论文-黑龙江500kV电网GIC水平评估及其优化治理的研究

1、第1章 绪 论第1章 绪 论1.1课题研究的背景和意义由太阳活动引起的全球性的地球磁场剧烈波动现象称为地磁暴。在地磁暴的作用下，地表面感应出的电场会在输电线路、中性点接地变压器以及大地构成的回路中产生地磁感应电流GIC(geomagnetically induced current)。GIC会给许多现代人造网络，如石油与天然气管道、通信线路、电力系统等带来一系列严重影响1-3。例如1989年3月发生的地磁暴，其产生的GIC使得加拿大魁北克省电网变压器被烧毁，在不到90秒的时间内整个电网瘫痪，造成了巨大的经济损失4。文献5指出电网GIC的水平主要取决于地磁暴强度、地理纬度、电网结构、导线参数和大

2、地电性结构等因素。由于以前我国电网输电线路距离短并且容量小，因此GIC对电网的影响不是很突出，问题没有得到足够的重视。近年来，由于电网结构及运行方式的多样化，GIC成为我国超高压电网安全稳定运行的潜在威胁。江苏、广东等地电网曾多次发生地磁暴侵袭事件并且对电网造成了一定的影响。随着我国“西电东送”、全国联网战略的逐步实施，我国将建设大量高电压、远距离输电系统，500kV及以上线路将成为我国电网的骨干网架4。因此，研究500kV超高压电网GIC问题具有重要意义。黑龙江电网是我国纬度最高的省级大电网，并且与加拿大魁北克省在磁纬、土壤电阻率和土壤质地等方面都比较接近。从地磁暴在电网中产生GIC的机理分

3、析，黑龙江电网在我国最容易受到GIC的潜在威胁，并且在强磁暴作用下可能导致严重后果。科学研究表明，近半个世纪以来，太阳黑子活动明显增多，导致太阳耀斑几乎以每11年为一个周期频繁的爆发，2013年前后正是太阳活动24周峰年6。因此，随着下一个太阳活动高峰期的来临，结合2011年黑龙江电网的建设，研究其500kV电网的GIC水平及优化治理措施有着非常重要的现实意义。1.2国内外研究现状20世纪60年代国外就已经对GIC问题展开了大规模的研究。位于北美、北欧等地的高纬度国家，针对本国电网实际情况，进行了大范围的理论分析和实际监测工作，并取得了不少成果。由于我国大部分地区处于中低纬度，且以前输电线路容

4、量小，因此对GIC问题的关注较晚，研究工作始于20世纪90年代后期。但随着电网规模的不断扩大，现在电网GIC问题已经得到了一定的重视，开展了一系列较深入的研究。1.2.1监测装置研究现状电网GIC实际监测方面，美国、加拿大、芬兰、英国等多年来坚持研究地磁暴的监测以及防治工作，其成果代表着这个领域的世界水平7-8。早在1977年，芬兰就以其400kV电网为基础，对电网GIC问题进行了分析和监测，并对电网结构与电网设备进行了相应改造9；加拿大从1989年对电网GIC进行了监测，并用统计学的方法研究了GIC与地磁活动指数之间的关系，取得了一定的成果；鉴于1989年3月地磁暴造成的严重影响，1992年

5、由美国电科院（EPRI）研制的SUNBURST系统，它可同时监测20多个变电站的GIC，不仅能实现电网GIC在线监测和提供防治策略，而且能对用户进行GIC预警并提供实时的地磁暴数据，对于GIC的研究和治理起到了很大的数据支持作用；英国也在2000年左右实现了对电网GIC的监测；此外，1990年以后，瑞典、南非、加拿大等国也都先后开展了对电网GIC的实际监测、预警工作，且技术日趋成熟。随着我国电网规模的不断扩大，华北电力大学首先提出研究地磁暴对我国实际电网的影响。其研发的电网GIC在线监测系统，可靠、经济地实现了对GIC这种准直流、突发性信号的实时监测与数据存储，为掌握电网GIC水平与继续深入研

6、究GIC对电网安全的影响提供了基础数据10。目前，此监测系统已经在多个变电站安装并投入运行。1.2.2理论分析研究现状 1.地面感应电场算法电网GIC理论分析的关键在于正确分析地面感应电场。目前，经过国内外多年的研究总结，在地面感应电场计算领域上，形成了大量的理论模型和方法。诸如，平面波法(The Plane Wave)、有限元法（The Finite Element Method）、SECS法(Spherical Elementary Currents Systems)、合成镜像法(The Complex Image Method)等。每种方法均有其各自的优缺点，下面分别介绍。 （1）平面波

7、法平面波法11-12主要是假设空间电流在大地中所感应的电场为垂直向下传播的平面波。这种方法忽略了地表的曲率，假设地面为无限大半空间，且大地电导率均匀不变，通过测量地磁暴发生时的地磁场水平分量Bx与By，根据麦克斯韦方程和法拉第感应定律，估算出地面感应电场的水平分量Ex与Ey的大小。平面波法出现较早，假设条件较多，所以在描述极地区域的强烈地磁暴时，GIC的计算比较粗糙。但文献13通过实例计算表明，平面波法在中低纬地面感应电场计算中能达到一定的精度，可以满足分析需求。 （2）有限元法 1960年前后出现的有限元法起初是单独作为一种进行数值分析的方法14。在工业领域的应用则可以追溯到1968年，到目

