山东地磁台网受宁东高压直流输电干扰预处理质量分析

山东地磁台网受宁东高压直流输电干扰预处理质量分析
林秀娜;曲保安;贾立国;陈传华;范晓勇;王强;邢伟伟;袁倩;池国民
【摘要】为进一步提高山东地磁台网受高压直流输电干扰的预处理质量,通过中国地震前兆数据处理系统中相对差值检测和预处理检测功能,对山东地磁台网多年来受宁东高压直流输电干扰预处理情况进行了总结分析.结果表明,经过数据预处理,宁东高压直流输电干扰基本被去除,但仍然存在高压直流输电干扰误判、起止时间错判、干扰幅度计量不精确等问题.针对上述问题,对数据进行复核和校对,应用“缓变台阶”功能重新处理,并加强对H、D分量干扰特征的研究.%To improve the preprocessing quality of the Shandong geomagnetic network data which were disturbed by High Voltage Direct Current(HVDC) transmission,we summarized and analyzed the preprocessing condition of the Shandong Geomagnetic Network during the disturbance by the Ningdong HVDC transmission over the years.The relative difference detection function and preprocessing function of National Earthquake Precursor Data Processing System is applied.The result shows that the Ningdong HVDC transmission disturbances are generally removed after the data
preprocessing.Meanwhile,there are still some problems,such as misjudge of the HVDC transmission disturbance,misjudge of the beginning and ending time of the disturbance,inaccuracy preprocess of the disturbance magnitude,etc.Corresponding solutions are proposed to the specific problems,such as the double-check of the data,slowly varying step function to reprocess,and reinforced research to disturbance characteristic of H and D.
【期刊名称】《中国地震》
【年(卷),期】2018(034)001
【总页数】9页(P141-149)
【关键词】山东地磁台网;高压直流输电干扰;预处理质量
【作者】林秀娜;曲保安;贾立国;陈传华;范晓勇;王强;邢伟伟;袁倩;池国民
【作者单位】泰安基准地震台,山东省泰安市罗汉崖路2号 271000;泰安基准地震台,山东省泰安市罗汉崖路2号 271000;泰安基准地震台,山东省泰安市罗汉崖路2号 271000;嘉祥地震监测中心台,山东嘉祥272400;中国地震局地球物理研究所,北京 100081;泰安基准地震台,山东省泰安市罗汉崖路2号 271000;泰安基准地震台,山东省泰安市罗汉崖路2号 271000;青岛地震台,山东青岛 266000;安丘地震台,山东安丘262100
【正文语种】中文
【中图分类】P315
0 引言
以往输电方式主要以高压交流来完成，随着全国大范围的输电需求及科技的发展，新型的直流远距离输电方式逐渐替代交流输电（陈红军等，2001；龚大卫等，2000）。

按照行业标准进行避让的高压直流输电线路，在高压直流供电系统正常工作时，对两侧的电磁台站基本无影响，一旦出现故障，将对电磁观测造成干扰（沈红会等，2005；龚大卫等，2000；曹爱民等，1998）。

高压直流输电工程日益增多，地磁观测受到不同程度的干扰影响，从现有直流输电工程来看，故障率
很高且随机（沈红会等，2005）。

而电磁观测台站已不能通过搬迁来避免此类干扰，因此地磁台站只能在观测结果中准确判断干扰，并找出消除或减小干扰影响的方法（沈红会等，2005；蒋延林等，2014）。

为此，多年来，很多地震研究人员致力于高压直流输电影响和应对的研究，如方炜等（2012）应用陕西、甘肃等省
数字化地磁观测资料，分析高压直流输电对地磁场观测的影响机理；陈俊等（2014）设计完成地磁台网高压直流输电判别处理系统（简称“判别系统”），
该系统具有高压直流干扰的自动判断、干扰时间获取、幅度计算及自动提醒等功能，为全国受高压直流输电干扰的地磁台站数据预处理提供了参照标准。

但是，仍然有一些台站存在高压直流输电干扰的误判和错判，由此造成数据预处理质量较低，无法为地震分析预测提供准确可靠的第一手资料。

在当前观测资料是地震监测台网生命线的背景下，减少以至消除高压直流输电干扰的误判和错判，提高数据预处理质量，已经是迫在眉睫的基本要求。

本文以山东地磁台网地磁记录为研究样本，针对宁东高压直流输电干扰，分析多年来数据预处理存在的错误和疏漏，提出相应解决方案和措施。

1 宁东高压直流输电工程和山东地磁台网概况
宁东高压直流输电采用我国主流的双极两端中性点接地方式，当输电系统正常工作时，电流从2条架空线路经过，大小基本相等，方向相反，只有小于额定电流1%的不平衡电流从接地极入地。

