0 引言

随着国家新能源发展战略的不断推进，山西正在加快晋北风电基地的建设。自2008年首座风电厂正式并网发电以来，10余年间，山西风电产业发展迅速。目前，山西电网风电装机容量超过9 300 MW，在全国十大千万级风电基地中排名第7。到2020年，山西风电并网的装机容量将达到16 000 MW。其中，神池县将成为全省最大的风力发电基地。神池测震台位于神池县城东北约20 km的大严备乡大羊泉村附近。近几年，神池测震台周边新建了大量的风电机组，严重影响了神池测震台仪器的观测质量，使得神池测震台的环境地噪声水平由Ⅰ级降为Ⅱ级。山西测震台网的测震台站都属于基岩台站，依山而建，位于山坡和平地交界地带，属于典型的迎风、背山、面水的地形特征（高伟亮，2014）。地震台站所处的地理位置，正是风电机组大量布设安装的区域，而且二者间的距离都较近，风电机组势必对测震台站的环境地噪声水平有所影响。目前，已经影响到山西测震台网观测数据的质量，进而会影响地震速报的精度，更严重地会使地震触发信号淹没在风电机组的干扰背景下，以致无法识别，这对地震速报和地震波形的研究将产生不可估量的影响。目前，国家地震烈度速报与预警工程项目已经启动，需要新建大量的测震基准站，因此，有关风电机组对测震台站观测的影响以及规避距离的定量实验等方面的研究则很有必要。

在GB/T19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》（国家质量监督检验检疫总局，2004）中对勘选测震台址时测震台站应规避各类干扰源的最小距离逐项给出了定量数据，为实际工作提供了便利。该标准提出，根据中国大陆背景地噪声分区和地震台站测震环境地噪声等级划分要求，以及各类地震仪特性和用途对背景地噪声各分区提出地震台站测震环境地噪声要求，通过实际野外观测实验、数据对比分析、国际国内同类工作的实验和观测结果得到铁路、公路、机场、重型机械厂和火力发电厂、矿山和采石厂、水库和湖泊、海洋、输油管线、江河和瀑布、高大建筑物、低建筑物和高大树木以及高围栏和低树木等与地震台站地震计安放位置之间的最小距离（国家质量监督检验检疫总局，2004）。我们可以看出，该标准中未规定风电机组这类新出现的强噪声源的规避距离，因此，对风电机组干扰源的规避距离逐项开展定量研究是必要的。本文以现场测试数据为依据对风电机组这类新生的常见干扰源开展了初步研究，研究结果可为测震台站建设前的地址勘选和建成后的观测环境保护提供参考，也可为将来系统地制订“测震震台站观测环境技术要求”国家标准提供参考依据。

1 测试场地概况

风电机组对测震台站观测影响测试实验场地位于山西省神池县县城东北约20 km的大严备乡大羊泉村的神池测震台附近，台站周围山头上遍布着许多已经安装运行发电的风电机组。2018年3月14—16日在神池测震台附近，风力为西南风转东北风3—5级，平均风速23 km/h。我们对神池测震台周围的风电机组进行了环境地噪声水平与距离远近的现场测试。

2 风电机组振动源的振动原因分析

从外形上来看, 风力发电机组主要由风轮、机舱、塔筒和基础等部分组成。风轮为风能吸收部分，包括叶片、轮毂和变桨系统。风推动风轮的叶片转动，把风能转化为机械能；而轮毂把获得的机械能传递给机舱中的传动链系统。机舱内有风力发电机组的传动链系统、发电机和电气控制系统。目前，市场上主流的大型兆瓦级风力发电机组分为双馈型、直驱型2种，商业运行的机组绝大部分是双馈型。对于双馈型风力发电机组，其传动链系统按照能量传递的顺序依次为主轴、齿轮箱和高速轴。主轴和轮毂连接，轮毂的转动带动了主轴的同速旋转；齿轮箱具有增速作用，能将主轴的低速提升到机组能够正常发电的高速，故齿轮箱输入端为低速轴，输出端为高速轴。

风电机组是一个刚柔组合的多体系统，随着风电机组额定功率的增加，塔架高度和风轮直径都已突破100 m量级，叶片的刚度越来越小，叶片的柔性越来越大。大型风电机组的振动问题，主要集中在4个方面：①风轮的气弹效应；②机械传动链的扭曲振动，这可能会受到气动效应和电气特性的激励；③偏航运动引起的振动问题；④风轮—塔架耦合的整机振动（姚兴佳，2007）。