8、前为止，这种方法已经在各领域得到了全面的运用。在我国，从1970年起，也先后开始推广基于有限元法的应用并开展了三维电磁场的研究，如今已经取得了丰富的研究成果。可以说，有限元法的引入，对于电力工业的研究和发展起到了很大的推动作用。本课题中，在计算地面感应电场问题上，可以采用有限元法。这种理论在计算高压直流输电地表面电势中的能力已经得到了充分证明，只需要根据有限元的理论方法搭建基本的数学模型以及建立相应符合原则的几何模型。在模型中，单元格式、性能定义及网格划分是主要的几项工作，这里所说的网格划分就是将所研究区域划分为一系列子区域，在这些子区域中构建线性插值函数，再通过离散化方法，以期可以将偏微分方

9、程求解问题转化为代数方程求解问题。在问题最后，根据约束条件即可以计算出各子区域的地面感应电场。因为大地电阻率的网络分层分区的详尽要求在有限元法的运用上必须得到充分的考虑，而现有的情况很难实现这样苛刻的要求来进行数据测量和获取，因此这种需要强大的数据支持的有限元法在实际工程中的应用比较困难。 （3）SECS法 FMI(the Finnish Meteorological Institute in Helsinki)的Pulkkinen等人最先提出使用SECS(Spherical Elementary Currents Systems)理论计算地磁感应电流的思想。这种算法虽然地面感应电场能够通过地

10、磁暴数据和本地地表阻抗而得，但是，在利用地磁仪进行内外插值得到地磁暴数据方面有所要求。这种理论最初是出现在文献15中，文献通过SECS方法来计算地磁感应电流，同时对等效电离电子流进行建模。这种方法现今已得到一定的运用，有了一些应用实例。在芬兰，Fennoscandia运用SECS算法对高压电网以及天然气管道等进行了计算，并把计算结果与监测数据进行了比较，其结果表明，SECS算法具有非常强的高效性和快速性。但是由于SECS理论在对等效电离电子流建模方面有很高的要求，因此目前来看只在高纬度地区考虑应用。 （4）合成镜像法合成镜像法的初始模型来自于在电磁学电场和磁场的计算中的镜像法。镜像法实质是以边

11、界面外的虚拟量(集中量)来等效边界面上的实际量，以保持边界条件不变作为等效量，所以通常被用于解决电磁场的边界问题。合成镜像法也称复合镜像法，1975年前后由Pirjola首次提出。在文献16中，他将前面提到的镜像法做适当改进后运用于地面感应电场计算中，以期达到快速近似计算效果。Pirjola依据源与镜像的对称性基本理论，在已知源所产生的初始场情况下，明确的整理出地面感应电场的表达式。合成镜像法的优点就是没有回避对土壤分层处理的问题，对于不同土壤特质的地理特征都能够做到有效区分，更精确了土壤电导率最终的取值。但是这种方法虽然能够较为准确地反映各地区不同地质结构，但由于影响电网GIC的因素有很多，

12、也就限制了这种方法的应用环境（比如在具有海岸效应的地区，这种方法对于土壤分层的考虑就不可使用）。此外，在与平面波法的比较中可以发现，合成镜像法需要先在频域内进行计算，然后再转化为时域表达式，比较繁琐。综上所述，目前在国内外研究中，平面波法和合成镜像法的应用最为广泛，而有限元法和SECS理论限于现有条件暂时还没有得到大规模的应用。 2.电网GIC的计算方法 由于GIC具有准直流特性，因此在电网GIC的计算中只需要考虑电阻的作用。在电网拓扑结构和电气参数已知的情况下，GIC的计算实质上可视为电路问题。依据具体的电网结构，在建立大地模型的基础上计算出对应的地面感应电场，其对电网的作用可以相当于施加在

13、不同接地点之间的电压源，再按基尔霍夫定律(KCL、KVL)即可以计算出各变电站的GIC值17-19。1.2.3治理措施研究现状地磁感应电流GIC主要通过中性点直接接地的变压器流入电网,因而对其治理的研究主要从变压器入手。为了抑制GIC对电力系统的不利影响，经过国内外多年的研究总结，目前常用的治理措施主要有补偿措施、削弱措施和隔离措施3种20-26。 多年来，曾受过地磁暴侵袭的国家，如美国、加拿大、日本、芬兰等，针对自己国家电网的具体情况，在GIC治理措施方面所做的尝试，都为电网GIC治理工作贡献了巨大的力量27-29。例如，1989年加拿大魁北克省电网遭遇地磁暴侵袭后，其在1990年采用基于在

