一種埋地油氣管道受地磁暴影響的gic和psp的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及埋地油氣管道自然災(zāi)害防御技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種埋地油氣管道受 地磁暴影響的GIC和PSP的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地磁暴作為一種自然災(zāi)害及其防御措施已經(jīng)越來越引起人們的關(guān)注，而埋地油氣 管道（簡(jiǎn)稱管道）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是研究地磁暴對(duì)管道影響的重要理論基礎(chǔ)。
[0003] 與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)是：A. P等最先于2001年提出使用高壓工頻電力系統(tǒng)分 布源傳輸線模型（簡(jiǎn)稱AP-DSTL模型）代替管道系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，建立了管道受地磁暴影響 的AP-DSTL模型如圖1所示，其中，第一段管道參數(shù)R n、R21和E s η分別代表縱向電阻、橫向 電阻和地表面電場(chǎng)強(qiáng)度，第二至η段等參數(shù)類推。這已成為管道和鐵路地磁暴研究的重要 理論基礎(chǔ)，2013年Botoler D.等將其寫成雙端口網(wǎng)絡(luò)形式。
[0004] 本發(fā)明的發(fā)明人研究表明，該模型的缺點(diǎn)是：⑴"參比電極地"的假設(shè)條件不合 理。在AP-DSTL模型中，A. P等假設(shè)P/S指的是管道和理想大地之間的電位，即：管道所有 P/S中的"參比電極地"是理想大地的"金屬等電位點(diǎn)"。在管道陰極保護(hù)中，P/S指的是管 道和其附近的參比電極之間的電位，因此，AP-DSTL模型的P/S與陰極保護(hù)P/S概念不符。 (2)在管道DSTL模型中，電勢(shì)和內(nèi)阻"張冠李戴"。從模型結(jié)構(gòu)可以看出，模型物理意義不統(tǒng) 一。AP-DSTL模型將管道電阻與土壤電場(chǎng)強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)放在同一支路作為分布源，致使參數(shù) "錯(cuò)位"。（3) AP-DSTL模型結(jié)構(gòu)不能解釋"埋地"物理意義。理論分析表明，由于假定參比電 極地被理想地連在一起，AP-DSTL模型描述的既不是"埋地"管道，也不是"架空"管道，而是 被放在"金屬屏蔽層"里的管道。（4)AP-DSTL模型參數(shù)沒有體現(xiàn)"埋地"特征。從AP-DSTL 模型看出，沒有表征"埋地"的參數(shù)，與實(shí)際管道系統(tǒng)不符。（4)恒電位儀對(duì)管道的作用不正 確。（5)去親合器等裝置對(duì)管道的影響不正確。（6)地磁感應(yīng)電流GIC(Geomagnetically Induced Current)和管地電位PSP (Pipe to Soil Potential)理論計(jì)算過大，與實(shí)際監(jiān)測(cè) 值相差甚遠(yuǎn)。
[0005] 本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)為，造成其錯(cuò)誤的主要原因是：A.P和Boteler D.等認(rèn)為，電力 系統(tǒng)和管道的接地概念一致。（I)AP-DSTL模型是輸電線模型類比平移。A. P等最早沿襲輸 電線"接地"習(xí)慣，通過類比將"輸電線路電纜模型"平移到埋地管道上建立了 AP-DSTL模 型，在模型中沿用"電纜模型"中的"電纜屏蔽層等電位點(diǎn)"概念"機(jī)械"地代替了管道所有 P/S中的"參比電極地"。這個(gè)AP-DSTL模型等價(jià)于在管道涂層上包了金屬屏蔽層管道模型， 而沒有體現(xiàn)"埋地或土壤"的影響。所以，AP-DSTL模型并不是"埋地"管道受空間天氣影響 的模型。⑵管道參比電極與輸電線路兩者的"接地"概念不同。輸電線路接地的功能：在 系統(tǒng)故障時(shí)能迅速排泄故障電流并降低電網(wǎng)的對(duì)地電位，在正常運(yùn)行時(shí)可以當(dāng)作一條輸電 線路使用。因此，電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要保證是必須為分布在電網(wǎng)里的各種電氣設(shè)備利用國(guó) 家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)接入公共參考大地的局部金屬接地點(diǎn)，集合形成"準(zhǔn)零電阻接地網(wǎng)"。顯而 易見，通過輸電線模型類比平移得到的AP-DSTL模型，沒有考到埋地管道附近的土壤縱向 電阻，所以，幾乎不可能正確地描述受地磁暴影響的埋地管道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種埋地油氣管道受地磁暴影響的GIC和PSP的計(jì)算方 法，該方法考慮了電力系統(tǒng)和管道的接地概念的差異，以及土壤電阻的核心作用，提高了模 型的精確性，使管道GIC和PSP理論與實(shí)際監(jiān)測(cè)值很逼近，有利于實(shí)際管道系統(tǒng)進(jìn)行精確仿 真分析研究。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0008] -種埋地油氣管道受地磁暴影響的GIC和PSP的計(jì)算方法，該方法包括以下步 驟：
[0009] 步驟一，建立LZS-DSPL模型；
[0010] 步驟二，辨識(shí)LZS-DSPL模型參數(shù)"土壤縱向電阻"；
[0011] 步驟三，給定地磁暴數(shù)據(jù)、輸入管道及附近環(huán)境相關(guān)參數(shù)；
