本申請(qǐng)涉及電力技術(shù)研究領(lǐng)域，尤其涉及一種中低緯電網(wǎng)中地磁感應(yīng)電流的識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)的大尺度爆發(fā)性活動(dòng)會(huì)對(duì)全球的電網(wǎng)系統(tǒng)造成廣泛的影響。其影響機(jī)理是：攜帶高速等離子體的太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層相互作用，引起地磁場(chǎng)短時(shí)間內(nèi)的大幅度擾動(dòng)，在跨越地面大范圍區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的地磁感應(yīng)電場(chǎng)。該電場(chǎng)在地表的人工導(dǎo)電體中驅(qū)動(dòng)的電流稱(chēng)為地磁感應(yīng)電流(geomagneticallyinducedcurrent,gic)。

當(dāng)gic通過(guò)接地的中性點(diǎn)流入變壓器時(shí)會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵芯半周飽和，在激勵(lì)電流中產(chǎn)生大量諧波，不僅增加了變壓器的無(wú)功消耗，還可能引起保護(hù)繼電器誤操作。同時(shí)，鐵芯的高度飽和還會(huì)引起因金屬結(jié)構(gòu)件和油箱局部過(guò)熱及絕緣老化，嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致變壓器損毀而產(chǎn)生大面積斷電事故。

相比于高緯地區(qū)，中低緯地區(qū)關(guān)于gic的研究尚存在很大差距。原因主要有以下幾個(gè)方面：首先，超級(jí)磁暴出現(xiàn)的頻率很低(約11的年周期)，而gic的統(tǒng)計(jì)和預(yù)報(bào)研究需要大量樣本事件。其次，中低緯gic的平均水平比高緯低一個(gè)量級(jí)，在中低緯電網(wǎng)的電流信號(hào)中很可能無(wú)法直接獲取到gic。因此，中低緯電網(wǎng)gic風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的前提是要能有效地從實(shí)際電流信號(hào)中識(shí)別出gic。

目前常用的gic識(shí)別方法有：①自然正交向量分解法；②小波分析法。前者能成功地分解出地磁場(chǎng)中不同來(lái)源的特征向量，但主要適用于緩變信號(hào)，處理強(qiáng)磁暴擾動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)結(jié)果不可靠。后者由于受heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理的制約，不能在時(shí)間和頻率上同時(shí)達(dá)到較高的精度，加之小波基函數(shù)的選取有很大靈活性，不便于系統(tǒng)化的快速操作。由此可見(jiàn)，以上兩種方法對(duì)于分析中低緯電網(wǎng)的gic信號(hào)識(shí)別精度均不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N中低緯電網(wǎng)中地磁感應(yīng)電流的識(shí)別方法，以提高地磁感應(yīng)電流的識(shí)別精度。

一種中低緯電網(wǎng)中地磁感應(yīng)電流的識(shí)別方法，包括：

步驟一、對(duì)中低緯電網(wǎng)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，獲得第一本征模態(tài)函數(shù)組，所述第一本征模態(tài)函數(shù)組包括不同時(shí)間尺度的本征模態(tài)函數(shù)；

步驟二、對(duì)所述第一本征模態(tài)函數(shù)組中的本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行篩選和組合，獲得第二本征模態(tài)函數(shù)組；

步驟三、對(duì)所述第二本征模態(tài)函數(shù)組進(jìn)行希爾伯特變換，得到所述第二本征模態(tài)函數(shù)組的時(shí)頻譜；所述時(shí)頻譜為時(shí)間和頻率的能量函數(shù)；

步驟四、根據(jù)所述時(shí)頻譜，識(shí)別所述樣本數(shù)據(jù)中是否具有地磁感應(yīng)電流。

可選的，所述樣本數(shù)據(jù)包括：中低緯電網(wǎng)的中性點(diǎn)電流信號(hào)，和與所述中性點(diǎn)電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)。

可選的，所述對(duì)所述第一本征模態(tài)函數(shù)組中的本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行篩選和組合，獲得第二本征模態(tài)函數(shù)組，包括：

將所述第一本征模態(tài)函數(shù)組中的本征模態(tài)函數(shù)隨機(jī)組合，獲得至少一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)組；

將所述至少一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)組與所述太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，獲得最優(yōu)的本征模態(tài)函數(shù)組；

將與所述太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)相關(guān)性最優(yōu)的本征模態(tài)函數(shù)組，作為第二本征模態(tài)函數(shù)組。