14、输电线路上串联电容器的隔离措施进行治理，隔开了GIC在输电线路中的流通路径，有效防止了以后GIC对电力系统产生的重大影响；2005年，R.Pirjola教授针对芬兰电网的具体情况，对其电网GIC的治理措施进行了研究，最终分析了基于中性点串接电阻的削弱措施在芬兰的可行性。目前，国内也已经有基于注入反向电流的补偿措施成功应用于江苏常州武南变电站的主变上。 终上所述，国内外在GIC监测方面的研究都已经日趋成熟，但在理论分析和治理措施方面，由于国外电网规模小且国内起步较晚，因此针对大规模电网GIC计算和治理的研究工作不多。所以，本课题在结合前人研究分析的基础上，对黑龙江2011年末500kV规划电网的

15、GIC问题开展分析，评估其GIC水平以及研究具体的治理措施优化方案，对大规模电网的安全稳定运行以及电力系统工程设计都具有重要意义。1.3本文主要工作基于以上对课题意义及研究现状的分析，本文阐述了电网GIC的产生机理及其对电力系统的影响，建立了基于地磁暴数据和大地电导率的地面感应电场模型以及电网GIC计算模型，并对黑龙江省2011年末500kV规划电网的GIC水平进行了评估以及优化治理。主要内容包括以下几个方面：1 介绍了电网GIC的产生机理及其对电网稳定安全运行的影响，着重分析了由GIC导致的变压器直流偏磁现象的原理，进一步说明了研究黑龙江省500kV电网GIC问题的必要性；2 基于大地电导率

16、和地磁暴数据，选取适合中低纬度地区的平面波法求解出了地面感应电场；3根据GIC的准直流特性，建立了合适的电网GIC计算模型；并且考虑到网络常数的直观性，推导了网络常数a值和b值的求解公式，对黑龙江2011年末500kV规划电网的GIC水平进行了评估并作出了分析；4在深入分析和研究目前常用的电网GIC治理措施优缺点的基础上，指出传统的只在某个变电站安装GIC治理装置的方法，并不能从根本上解决GIC问题，并给出合理建议；5建立了抑制电网GIC的优化目标函数以及约束条件；基于灵敏度分析法每次都能够快速方便的得到对目标函数影响最大的参数的优点，采用灵敏度分析法对黑龙江500kV电网GIC治理措施进行了

17、优化，并给出了最后的优化结果和方案。- 11 - 第2章 电网GIC产生机理及危害第2章 电网GIC产生机理及危害由地磁暴产生的地磁感应电流GIC在输电线路、中性点接地变压器与大地构成的回路中流动，可能对电力系统或电力设备的正常运行构成严重威胁。近年来，随着电网规模的不断扩大，对地磁暴的研究也日渐引起人们的重视。本章将从GIC的产生机理及其对电网的危害两个方面进行阐述。2.1电网GIC产生机理科学研究表明，近半个世纪以来，太阳黑子活动明显增多，导致太阳耀斑几乎以每11年为一个周期频繁的爆发。图2-1显示的是当前太阳黑子活动周期，实线表示月平均太阳黑子数，虚线表示预测值的上限与下限30。可以看出

18、，现在正处于太阳活动的上升期，下一个太阳活动极大年即将在2013年左右到来。图2-1 当前太阳黑子活动周期当太阳活动（如：耀斑爆发、日冕物质抛射等）剧烈时，太阳能量剧增向外部空间释放大量高速中性粒子流，称为太阳风。太阳风约经一到四天到达地球后，撞击地球磁层，与地球磁场发生复杂的相互作用，一部分能量被传送到地球磁层内部，引起磁层-电离层电流在方向和强度上的快速变化，导致地球磁场剧烈扰动，从而引发地磁暴31-32。通常用磁情指数Kp来描述地磁台每3小时内地磁扰动的强度33，从0到9共分为10级，分别对应不同的干扰幅度。按Kp的最大值，一般将地磁暴分为三级：Kp5为弱磁暴；Kp=6，7为中等磁暴；K

19、p=8，9为强磁暴。地磁暴发生时，在极电流作用下形成的磁场，与受极电流扰动的地磁场所合成的磁场是一个时变的磁场。由于地球是一个导电的球体，根据法拉第电磁感应定律可知：在时变磁场作用下，地表面会产生感应电势。当地面上存在如电网、通信线路等导电性能良好的人造网络时，就会进而在其中产生GIC。有研究表明：当Kp大于5或6时，由地磁暴产生的GIC就会对电力系统产生明显的影响34-36。GIC的产生机理具体如图2-2所示。图2-2 地磁感应电流GIC产生机理 电网输电线路中产生GIC原理如图2-3所示。图2-3 输电线路GIC产生原理图研究表明，GIC一般具有以下三大特点37：（1） GIC的准直流特点

20、。GIC的变化频率一般在0.0010.1Hz之间，与频率为50Hz或60Hz的工频电流相比，可以看作为准直流。（2） GIC具有方向性。由于太阳风流动的方向多为东-西方向，因此，由其产生的地磁暴和进而感应出的地面感应电场、GIC都具有较强的方向性。通常情况下，东-西走向的输电线路中更易产生较大的地面感应电场或GIC。（3） GIC具有海岸效应。由于水的电导率较高，岸边陆地的电导率相对较低，而水中产生的GIC与陆地上产生的GIC应该在相交处连续，因此，在岸边陆地上可能会产生很大的地面感应电场或GIC。2.2GIC对电网的危害2.2.1对变压器的危害电网中的GIC在输电线路、中性点接地的变压器和大

