电力线谐波辐射(PLHR,Power Line Harmonic Radiation)特指空间电离层和磁层中观测到的来源于地面电力系统中的高次谐波辐射现象,在电场强度时频功率密度谱图中其表现为分布在5 kHz以内,强度高于背景强度10 dB及以上的若干条频率间隔为50/100 Hz(或60/120 Hz)的平行谱线.自20世纪70年代,国外学者对PLHR现象的地基观测、天基探测、实验模拟、形成机理、扰动效应等开展了大量研究工作.PLHR可通过与磁层中的粒子发生相互作用使得电离层中的电子沉降增强,影响电离层的电离产生率,已成为近地空间被认可的人为污染源[1, 2].PLHR的产生、传播机理及其与地面电力系统变化、地磁活动水平及当地时间等方面的关系一直是该领域研究的热点[1].
随着1 000 kV交流输电、±800 kV直流输电等工程的投入运行,我国电网已步入特高压时代,电磁环境备受关注[3, 4, 5].已有观测结果表明PLHR现象大多出现在中、高纬度地区,我国大部分地区都位于中纬度,但关于我国空间中的PLHR现象鲜有文献提及.文献[6]在利用OHZORA卫星探测数据研究东亚上空顶部电离层中PLHR现象时,指出间隔为60 Hz的电力线谐波辐射分布于日本岛上空,而间隔为50 Hz的电力线谐波辐射分布在我国华东地区上空.2004年,法国国家空间研究中心发射了地震电磁监测卫星DEMETER,为研究与人类活动(电网、VLF发射机和高频传播站等)有关的电离层扰动及形成机理提供了科学的探测数据.文献[7, 8, 9]给出了利用该卫星探测到的2005年和2006年世界范围内的大部分PLHR事件,其中主要来自于欧洲、美国及日本等国家和地区,没有提到来自于我国空间中的PLHR事件.
本文利用DEMETER卫星的电磁场数据专门研究我国空间中的PLHR现象,并对其与电网发展、地磁活动水平[10, 11, 12, 13]等的关系进行探讨,利用统计分析结果得到PLHR事件的昼夜差异、季节差异,并给出该现象的可能成因. 1 PLHR事件识别方法
DEMETER卫星运行时间为2004年7月—2010年12月,是一颗太阳同步轨道卫星,高度为710 km(从2005年12月中旬开始改为660 km).该卫星利用感应式磁力仪(IMSC)和电场探测仪(ICE)测量电离层中电磁场强度.由于PLHR涉及的电磁场频率范围大多在VLF(Very Low Frequency)频率段(2~20 kHz)内,而空间中磁场的背景噪声较大,故只能采用电场探测仪测量的VLF波段的电场数据来分析PLHR现象.本文利用短时傅里叶变换和Welch功率谱估计相结合的方法来分析卫星的电场强度数据,步骤如下:
1) 将长度为N的信号u(i)(i=0,1,…,N-1),分成M个区间um(j),每个区间信号的长度为L,各区间有r点重叠,其中m=0,1,…,M-1;j=p,…,p+L-1;p=m(L-r).
2) 将第m个区间的数据um(j)分成P段uml(k),每段的长度为K,各段间有s点重叠,其中l=0,1,…,P-1;k=q,…,q+K-1;q=p+l(K-s).一般选择s=K/2,即各段数据间有50%的重叠率.
3) 将uml(k)与窗函数w(k-q)相乘,计算加窗后各序列的DFT:
计算u~ml(n)的功率谱密度:
其中Wss为所加窗函数的均方根.
4) 对P段数据的功率谱取平均值,得到um(j)的功率谱估计值:
其中,Sm(n)是第m个区间数据um(j)是频率fn=nfs/K处的功率密度,um(j)对应的时间中间点为tm=t0+[m(L-r)+0.5L]/fs.将M个区间的功率谱估计值Sm(n)用时频功率谱图表示,其中水平轴为时间,竖直轴为频率,颜色表示功率谱密度的大小.再对这M个区间的功率谱估计值取平均值,并将它们画在功率谱图中,其中水平轴为时间,竖直轴为平均功率.由于功率谱值在不同频率处变化范围很大(10-4~1),因此绘制时频谱图和功率谱图时对它们取对数.
