一種利用實測閃電垂直電場獲得閃電參數的方法技術

本發明專利技術提出一種利用實測閃電垂直電場獲得閃電參數的方法，屬于電工領域的雷電監測技術領域。該方法首先通過人工引雷方法獲取遠距離實測閃電垂直電場數據，并對實測閃電垂直電場數據進行平滑去噪，消除實測閃電垂直電場數據中的噪聲信號，得到實測閃電垂直電場片段；考慮電場測量點所在土壤的反射作用，確定土壤衰減函數在時域的表達式后，利用粒子群算法搜索得到最優的閃電基底電流和回擊速度；最后計算得到閃電通道中電荷密度的分布。本發明專利技術克服了閃電基底電流直接測量，回擊速度和閃電通道電荷密度直接測量難以獲得這一不足，適用范圍廣，有助于電力系統采用更有效的防雷防護措施。

A method of obtaining lightning parameters using measured vertical electric field of lightning

The invention provides a method for obtaining lightning parameters by using a vertical electric field measured by lightning, belonging to the technical field of lightning monitoring in the field of electrical engineering. The method begins by artificial lightning distance method to obtain the measured data and the vertical electric field of lightning, lightning measured vertical electric field smoothing denoising, eliminate the noise signal measured lightning vertical electric field data, obtains the measured vertical electric field of lightning fragment; reflection electric field measuring point of the soil, the soil to determine the attenuation function in time domain after expression, search to get lightning current and speed at the optimal substrate using particle swarm algorithm; finally, calculate the distribution of charge density in the lightning channel. The invention overcomes the direct measurement of lightning base current, back speed and lightning channel charge density direct measurement is difficult to obtain it, wide application range, contribute to the power system by lightning protection measures more effective.