可選的，所述根據(jù)所述時(shí)頻譜，識(shí)別所述樣本數(shù)據(jù)中是否具有地磁感應(yīng)電流，包括：

將所述時(shí)頻譜劃分為磁暴前相、磁暴初相、磁暴主相和磁暴恢復(fù)相四個(gè)階段；

將所述四個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)的能量值沿相同長(zhǎng)度的時(shí)間尺度積分，獲得磁暴前相階段能量指標(biāo)、磁暴初相階段能量指標(biāo)、磁暴主相階段能量指標(biāo)和磁暴恢復(fù)相階段能量指標(biāo)；

根據(jù)所述能量指標(biāo)，識(shí)別所述樣本數(shù)據(jù)中是否具有地磁感應(yīng)電流。

可選的，所述根據(jù)所述能量指標(biāo)，識(shí)別所述樣本數(shù)據(jù)中是否具有地磁感應(yīng)電流，包括：

分別計(jì)算所述磁暴初相階段能量指標(biāo)、所述磁暴主相階段能量指標(biāo)和所述磁暴恢復(fù)相階段能量指標(biāo)與所述磁暴前相階段能量指標(biāo)的比值；

根據(jù)所述比值識(shí)別所述樣本數(shù)據(jù)中是否具有地磁感應(yīng)電流。

本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案包括以下有益技術(shù)效果：

在本申請(qǐng)?zhí)峁┑姆椒ㄖ?，首先，聚?lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解能夠依據(jù)樣本數(shù)據(jù)自身的時(shí)間尺度特征來(lái)進(jìn)行分解，無(wú)須預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)，有利于處理非平穩(wěn)及非線性數(shù)據(jù)。其次，對(duì)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行篩選和組合，能夠去除樣本數(shù)據(jù)中，太陽(yáng)輻射晝夜變換在電離層產(chǎn)生的電流，以減小該電流對(duì)gic識(shí)別的影響。最后，通過(guò)希爾伯特變換可以獲得時(shí)頻譜，該時(shí)頻譜能準(zhǔn)確地表達(dá)電流信號(hào)在時(shí)間和頻率空間的各類(lèi)信息，能夠識(shí)別樣本數(shù)據(jù)中較弱的gic并提高對(duì)gic的識(shí)別精度。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種中低緯電網(wǎng)中地磁感應(yīng)電流的識(shí)別方法流程圖。

圖2為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解流程圖。

圖3為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的本征模態(tài)函數(shù)篩選和組合流程圖。

具體實(shí)施方式

此處的附圖被并入說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分，示出了符合本申請(qǐng)的實(shí)施例，并與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本申請(qǐng)的原理。

為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

實(shí)施例1：

圖1為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種中低緯電網(wǎng)中地磁感應(yīng)電流的識(shí)別方法流程圖，該方法包括如下所示的步驟：

步驟一、對(duì)中低緯電網(wǎng)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，獲得第一本征模態(tài)函數(shù)組，所述第一本征模態(tài)函數(shù)組包括不同時(shí)間尺度的本征模態(tài)函數(shù)。

可選的，所述樣本數(shù)據(jù)包括：中低緯電網(wǎng)的中性點(diǎn)電流(neutralpointcurrent，npc)信號(hào)，和與所述npc信號(hào)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)(ein)。

可選的，所述太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)根據(jù)太陽(yáng)風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)計(jì)算得到。該太陽(yáng)風(fēng)相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)是預(yù)設(shè)的，可以從美國(guó)航空航天局公布的開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)wind衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)址下載獲得。

聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解能使復(fù)雜信號(hào)分解為有限個(gè)本征模態(tài)函數(shù)(intrinsicmodefunction，imf)，所分解出來(lái)的各imf分量包含了原樣本數(shù)據(jù)的不同時(shí)間尺度的局部特征信號(hào)，具有自適應(yīng)性。聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解能使非平穩(wěn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，適合于分析非線性、非平穩(wěn)信號(hào)序列。

本實(shí)施例中以npc信號(hào)(即npc(t))為例，對(duì)聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的流程進(jìn)行說(shuō)明，具體如圖2所示。

(1)在該npc信號(hào)中添加白噪聲后，提取該npc信號(hào)的極值點(diǎn)，包括極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)。

(2)采用樣條函數(shù)分別擬合該npc信號(hào)的上包絡(luò)線和和下包絡(luò)線，其中，上包絡(luò)線為emax(t)；下包絡(luò)線為emin(t)。

(3)求上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的平均值，即平均值mij(t)＝[emax(t)+emin(t)]/2。

