山東地磁臺網(wǎng)受寧東高壓直流輸電干擾預處理質量分析

林秀娜 曲保安 賈立國 陳傳華 范曉勇王強 邢偉偉 袁倩 池國民

1）泰安基準地震臺，山東省泰安市羅漢崖路2號 271000

2）嘉祥地震監(jiān)測中心臺，山東嘉祥 272400

3）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

4）青島地震臺，山東青島 266000

5）安丘地震臺，山東安丘 262100

0 引言

以往輸電方式主要以高壓交流來完成，隨著全國大范圍的輸電需求及科技的發(fā)展，新型的直流遠距離輸電方式逐漸替代交流輸電（陳紅軍等，2001；龔大衛(wèi)等，2000）。按照行業(yè)標準進行避讓的高壓直流輸電線路，在高壓直流供電系統(tǒng)正常工作時，對兩側的電磁臺站基本無影響，一旦出現(xiàn)故障，將對電磁觀測造成干擾（沈紅會等，2005；龔大衛(wèi)等，2000；曹愛民等，1998）。高壓直流輸電工程日益增多，地磁觀測受到不同程度的干擾影響，從現(xiàn)有直流輸電工程來看，故障率很高且隨機（沈紅會等，2005）。而電磁觀測臺站已不能通過搬遷來避免此類干擾，因此地磁臺站只能在觀測結果中準確判斷干擾，并找出消除或減小干擾影響的方法（沈紅會等，2005；蔣延林等，2014）。為此，多年來，很多地震研究人員致力于高壓直流輸電影響和應對的研究，如方煒等（2012）應用陜西、甘肅等省數(shù)字化地磁觀測資料，分析高壓直流輸電對地磁場觀測的影響機理；陳俊等（2014）設計完成地磁臺網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)（簡稱“判別系統(tǒng)”），該系統(tǒng)具有高壓直流干擾的自動判斷、干擾時間獲取、幅度計算及自動提醒等功能，為全國受高壓直流輸電干擾的地磁臺站數(shù)據(jù)預處理提供了參照標準。但是，仍然有一些臺站存在高壓直流輸電干擾的誤判和錯判，由此造成數(shù)據(jù)預處理質量較低，無法為地震分析預測提供準確可靠的第一手資料。在當前觀測資料是地震監(jiān)測臺網(wǎng)生命線的背景下，減少以至消除高壓直流輸電干擾的誤判和錯判，提高數(shù)據(jù)預處理質量，已經(jīng)是迫在眉睫的基本要求。本文以山東地磁臺網(wǎng)地磁記錄為研究樣本，針對寧東高壓直流輸電干擾，分析多年來數(shù)據(jù)預處理存在的錯誤和疏漏，提出相應解決方案和措施。

1 寧東高壓直流輸電工程和山東地磁臺網(wǎng)概況

寧東高壓直流輸電采用我國主流的雙極兩端中性點接地方式，當輸電系統(tǒng)正常工作時，電流從2條架空線路經(jīng)過，大小基本相等，方向相反，只有小于額定電流1%的不平衡電流從接地極入地。但是當系統(tǒng)進行調試或發(fā)生故障時，雙極線路的電流差較大，此時類似于單極輸電方式，以大地為回路，即2條架空線路中存在較大的不平衡電流（沈紅會等，2005；蔣延林等，2014）。所以，只有當輸電線路存在較大的不平衡電流時，高壓直流輸電線路兩側的地磁觀測臺站才受到干擾。根據(jù)畢奧薩法爾定律，理論上地磁觀測距離高壓直流線路越近，干擾幅度越大。

圖1 寧東線走向及沿線各地磁臺位置

寧東高壓直流輸電線路及兩側受干擾地磁臺站分布見圖1，其中，受干擾相對明顯的臺站名稱用紅色標識；河北省紅山地磁臺為干擾幅度值歸一化標準臺站，蒙城地磁臺為判別系統(tǒng)中量取紅山地磁臺寧東高壓直流輸電干擾幅度值的參考臺站，其他各臺干擾幅度通過與紅山地磁臺的比值關系計算得到。

