利用单一型干扰的处理方法依次去除每段台阶。如图3（b）所示一组干扰由5段缓变组成，缓变幅度依次为34.9 nT、-11.9 nT、10.7 nT、-17.4 nT和-16.3 nT，持续时间依次为1 min、19 min、20 min、1 min和2 min。处理时需要先消除②、③段缓变，转换为图3（c）所示的4段单一型干扰，每段台阶的幅度依次为34.9 nT、23 nT、33.7 nT和16.3 nT，依次对其进行去除台阶操作即可。有时一组干扰之中可能嵌套另一组干扰，此时应当按照由内向外、由前向后的顺序处理[图3（d）]。任何高压直流干扰都是由以上几种基本形态和其组合构成，只要遵循以上流程进行数据处理就能准确消除干扰。

3.3 干扰幅度特点

分析同一干扰事件对湖北各地磁台站的扰幅，发现它们之间具有固定的比值关系。以应城台为参考，三常线对钟祥台、当阳台干扰的幅值比分别为0.2、0.39[图4(a)]；三上线对钟祥台、当阳台干扰的幅值比分别为0.22[图4(b)]、0.2。如此，只需判定若干参考台的干扰幅度，利用幅值比可以快速获取其他台受干扰的幅度。溪浙线等3条线路对应城台的干扰幅度小于3 nT，而FHD-2B质子磁力仪的噪声接近0.5 nT，与用原始观测数据直接判定干扰幅度相比，利用幅值比计算干扰幅度更加精确高效。

图4 高压直流输电干扰幅度相关性分析(a) 三常线干扰幅度；(b) 三上线干扰幅度；(c)三常线干扰幅度Fig.4 Correlation analysis of interference amplitude in HVDC transmission

高压直流输电干扰也会影响磁场总强度F，地磁台网高压直流判别系统仅提供了Z分量干扰幅度，所以各台数据处理人员需自行判断F的干扰幅度。地磁场各分量受干扰时间相同，当缓变发生在磁场平静时段，可以直接量取F的干扰幅度。但是如果缓变发生在磁场变化剧烈的时段，直接量取的F干扰幅度就有很大误差，解决这个问题具有重要的应用意义。为此，分析三常线、三上线和陕湖线对应城台地磁F、Z分量的干扰幅度，发现二者的干扰幅度显著相关，3条线路对Z、F的干扰幅值比分别为0.73[图4（c）]、0.7和0.8。应城台同时运行FHD-2B和GSM-90F1 Overhauser磁力仪，2套设备独立对地磁场总强度F进行连续记录。日常处理高压直流输电干扰时，利用幅值比计算F干扰幅度，对GSM-90F1磁力仪的观测数据进行处理；对于FHD-2B磁力仪的观测数据，只处理地磁Z、H和D分量，而F由地磁数据处理软件自动生成。消除高压直流输电干扰之后，2套仪器的F观测数据曲线变化趋势相同。

该方法既提高了数据处理的效率，又可以通过FHD-2B和其他地磁仪器观测数据的对比检查处理是否正确。应城台平均每年受干扰的天数超过100天，一天的干扰最多达到28组，得益于采用以上的思路和数据处理技巧，近3年的高压直流干扰处理从未出错。