(4)用npc信號(hào)減去包絡(luò)平均值獲得差值hij(t)，即差值hij(t)＝npc(t)-mij(t)。

(5)判斷hij(t)是否滿(mǎn)足imf條件。

其中，imf條件為：a.極值點(diǎn)(極大值或極小值)數(shù)目和過(guò)零點(diǎn)數(shù)目相等或最多相差一個(gè)。b.上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的平均值為零。

(6)如果hij(t)滿(mǎn)足imf條件，則重復(fù)步驟(1)-步驟(5)x次，取hij(t)的平均值作為第i個(gè)imf，即ci(t)＝mean(hij(t))。隨后執(zhí)行步驟(8)。

(7)如果hij(t)不滿(mǎn)足imf條件，則重復(fù)步驟(1)-步驟(5)，直至hij(t)滿(mǎn)足imf條件。隨后執(zhí)行步驟(6)。

(8)該npc信號(hào)減去ci(t)得殘差ri(t)，即ri(t)＝npc(t)-ci(t)，作為下一循環(huán)過(guò)程中的殘差。

在上述過(guò)程中，i為本征模態(tài)函數(shù)的個(gè)數(shù)，i＝1,2,...,n；其中n為本征模態(tài)函數(shù)的總數(shù)，n＝log2(t)，t為樣本數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)。即一個(gè)樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后得到本征模態(tài)函數(shù)的總數(shù)n由信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)t決定。

j為一個(gè)聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)經(jīng)過(guò)聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的平均次數(shù)j＝1,2,...,x；其中，x可人為設(shè)定，在本實(shí)施例中，x＝100。

通過(guò)該聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，將npc信號(hào)基于自身數(shù)據(jù)特征，分解為有限個(gè)包含原數(shù)據(jù)局部特征的npc-imf(即中性點(diǎn)電流的本征模態(tài)函數(shù))。

另外，對(duì)太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)(ein)同樣需要進(jìn)行聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，其過(guò)程與圖2所示的npc信號(hào)進(jìn)行聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的過(guò)程相同，具體可參見(jiàn)如圖2中的描述，此處不再贅述。

對(duì)太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)(ein)進(jìn)行聚類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后，獲得與所述npc-imf對(duì)應(yīng)的有限個(gè)ein-imf(即太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)的本征模態(tài)函數(shù))。

步驟二、對(duì)所述第一本征模態(tài)函數(shù)組中的本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行篩選和組合，獲得第二本征模態(tài)函數(shù)組。

可選的，該步驟具體包括如下內(nèi)容：

將所述第一本征模態(tài)函數(shù)組中的本征模態(tài)函數(shù)隨機(jī)組合，獲得本征模態(tài)函數(shù)組；

將所述本征模態(tài)函數(shù)組與所述太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析；

將與所述太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)相關(guān)性最優(yōu)的本征模態(tài)函數(shù)組，作為第二本征模態(tài)函數(shù)組。

產(chǎn)生電網(wǎng)gic的主要空間來(lái)源是隨機(jī)發(fā)生的大幅度地磁擾動(dòng)，與此同時(shí)，在中低緯局部區(qū)域電網(wǎng)中性點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)還存在另一個(gè)主要的空間變化來(lái)源，就是由太陽(yáng)輻射晝夜變換在電離層產(chǎn)生的太陽(yáng)靜日(solarquiet，sq)電流，日變幅可達(dá)幾十至上百納特。因此，要從實(shí)際數(shù)據(jù)中辨識(shí)出電網(wǎng)gic響應(yīng)就必須去除sq電流貢獻(xiàn)的成份。

在本實(shí)施例中，第一本征模態(tài)函數(shù)組包括npc本征模態(tài)函數(shù)組和ein本征模態(tài)函數(shù)組，由于ein(t)是擾動(dòng)信號(hào)源，其imf需要全部保留，但npc(t)中包含有sq電流的貢獻(xiàn)，需要去除sq電流帶來(lái)的影響，其具體過(guò)程如圖3所示。

(1)npc本征模態(tài)函數(shù)組包括：c1(噪聲),c2,…,cn,r(殘差)。假定該第一本征模態(tài)函數(shù)組中本征模態(tài)函數(shù)的最優(yōu)組合，例如，c2～c7。

(2)判斷該假定最優(yōu)組合與太陽(yáng)風(fēng)能量耦合函數(shù)(ein)的相關(guān)性是否最優(yōu)。

(3)該假定最優(yōu)組合與ein為最優(yōu)相關(guān)，則該假定最優(yōu)組合為第二本征模態(tài)函數(shù)組。

(4)該假定最優(yōu)組合與ein不是最優(yōu)相關(guān)，則重復(fù)步驟(1)-步驟(3)，直至獲得與ein最優(yōu)相關(guān)的假定最優(yōu)組合。