1.1 寧東高壓直流輸電工程概況

寧東-山東±660kV高壓直流輸電工程（簡稱寧東線）是世界上第1個±660kV電壓等級的直流輸電工程，跨越寧夏、陜西、山西、河北和山東等5省，西起寧夏銀川東換流站，東至山東青島換流站。該工程于2010年9月30日線路全線架通試運行，2011年2月28日投入運行。

1.2 山東地磁臺網(wǎng)概況

山東省有7個數(shù)字地磁臺站，共安裝7套FHD-2B型質子磁力儀，4套磁通門磁力儀，1套FHDZ-M15地磁總場與分量組合觀測系統(tǒng)。山東地磁臺網(wǎng)數(shù)字化儀器采樣率較高，能較好地連續(xù)記錄電磁干擾。

2 寧東高壓直流輸電工程對山東地磁臺網(wǎng)的影響

2011年1月23日，山東地磁臺網(wǎng)首次記錄到高壓直流輸電干擾。據(jù)統(tǒng)計，2011年共記錄到寧東高壓直流輸電干擾20次，2012、2013、2015、2016年均維持較低的干擾頻次，說明線路運行基本正常，故障較少。

值得關注的是，2014年7月 22日～9月 9日共計50天時間內(nèi)，幾乎每天存在干擾。2014年統(tǒng)計的49次干擾中有46次發(fā)生在該時間段內(nèi)。山東地磁臺網(wǎng)歷年高壓直流輸電干擾頻次統(tǒng)計詳見表 1。

表1 2011～2016年寧東線對山東地磁臺網(wǎng)干擾頻次統(tǒng)計

3 預處理質量分析

通過中國地震前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的“相對差值檢測”功能，對2011～2016年山東地磁臺網(wǎng)7個地磁臺站的高壓直流輸電干擾日期的預處理分數(shù)據(jù)進行多臺差值檢測，從而發(fā)現(xiàn)問題臺站，同時結合原始數(shù)據(jù)進行原因分析，查找問題根源。表2為2011～2014年山東地磁臺網(wǎng)各臺站對寧東高壓直流輸電干擾預處理情況部分錯誤統(tǒng)計。從多年來各臺站高壓直流輸電干擾預處理的復核、對比和分析的總體情況可以看出，各臺對干擾數(shù)據(jù)進行了較好的預處理。從國家地磁臺網(wǎng)中心的月評數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果可以看出，預處理質量基本滿足學科要求。但進一步深入分析后，發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

3.1 其他因素造成的干擾誤判為高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電干擾主要體現(xiàn)在Z分量，因而當只有Z分量受干擾時，處理人員可能將其他因素造成的干擾誤判為高壓直流輸電干擾。通過多年統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，該問題在泰安臺出現(xiàn)較多，主要集中出現(xiàn)在地磁臺網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)使用前。其中，2011年泰安基準地震臺出現(xiàn)4次誤判，主要是因為地磁觀測數(shù)據(jù)僅Z分量產(chǎn)生小幅度臺階，處理人員進行數(shù)據(jù)預處理后填寫為高壓直流輸電干擾，雖未影響數(shù)據(jù)預處理質量，但造成預處理日志填寫錯誤，對后期數(shù)據(jù)查看和使用將產(chǎn)生誤導。

表2 2011～2014年山東地磁臺網(wǎng)各臺站對寧東線干擾預處理錯誤統(tǒng)計（部分）

3.2 高壓直流輸電干擾起止時間判斷錯誤

當高壓直流輸電干擾產(chǎn)生跨天臺階時，進行單天的數(shù)據(jù)預處理造成誤判的可能性較大，以致將正常時段的數(shù)據(jù)進行臺階處理時，該問題同樣集中在判別系統(tǒng)使用之前。圖2中為2011年1月23～27日馬陵山、安丘、濟南地磁臺分別與泰安地磁臺預處理數(shù)據(jù)差值曲線。從圖2中可以看出，馬陵山臺、濟南臺與泰安臺差值曲線在固定均值上下波動，尤其泰安臺和濟南臺數(shù)據(jù)一致性較高，但安丘臺自23日0點至27日，與各臺有較大臺階存在。經(jīng)分析，判定安丘臺對23日高壓直流干擾時間段判斷錯誤，沒有發(fā)現(xiàn)緩變臺階，而是將臺階之后的正常數(shù)據(jù)做了抬升，并且持續(xù)到27日儀器標定日，通過標定允許產(chǎn)生天與天之間臺階的規(guī)定，將人工增加的臺階與標定臺階合并處理至27日0點。