但是当系统进行调试或发生故障时，双极线路的电流差较大，此时类似于单极输电方式，以大地为回路，即2条架空线路中存在较大
的不平衡电流（沈红会等，2005；蒋延林等，2014）。

所以，只有当输电线路存在较大的不平衡电流时，高压直流输电线路两侧的地磁观测台站才受到干扰。

根据毕奥萨法尔定律，理论上地磁观测距离高压直流线路越近，干扰幅度越大。

图1 宁东线走向及沿线各地磁台位置
宁东高压直流输电线路及两侧受干扰地磁台站分布见图1，其中，受干扰相对明显
的台站名称用红色标识；河北省红山地磁台为干扰幅度值归一化标准台站，蒙城地磁台为判别系统中量取红山地磁台宁东高压直流输电干扰幅度值的参考台站，其他各台干扰幅度通过与红山地磁台的比值关系计算得到。

1.1 宁东高压直流输电工程概况
宁东-山东±660kV高压直流输电工程（简称宁东线）是世界上第1个±660kV电
压等级的直流输电工程，跨越宁夏、陕西、山西、河北和山东等5省，西起宁夏
银川东换流站，东至山东青岛换流站。

该工程于2010年9月30日线路全线架通试运行，2011年2月28日投入运行。

1.2 山东地磁台网概况
山东省有7个数字地磁台站，共安装7套FHD-2B型质子磁力仪，4套磁通门磁
力仪，1套FHDZ-M15地磁总场与分量组合观测系统。

山东地磁台网数字化仪器采样率较高，能较好地连续记录电磁干扰。

2 宁东高压直流输电工程对山东地磁台网的影响
2011年1月23日，山东地磁台网首次记录到高压直流输电干扰。

据统计，2011年共记录到宁东高压直流输电干扰20次，2012、2013、2015、2016年均维持
较低的干扰频次，说明线路运行基本正常，故障较少。

值得关注的是，2014年7月 22日～9月 9日共计50天时间内，几乎每天存在
干扰。

2014年统计的49次干扰中有46次发生在该时间段内。

山东地磁台网历年高压直流输电干扰频次统计详见表 1。

表1 2011～2016年宁东线对山东地磁台网干扰频次统计年份次数天数受到明显干扰的台站2011 20 17 安丘、泰安、济南、大山2012 6 17 安丘、泰安、济南、大山2013 4 9 安丘、泰安、济南、大山2014 49 46 安丘、泰安、济南、大山2015 7 6 安丘、泰安、济南、大山2016 5 4 安丘、泰安、济南、大山
3 预处理质量分析
通过中国地震前兆数据处理系统中的“相对差值检测”功能，对2011～2016年
山东地磁台网7个地磁台站的高压直流输电干扰日期的预处理分数据进行多台差
值检测，从而发现问题台站，同时结合原始数据进行原因分析，查找问题根源。

表2为2011～2014年山东地磁台网各台站对宁东高压直流输电干扰预处理情况部
分错误统计。

从多年来各台站高压直流输电干扰预处理的复核、对比和分析的总体情况可以看出，各台对干扰数据进行了较好的预处理。

从国家地磁台网中心的月评数据统计结果可以看出，预处理质量基本满足学科要求。

但进一步深入分析后，发现存在以下问题。

3.1 其他因素造成的干扰误判为高压直流输电干扰
高压直流输电干扰主要体现在Z分量，因而当只有Z分量受干扰时，处理人员可
能将其他因素造成的干扰误判为高压直流输电干扰。

通过多年统计发现，该问题在泰安台出现较多，主要集中出现在地磁台网高压直流输电判别处理系统使用前。

其中，2011年泰安基准地震台出现4次误判，主要是因为地磁观测数据仅Z分量产生小幅度台阶，处理人员进行数据预处理后填写为高压直流输电干扰，虽未影响数据预处理质量，但造成预处理日志填写错误，对后期数据查看和使用将产生误导。

