高壓直流輸電對湖北省地磁觀測的影響

張建濤 王明貴 陳星星 周 超

（中國武漢430071湖北省地震局）

0 引言

高壓直流（high-voltage direct current，HVDC）輸電技術因其具有輸送距離遠、能量損耗低等優點而得到廣泛應用。高壓直流輸電工程外線路或直流控制保護系統故障時，線路間的不平衡電流將形成磁場，造成沿線臺站的觀測數據出現尖峰和臺階變化，在地磁場垂直分量上的干擾幅度可能達到幾十nT（蔣延林等，2014；蘇小蕓等，2020）。為了應對高壓直流輸電干擾，地磁工作者進行了許多研究。王鋒吉等（2013）研究寧東線對山東地磁觀測的影響，首次提出了對干擾數據的處理方法。陳健等（2016）分析江蘇地磁臺網受影響的現狀，總結了檢驗數據預處理正確性的3種方法。羅詞建等（2019）分析陜西地磁觀測受高壓直流干擾的情況，提出了干擾的判別方法和應對建議。楊興悅等（2020）研究甘肅省地磁臺站受干擾的情況，詳述了不同干擾形態的數據處理步驟。

陳俊等（2014）設計的地磁站網高壓直流輸電判別處理系統，通過對比受到干擾和未受到干擾臺站的原始轉換分數據曲線，從而判定每組干擾的起止時間和Z分量干擾幅度，但是該系統也有一些不足。其一，除FHD-2B質子矢量磁力儀為分采樣外，其他地磁連續觀測儀器均為秒采樣。對于地磁秒數據的處理而言，利用分數據判定的干擾時間和幅度可能有偏差。其二，該系統目前僅判定Z分量干擾幅度，實際上磁偏角D、磁場總強度F和水平分量H都會受干擾，各監測站數據處理人員只能憑經驗確定其干擾幅度。磁場總強度F數據變化形態比Z分量復雜，常出現高壓直流干擾和磁場擾動疊加的現象，導致準確判定干擾幅度非常困難。此外，我國已有超過30條高壓直流輸電線路投運（王鋒吉等，2013），“十四五”期間國家電網規劃建設14條高壓直流輸電項目，地磁觀測面臨的高壓直流輸電干擾將愈加復雜。

為了保障地磁數據預處理的正確性和精度，針對以上問題開展研究成為當務之急。湖北省位于我國電網“西電東送、南北互供”的中心，省內和周邊高壓直流輸電線路密集，7個地磁測點均受到嚴重干擾。本文旨在以湖北省地磁臺站觀測資料為基礎，通過多臺同分量干擾幅度的對比以及單臺不同干擾形態的比較，研究高壓直流輸電干擾的特征和處理方法，以期為實現受干擾數據的自動化處理提供一定參考。

1 湖北省地磁臺站

湖北省有7個臺站擁有地磁觀測手段，分別是谷城臺、丹江臺、十堰臺、鐘祥臺、當陽臺、恩施臺和應城臺。各臺均配置了FHD-2B質子磁力儀，恩施臺和應城臺作為國家基準地磁臺，還擁有地磁秒采樣和絕對觀測手段。谷城地磁臺原址在谷城縣貓子溝，由于觀測環境受城市發展干擾，2013年遷至石花鎮彭家嶺村；丹江臺地磁觀測點位于丹江口市金剛山公園；十堰臺地磁測點在十堰市牛頭山林場；鐘祥臺地磁測點在鐘祥市盤石嶺林場；當陽臺地磁測點在當陽市廟前鎮桐樹椏村；恩施臺位于恩施州土橋壩五峰山；應城臺位于應城市湯池鎮石堰村。從空間上看，湖北省地磁臺站的布局并不科學，人口密度最高的武漢城市圈只有應城臺1個測點，鄂西南地區也只有恩施臺1個地磁測點，谷城、丹江FHD質子磁力儀測點則距離極近，造成部分地區地磁監測能力相對薄弱。城市發展導致個別地磁觀測環境被破壞，如九峰地磁測點受武漢地鐵的干擾而搬遷。湖北省地磁臺站位置及高壓直流輸電線路走向見圖1。

圖1 湖北地磁臺站分布與高壓直流輸電線路走向Fig.1 Distribution of geomagnetic stations and HVDC transmission lines in Hubei Province

2 高壓直流輸電干擾情況

2.1 高壓直流輸電線路

截至2022年底，有14條高壓直流輸電線路對湖北地磁觀測造成干擾。其中11條線路通過湖北境內，分別是三常線、三廣線、三上線、向上線、錦蘇線、葛上線、酒湖線、昌宣線、陜湖線、白江線和白浙線。此外，鄰省的海駐線、寧紹線和溪浙線對湖北地磁觀測也有影響。從高壓直流輸電線路走向和臺站分布來看，鄂西地區高壓直流輸電線路相對稀疏，只有酒湖線、白江線和白浙線，鄂東地區線路較為密集。高壓直流輸電線路的基本信息見表1。