21、地构成的回路中流通。由于GIC的变化频率很低，这种准直流在交流系统中流动，会导致变压器直流偏磁，造成变压器铁心半波饱和38，如图2-4所示。图2-4 变压器直流偏磁示意图图2-4中，（b）是变压器的磁化特性曲线，铁心中磁通与励磁电流i是非线性关系。当具有准直流特性的地磁感应电流GIC流经变压器绕组时，与交流励磁磁通相叠加，改变了变压器的工作点，使原来磁化曲线工作区的一部分移至铁心饱和区，导致与直流方向一致的半个周波的磁通密度大大增加，另外半个周波的磁通密度减小，这种现象即称为变压器直流偏磁现象。当变压器发生直流偏磁时，与磁通相对应的励磁电流i的波形也会发生变化，呈现明显的正、负半波不对称。如（

22、c）所示，励磁电流i的负半波为正弦波而正半波出现尖顶波，最终导致变压器振动增大，严重时会引发变压器噪声、局部过热甚至损坏等一系列的危害，并且对系统中其他设备也会产生不利影响。2.2.2对发电机的危害一般而言，GIC对发电机的影响相对较小，但也可能造成危害39。这是因为从原理上讲星角连接的升压变压器可以防止GIC流入发电机，而发电机正是与星角连接的升压变相连的，之所以说也会造成危害是由于不平衡电压和多次谐波不规则变化产生的非直接影响。另一方面，由于流入发电机的负、正序谐波电流峰值超过可能的承受值，容易导致发电机过热、过激与机械振动等情况的产生。根据麦克斯韦方程，发电机定子电流会在转子中产生持续振

23、荡的感应磁通分量。基于对磁通原理的了解知道磁通穿透深度是与其频率为反比关系，通过仿真分析可以发现几乎所有高次谐波的能量都集中在转子表面，这些大量的超过限值的磁通分量在转子中通过电磁感应产生的电流会使发电机转子局部过热进而导致灼伤。虽然GIC导致发电机严重损坏的事件在实际操作和文献中还没有被发现或提及，但通过分析可以表明GIC的存在的确影响了发电机的正常运行，长期积累会对变压器造成了一定的损害。2.2.3对微机继电保护的危害传统的继电保护装置多采用电磁型继电器，通过检测电流的有效值实现保护。近年来，在建设智能电网的大背景下，随着数字电子技术的发展，大多数电网都已经将继电保护装置更换为数字继电器。

24、相对于电磁型继电器，数字继电器则通过检测电流的峰值实现保护，并且对谐波敏感。通过2.2.1的分析可以知道，地磁暴发生期间，GIC流入变压器引起变压器的半波饱和，造成谐波畸变并且含量增加，此时容易导致数字式的继电器动作。魁北克事故中正是由于不平衡电压保护装置的误动导致并联电容器组的退出而引发的。虽然可以通过提高数字继电器动作定值的方法避免其动作正确性的降低，但同时由于定值的提高，在非磁暴期间会降低保护的可靠性。这就需要监测磁暴的发生时间，根据磁暴数据实时调整定值，难度较大。2.3本章小结本章通过对太阳风引起地磁暴，进而在人工网络中产生地磁感应电流GIC这种现象的深入分析，研究了电网GIC的影响因

25、素及特点。基于GIC的准直流特性，本章第二节着重分析了由GIC导致的变压器直流偏磁现象的原理及GIC对变压器、发电机、微机继电保护等的危害。结果表明，GIC在交流线路中流动，必然会对电网的安全稳定运行产生潜在的威胁，第3章 黑龙江500kV电网GIC水平第3章 黑龙江500kV电网GIC水平 电网地磁感应电流GIC的计算可以分为两个独立步骤40，第一：磁层-电离层电流在大地中感应出地电场，这是地球物理问题，本章采用平面波法求解；第二：地电场通过中性点接地的变压器作用于电网产生GIC，这是工程问题，本章采用网络常数法求解。如果地面感应电场已知，通过将其对电网的作用等效成网络中的电压源，可以将GI

26、C的计算转化为电路问题，因此计算地面感应电场是评估电网GIC水平的关键。3.1地面感应电场3.1.1磁暴数据分析地表某点的地磁场强度是个矢量，描述它需要有三个独立的分量。参考坐标系选择如图3-1所示。图3-1 地磁七要素示意图原点O为观测点；x轴指向地理北；y轴指向地理东，z轴垂直向下，指向地心。在此坐标系中，为地磁场矢量，其模OF称为地磁场总强度；矢量在坐标系的xoy地平面上及沿各坐标轴的投影H、X、Y、Z分别称为地磁场的水平分量、北向分量、东向分量和垂直分量；D为地磁场水平分量H与x轴的夹角，称为磁偏角，H向东偏为正；I为与地平面xoy的夹角，称为磁倾角，F向下倾为正。磁偏角D、磁倾角I、