3 不同距离（测试点与风电机组间）对比观测实验

从测试点位分布（图 1）可见，由于风电机组位于同一地质构造体上，所以选取坐落在整个山脊上的50—56号共7个风电机组组成的强干扰源作为研究对象。测试设备由地震计、数据采集器、通信设备和防护设备等组成。对台站周围环境和风力发电机的点位进行了现场勘测，多套测试系统分别同时记录到风机转动工作时的波形数据，对得到的数据进行台基背景噪声地动速度均方根值（RMS）、有效测量动态范围、噪声信号功率谱的计算，然后对比分析得到风电机组对不同距离观测点测震观测质量的影响。整个测试期间，风电机组都处于转动发电状态，保证了实验测试数据的可用性和可靠性。

3.1 测试点位设计

对神池测震台周围区域环境和风力发电机的点位进行现场实地勘测，对测试区域的地形、地貌以及交通等环境信息进行查看，初步选择测试场地。在布点的设计上，首先粗放布点，即最近点设在距风电机组300 m处，然后由近及远，每200 m左右布点，找出无干扰的最近点与有干扰的最远点；其次加密布点，即在最近的无干扰点与最远的有干扰点之间加测2个点。在具体点位选取时，为了得到风电机组风叶转动发电对地面产生振动影响的峰值，在研究区域内51号风机水泥基座上选取1个点位。采取点位分布与风电机组位置基本为1条直线的原则，同时在考察环境干扰和保证测试仪器安全的情况下，要求测试点远离城镇、工厂和高压线，并与公路间有一定的距离。

3.2 仪器架设

风电机组影响实验测试仪器为中国地震局港震机电技术有限公司专门针对野外流动观测而开发的一种新型高分辨率、大动态范围的地震计与数据采集记录合为一体的数字宽频带地震仪EDAS-BS60，其频带范围为60 s—50 Hz，速度响应平坦，仪器自身噪声低于最小噪声模型NLNM（15 s—2 Hz），能满足国标对测试仪器的要求，采样率为100 Hz。仪器架设完成后，地震计上用塑料桶罩住，桶四周附上土作防风处理，以防止气流扰动和温度变化对测试数据的影响。实际测试前架设仪器并进行了标定。从标定波形可知，所有测试仪器均处于正常工作状态。测试中应随时注意观察记录状况，杜绝“死机”和其他异常情况，以确保记录的完整性和可靠性；测试后要及时存储并处理好数据。测试点位共10个，其中有8个为新架设点位，测点1架设在51号风电机组水泥基座（基座与基岩为一体）上，测点2、5—10均架设在硬土层上，测点3、4为神池测震台的数据。神池测震台为基岩台基，在此分别进行近24 h的背景噪声测试，测试距离为0—2 200 m，测试仪器信息见表 1。

3.3 数据处理方法 3.3.1 计算自功率谱密度PSD

采用信号重叠分段、加窗函数和FFT算法来估计地动噪声波形的自功率谱密度PSD（简称功率谱）。为了得到地动噪声波形PSD的物理量值，需对计算的地动噪声波形的速度功率谱密度P_v(f)扣除仪器响应，即

$ \operatorname{PSD}_{v}(f)=\frac{P_{v}(f)}{|H(f)|^{2}} $

(1)

式中，P_v(f)为地动噪声波形的速度功率谱密度；H(f)为仪器的传递函数。

3.3.2 计算环境地噪声水平Enl

GB/T 19531.1—2004《地震台站观测环境技术要求》（国家质量监督检验检疫总局，2004）规定，采用1/3倍频程滤波器在1.0—20.0 Hz频带范围内由PSD计算RMS值时，如果噪声记录为地面运动速度进入，则计算得到的即为环境地噪声水平Enl。

由地动噪声波形的自功率谱密度PSD计算RMS的公式为

$ \mathrm{RMS}=\sqrt{2 \mathrm{PSD} \cdot f_{0} \cdot \mathrm{RBW}} $

(2)

其中，f₀为分度倍频程中心频率；RBW为相对带宽。

$ \mathrm{RBW}=\left(f_{\mathrm{u}}-f_{1}\right) / f_{0} $

(3)

