灾害性空间天气下地磁感应电流与电力系统响应研究

Disastrous space weather can cause disturbances in geospatial current systems, which then cause geomagnetically induced currents (GIC) in power lines, endangering the safe operation of power systems. However, in disastrous space weather, the characteristics of correlation between GIC and space weather, the responses and the defense measures of power system are still unclear. Firstly, this project uses satellite and geomagnetic data, GIC data and data from supervisory control and data acquisition (SCADA) systems to study the dependence of space environment physical parameters such as solar wind, interplanetary magnetic field and geomagnetic disturbance on GIC in disastrous space weather, and to visualize their temporal and spatial correlation. Secondly, considering the coastal effect, the GIC physical model of coupling geomagnetic disturbance with power system under different earth conductivity is established. Finally, based on the structure and characteristics of power grid in China, the vulnerability of power grid components and the response states of reactive power loss, voltage stability and control and the resilience of power grid are studied. The effective optimization and defensive measures are given. This project provides theoretical support for effectively preventing the impact of disastrous space weather on power system and makes important contributions to ensure the safe and stable operation of power system in China through the interdisciplinary research of space physics and power system team.

灾害性空间天气能够引起地球空间电流体系的扰动，进而在电网中引起地磁感应电流(GIC)，危害电力系统的安全运行。然而，灾害性空间天气下，GIC与空间天气的关联特征、电力系统的响应和防御措施尚不明确。本项目首先利用卫星与地磁数据、GIC数据和电网数据采集与监测(SCADA)系统等数据，研究灾害性空间天气下的太阳风、行星际磁场和地磁扰动等空间环境物理参数与GIC实测数据的依赖关系，以可视化形式展示其时空关联性；其次，考虑海岸效应，建立不同大地电导率下，地磁扰动与电力系统耦合的GIC物理模型；最后，基于我国电网结构和特征，研究GIC影响下的元件脆弱性和无功损耗、电压稳定与控制及电网弹性等响应状态，给出有效的优化和防御措施。本项目拟通过空间物理与电力系统交叉学科团队的融合研究，为有效防御灾害性空间天气对电力系统的影响提供理论支撑，为保障我国电力系统安全运行做出重要贡献。

灾害性空间天气会对地球空间电流体系产生扰动，进而在电力系统中产生地磁感应电流(GIC)，影响电力系统的安全运行。为防御灾害性空间天气对电力系统的影响，探明GIC与空间天气的关联特征、研究电力系统的响应和防御措施有重要意义。.完成的主要研究工作包括：.(1)进行了地磁暴与GIC的关联机理研究，利用地磁台站数据研究了地磁暴、GIC及电网结构间的耦合关系，明确了地磁暴与GIC的关联特征，根据地磁指数与GIC的相关性，有效地评估了GIC、预测了GIC的变化情况，为探明GIC频谱特征及其驱动源，利用小波变换分析GIC 与dBx/dt在多个等级磁暴事件中时域和频域的相关性特征，并探究了ICME类型事件中的IMF、太阳风参数、地磁数据特征。.(2)考虑海陆电导率的差异，进行了考虑海岸效应的GIC研究，构建了海水与陆地的大地电导率模型及海岸边界地电场模型，研究了海岸效应下的GIC分布和变化规律。在传统大地电导率计算模型的基础上，进一步探究和分析了海岸效应下三维大地电导率模型的建立，提高了 GIC的计算精度并有效弥补了现有预测模型的不足。.(3)为避免的电力系统大规模故障，构建了基于均匀地电场的GIC等效计算模型，对山东省500kV变电站的GIC水平进行了计算评估，提出了一种关键变电站识别方法，并提出了不同的优化与改善措施，为山东省GIC灾害预防、变电站选址及治理设施的安装提供了参考。.(4)为探明电网元件对灾害性空间天气的响应机制，建立了在GIC影响下的电力系统元件脆弱性模型，完成了对提高电力系统抵抗灾害性空间天气的能力的相关研究。为尽快恢复GIC灾后电力系统功能，提出了考虑GIC强度、恢复资源以及地理位置的恢复模型和评估方法，提出了不同的灾后恢复策略，有效提高了电力系统抵抗灾害性空间天气的能力。.本项目共发表SCI/EI学术论文4篇，授权1项国家发明专利，资助参加了2次学术会议，培养了硕士生10人。依托本项目，建设了“电力系统与空间物理”学科交叉科研团队，解决了灾害性空间天气对电力系统影响的一些关键问题。