27、地磁场总强度F、水平分量H、北向分量X、东向分量Y和垂直分量Z，统称为地磁七要素。地磁要素随时间而不断发生变化，七要素中每三个独立分量的组合都能确定某一点的磁场情况。地磁台是观测、记录和研究地磁场及其变化规律的机构。为了保证提供准确、完整、连续的地磁要素变化资料，地磁台要保证各种仪器处于正常的工作状态，定时进行观测。地磁台对磁场的观测，通常采用相对记录和绝对观测两种方法。相对记录是连续记录，目前记录仪器的时间分辨率可以达到1秒，甚至更高，记录的是地磁场的变化；而绝对观测，一周进行两次，测量的是地磁场的绝对数值，测算被测要素真实的大小和方向。根据这两部分同时观测得到的数值确定基线值，基线值即记录

28、到的磁场变化的起始值。我国地磁台站通常记录D、H、Z三个要素。本文采用的地磁暴数据从静海地磁台收集得到，2006年12月14日地磁暴的最大Kp值为7，且在14:0015:30期间最为强烈，因此本文选取了此时间内的5400个地磁测量数据（采样间隔为1s)，如图3-2所示。图3-2 2006年12月14日静海地磁台数据3.1.2基于平面波法的地面感应电场计算研究电网GIC问题的关键是正确分析地面感应电场。目前，经过国内外多年的研究总结，在地面感应电场计算领域上应用的方法主要有合成镜像法和平面波法两种。合成镜像法需要考虑大地电导率各个单元十分详尽的具体结构，根据现有条件，勘测和获取比较困难。文献41

29、通过实例计算表明，平面波法在中低纬地面感应电场计算中能达到一定的精度，数据分析后说明其在工程计算上能满足要求，可以用来估算电网GIC水平；南非开普敦大学的J.Koen教授等人也将平面波法应用于南非高压电网GIC问题的研究，其理论计算结果与实测数据相吻合。黑龙江电网虽是我国纬度最高的省级大电网，但其在北半球仍属于中纬度，因此本文对黑龙江500kV电网的GIC水平评估选用平面波法。 平面波法主要是假设空间电流在大地中所感应的电场为垂直向下传播的平面波。这种方法忽略了地表的曲率，假设地面为无限大半空间，且大地电导率均匀不变，按照公式，分别计算出地磁场水平分量Bx与By，根据麦克斯韦方程和法拉第电磁感

30、应定律，估算出感应电场的水平分量Ex与Ey的大小。感应电场的水平分量与磁场的水平分量在时域内有如下关系： （3-1）式（3-1）中：E(t)为感应电场的水平分量；为真空电导率；为大地电导率；g(t)为地磁场水平分量的变化率。为了评估在中等地磁暴作用下，黑龙江2011年末500kV规划电网的GIC水平，本文利用了静海地磁台2006年12月14日14:0015:30期间的5400个数据（采样间隔为1s）进行计算。在实际工程应用中，由于大地测探的基础数据较少，大地电导率的实际情况很难精确得知，因此一般考虑最不利的情况。由相关地质资料得知，我国东北多火成岩地带，在火成岩地质条件下，地表导电率低，由相关

31、资料分析，选取大地电导率=0.0015s/m。根据上述地磁数据以及大地电导率值计算出的地面感应电场Ex和Ey如图3-3所示。 图3-3 2006年12月14日地磁暴作用于黑龙江电网产生的地面感应电场3.2地磁感应电流的计算3.2.1电网元件的等效由于地磁感应电流GIC的变化频率在0.0010.1Hz之间，相对于50Hz的工频电流具有准直流特性，为了简化计算，在建立电网GIC模型只需要考虑电网元件的直流参数。磁暴发生时地面感应电场相当于一个电压源加在不同变压器中性点之间，依据GIC在输电线路、中性点接地的变压器和大地构成的回路中流通，因此电网GIC模型应该是由电阻元件和磁暴发生时感应出的地面感应

32、电场即等效电压源构成的网络，它主要需要考虑的是输电线与变电站的等效。 （1）输电线路的等效 因为一般沿高压输电线架设的是不直接接地或通过杆塔接地的避雷线，其接地电阻远大于变电站的接地电阻，所以相对而言可以忽略避雷线对地面感应电场的影响。文献42通过数值计算分析了避雷线对于GIC计算的影响，结果证明了以上观点。如果在100km范围内不考虑避雷线的影响会对GIC计算产生随着线路长度的增加误差不断减小的不大于5%的误差。实际中，高压输电线路的长度基本上都长于100km。基于以上两点结论，在做输电线路模型时可以忽略了避雷线的影响。在线路等效中，假设每一相中流过的GIC值都相等，这样计算时可以只考虑单相

33、，使计算得到简化。最后再累加三相的总和，计算出相对应的的GIC值。因此，本文对输电线路只作单相电阻等效。另外，在同一输电走廊内有双回或多回线的情况下，此时节点之间的等效电阻为多回线路电阻的并联，节点之间流通的GIC是各回线线路GIC累加和。 （2）变压器的等效 GIC流入或流出电网的主要通路是接地的变压器中性点，因此变压器的等效对于模型的建立至关重要。在我国，一般的变压器多采用星角连接，对于这种变压器，影响GIC的参数只有高压侧绕组的直流电阻，因为它的高低压两侧之间并无直流流通路径。基于这种观点，对这种变压器而言，可简便的把它等效成一个电阻。本文讨论的是黑龙江500kV电网GIC水平，500k