在判別系統(tǒng)投入使用后，仍有個別臺站工作人員對信息發(fā)布內(nèi)容理解有誤，致使干擾時間段出現(xiàn)錯誤判斷，導致預處理錯誤。圖3為2016年3月30日大山臺原始數(shù)據(jù)與預處理數(shù)據(jù)對比。圖3中，原始數(shù)據(jù)存在一個緩變干擾，干擾量約為1.3nT，2次緩變起止時間段分別為 14：43～15：01和 15：59～16：18，而 15：01～15：59屬于干擾持續(xù)時間。顯然，工作人員將開始和結束的2個緩變臺階當做2個臺階進行了處理，而干擾持續(xù)時間內(nèi)的數(shù)據(jù)未做處理。此類干擾幅度量不大，加上開始和結束時間有持續(xù)，容易被數(shù)據(jù)的正常變化隱藏，尤其是線路兩側的較遠臺站容易忽略。

3.3 高壓直流輸電干擾幅度判別有誤差

圖2 2011年1月23～27日馬陵山、安丘臺、濟南臺與泰安臺預處理數(shù)據(jù)的差值曲線

圖3 2016年3月30日大山臺原始和預處理數(shù)據(jù)對比

同臺站不同儀器的高壓直流輸電干擾幅度略有不同，預處理程度應有差別。經(jīng)統(tǒng)計，山東省泰安臺2套磁通門磁力儀受寧東高壓直流輸電干擾的幅度有時存在0.1～0.2nT的差異，在數(shù)據(jù)預處理時需根據(jù)曲線實際變化判斷該儀器的干擾幅值，而此問題可能被忽略，未做區(qū)別判斷，而按照系統(tǒng)發(fā)布參考值統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)預處理。

圖4 2014年一次高壓直流輸電干擾事件中泰安臺2套GM 4的記錄數(shù)據(jù)對比

圖4為2014年8月19～20日的一次高壓直流輸電干擾事件中泰安臺2套GM 4的記錄數(shù)據(jù)對比，圖4（a）為2套GM 4完整的2天記錄數(shù)據(jù)，分別用紅色和黑色曲線表示，方框中為高壓直流干擾的起始部分，表現(xiàn)為緩降特性，圖4（b）為對該部分的放大，可見，2套 GM4儀器的記錄數(shù)據(jù)一致性較高，但是數(shù)據(jù)曲線有重疊及不重疊部分，而本次干擾的起始部分為8月 19日 21：29～22：00，21：29處 2套儀器數(shù)據(jù)曲線重合，而 22：00處 2套儀器數(shù)據(jù)曲線有0.2nT的差值，由此導致數(shù)據(jù)預處理時二者存在0.2nT的差值，根據(jù)2套儀器長時間的記錄數(shù)據(jù)對比，以及GM 4分辨力為0.1nT的實際情況，認為這種差異是由不同GM 4儀器傳感器的磁芯、激勵線圈或感應線圈的差異造成的，0.2nT的差異相對于GM 4儀器±62500nT的測量范圍、±2500nT的動態(tài)范圍以及0.1nT的分辨力是可以接受的，但是在做高壓直流干擾預處理時需要根據(jù)實際數(shù)據(jù)曲線進行處理。

判別系統(tǒng)提供的干擾幅度僅是在理論比值下計算得到的參考干擾幅度，需要根據(jù)臺站實際情況進行復核再進行數(shù)據(jù)預處理。通過“相對差值檢測”功能發(fā)現(xiàn)，部分經(jīng)預處理的高壓輸電干擾時間段仍存在數(shù)據(jù)處理不徹底的現(xiàn)象，應為未根據(jù)實際情況修正判別系統(tǒng)參考值而直接套用所導致，如果僅考察單臺數(shù)據(jù)曲線，不做多臺差值則難以發(fā)現(xiàn)。