表2 2011～2014年山东地磁台网各台站对宁东线干扰预处理错误统计（部分）
台站名称分量数据错误时间段错误原因安丘台Z、H、D 2011年1月23日00：31～26日23：59 干扰时间段判断错误大山台 Z、D 2011年1月23日00：31～26日23：59 干扰时间段判断错误安丘台 H 2011年3月24日16：10～18：10 未处理泰安台 H 2011年8月30日11：00～12：11 结束时间判断错误造成
过度处理大山台、安丘台 Z 2012年4月2日21：08～5日17：21 未处理安丘
台 Z 2012年6月13日00：15～04：02 过度处理大山台 Z 2012年6月12日10：43～13日01：19 结束时间判断错误安丘台 D 2012年10月7日22：16～11日23：59 干扰时间段判断错误及过度处理大山台 Z 2012年12月14日22：
26～17日23：59 干扰时间段判断错误及过度处理安丘台 D 2013年 6月 9日20：28～14日 06：56 未处理马陵山台 Z、H、D 2014年4月13日15：44～18：42 未处理大山台 H、Z 2014年4月13日15：44～18：42 起止时间判断
错误大山台 Z 2014年7月22日23：20～24日08：10 起止时间和幅度判断错
误安丘台、济南台 Z 2014年7月23日12：25～24日08：10 起止时间和幅度
判断错误大山台 Z 2014年7月28日21：14～9月4日14：00 每天均有干扰时段未处理大山台 Z 2014年7月29日21：14～8月25日14：00 多次干扰未处理安丘台、济南台、大山台 2014年8月26日13：44～27日16：20 起止时间和幅度判断错误
3.2 高压直流输电干扰起止时间判断错误
当高压直流输电干扰产生跨天台阶时，进行单天的数据预处理造成误判的可能性较大，以致将正常时段的数据进行台阶处理时，该问题同样集中在判别系统使用之前。

图2中为2011年1月23～27日马陵山、安丘、济南地磁台分别与泰安地磁台预处理数据差值曲线。

从图2中可以看出，马陵山台、济南台与泰安台差值曲线在
固定均值上下波动，尤其泰安台和济南台数据一致性较高，但安丘台自23日0点至27日，与各台有较大台阶存在。

经分析，判定安丘台对23日高压直流干扰时
间段判断错误，没有发现缓变台阶，而是将台阶之后的正常数据做了抬升，并且持续到27日仪器标定日，通过标定允许产生天与天之间台阶的规定，将人工增加的台阶与标定台阶合并处理至27日0点。

在判别系统投入使用后，仍有个别台站工作人员对信息发布内容理解有误，致使干扰时间段出现错误判断，导致预处理错误。

图3为2016年3月30日大山台原始数据与预处理数据对比。

图3中，原始数据存在一个缓变干扰，干扰量约为1.3nT，2次缓变起止时间段分别为 14：43～15：01和 15：59～16：18，而 15：01～15：59属于干扰持续时间。

显然，工作人员将开始和结束的2个缓变台阶当做2
个台阶进行了处理，而干扰持续时间内的数据未做处理。

此类干扰幅度量不大，加上开始和结束时间有持续，容易被数据的正常变化隐藏，尤其是线路两侧的较远台站容易忽略。

3.3 高压直流输电干扰幅度判别有误差
图2 2011年1月23～27日马陵山、安丘台、济南台与泰安台预处理数据的差值曲线（a）磁偏角 D；（b）水理分量 H；（c）垂直分量 Z
图3 2016年3月30日大山台原始和预处理数据对比（a）垂分量 Z；（b）总强度 F
同台站不同仪器的高压直流输电干扰幅度略有不同，预处理程度应有差别。

经统计，山东省泰安台2套磁通门磁力仪受宁东高压直流输电干扰的幅度有时存在0.1～0.2nT的差异，在数据预处理时需根据曲线实际变化判断该仪器的干扰幅值，而此问题可能被忽略，未做区别判断，而按照系统发布参考值统一进行数据预处理。

图4 2014年一次高压直流输电干扰事件中泰安台2套GM 4的记录数据对比（a）8月 19～20日的记录数据；（b）8月 19日 21：00～22：59的记录数据
图4为2014年8月19～20日的一次高压直流输电干扰事件中泰安台2套GM 4的记录数据对比，图4（a）为2套GM 4完整的2天记录数据，分别用红色和黑色曲线表示，方框中为高压直流干扰的起始部分，表现为缓降特性，图4（b）为
对该部分的放大，可见，2套 GM4仪器的记录数据一致性较高，但是数据曲线有重叠及不重叠部分，而本次干扰的起始部分为8月 19日 21：29～22：00，21：29处 2套仪器数据曲线重合，而 22：00处 2套仪器数据曲线有0.2nT的差值，由此导致数据预处理时二者存在0.2nT的差值，根据2套仪器长时间的记录数据
对比，以及GM 4分辨力为0.1nT的实际情况，认为这种差异是由不同GM 4仪
器传感器的磁芯、激励线圈或感应线圈的差异造成的，0.2nT的差异相对于GM 4仪器±62500nT的测量范围、±2500nT的动态范围以及0.1nT的分辨力是可以接
受的，但是在做高压直流干扰预处理时需要根据实际数据曲线进行处理。