34、V及以上电压等级的变电站多采用自耦变压器。在建立GIC等效模型时，需要将其公共绕组与串联绕组分开考虑。由图3-4（a）所示的双绕组自耦变压器单相接线图可见，自耦变压器的高、低压侧之间存在公共绕组ax，因此，当GIC流经变压器中性点时，也会流入低压系统部分。类似地，图3-4（b）所示的是三绕组自耦变压器单相接线图，当GIC流经变压器中性点时，会同时进入高压与中压侧绕组。因此，自耦变压器在GIC计算中的等效模型图3-4（c）所示。图3-4 自耦变压器单相接线图及GIC计算中其等效模型 （3）并联电抗器的等效并联电抗器一般安装在超高压输电线路的末端，且其中性点主要通过小电抗器接地20。并联电抗器的G

35、IC计算等效模型如图3-5所示。其中左图为并联电抗器的三相等效模型，、分别表示A、B、C各相的GIC计算模型等效电阻，表示小电抗器的GIC计算模型等效电阻；右图为并联电抗器的单相等效模型。假设每一相中流过的GIC值都相等，左图中流过小电抗器的GIC值是流过A、B、C三相的GIC值总和，即单相GIC值的3倍，因此在右图的并联电抗器单相模型等效中，小电抗器的等效电阻为3R0。图3-5 GIC计算中并联电抗器等效模型 （4）变电站的等效 图3-6中，左图所示的是将变压器以及并联电抗器分别等效并连接在一起形成的变电站等效模型，表示变电站的接地电阻（因为其中流过的GIC值为三相电流的3倍，所以单相模型等

36、效时，接地电阻为）；右图是其简化后的等效模型。在进行GIC计算模型等效时，如果变电站中存在2台或多台变压器并列运行，则将它们作并联等效。由于实际并联电抗器的阻值远大于变压器和接地电阻的阻值，因此，在GIC建模及计算过程中通常忽略并联电抗器的阻值。图3-6 GIC计算中变电站等效模型3.2.2 网络常数a和b由于GIC具有准直流特性，因此在电路中只需要考虑电阻的作用。在电网拓扑结构和电气参数已知的情况下，GIC的计算实质上可视为电路问题。依据具体的电网结构，按基尔霍夫定律(KCL、KVL)即可计算出各变电站的GIC值。根据公式（3-1）得到地磁暴发生时的地面感应电场后，其对电网的作用相当于施加在

37、不同节点之间的电压源，大小为地面感应电场沿线路的积分，即: （3-2）由于上述平面波法采用的是均匀大地电导率，所以计算出的地面感应电场也是均匀的，即公式（3-2）的积分与路径无关，可简化为： （3-3）式（3-3）中，为线路ij两端间的直线距离；为线路ij与正东方向的夹角。在500kV电网中，每个变电站变压器中性点都直接接地，可设变电站数目为n，电网GIC计算的等效模型如图3-7所示。图3-7 节点电网GIC计算等效模型在图3-7中，表示任意2个节点和之间的等效电阻；为地磁暴数据计算出的地表电势ESP沿线路的积分，其对电网模型的作用等效为施加在不同接地点之间的电压源；定义网络接地阻抗矩阵，其元

38、素为各变电站接地支路的等效电阻，为一个对角阵，则各节点的入地电流与各节点的电压之间的表达式为： （3-4） 定义的网络支路导纳矩阵，其元素由节点间的线路电阻R决定，具体表达式为：； （3-5）定义向量，其反映了理想接地条件(即)下，地面感应电场在电网各节点产生的GIC，元素按下式计算： （3-6） 在图3-7所示的节点电网GIC计算等效模型中，由节点电压法可得到的表达式为： （3-7） 将式（3-4）代入式（3-7），可得到如下表达式为： （3-8） 将式（3-8）整理后，即得各变电站中流过的GIC值为： （3-9） 将式（3-3）代入式（3-6），得节点电源电流列阵Ji的表达式为： （3-1

39、0） 定义一个n2矩阵，21矩阵，其中， （3-11） （3-12） 则式（3-10）可简化为： （3-13） 代入式（3-9）中，可得： （3-14） 令，则各变电站的GIC值为： （3-15） 式（3-15）中，a和b即为网络常数。由以上推导可知，其值由具体的电网结构及地理位置而定。3.3黑龙江500kV电网GIC水平基于MATLAB已经成为电力行业仿真、模拟不可或缺的工具软件，以及其在矩阵计算和图形处理方面无可比拟的能力，本文利用MATLAB软件仿真计算黑龙江500kV电网GIC水平。通过本章前2节综合分析可得，各变电站中流过的地磁感应电流GIC水平计算流程如图3-8所示。图3-8 电网