對(duì)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行篩選和組合，能夠去除太陽(yáng)輻射晝夜變換在電離層產(chǎn)生的電流，以減小該電流對(duì)gic識(shí)別的影響。

步驟三、對(duì)所述第二本征模態(tài)函數(shù)組進(jìn)行希爾伯特變換，得到所述第二本征模態(tài)函數(shù)組的時(shí)頻譜。

希爾伯特變換是個(gè)將時(shí)間信號(hào)s(t)與1/(лt)做卷積的數(shù)學(xué)方法，其中t為時(shí)間值。通過(guò)該方法得到的結(jié)果可呈現(xiàn)輸入信號(hào)的能量(即振幅的平方)在時(shí)間、頻率二維坐標(biāo)面內(nèi)的分布，即時(shí)頻譜，通過(guò)該時(shí)頻譜便于分析npc信號(hào)在某瞬時(shí)區(qū)間內(nèi)的瞬時(shí)頻率特征。

對(duì)所述第二本征模函數(shù)組進(jìn)行希爾伯特變換，得到的時(shí)頻譜是指該組本征模態(tài)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的npc信號(hào)在時(shí)間和頻率的二維坐標(biāo)面內(nèi)的振幅平方密度。

步驟四、根據(jù)所述時(shí)間-頻率-能量譜，識(shí)別所述樣本數(shù)據(jù)中是否具有地磁感應(yīng)電流。

用image圖將所述時(shí)間-頻率-能量譜可視化后，可以對(duì)比ein和npc信號(hào)的時(shí)頻能量譜，直觀地看到磁暴發(fā)生時(shí)間區(qū)間內(nèi)譜顏色的增亮，由此可以識(shí)別出電流信號(hào)對(duì)磁暴的響應(yīng)，同時(shí)根據(jù)亮斑對(duì)應(yīng)的頻率區(qū)間可以分析中性點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的實(shí)際電流值的頻率范圍，進(jìn)而分析gic實(shí)測(cè)值的頻率范圍。

實(shí)施例2：

在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，與實(shí)施例1不同的是，可選的，步驟四中，根據(jù)所述時(shí)間-頻率-能量譜，識(shí)別所述樣本數(shù)據(jù)中是否具有地磁感應(yīng)電流，還包括如下內(nèi)容：

將所述時(shí)間-頻率-能量譜劃分為磁暴前相(i)、磁暴初相(ii)、磁暴主相(iii)和磁暴恢復(fù)相(iv)四個(gè)階段；

將所述磁暴前相、所述磁暴初相、所述磁暴主相和所述磁暴恢復(fù)相階段對(duì)應(yīng)的能量值分別沿相同長(zhǎng)度的時(shí)間尺度積分，獲得與所述不同階段對(duì)應(yīng)的能量指標(biāo)；其中，磁暴前相(i)、磁暴初相(ii)、磁暴主相(iii)和磁暴恢復(fù)相(iv)對(duì)應(yīng)的能量指標(biāo)分別為ei，eii，eiii，eiv。

根據(jù)上述各個(gè)能量指標(biāo)，識(shí)別所述樣本數(shù)據(jù)中是否具有地磁感應(yīng)電流。

具體地，計(jì)算eii/ei，eiii/ei，eiv/ei的比值。通常情況下，eii/ei≧1.5即表示樣本數(shù)據(jù)對(duì)磁暴有明顯的響應(yīng)。

在本申請(qǐng)?zhí)峁┑姆椒ㄖ?，聚?lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解能夠依據(jù)樣本數(shù)據(jù)自身的時(shí)間尺度特征來(lái)進(jìn)行分解，無(wú)須預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)，有利于處理非平穩(wěn)及非線性數(shù)據(jù)上。對(duì)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行篩選和組合，能夠去除太陽(yáng)輻射晝夜變換在電離層產(chǎn)生的電流，以減小該電流對(duì)gic識(shí)別的影響。通過(guò)希爾伯特變換可以獲得時(shí)間-頻率-能量譜，能準(zhǔn)確地表達(dá)信號(hào)在時(shí)間-頻率空間的各類(lèi)信息，能夠識(shí)別樣本數(shù)據(jù)中較弱的gic并提高對(duì)gic的識(shí)別精度。

需要說(shuō)明的是，諸如“第一”和“第二”等之類(lèi)的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解或?qū)崿F(xiàn)本申請(qǐng)。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本申請(qǐng)的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本申請(qǐng)將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本申請(qǐng)并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的年內(nèi)容，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本申請(qǐng)的范圍僅由所附的權(quán)利要求來(lái)限制。