本文所要分析的DEMETER卫星电磁场探测数据的参数为N=8 192,fs=40 kHz,频谱分析时采用K=8 192,矩形窗,r=s=4 096,L=8 192×4,因而时频图中时间分辨率为0.819 2 s,频率分辨率为4.88 Hz.在绘制功率谱图时采用K=40 000,矩形窗,重叠数r=s=0,L=40 000,频率分辨率为1 Hz.得到频谱图后,观察是否有频率间隔为50/100 Hz的谱线[11],以此来判断是否存在PLHR事件. 2 PLHR事件分析 2.1 统计分析
利用上节介绍的PLHR事件判别方法分析了2005—2010年全部6年我国空间电离层中的电场探测数据,从5 174个轨道数据文件中判断出有151个PLHR事件,它们的频率为50 Hz的奇数倍,间隔多为100 Hz.其中2005年的887个轨道中仅有3例,2006年的957个轨道中仅有3例,2007年的738个轨道中有12例,2008年的734个轨道中有12例,2009年的901个轨道中有54例,2010年的957个轨道中有67例.“十一五”是中国特高压输电飞速发展的5年,如西北电网2008年初步形成750 kV主网架,1 000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程于2009年初投入运行,±800 kV向家坝—上海直流示范工程于2010年7月投入运行等[14, 15].PLHR事件的逐年增多与这几年中国电网的发展趋势较一致.
已探测到的151个PLHR事件中,白天出现的多达129例,而夜晚仅有22例.由于DEMETER卫星为太阳同步轨道卫星,其白天在中国上空的时间大都为北京时间上午10:00—12:00,而夜晚则为北京时间22:00—24:00.白天电网负荷大、变化多且快,可能是造成该现象的原因之一;另一个原因是夜晚的电离层相比于白天更容易被穿透,导致其上层雷电哨声模干扰比白天强,这种干扰表现在时频图上为短时间内频率分布极广的纵向谱线,这将导致PLHR事件识别率降低.
另外,所探测到的PLHR事件还呈现出季节差异.对于我国绝大部分地区,4月—9月是夏季,而10月至来年的3月则是秋冬季.在6年151例PLHR事件中,冬季有127例,夏季仅有24例,且都伴随着较强的干扰.这可能是由于夏季常出现雷雨天气,雷电活动产生的哨声模干扰使得PLHR事件的识别率降低. 2.2 典型实例
以下给出3个典型PLHR事件的例子. 2.2.1 轨道337090事件
图 1是2010年10月19日DEMETER卫星经过我国四川省达州市至重庆市巴南区上空的探测到的PLHR事件所处位置示意图,其轨道号为337090.图中标注“Orbit33709_0”的线为卫星的运行轨迹投影,上下两个叉号分别表示磁力线南北足迹点,即PLHR事件产生的可能的源头,连接南北足迹点的黑线为地球磁力线投影.图 2是相应于该轨道号的世界时间02:46:15—02:47:00时空间电场强度时频功率谱图,横坐标中标出了世界时间(UT),以及对应的地心纬度(Lat.)、经度(Long.)图 3为电场强度的平均功率谱图.
从图 2和图 3中可以看到,在频率4 150,4 250,4 350,4 450 Hz处存在间隔为100 Hz的平行谱线,这是典型PLHR事件的特征.根据图 1可知,该事件来源于我国陕西省宝鸡市电网,因为其磁力线南足迹点为南半球的南印度洋,资料显示那里不存在电网.已有研究结果表明,PLHR现象可能与地磁环境、电力消耗等有关.本文选取World Data Center for Geomagnetism(Kyoto)提供的地磁数据,包括:全球地磁扰动指数(Kp),时间分辨率为3 h;描述中纬地区地磁场H分量和D分量的不对称扰动程度的指数(ASY-H和ASY-D),时间分辨率为1 min;描述中纬地区地磁场H分量的对称扰动程度的指数(SYM-H),时间分辨率为1 min;描述极区极光东向电集流强度的地磁指数(AU)和西向电集流强度的地磁指数(AL),AE=AU-AL,时间分辨率为1 min.分析图 4中的地磁指数变化可知,10月18日—20日大部分时间内地磁指数Kp≤3,ASY-H≤30 nT,ASY-D≤30 nT,-50 nT≤SYM-H≤0,AE≤700 nT,地磁活动水平很低.