40、GIC计算流程图3.3.1 黑龙江电网等效模型 黑龙江500kV电网由东部、中部、西部三部分组成。截止到2011年末，黑龙江省500kV变电站可达十多个，超高压电网已基本覆盖全省，并且与外省电网以及地区网进行了互联，其具体的地理接线图如附录A所示。黑龙江省东部电网中的双鸭山B厂、鹤岗B厂、七台河等发电厂，通过500kV集贤、长兴、群林和方正变电站与中部电网的500kV兴福、永源变电站相连，并且500kV方正变电站经过500kV林海变电站与吉林省电网中的500kV平安变电站相连；西部电网中的内蒙古伊敏等发电厂，通过500kV冯屯变电站、大庆变电站与中部电网中的500kV松北变电站相连；中部电网中

41、500kV哈南变电站与吉林省电网中的500kV合心变电站相连，500kV永源变电站与吉林省电网的500kV包家变电站相连，500kV兴福变电站与500kV黑河换流站相连。为了简化电网模型，本文从以下方面做了等效： （1）复杂电网中一般节点数目较多，建立包含所有节点的电网GIC计算模型的工作量很大。文献43表明：在计算电网中某个节点的GIC时，网络中间隔两个节点以上的部分可以忽略。根据这一结论,在建立电网GIC等效模型时可以将黑龙江电网从整个互联电网中分拆出来，然后从每个边界节点再向外延伸2个节点作为实际边界进行计算即可； （2）在实际电网中，为了能够降低输电系统的电抗，缩短送受端之间的电气距离

42、，提高线路的输电能力和输电系统的稳定性，伊敏冯屯线路已经装有固定串补(FSC)，隔断了GIC的流通路径。所以本文电网GIC模型中不考虑冯屯以外的部分； （3）500kV电压等级的变电站一般采用自耦变压器，自耦变压器500kV侧与220kV侧存在电的联系，所以在评估500kV电网GIC水平时，应考虑220kV系统的影响。但文献44通过计算指出，220kV系统相对于500kV系统来说，等效电阻参数比较大，GIC会选择等效电阻较小的路径流通，从而使得220kV系统中GIC的分流较小。因此，在建模时也忽略了220kV系统的部分； （4）由3.2.1分析可知，每相中流过的GIC值都相等，所以，黑龙江电网

43、GIC水平评估中也只考虑单相；且由于实际并联电抗器的阻值远大于变压器和接地电阻的阻值，因此，在黑龙江电网的GIC建模及计算过程中忽略并联电抗器的阻值。 简化后的黑龙江500kV电网包括15个节点。以4号兴福变电站为中心原点，设地球直径为6371km，1经度=107.2743km，1纬度=111.1949km，则根据各变电站与兴福变电站的经度差及纬度差，即可以计算出各变电站的等效经度及等效纬度，2011年末黑龙江省500kV电网布局如图3-9所示。图3-9 2011年末黑龙江500kV电网布局 依据3.2.1介绍的电网元件等效方法建立模型，并计算相关节点以及输电线路的等效参数，具体如表3-1和表

44、3-2所示。表3-1 黑龙江500kV电网GIC模型的节点等效参数节点编号变电站名称等效经度等效纬度等效电阻（）1冯屯-268.1857560.04521.52大庆-183.439-3.33581.23松北-71.8737-131.20991.64兴福001.65哈南-13.9456-170.12811.2续表3-1 黑龙江500kV电网GIC模型的节点等效参数节点编号变电站名称等效经度等效纬度等效电阻（）6永源32.1822-138.99361.47黑河-86.8921349.15191.88群林256.3855120.09041.29方正195.2392-30.02261.510林海305

45、.7317-239.0691.611鹤岗B厂220.985184.58351.712集贤371.169159.00871.613双B厂389.4057171.24011.314长兴310.022733.35841.615七台河334.69587.78361.2表3-2 黑龙江500kV电网GIC模型的线路等效参数线路编号起点终点长度（km）回路数等效电阻（）0102冯屯大庆104.130.650203大庆松北149.530.930304松北兴福103.811.940305松北哈南64.820.610406兴福永源11112.080407兴福黑河410.717.680408兴福群林263.913

46、.290506哈南永源56.820.530609永源方正181.221.690809群林方正121.621.140811群林鹤岗B厂64.612.340812群林集贤166.913.120910方正林海18412.220914方正长兴133.121.24续表3-2 黑龙江500kV电网GIC模型的线路等效参数线路编号起点终点长度（km）回路数等效电阻（）1213集贤双B厂11.910.221214集贤长兴107.512.011415长兴七台河48.120.453.3.2 黑龙江500kV电网GIC水平根据黑龙江2011年末500kV电网地理位置及电网结构，利用3.2.2中的公式求出的网络常数a

47、和b如表3-3所示。表3-3 各变电站对应的网络常数a和b的值节点编号变电站名称网络常数a值网络常数b值1冯屯42.020-58.2492大庆22.469-33.7413松北-25.585-9.0474兴福16.102-12.9565哈南-29.8655.3226永源-10.2720.0107黑河39.548-11.3538群林52.65334.3969方正1.1245-2.27210林海-35.73843.67811鹤岗B厂31.6031.45412集贤27.53724.07413双B厂37.03337.33914长兴6.750715.68215七台河-8.953730.160 利用3.1.