判别系统提供的干扰幅度仅是在理论比值下计算得到的参考干扰幅度，需要根据台站实际情况进行复核再进行数据预处理。

通过“相对差值检测”功能发现，部分经预处理的高压输电干扰时间段仍存在数据处理不彻底的现象，应为未根据实际情况修正判别系统参考值而直接套用所导致，如果仅考察单台数据曲线，不做多台差值则难以发现。

3.4 H、D分量的高压输电干扰被忽略
高压输电干扰虽然主要体现在Z分量，但在干扰幅度较大或者台站处于接地极附
近时，其H、D分量也会受到不同程度的干扰。

图5为2014年10月10日山东
地磁台网预处理数据差值曲线。

从图5中各台与泰安台的预处理差值曲线中可以
看出，在单台预处理曲线中不明显的H、D分量高压直流输电干扰被突显出来，
明显可见菏泽台和陵阳台的偏角及陵阳台的水平分量未做高压直流输电干扰预处理。

其他部分台站也或多或少存在数据处理不到位的现象。

图5 2014年10月10日山东地磁台网预处理数据差值曲线（a）磁偏角D；（b）水平分量 H；（c）垂直分量 Z
3.5 不同分量的高压输电干扰起止时间不同
高压输电干扰对不同台站不同仪器不同分量的干扰幅度存在差异，但受干扰台站的各仪器和各分量的干扰起止时间应该是同步的，因而检查中发现的不同分量起止时间不同必然是某分量预处理判断错误所致。

图6为2011年8月30日泰安台原始和预处理数据曲线及两者差值曲线。

由图6中通过原始和预处理的差值曲线可以
看出，对H和Z分量分别进行了台阶处理，但2个台阶的结束时间存在明显差异，这是不符合高压直流输电干扰特征的。

3.6 人工处理缓变台阶存在差异性
中国地震前兆数据处理系统中的“缓变功能”是2014年8月根据高压直流输电干
扰数据预处理的需求添加的。

此前，高压直流输电干扰造成的缓变台阶均由处理人员将干扰时间段内数据分成N小段进行不同幅度的调整，以尽可能多地保留数据。

不同处理人员在数据处理中必然存在不同程度的差异性，严重时会影响数据的准确性。

4 建议和结论
（1）通过对山东地磁台网7个地磁台站的高压直流输电干扰预处理情况的排查分析，发现数据质量总体较好，基本达到学科规范要求，尤其是在高压直流输电判别处理系统投入使用后，干扰误判得到改善，为受干扰台站的地磁数据预处理提供了参考标准。

（2）“缓变台阶”功能增加之前，人工处理缓变台阶的差异性可以利用“多台对比”功能进行差值分析，对于误差较大的预处理数据，建议应用“缓变台阶”功能重新处理。

图6 2011年8月30日泰安台原始和预处理数据曲线及两者差值曲线（a）垂直
分量Z原始和预处理数据；（b）水平分量H原始和预处理数据；（c）垂直分量
Z原始和预处理数据的差值；（d）水平分量H原始和预处理数据的差值
（3）分析表明，高压直流输电判别处理系统有诸多优点，但因其仅针对 Z分量发布信息，因此H、D分量干扰被忽略的现象仍然存在，尚需加强对 H、D分量干
扰特征的研究和应对。

（4）地磁日变曲线每天都不同，最大静日日变幅度约为几十nT，扰日变化则为
数百nT，较小的高压直流输电干扰，尤其是缓变干扰，被忽视或处理不到位的可
能性较大，建议完成数据预处理后，对数据进行复核和校对，通过多台对比和差值曲线判断预处理是否准确到位。

（5）通过对山东地磁台网高压直流输电干扰数据预处理问题进行分析和总结，发现高压直流输电干扰仍有进一步研究和分析的必要。

面对日益增多的高压直流输电
线路及日益严峻的地磁观测环境，高压直流输电干扰数据预处理质量有待进一步提高。

5 讨论
关于高压直流输电对Z分量干扰幅度的比例关系已经有实用化的研究成果，而且
已经应用于国家地磁台网中心的高压直流输电判别处理系统。

而关于H和D的干扰特征和干扰幅度，我们进行了相对深入的研究，发现H和D的干扰机理和干扰特征与Z有明显不同，表现出明显的偏向性、弱相关性和高压直流输电线路经纬
走向的相关性。

对于同一输电线路两侧不同台站的H和D干扰幅度以及特定台站Z、H和D干扰幅度也表现出了一定的线性关系，从而可以进行预处理参考值估算，本文对此不再详述。

参考文献
【相关文献】
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陈俊、蒋延林、张秀霞等，2014，地磁台网高压直流输电判别处理系统设计，地震地磁观测与研究，35（3～4），270～274.
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