[0012] 步驟四，采用基爾霍夫定律回路電路法或節(jié)點(diǎn)電壓法建立GIC和PSP矩陣方程；
[0013] 步驟五，求解GIC和PSP矩陣方程的數(shù)值解，并繪出GIC和PSP曲線。
[0014] 優(yōu)選的是，在所述步驟一中，所述LZS-DSPL模型是一種考慮了土壤縱向電阻的能 夠適用于埋地油氣管道受地磁暴影響的分布源管道數(shù)學(xué)模型，土壤電場(chǎng)強(qiáng)度和管道電場(chǎng)強(qiáng) 度通過LZS-DSPL模型來計(jì)算確定。
[0015] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，在所述步驟一中，所述LZS-DSPL模型采用以公 里為單位的η段管道來建立數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)。
[0016] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，在所述步驟一中，所述LZS-DSPL模型包括兩種 結(jié)構(gòu)：具有管道電場(chǎng)強(qiáng)度的LZS-DSPL-I模型結(jié)構(gòu)和具有土壤電場(chǎng)強(qiáng)度的LZS-DSPL-II模型 結(jié)構(gòu)。
[0017] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，所述LZS-DSPL-I模型結(jié)構(gòu)由η段管道連接構(gòu) 成，管道縱向電阻、涂層橫向電阻、土壤縱向電阻、管道電場(chǎng)強(qiáng)度連接構(gòu)成第一段管道，管道 縱向電阻、涂層橫向電阻、土壤縱向電阻、管道電場(chǎng)強(qiáng)度連接構(gòu)成第二段管道，第三段至第η 段管道的構(gòu)成依次類推。
[0018] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，所述LZS-DSPL-II模型結(jié)構(gòu)由η段管道連接構(gòu) 成，管道縱向電阻、涂層橫向電阻、土壤縱向電阻、管道電場(chǎng)強(qiáng)度連接構(gòu)成第一段管道，管道 縱向電阻、涂層橫向電阻、土壤縱向電阻、管道電場(chǎng)強(qiáng)度連接構(gòu)成第二段管道，第三段至第η 段管道的構(gòu)成依次類推。
[0019] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，在所述步驟一中，建立LZS-DSPL模型，還可再 以LZS-DSPL模型為基礎(chǔ)建立E-LZS-DSPL模型，通過E-LZS-DSPL模型來模擬附加裝置或設(shè) 備時(shí)的參數(shù)計(jì)算。
[0020] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，所述E-LZS-DSPL模型采用以公里為單位的η段 管道建立數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，E-LZS-DSPL模型包括E-LZS-DSPL-I模型和E-LZS-DSPL-II模型 兩種結(jié)構(gòu)。
[0021] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，所述E-LZS-DSPL-I模型由η段管道連接構(gòu)成， 管道縱向電阻、涂層橫向電阻、土壤縱向電阻、管道電場(chǎng)強(qiáng)度連接構(gòu)成第一段管道，管道縱 向電阻、涂層橫向電阻、土壤縱向電阻、管道電場(chǎng)強(qiáng)度連接構(gòu)成第二段管道，第三段至第η 段管道的構(gòu)成依次類推，通過在第一段管道和最后一段管道分別增設(shè)恒電位儀模型來計(jì)算 確定管道附加等效電壓源后的土壤電場(chǎng)強(qiáng)度和管道電場(chǎng)強(qiáng)度。
[0022] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，所述E-LZS-DSPL-II模型由η段管道連接構(gòu)成， 管道縱向電阻、涂層橫向電阻、土壤縱向電阻、管道電場(chǎng)強(qiáng)度連接構(gòu)成第一段管道，管道縱 向電阻、涂層橫向電阻、土壤縱向電阻、管道電場(chǎng)強(qiáng)度連接構(gòu)成第二段管道，第三段至第η 段管道的構(gòu)成依次類推，通過在第一段管道和最后一段管道分別增設(shè)恒電位儀模型來計(jì)算 確定管道附加等效電壓源后的土壤電場(chǎng)強(qiáng)度和管道電場(chǎng)強(qiáng)度。
[0023] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，在所述步驟二中，所述LZS-DSPL模型中土壤縱 向電阻參數(shù)的辨識(shí)方法包括如下步驟：
[0024] 第一步，LZS-DSPL 模型；
[0025] 第二步，輸入管道及附近環(huán)境相關(guān)參數(shù)，使用典型國(guó)家地電磁或電場(chǎng)臺(tái)地磁暴數(shù) 據(jù)，計(jì)算土壤電場(chǎng)強(qiáng)度和管道電場(chǎng)強(qiáng)度；
[0026] 第三步，選擇縱向土壤電阻的有效面積；
[0027] 第四步，計(jì)算管道GIC和PSP ;
[0028] 第五步，誤差判據(jù)。
[0029] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，所述第二步的輸入管道附近環(huán)境參數(shù)包括：管 道空間因素、管道大氣半空間因素、管道土壤半空間因素、管道坐標(biāo)系分量變化率因素、管 道受電磁場(chǎng)源分布影響的因素。
[0030] 在上述任一技術(shù)方案中優(yōu)選的是，所述管道空間因素包括：構(gòu)成整個(gè)空間的大氣 半空間和土壤半空間，涉及管道架空鋪設(shè)和埋地鋪設(shè)的問題。
[0031] 在上