一種計(jì)算中低緯度地區(qū)電網(wǎng)中的地磁感應(yīng)電流的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間天氣學(xué)與電力工程的交叉領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種用于 計(jì)算中低煒度地區(qū)電網(wǎng)中的地磁感應(yīng)電流的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電網(wǎng)中由于太陽活動(dòng)所引起產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流（Geomagnetically Induced Current，GIC)是一種重要的空間天氣災(zāi)害現(xiàn)象。這種準(zhǔn)直流的電流會(huì)導(dǎo)致變壓器半波飽 和以及引起電網(wǎng)諧波電流增大和電壓跌落、無功波動(dòng)等，進(jìn)而可能導(dǎo)致跳閘、電壓低或更嚴(yán) 重的電網(wǎng)癱瘓等后果，從而造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。
[0003] 在高煒度地區(qū)，地磁活動(dòng)較頻繁且變化幅度較大，GIC對(duì)電氣系統(tǒng)的影響在這些地 區(qū)（如北美、北歐）最早被研宄，至今取得了很大的進(jìn)展。這些國(guó)家和地區(qū)一面開展對(duì)電網(wǎng) 中的GIC的監(jiān)測(cè)工作，一面針對(duì)本國(guó)電網(wǎng)建立計(jì)算模型，該模型用于為減輕GIC的危害積極 研制GIC預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該預(yù)報(bào)系統(tǒng)中利用衛(wèi)星觀測(cè)的太陽風(fēng)條件作為輸入來估計(jì)地面技術(shù)設(shè) 備中的GIC水平。
[0004] 以往GIC的研宄都是在這些高煒度國(guó)家被重視，但近年來GIC侵?jǐn)_中低煒度國(guó)家 電網(wǎng)如中國(guó)、南非、巴西等的報(bào)道逐漸增多，GIC的研宄和預(yù)防在這些地區(qū)也受到越來越多 的重視。但是引起高煒度地區(qū)和中低煒度地區(qū)地磁擾動(dòng)的地球空間電流系統(tǒng)是不同的，引 起高煒度地區(qū)地磁擾動(dòng)的主要是電離層電流，而磁層電流的影響可以忽略；而對(duì)于中低煒 度地區(qū)，則磁層電流的影響占主導(dǎo)地位。因此以往利用衛(wèi)星觀測(cè)的太陽風(fēng)條件作為輸入來 估計(jì)電網(wǎng)中的GIC的方法，通過計(jì)算太陽風(fēng)作用產(chǎn)生的電離層電流（不計(jì)入磁層電流體系 的影響）引起的地磁擾動(dòng)來計(jì)算GIC的方法，不能用于計(jì)算中低煒度地區(qū)的GIC。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算方法不適用于計(jì)算中低煒度地區(qū)電網(wǎng)中的GIC 的不足，提供了一種利用衛(wèi)星觀測(cè)的太陽風(fēng)條件來計(jì)算中低煒度地區(qū)的電網(wǎng)中的GIC的方 法。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算中低煒度地區(qū)的電網(wǎng)中的GIC的方法，在計(jì)算電離層電流體系 之外還計(jì)算磁層電流體系，進(jìn)而根據(jù)前述兩種電流體系產(chǎn)生的地面地磁擾動(dòng)計(jì)算地面電網(wǎng) 中的地磁感應(yīng)電流。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算中低煒度地區(qū)的電網(wǎng)中的GIC的方法，包括以下 步驟：
[0008] 步驟1 :計(jì)算地球空間電流體系
[0009] 將衛(wèi)星觀測(cè)的太陽風(fēng)參數(shù)作為邊界條件輸入到全球三維磁層數(shù)值模型 (Lagrangian version of Piecewise Parabolic Method - Magnetohydrodynamic Model，PPMLR-MHD模型）中，求出此太陽風(fēng)條件下地球空間的電流體系情況。
[0010] 全球PPMLR-MHD數(shù)值模型對(duì)太陽風(fēng)-磁層系統(tǒng)進(jìn)行磁流體力學(xué)描述，對(duì)電離層采 用球殼近似，通過沿地球偶極場(chǎng)力線的電勢(shì)和場(chǎng)向電流映射，實(shí)現(xiàn)電離層和內(nèi)磁層之間的 電磁f禹合。
[0011] 對(duì)太陽風(fēng)-磁層系統(tǒng)，取P Q= I. 67X 10 _17kg · m_3、地球半徑Re= 6370km和地球 赤道處磁場(chǎng)強(qiáng)度Bn= 3. 12 X KT5T為基本單位，將磁流體力學(xué)方程組寫成如下無量綱形式：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種計(jì)算中低煒度地區(qū)的電網(wǎng)中的GIC的方法，其特征在于：在計(jì)算電離層電流體 系之外還計(jì)算磁層電流體系，進(jìn)而根據(jù)前述兩種電流體系產(chǎn)生的地面地磁擾動(dòng)計(jì)算地面電 網(wǎng)中的地磁感應(yīng)電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的計(jì)算中低煒度地區(qū)的電網(wǎng)中的GIC的方法，其特征在于：包括以 下步驟： 步驟1 :計(jì)算地球空間電流體系 將衛(wèi)星觀測(cè)的太陽風(fēng)參數(shù)作為邊界條件輸入到全球三維磁層數(shù)值模型中，求出此太陽 風(fēng)條件下地球空間的電流體系，其中對(duì)電離層采用球殼近似，通過沿地球偶極場(chǎng)力線的電 勢(shì)和場(chǎng)向電流映射，實(shí)現(xiàn)電離層和內(nèi)磁層之間的電磁耦合； 對(duì)太陽風(fēng)-磁層系統(tǒng)，取P C1= 1. 67 X 10~kg · πΓ3、地球半徑Re= 6370km和地球赤道 處磁場(chǎng)強(qiáng)度Btl= 3. 12 X KT5T為基本單位，將磁流體力學(xué)方程組寫成如下無量綱形式：