其中，f_u为分度倍频程上限频率；f₁为分度倍频程下限频率。

根据仪器种类、零极点和增益参数计算测点的环境地噪声水平Enl、数字地震仪的地动噪声功率谱密度，计算中使用了中国地震局港震机电技术有限公司童汪练老师研制开发的软件。

4 测试结果分析

计算后发现，10组野外实测数据的台基噪声RMS小时均值（1.0—20.0 Hz）白天（7:00—17:00）大于夜间（18:00—次日6:00），并且前者为后者的5倍多。由于人员活动、车辆等的干扰不可忽略，而风电机组引起的振动在同一测点是相对持续等幅度的，因此人工识别出其它振动波形并从原始数据中截去，保留的波形仅为风电机组与地面脉动的叠加结果。

根据地震计三分量记录中Z分量相对较稳定、对风电机组运行时的干扰反映较显著的特点，分析时以Z分量记录为代表，对每个测点采集到的24 h测试数据进行处理后得到台基背景噪声地动速度均方根值(RMS)、有效测量动态范围、噪声信号功率谱结果。通过比较，可以得到风电机组对不同距离测试数据观测质量的影响。对比分析测试数据对风电机组干扰的实际反应情况，测点1台基噪声PSD曲线见图 2，风电机组安装前后神池台台基噪声PSD曲线对比见图 3，不同距离的测点台基噪声PSD曲线对比见图 4，风电机组干扰对10组野外测试数据环境地噪声水平测试结果见表 2。

图 2为架设在51号风电机组水泥基座（基座与基岩为一体）上的测点1记录到的野外测试数据，对噪声数据进行环境地噪声功率谱计算并统计分析，为了减少白天人员活动、车辆等对测试结果的干扰，选取夜间测试数据的噪声结果绘制噪声功率谱密度曲线。从图 2可以识别出3组干扰：第1组干扰的频率为0.5 Hz及其2、3、4次谐波（1.0 Hz、1.5 Hz、2.0 Hz），清晰可见，认为是风机整体在风载荷作用下的谐振；第2组干扰的频率为3.5 Hz、4.0 Hz，可能来源于风机结构体的高阶谐振振型；第3组为15.0 Hz以上的高频振动，认为来源于风机运转产生的振动。风电机组干扰优势频段正好位于测震仪器的观测频段内，其中，频率为3.0—4.0 Hz的振动干扰的功率谱密度已经超过地球高噪声新模型，势必对测震仪器的正常观测产生不可估量的严重影响。

2010—2012年神池测震台勘选和土建期间，台站周围1个风电机组都没有；2014年1月开始，台站周围由远及近开始新建大量风电机组；2014年11月，在神池测震台后面距其200 m、500 m的山坡上开始建设风电机组，神池测震台的观测数据受到严重干扰；2015—2017年台站周围已经有大量风电机组运行和新建。2018年3月风电实验测试期间，神池测震台周围已经被大量的在运行的风电机组包围。通过图 3的2013—2018年风电机组安装前后神池台台基噪声PSD曲线对比分析可以看出，2013、2014年神池测震台的台基噪声PSD曲线明显处于地球低噪声新模型附近；而2015年至今，由于神池测震台周边风电机组由远及近的安装运行，神池测震台的台基噪声PSD曲线在高频段明显偏向地球高噪声新模型附近，经对比分析发现，0.5 Hz振型（包括其2、3、4次谐波）已基本看不到，3.0—4.0 Hz、15.0 Hz以上2个频段的振动干扰水平在2015年后明显增强。

由表 2可见，测点1的测试仪器架设在51号风电机组水泥基座上，风电机组的环境地噪声水平为3.69×10^-7 m/s，远超Ⅱ级坏境地噪声水平允许范围（3.16×10^-8 m/s≤Enl < 1.00×10^-7 m/s），属于Ⅳ级环境地噪声水平，说明风电机组对测震台站周围环境的干扰属于强干扰源。

由图 4可见，测点1在3.0—4.0 Hz、15.0 Hz以上2个频段内振动干扰的功率谱密度最大，其中，频率为3.0—4.0 Hz的振动干扰的功率谱密度已经超过地球高噪声新模型，说明风电机组对测震台站周围环境的干扰属于强干扰源。随着测点与风电机组间距离的增大，测点在3.0—4.0 Hz、15.0 Hz以上2个频段内振动干扰的功率谱密度呈下降趋势。神池台测点的振动干扰的功率谱密度明显高于测点5、6的功率谱密度，这势必对测震仪器的正常观测产生不可估量的严重影响。综合对比分析所有测点的台基噪声PSD曲线可知，测点6在3.0—4.0 Hz、15.0 Hz以上2个频段内振动干扰的功率谱密度最小。