2.2.2 轨道341350的事件图 5给出了2010年11月17日山西省临汾市到湖北省恩施土家族苗族自治州上空的PLHR事件所处位置示意图,其轨道号为341350,该PLHR事件来源于西北电网的陕西省渭南市.图 6的相应于该轨道号的电场强度时频功率谱图显示了在世界时间02:34:00—02:36:23同一个卫星轨道上观测到的两个不同频率特征的PLHR事件,左下角显示山西南部上空在频率1 551,1 651,1 751,1 952,2 052,2 102,2 151,2 252 Hz处有平行谱线,间隔为100 Hz;右上角显示湖北恩施上空在频率4 153,4 253,4 353,4 454 Hz处有平行谱线,间隔为100 Hz.图 7为轨道341350的电场强度平均功率谱图.分析图 8中的地磁指数变化可知,11月16日—18日大部分时间内地磁指数Kp≤3,ASY-H≤30 nT,ASY-D≤30 nT,-50 nT≤SYM-H≤0,AE≤600 nT,地磁活动水平很低.
另外,调研结果表明2010年是陕西电网由330 kV骨干网架向750 kV主网架发展的新阶段,例如2009年12月750 kV宝鸡至乾县输变电工程正式投运;2010年9月20日陕西省第1座750 kV变电站渭南市信义变电站投入运行.与2009年末相比,2010年陕西省投运的750 kV输电线路从原来的4条增加到9条,输电线总长度增加了145%,750 kV电网在关中成“一字型”结构,330 kV电网在整个陕西省成环网运行[14].电网结构的变化可能是该地区出现PLHR事件的主要原因. 2.2.3 轨道280441的事件
以上两例PLHR事件均出现在白天(轨道尾号为0).图 9是2009年9月28日夜间(轨道尾号为1)卫星经过我国重庆市渝北区至四川省南充市上空时探测到的PLHR事件所处位置示意图,其轨道号为280441,该PLHR事件来源于西北电网的宁夏固原市.图 10是对应于该轨道号的世界时间14:23:32—14:24:51时空间电场强度时频功率谱图.由图可以较清晰地看到4 250,4 350和4 450 Hz处有3根平行谱线,间隔为100 Hz.相比于图 2和图 6,图 10显示出较大的纵向干扰,这些是雷电哨声模干扰.夜晚由于电离层的穿透性强于白天,导致卫星所处的电离层上层更容易探测到这些干扰.由于纵向干扰太多,故其电场平均功率谱图无法很好地识别出这3根谱线,这里不再给出该事件的电场平均功率谱图.分析图 11中的地磁指数变化可知,9月27日—29日大部分时间地磁指数Kp≤3,ASY-H≤30 nT,ASY-D≤30 nT,-50 nT≤SYM-H≤0,AE≤700 nT,地磁活动水平较低.
3 结 论
本文研究了利用DEMETER卫星电磁探测数据辨识PLHR事件的方法.采用时频分析和Welch功率谱估计法分析电离层中电场强度的频谱特征,由此判断PLHR事件的存在与否.分析结果表明,我国空间存在PLHR现象,频率多为50 Hz的奇数倍;在151例PLHR事件中,发生于地磁指数Kp≥4的仅有2例,绝大部分发生于地磁活动平静的时候,说明PLHR事件与地磁活动无关;6年中所发现的PLHR事件逐年增多,特别是2009年和2010年的事件占到总数的80%以上,而这两年也正是我国大力发展特高压输电的时期,说明PLHR事件与电网的发展和变化有密切关系.另外,电离层中所探测到的PLHR事件还呈现出明显的昼夜差异以及季节差异,夜晚发现的事件远少于白天,而夏季发现的事件少于冬季,这是哨声模干扰所致,这与电离层的昼夜变化和季节变化以及夏季雷雨天较多有密切关系.
电力线谐波辐射普遍存在于输电线路和地面电力系统附近,根据统计分析结果结合对其传播机理的研究[16],只有在波矢与地球磁力线夹角、谐波的辐射强度、谐波的频率等满足一定条件下,其才能穿透电离层到达卫星位置,即使这样,也有可能由于诸如雷电、行星际空间电磁波等干扰,使得PLHR无法被识别或探测到.因此,对于PLHR现象产生的原因以及其对电离层的影响,仍需要通过大量的PLHR事例以及合理的物理模型进行深入研究.
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