式中 B' = B-Bd，p*= p+B' 2/2， E = ρ/(γ-1) + Ρ v2/2+B' 2/2, (5) P為太陽風(fēng)等離子體的密度，v為太陽風(fēng)等離子體的流速，B、BjP B'分別為總磁 場(chǎng)、地球偶極場(chǎng)和前述兩場(chǎng)之差，P為太陽風(fēng)等離子體的壓強(qiáng)，γ =5/3為絕熱指數(shù)，Lu= B0Re ( μ 〇/P 0)1/2/η為與電阻率η對(duì)應(yīng)的Lundquist數(shù)，μ 〇=4 JT X IOK1為真空磁導(dǎo) 率， 在模型的上游邊界輸入太陽風(fēng)條件，就可以計(jì)算出整個(gè)地球空間的磁層-電離層的電 流體系； 步驟2 :計(jì)算電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的地磁擾動(dòng) 根據(jù)步驟1中得到的地球空間磁層-電離層電流體系，利用畢奧薩伐爾（Biot-Savart) 定律，計(jì)算這些電流體系在所關(guān)注的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所在地產(chǎn)生的地磁擾動(dòng)， 對(duì)于磁層電流體系，使用體積分
在該模型中電離層為面電流體系，所以對(duì)于電離層電流體系，使用面積分：
式中，dBjRhdBjR)為地表位置R處的地磁擾動(dòng)，Utl為真空磁導(dǎo)率，J(r')為空間 r'處的電流元，dV，dS為積分元 然后將所有電流體系產(chǎn)生的地磁擾動(dòng)進(jìn)行求和，求得該地總地磁擾動(dòng)： dB = dB1+dB2 (8) 步驟3 :計(jì)算電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的地磁感應(yīng)電場(chǎng) 根據(jù)步驟2中計(jì)算得到的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的總地磁擾動(dòng)，采用該地區(qū)的均勻大地電導(dǎo)率模 型，計(jì)算電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的地磁感應(yīng)電場(chǎng)：
式中x，y分別代表地理的北向和東向，μ為真空磁導(dǎo)率，σ為大地等效電導(dǎo)率； 步驟4 :計(jì)算電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的地磁感應(yīng)電流GIC 根據(jù)步驟3中得到的地磁感應(yīng)電場(chǎng)，結(jié)合電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型參數(shù)，計(jì)算該電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的地 磁感應(yīng)電流， 假設(shè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的電場(chǎng)是為均勻的，則該節(jié)點(diǎn)處的地磁感應(yīng)電流可由下式求得： GIC(t) = aEx(t)+bEy(t) (10) 式中，電網(wǎng)參數(shù)a和b為常數(shù)，由電網(wǎng)的電性參數(shù)確定或者已知電場(chǎng)和電流的情況下擬 合所得，Ex，Ey分別為地磁感應(yīng)電場(chǎng)的北向分量和東向分量。
【專利摘要】一種基于全球三維磁層數(shù)值模型(PPMLR-MHD模型)，以衛(wèi)星觀測(cè)的太陽風(fēng)參數(shù)為輸入條件，通過對(duì)磁層、電離層電流體系進(jìn)行積分來計(jì)算這些電流產(chǎn)生的地磁擾動(dòng)，進(jìn)而計(jì)算地表電網(wǎng)中的地磁感應(yīng)電流，這解決了以往預(yù)測(cè)方法不適用于計(jì)算中低緯度地區(qū)GIC的問題，該方法計(jì)算的中低緯度地區(qū)電網(wǎng)中的GIC可以反映實(shí)際監(jiān)測(cè)的地磁擾動(dòng)計(jì)算的感應(yīng)電流的基本特征。利用該方法，人們就可以根據(jù)上游衛(wèi)星觀測(cè)的太陽風(fēng)參數(shù)，及時(shí)地對(duì)中低緯度地區(qū)的某地電網(wǎng)中的GIC大小進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)是否會(huì)遭受災(zāi)害性空間天氣事件的侵害做出評(píng)估，并采取積極的防御措施避免造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。
【IPC分類】G06F19-00, G01R19-00
【公開號(hào)】CN104635017
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510072803
【發(fā)明人】張佼佼, 王赤, 孫天然
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年2月11日