由于在所研究的小区域内不同观测点地面脉动速度的大小基本不变（李佐唐，2012），而风电机组引起的振动则随距离的近远而衰减，因此得到如图 5所示的风电机组环境地噪声水平衰减曲线。从图 5可以看出，随着测点与风电机组间距离的增大，测点的环境地噪声水平总体上呈现降低的趋势。其中，测点7—10的环境地噪声水平高于测点2—6，经过对测试数据的对比分析可知，随着距离的增大，风电机组运行产生的振动对测点的影响逐渐降低，测点7为风电机组对测震仪器观测环境地噪声水平影响的拐点；对于900—2 200 m距离的测点，风电机组的影响降低到可忽略不计，而测试场地周围的人员活动、汽车、村庄的影响则占主要因素，所以风电机组对测震台站观测影响的基岩衰减曲线与土层衰减曲线拟合时，不包含测点8—10。对比分析0.5 Hz的振型、3.0—4.0 Hz频段以及15.0—20.0 Hz频段3组风电机组振动衰减的特征频段的干扰水平可见，测点1的3.0—4.0 Hz特征频段的RMS最大，15.0—20.0 Hz频段次之，0.5 Hz的振型的最小，3.0—4.0 Hz特征频段的RMS比其他2个特征频段的RMS总和还要高近1倍。对比分析测点3、4可见，3.0—4.0 Hz特征频段的RMS比其他2个特征频段的RMS都要大，说明风电机组对测点的环境干扰的优势频段为3.0—4.0 Hz。从图 5可以看出，测点的3.0—4.0 Hz特征频段的RMS与在1.0—20.0 Hz频带范围内计算RMS的风电机组的干扰衰减一致。

GB/T19531.1—2004 《地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》（国家质量监督检验检疫总局，2004）的规定，对Ⅰ级环境地噪声水平的台站，Enl应小于3.16×10^-8 m/s；对于Ⅱ级环境地噪声水平的台站，3.16×10^-8 m/s≤Enl < 1.00×10^-7 m/s。对比分析风电机组3组特征频段的干扰水平衰减情况和测点1—10的环境地噪声水平随与风电机组间距离的增大而呈现衰减的特征，并结合表 2的风电机组环境地噪声水平测试结果可知，距风电机组干扰源536 m的神池测震台环境地噪声水平已经明显受到风电机组的影响，其环境地噪声水平已由Ⅰ级降为Ⅱ级。距风电机组干扰源800 m的测点6的环境地噪声水平在所有测点中最低。由于风电机组对测点环境干扰的优势频段为3.0—4.0 Hz，对比分析测点5、6的UD向环境地噪声水平RMS和3.0—4.0 Hz特征频段的RMS可知，对于风电机组这类干扰源，测震基岩固定台站Ⅰ级环境地噪声水平的建议规避距离为800 m。

5 结论

干扰的传播、衰减与路径及传播介质的特性间具有密切而复杂的关系。不同的台基、介质条件下干扰的衰减可能千差万别，但是大致的衰减情况阐释对台站选址仍具参考价值（李佐唐等，2011）。本文工作的目的不在于揭示衰减规律，而是通过实验测试，在测震台站勘选时，为规避风电机组类常见干扰源提供定量的参考依据，以减少盲目性，提高台址勘选效率。我们依据现行的GB/T19531.1—2004 《地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》（国家质量监督检验检疫总局，2004）的规定，最终得出了风电机组类干扰源的规避距离参考结果。对于风电机组类干扰源，山西属于B类地区，Ⅰ级测震基岩固定台站的规避距离为800 m。由于野外实验经费有限，本文仅作了初步研究，该方法中对于测震台站的工作思路可为其他区域测震台网提供借鉴。今后需深入开展相关研究，以便为系统修订“地震台站观测环境技术要求”国家标准提供参考依据，为建成后的测震台站观测环境保护提供实验数据，还可为测震台站观测环境遭到破坏时的执法工作提供参考。