表1 高壓直流輸電線路Table 1 Basic information of HVDC transmission lines

可以發現，我國高壓直流輸電工程建設投運的速度越來越快。2010年以前，湖北境內只有三常線等3條±500 kV高壓直流輸電線路。隨著電力需求增長和我國能源結構調整，2011年起平均每年都有一條新線路投運，2013年以后都是±800 kV及以上的特高壓輸電線路，這導致湖北地磁臺站受到的干擾也愈加頻繁。除了以上14條已投運的線路，金上—湖北、寧夏—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程正在建設中，未來不可避免對湖北地磁觀測造成影響。

2.2 干擾概況

從地磁臺網高壓直流判別系統獲取2017—2022年湖北省地磁臺站受干擾的信息，每條線路造成的干擾組數及最大干擾對應日期見表2。同一線路對各臺站的干擾幅度并不同：受三廣線干擾最大的為當陽臺，受酒湖線干擾最大的為恩施臺，受昌宣線、海駐線干擾最大的為丹江臺。結合湖北地磁臺站分布和高壓直流線路走向圖，不難發現距離線路越近的臺站受到的干擾越大。此外，線路同側臺站受到干擾方向相同，異側臺站受到干擾的方向相反。如應城臺和恩施臺分別位于酒湖線東西兩側，其垂直分量受到的干擾總是反向的。三常線等其他線路在湖北省地磁臺站同側，因此對各地磁臺干擾的方向也相同。

表2 2017—2022年湖北地磁臺站高壓直流輸電干擾統計Table 2 Statistics of HVDC transmission interference at geomagnetic stations in Hubei Province from 2017 to 2022

2017—2022年，湖北省地磁臺站受到2617組高壓直流輸電干擾，各線路產生的干擾主要集中在投運后的一段時間。例如，酒湖線投運的前3個月造成252組干擾，海駐線投運的第1個月就造成了163組干擾，陜湖線投運的前2個月產生了236組干擾。原因可能是線路剛運行時容易產生各種故障，當線路進入常態化運行之后，造成干擾的次數將大幅減少，如三上線近5年的年均干擾不到10組。所以，臺站受到的干擾并不會隨著線路條數的增長而無限增加，但是干擾情況變得逐漸復雜。2022年2條線路同時對湖北地磁觀測造成干擾的情況出現了多次，負責判定干擾幅度的專家和臺站一線工作人員均疲于應對。2019—2022年，應城臺受到高壓直流輸電干擾分別為114、106、82、119天，對干擾數據的處理占用了地磁業務人員的大部分時間，亟待開發出地磁高壓直流干擾自動化處理程序，使地磁臺站的廣大工作者能夠騰出手來開展更多研究工作。

3 高壓直流輸電干擾處理

高壓直流輸電干擾對地磁Z分量影響最顯著，根據所造成的地磁數據曲線形態差異，可以分為緩變和臺階2類，相應的數據處理方法也不同。

3.1 緩變形態和處理

在一組高壓直流輸電干擾事件中，所有緩變的幅度之和為零。緩變在數據曲線形態上類似于線性函數，根據其走向可以分為漸變上升和下降型兩類。對于前者，干擾幅度從最小值線性增長至零（圖2中③），或者干擾幅度由零線性增長至極大值（圖2中④），后者則完全相反（圖2中①、②）。“中國地震前兆數據處理系統（電磁學科版）”（以下簡稱地磁數據處理軟件）也將緩變分為這4種基本類型，在使用時需要準確選擇緩變類型和設置改正幅度。

圖2 高壓直流輸電緩變干擾的4種基本形態Fig.2 Four basic patterns of slow-change interference in HVDC transmission

每一類緩變都可以采用2種思路進行消除，即分別將緩變改正到開始或者結束時刻。對于圖2中③所示上升型緩變，幅度為5 nT。可以選擇“緩慢上升，歸算至上升前”，此時改正量為-5 nT；如果選擇“緩慢上升，歸算至上升后”功能，則改正量為5 nT。通常緩變持續時間只有幾分鐘甚至幾十秒，在秒數據上需要通過“去除緩變”進行消除。對于FHD-2B等分采樣的地磁儀器，當緩變持續時間低于10 min時，只能通過“剔除尖峰”進行處理。也有少數緩變的持續時間達到幾十分鐘，如三常線2017年11月4日緩變持續45 min。

3.2 臺階形態和處理

處理地磁數據中的高壓直流干擾時，必須先去除緩變、再去除臺階。根據一組干擾中緩變的數量可以將其分為單一型、復合型。單一型干擾是最基本的高壓直流干擾形態，包含2個數值相等、方向相反的緩變。當緩變持續時間非常短時，在觀測數據曲線上表現為一個臺階。使用地磁數據處理軟件的去除臺階功能，設定起止時間和改正量，就能直接消除此類干擾。如2019年9月8日受三上線干擾，應城臺地磁Z分量出現33.5 nT的臺階，去除臺階前后的數據對比曲線見圖3（a）。