48、2计算出的地面感应电场、，结合网络常数a值和b值，即可计算出黑龙江500kV电网各变电站中流过的GIC值。以群林变电站、松北变电站、兴福变电站和方正变电站为例，其GIC随时间变化的曲线如图3-10所示（其余变电站GIC曲线见附录B）。a） 群林变电站GIC值b） 松北变电站GIC值c） 兴福变电站GIC值d）方正变电站GIC值图3-10 群林变电站、松北变电站、兴福变电站和方正变电站的GIC值 由图3-10可以看出，GIC随时间的变化而变化，而电网中关注的往往是其流过变压器的峰值的大小。因此，将各变电站变压器中性点流过的GIC的绝对值的最大值统计如表3-4所示。表3-4 黑龙江500kV电网各

49、变电站中流过的GIC的绝对值的最大值节点编号变电站名称GIC绝对值的最大值（A)1冯屯19.8212大庆10.1753松北25.0144兴福9.12265哈南23.4516永源8.72427黑河29.4968群林57.1899方正0.69310林海17.81411鹤岗B厂27.38012集贤32.11113双B厂44.98114长兴11.41215七台河10.849 从图3-10和表3-4的计算结果可看出，GIC值最大的节点为群林变电站，其峰值超过了57A/相，这意味着发生强磁暴时群林变电站变压器中性点将流过超过170A的直流。在电网的末端节点，如黑河换流站、双鸭山B厂、鹤岗B厂等，这些节点的

50、GIC数值也都较大，呈现明显的拐角效应。对于不影响变压器正常工作的中性点直流电流控制指标，中国电力行业标准DL/T 6051996高压直流接地极技术导则规定：通过变压器绕组中的直流电流应不大于额定电流的0.7%。参考黑龙江电网所使用的变压器参数，经过理论分析表明，黑龙江电网通过变压器中性点的直流量不应该超过8A。而从计算结果来看，即使地磁暴Kp指数为7，大部分变电站中流过的GIC都已经大大超过了这个安全限值。通过以上分析可知，若发生中强地磁暴，GIC必然会对黑龙江电网的安全稳定运行造成很大的威胁，因此必须引起足够的重视，研究电网GIC的优化治理也具有广泛的实际意义和工程意义。3.4本章小结黑龙

51、江电网是我国纬度最高的省级大电网,最容易受到地磁暴的威胁。因此本章针对黑龙江省2011年末500kV规划电网，在研究分析地磁暴数据的基础上，建立了电网GIC计算的等效模型，并推导了计算公式；描述了电网GIC的计算流程，利用平面波法和网络常数，对中等强度地磁暴作用下黑龙江省500kV各个变电站的GIC水平进行了评估并作出了分析。结果表明GIC对黑龙江电网的影响是必然存在的，并且对某几个变电站的影响很大，会严重影响电网的安全稳定运行。-27 - 第4章 黑龙江500kV电网GIC优化治理第4章 黑龙江500kV电网GIC优化治理4.1常用治理措施分析地磁感应电流GIC主要通过变压器的中性点流入交流

52、系统。在我国，110kV及以上的系统中性点才直接接地，60kV及以下的系统中性点不接地，因而治理主要从110kV及以上系统的变压器入手。为了抑制GIC对电力系统的不利影响，目前常用的治理措施主要有3种：a）补偿措施：在变压器中性点串接一个直流电压源，通过控制其输出直流电流的大小和方向，抵消原有的地磁感应电流，达到治理目的；b）削弱措施：将非线性或线性电阻设备串入到变压器中性点与大地构成的回路中，根据偏磁电流的大小，调整电阻阻值大小，使变压器中性点流过的直流电流符合要求；c）隔离措施：利用电容器“隔直通交”的特性，在变压器中性点或交流输电线上串联电容，隔断GIC的流通路径。 除了以上提到的几种措

53、施，还有一种治理措施就是在变压器内部安装补偿绕组。这是一种自激补偿法，通过在变压器每一相铁心位置放置一个开式三角补偿绕组（要求每相补偿绕组的匝数为变压器每相匝数的1/3），在实际运行中，此补偿绕组中产生的磁动势能够抵消掉变压器绕组中产生的大部分磁动势，根据这样的原理，削弱地磁感应电流GIC对变压器的影响。但是这种方法涉及到变压器的制造过程，以及需要与制造厂商进行协商等大量的人力物力投入，因此在变压器内部安装补偿绕组这种措施目前还没有得到广泛的应用，所以在本章中不作讨论。4.1.1电网GIC治理理论分析 由3.2.1分析可知，对于地磁感应电流GIC的计算而言，任何一个复杂的实际电网，都可以等效为只包含电阻和电压源的电路，再应用欧姆定律和基尔霍夫定律（KCL、KVL），即可以求解出各线路和各变电站中流过的GIC值。为了清楚直观的分析GIC常用治理措施，本章以5个变电站依次相连构成的小电网为例，其G