[發明專利]基于GFDM的電場數值計算方法和系統

在審

• 申請號: 202010192839.5
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111428354A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 謝春澤;劉春明
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G01R29/12
• 代理公司: 成都智涌知識產權代理事務所(普通合伙) 51313
• 代理人: 周正輝

本發明提供了基于GFDM的電場數值計算方法和系統，包括：建立三維地磁感應電場的基本模型，其中，基本模型包括控制方程和邊界條件；根據控制方程和邊界條件計算離散形式下的地電場模型；利用GFDM法進行計算得到域內所有點的電場數值。本發明克服了傳統有限差分法對網格的依賴性，且生成的系數矩陣是稀疏陣，容易通過常用稀疏矩陣求解器來快速求解，有效加快計算速度。

技術領域

本發明涉及電場數值計算技術領域，尤其是涉及基于GFDM的電場數值計算方法和系統。

背景技術

眾所周知地球的內部存在天然的磁現象，即地球可以看作一個磁偶極，北極與南極附近各有一級。相較于地球較為穩定的內部磁場，還有一部分磁場來源于太陽的電磁、粒子輻射與地球的內源場共同作用生成。外部磁場是變化的磁場，太陽活動在太陽黑子活動高峰的強烈爆發被稱為太陽風暴。帶電粒子產生的電磁場與地球表面磁場之間的相互作用引起外場劇烈變化。變化的磁場誘導產生電場，該電場通過電力線路傳輸，產生地面電勢(ESP)。地電位在輸電線路、中性點接地變壓器和由地球形成的回路中產生電流，即地磁感應電流(GIC)。GIC的頻率一般在0.001和0.100赫茲之間，可以被認為是準直流電流。GIC的準直流特性會導致變壓器的直流偏壓造成半波飽和，產生大量的熱量和高次諧波，對電網的安全穩定運行構成威脅。從1940年，發現強地磁暴期間電力系統中會產生GIC以來，北歐北美地區曾發生多次GIC侵擾電網的事件，為此，電力研究人員通過在系統中一些中性點接地的變壓器安裝測量GIC的裝置，以此來獲得發生地磁暴期間流過變壓器的GIC的變化情況以及變壓器的運行狀況。1989年的加拿大魁北克大停電事故后被證實是由地磁暴引起的重大事故，引起了國際相關部門的重視，自此之后，磁暴侵害電網問題得到了許多研究者的關注，諸多空間天氣方面、電力部門與電力科研單位的學者開始對此進行深入研究。在電網的地磁暴災害方面的研究，國外學者已經開展了大量工作，主要可分為三個方面，一是為了實現對電網中GIC水平的評估，在地電場建模、計算方法方面的研究；二是針對GIC侵害變壓器的機理，從變壓器模型方面展開的研究，通過研究不同類型的變壓器的特性，分析其受GIC的影響；三是為了實現GIC的防治在變壓器接地或是GIC監測裝置的開發方面的研究。

國內對電網的地磁暴災害的研究起步較晚，因為人們一直認為地磁暴只發生在高緯度國家，而我國屬于中低緯度國家，地磁暴對我國電網幾乎沒有影響。直到20世紀末，隨著我國長距離輸電系統以及特高壓變電站的建立，我國出現了許多電網遭受地磁暴影響的事件。在電磁問題的模擬中，有限元(FEM)，有限差分(FDM)和邊界元法(BEM)一直是主要的數值方法。然而，這些方法對于涉及網格失真，大變形和移動邊界等問題的網格生成仍然具有挑戰性。

綜上所述，針對于地磁暴現象，目前仍缺少有效的電場數值計算方法。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供基于GFDM的電場數值計算方法和系統，克服了傳統有限差分法對網格的依賴性，且生成的系數矩陣是稀疏陣，容易通過常用稀疏矩陣求解器來快速求解，有效加快計算速度。

第一方面，本發明實施例提供了基于GFDM的電場數值計算方法，包括：

建立三維地磁感應電場的基本模型，其中，所述基本模型包括控制方程和邊界條件；

根據所述控制方程和邊界條件計算離散形式下的地電場模型；

利用GFDM法進行計算得到域內所有點的電場數值。

結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中，所述基本模型假設條件為大地的介電常數與磁導率為均勻的。

結合第一方面的第一種可能的實施方式，本發明實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中，所述建立三維地磁感應電場的基本模型包括：

建立麥克斯韋方程組和對應的媒質本構關系，其中，所述麥克斯韋方程組包括全電流密度公式；