[发明专利]一种利用实测闪电垂直电场获得闪电参数的方法

摘要

本发明提出一种利用实测闪电垂直电场获得闪电参数的方法，属于电工领域的雷电监测技术领域。该方法首先通过人工引雷方法获取远距离实测闪电垂直电场数据，并对实测闪电垂直电场数据进行平滑去噪，消除实测闪电垂直电场数据中的噪声信号，得到实测闪电垂直电场片段；考虑电场测量点所在土壤的反射作用，确定土壤衰减函数在时域的表达式后，利用粒子群算法搜索得到最优的闪电基底电流和回击速度；最后计算得到闪电通道中电荷密度的分布。本发明克服了闪电基底电流直接测量，回击速度和闪电通道电荷密度直接测量难以获得这一不足，适用范围广，有助于电力系统采用更有效的防雷防护措施。

主权项

1.一种利用实测闪电垂直电场获得闪电参数的方法，其中，闪电参数包括：闪电基底电流、回击速度和闪电通道电荷密度分布，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)利用人工引雷方法获取远距离实测闪电垂直电场数据，并对实测闪电垂直电场数据进行平滑去噪，消除实测闪电垂直电场数据中的噪声信号，得到实测闪电垂直电场片段；具体步骤如下：1‑1)在人工引雷杆底部水平距离为d的远处安装电场传感器，d>10km，d即为电场测量点距离闪电通道的水平距离；1‑2)当成功进行人工引雷试验时，利用电场传感器，测量得到人工触发闪电的在远距离所产生的垂直电场，从而获得实测闪电垂直电场数据；从实测闪电垂直电场数据中截取N个采样点的波形段，起止点分别记为[j,j+199]，其中j点是人工触发闪电发生时电场最先开始出现变化的第一个零点；1‑3)将步骤1‑2)截取得到的实测闪电垂直电场数据N个采样点组成的电场波形段，进行平滑去噪处理，消除实测闪电垂直电场波形段数据中的噪声信号，得到实测闪电垂直电场片段Emeasure；2)考虑电场测量点所在土壤的反射作用，确定土壤衰减函数在时域的表达式；具体包括以下步骤：2‑1)确定土壤衰减函数的基本参数，包括：第一层土壤的电导率σ1，第二层土壤的电导率σ2，第一层土壤的相对介电常数εr1，第二层土壤的相对介电常数εr2，以及第一层土壤的厚度h1；2‑2)土壤衰减函数代表土壤对闪电电场的衰减作用，表达式如式(1)所示：式中，Wstr是土壤衰减函数，ω是角频率，erfc是复值误差函数，p是中间参数，p的计算公式如下：式中，μ0是真空磁导率，ε0是真空介电常数，其余参数均为计算p所需的中间参数；通过式(1)‑(10)计算得到在频域的土壤衰减函数的表达式Wstr(d,jω)，然后通过傅里叶反变换得到在时域的土壤衰减函数的表达式wstr(d,t)；3)利用粒子群算法搜索得到最优的闪电基底电流和回击速度；具体包括以下步骤：3‑1)采用粒子群算法，令粒子群算法中每个粒子代表与闪电基底电流和回击速度相关的一组参数，包括：I_m，t_m，a，b_i，c_i,n，v_m,a_v,z_m,y₁,y₂,w₁,w₂,z₀；其中，I_m是峰值电流，t_m是峰值雷电流对应的峰值时间，v_m为回击速度最大值，a和b_i分别为波头参数和波尾参数，i＝1，2，…，n，c_i为权重参数，n为波尾可调参数，a_v、y₁和y₂为调节参数，z_m为对应于最大回击速度的高度，w₁和w₂为权重参数，z₀为高度中间变量；3‑2)利用在第k次迭代时得到的Np个粒子值，Np代表粒子群的粒子总个数，根据式(11)和式(12)计算得到每一个粒子值所对应的闪电基底电流和回击速度，并根据式(13)计算得到每一个粒子值所对应的理想大地下的闪电垂直电场：式中，i(0,t)是闪电基底电流，t是时间，中间参数式中，z为高度，yi为调节参数，H为闪电通道的长度，v1为速度中间变量，v为回击速度；式中，E(d,t)是理想大地下的闪电垂直电场，c为光在真空中的传播速度，R(z)是闪电通道中高度为z的电流段距电场测量点的距离，其计算公式如下：i(z,t‑R(z)/c)是闪电通道中的电流，其表达式如下：3‑3)结合步骤2)得到的在时域的土壤衰减函数的表达式wstr(d,t)，计算考虑土壤反射作用时的闪电垂直电场，表达式如下：3‑4)将步骤3‑2)计算得到的每个粒子值所对应的闪电基底电流和回击速度代入式(13)和(16)，计算得到每个粒子值所对应的闪电垂直电场Ecalculate，并与步骤1‑3)得到的实测闪电垂直电场片段Emeasure进行比较，利用式(17)计算两者之间的误差值并进行判定，得到最优的闪电基底电流和回击速度；式中，N是实测数据序列的总个数；3‑4‑1)若Np个粒子采用式(17)计算得到的所有误差值中的最小误差值ermin<ζ，ζ为设定的最小误差允许范围，或者迭代次数k>最大迭代次数MaxStep时，则停止粒子群算法搜索，输出粒子群中的最小误差值和其对应的粒子值，该粒子值所对应的闪电基底电流和回击速度即为最优的闪电基底电流和回击速度；3‑4‑2)若最小误差值ermin≥ζ并且迭代次数k≤MaxStep，则利用公式(18)‑(19)对每个粒子的粒子值和速度值进行更新，迭代次数k＝k+1，继续进行粒子群算法搜索，直至搜索得到使得计算得到的闪电垂直电场Ecalculate与闪电实测垂直电场Emeasure之间的误差值在允许范围之内的误差值和其对应的粒子值，该粒子值所对应的闪电基底电流和回击速度即为最优的闪电基底电流和回击速度；vij(k+1)＝w(k)vij(k)+c1r1(pbestij(k)‑xij(k))+c2r2(gbestj(k)‑xij(k))    (18)xij(k+1)＝xij(k)+vij(k+1)                     (19)式中，c1，c2为学习因子，r1，r2为[0,1]的随机数，w(k)为进化调节参数，w(k)＝1‑k/kmax，kmax是最大迭代次数MaxStep，vij(k)表示粒子i在进化到k代时的第j维飞行速度分量，xij(k)表示粒子i在进化到k代时的第j维位置分量，pbestij(k)表示粒子i在进化到k代时的第j维个体最优位置pbesti分量，gbestj(k)表示进化到k代时整个粒子群的最优位置gbest的第j维分量；4)利用连续方程法中的局部电荷密度公式，以及步骤3)得到的最优的闪电基底电流和回击速度，计算得到闪电通道中电荷密度的分布；具体步骤如下：4‑1)利用连续方程法中的局部电荷密度公式(20)，以及步骤3)得到的最优的闪电基底电流和回击速度，计算得到闪电通道中电荷密度的分布；ρ*(z,t)是指t时刻下，高度为z的闪电通道局部电荷密度，其计算公式如下：其中：式中，Q(z,t)指t时刻下高度为z的闪电通道总电荷量。