圖3 高壓直流輸電干擾典型形態Fig.3 Typical patterns of interference in HVDC transmission

復合型干擾中包含2段以上的緩變，處理方法是先處理每段緩變，將其轉換為多個單一型干擾的組合，再利用單一型干擾的處理方法依次去除每段臺階。如圖3（b）所示一組干擾由5段緩變組成，緩變幅度依次為34.9 nT、-11.9 nT、10.7 nT、-17.4 nT和-16.3 nT，持續時間依次為1 min、19 min、20 min、1 min和2 min。處理時需要先消除②、③段緩變，轉換為圖3（c）所示的4段單一型干擾，每段臺階的幅度依次為34.9 nT、23 nT、33.7 nT和16.3 nT，依次對其進行去除臺階操作即可。有時一組干擾之中可能嵌套另一組干擾，此時應當按照由內向外、由前向后的順序處理[圖3（d）]。任何高壓直流干擾都是由以上幾種基本形態和其組合構成，只要遵循以上流程進行數據處理就能準確消除干擾。

3.3 干擾幅度特點

分析同一干擾事件對湖北各地磁臺站的擾幅，發現它們之間具有固定的比值關系。以應城臺為參考，三常線對鐘祥臺、當陽臺干擾的幅值比分別為0.2、0.39[圖4(a)]；三上線對鐘祥臺、當陽臺干擾的幅值比分別為0.22[圖4(b)]、0.2。如此，只需判定若干參考臺的干擾幅度，利用幅值比可以快速獲取其他臺受干擾的幅度。溪浙線等3條線路對應城臺的干擾幅度小于3 nT，而FHD-2B質子磁力儀的噪聲接近0.5 nT，與用原始觀測數據直接判定干擾幅度相比，利用幅值比計算干擾幅度更加精確高效。

圖4 高壓直流輸電干擾幅度相關性分析(a) 三常線干擾幅度；(b) 三上線干擾幅度；(c)三常線干擾幅度Fig.4 Correlation analysis of interference amplitude in HVDC transmission

高壓直流輸電干擾也會影響磁場總強度F，地磁臺網高壓直流判別系統僅提供了Z分量干擾幅度，所以各臺數據處理人員需自行判斷F的干擾幅度。地磁場各分量受干擾時間相同，當緩變發生在磁場平靜時段，可以直接量取F的干擾幅度。但是如果緩變發生在磁場變化劇烈的時段，直接量取的F干擾幅度就有很大誤差，解決這個問題具有重要的應用意義。為此，分析三常線、三上線和陜湖線對應城臺地磁F、Z分量的干擾幅度，發現二者的干擾幅度顯著相關，3條線路對Z、F的干擾幅值比分別為0.73[圖4（c）]、0.7和0.8。應城臺同時運行FHD-2B和GSM-90F1 Overhauser磁力儀，2套設備獨立對地磁場總強度F進行連續記錄。日常處理高壓直流輸電干擾時，利用幅值比計算F干擾幅度，對GSM-90F1磁力儀的觀測數據進行處理；對于FHD-2B磁力儀的觀測數據，只處理地磁Z、H和D分量，而F由地磁數據處理軟件自動生成。消除高壓直流輸電干擾之后，2套儀器的F觀測數據曲線變化趨勢相同。

該方法既提高了數據處理的效率，又可以通過FHD-2B和其他地磁儀器觀測數據的對比檢查處理是否正確。應城臺平均每年受干擾的天數超過100天，一天的干擾最多達到28組，得益于采用以上的思路和數據處理技巧，近3年的高壓直流干擾處理從未出錯。

4 結論與討論

針對高壓直流輸電線路逐年增多現象，研究湖北地磁臺站受干擾的情況，總結了4種緩變的基本形態和處理方法，歸納單一型和復合型干擾處理的思路，得到以下結論和建議。

（1）截至2022年底，湖北省地磁觀測受到14條高壓直流輸電線路影響，新線路投運后的3個月內產生的干擾最多。應城臺、鐘祥臺受干擾嚴重，丹江臺、谷城臺受干擾程度最輕。

（2）緩變可以根據其4種形態采用相應方法去除，復合型干擾可以視為單一型干擾的組合進行分段處理，嵌套干擾應按照由內向外、由前向后的順序處理。

（3）同一線路對多個臺站地磁Z分量的干擾幅度線性相關，同一線路對地磁Z、F分量的的干擾幅度也線性相關。

（4）湖北省地磁觀測面臨的高壓直流輸電干擾將愈加復雜，地磁業務人員必須主動增強數據處理的能力，積極開發地磁數據自動化處理程序。此外，湖北省地磁臺站布局不均勻，武漢城市圈、鄂西南地磁監測能力薄弱，未來新增地磁測點時應優先考量。