3.4 H、D分量的高壓輸電干擾被忽略

高壓輸電干擾雖然主要體現(xiàn)在Z分量，但在干擾幅度較大或者臺站處于接地極附近時，其H、D分量也會受到不同程度的干擾。圖5為2014年10月10日山東地磁臺網(wǎng)預處理數(shù)據(jù)差值曲線。從圖5中各臺與泰安臺的預處理差值曲線中可以看出，在單臺預處理曲線中不明顯的H、D分量高壓直流輸電干擾被突顯出來，明顯可見菏澤臺和陵陽臺的偏角及陵陽臺的水平分量未做高壓直流輸電干擾預處理。其他部分臺站也或多或少存在數(shù)據(jù)處理不到位的現(xiàn)象。

圖5 2014年10月10日山東地磁臺網(wǎng)預處理數(shù)據(jù)差值曲線

3.5 不同分量的高壓輸電干擾起止時間不同

高壓輸電干擾對不同臺站不同儀器不同分量的干擾幅度存在差異，但受干擾臺站的各儀器和各分量的干擾起止時間應該是同步的，因而檢查中發(fā)現(xiàn)的不同分量起止時間不同必然是某分量預處理判斷錯誤所致。圖6為2011年8月30日泰安臺原始和預處理數(shù)據(jù)曲線及兩者差值曲線。由圖6中通過原始和預處理的差值曲線可以看出，對H和Z分量分別進行了臺階處理，但2個臺階的結束時間存在明顯差異，這是不符合高壓直流輸電干擾特征的。

3.6 人工處理緩變臺階存在差異性

中國地震前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的“緩變功能”是2014年8月根據(jù)高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)預處理的需求添加的。此前，高壓直流輸電干擾造成的緩變臺階均由處理人員將干擾時間段內(nèi)數(shù)據(jù)分成N小段進行不同幅度的調整，以盡可能多地保留數(shù)據(jù)。不同處理人員在數(shù)據(jù)處理中必然存在不同程度的差異性，嚴重時會影響數(shù)據(jù)的準確性。

4 建議和結論

（1）通過對山東地磁臺網(wǎng)7個地磁臺站的高壓直流輸電干擾預處理情況的排查分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)質量總體較好，基本達到學科規(guī)范要求，尤其是在高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)投入使用后，干擾誤判得到改善，為受干擾臺站的地磁數(shù)據(jù)預處理提供了參考標準。

（2）“緩變臺階”功能增加之前，人工處理緩變臺階的差異性可以利用“多臺對比”功能進行差值分析，對于誤差較大的預處理數(shù)據(jù)，建議應用“緩變臺階”功能重新處理。

圖6 2011年8月30日泰安臺原始和預處理數(shù)據(jù)曲線及兩者差值曲線

（3）分析表明，高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)有諸多優(yōu)點，但因其僅針對Z分量發(fā)布信息，因此H、D分量干擾被忽略的現(xiàn)象仍然存在，尚需加強對H、D分量干擾特征的研究和應對。

（4）地磁日變曲線每天都不同，最大靜日日變幅度約為幾十nT，擾日變化則為數(shù)百nT，較小的高壓直流輸電干擾，尤其是緩變干擾，被忽視或處理不到位的可能性較大，建議完成數(shù)據(jù)預處理后，對數(shù)據(jù)進行復核和校對，通過多臺對比和差值曲線判斷預處理是否準確到位。

（5）通過對山東地磁臺網(wǎng)高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)預處理問題進行分析和總結，發(fā)現(xiàn)高壓直流輸電干擾仍有進一步研究和分析的必要。面對日益增多的高壓直流輸電線路及日益嚴峻的地磁觀測環(huán)境，高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)預處理質量有待進一步提高。

5 討論

關于高壓直流輸電對Z分量干擾幅度的比例關系已經(jīng)有實用化的研究成果，而且已經(jīng)應用于國家地磁臺網(wǎng)中心的高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)。而關于H和D的干擾特征和干擾幅度，我們進行了相對深入的研究，發(fā)現(xiàn)H和D的干擾機理和干擾特征與Z有明顯不同，表現(xiàn)出明顯的偏向性、弱相關性和高壓直流輸電線路經(jīng)緯走向的相關性。對于同一輸電線路兩側不同臺站的H和D干擾幅度以及特定臺站Z、H和D干擾幅度也表現(xiàn)出了一定的線性關系，從而可以進行預處理參考值估算，本文對此不再詳述。