【技術實現步驟摘要】
一種利用實測閃電垂直電場獲得閃電參數的方法
本專利技術屬于電工領域的雷電監測
，特別涉及一種利用實測閃電垂直電場獲得閃電參數的方法。
技術介紹
雷電是十大自然災害之一。它瞬間產生的大電流、高電壓和強電磁場，不僅會造成人畜傷亡，對人類賴以生存的自然資源和人類創造的物質財富有巨大的破壞作用，而且還常給電力、通信、石油化工、航空航天、鐵道交通，乃至金融證券等國民經濟部門的設備設施帶來損壞。因此，雷電現象、雷電物理、雷電預警與防護等問題仍是大氣電學、電力系統、放電物理等領域的熱點研究問題。閃電基底電流(亦稱雷電基底電流)是指雷電通道最底端的雷電流，閃電基底電流是由閃電所產生的大電流，是影響建筑物和電子設備的主要源頭，故了解閃電基底電流的特性是防雷的基礎。閃電基底電流的獲得一般有兩種方法：1)直接測量；2)反演法。直接測量就是指，利用安裝在高塔上的電流傳感器直接測量閃電擊在此高塔上時所產生的閃電基底電流。由于閃電的閃擊點是隨機的，若閃擊點不在高塔上則測量不到閃電基底電流，故此種方法的適用范圍不大。反演法就是指，利用閃電所產生的電磁場，通過計算模型，反推得到閃電基底電流，M.Izadia于2014年在他的文章《EstimationofLightningCurrentandReturnStrokeVelocityProfileUsingMeasuredElectromagneticFields》中提出了一種利用近距離閃電電磁場反演計算得到閃電基底電流和回擊速度的方法，但他的方法只考慮了近距離下的閃電電磁場特征，并未考慮到閃電電磁場在遠距離傳輸時，需要考慮到土壤對閃電電磁場的衰減作用。由于閃電通道中的電荷密度分布難以實際測量，故只能通過間接的方法確定其分布。閃電發生時，將會在空間中產生電場，其中電場是矢量，它可分解成為與地面水平平行的水平電場，以及與地面垂直的垂直電場，與地面垂直的垂直電場被稱為閃電垂直電場。當云與地面之間發生閃電現象時，此類閃電被稱之為地閃。地閃通常伴隨有電荷由地面沖向云端的放電，稱之為回擊，回擊中所經過的放電路徑稱之為閃電通道，簡稱閃道。回擊速度是指電荷由地面沖向云端的速度，故回擊速度會隨高度的不同而不同。閃電通道電荷密度分布時指電荷在閃電通道中密度分布情況。與本
技術實現思路
相關的已有技術簡介如下：閃電基底電流NCBC電流模型，表達式如下：式中，i是雷電基底電流，t是時間，中間參數tm是峰值雷電流對應的峰值時間，Im是峰值電流，a和bi(i＝1，2，…，n)分別為波頭參數和波尾參數，ci為權重參數，n為波尾可調參數。回擊速度模型的表達式如下：v(z)＝v1(z+z0)1≤z≤H式中，z為高度，av和yi為調節參數，zm為對應于最大回擊速度的高度，H為閃電通道的長度，v1和z0為速度中間變量，v為回擊速度，vm為回擊速度最大值，w1和w2為權重參數，連續方程法計算閃電垂直電場的回擊模型：其中E(d,t)是理想大地下的閃電垂直電場，t是時間，c為光在真空中的傳播速度，R(z)是閃電通道中高度為z的電流段距電場測量點的距離，其計算公式如下：式中，d是電場測量點距離閃電通道的水平距離。i(z,t-R(z)/c)是閃電通道中的電流，其表達式如下：式中，v是回擊速度，i(0,t)是閃電基底電流，H為閃電通道的總長度。ρ*(z,t)是指t時刻下，高度為z的閃電通道局部電荷密度，其計算公式如下：式中，Q(z,t)指t時刻下，高度為z的閃電通道總電荷量。最后，考慮土壤反射作用時的閃電垂直電場表達式為：土壤衰減函數的計算方法：閃電電場在遠距離傳播時，會受到土壤的反射和吸收等作用的影響而衰減，我們將土壤對閃電電場的衰減作用表示為一個函數，稱為土壤衰減函數，表達式如式(0-9)所示：其中Wstr是土壤衰減函數，ρ是測量點距閃電通道的水平距離，ω是角頻率，erfc是復值誤差函數(也叫做高斯誤差函數)，p是中間參數，p的計算公式如下：ε1＝εr1ε0(0-18)ε2＝εr2ε0其中，μ0是真空磁導率，ε0是真空介電常數，εr1,εr2分別是土壤1和土壤2的相對介電常數，h1是第一層土壤的厚度，其余參數均為計算p所需的中間參數。通過式(0-9)-(0-18)可以計算得到在頻域的土壤衰減函數的表達式，然后通過傅里葉反變換可以得到在時域的土壤衰減函數的表達式。粒子群算法：粒子群算法最早由社會心理學博士Kennedy和電子工程學博士Eberhart于1995年提出，在粒子群算法模型中，每一個粒子的自身狀態都由一組位置和速度向量描述，分別表示問題的可行解和它在搜索空間中的運動方向。粒子通過不斷地學習它所發現的群體最優解和鄰居最優解，實現全局最優搜索。粒子的速度的位置更新方程是PSO算法的核心，分別由以下兩個公式描述：vij(k+1)＝w(k)vij(k)+c1r1(pbestij(k)-xij(k))+c2r2(gbestj(k)-xij(k))(0-19)xij(k+1)＝xij(k)+vij(k+1)(0-20)其中，c1，c2為學習因子，r1，r2為[0,1]的隨機數，w(k)為進化調節參數，本專利中取w(k)＝1-k/kmax，kmax是最大迭代次數。vij(k)表示粒子i在進化到k代時的第j維飛行速度分量。xij(k)表示粒子i在進化到k代時的第j維位置分量，pbestij(k)表示粒子i在進化到k代時的第j維個體最優位置pbesti分量，gbestj(k)表示進化到k代時整個粒子群的最優位置gbest的第j維分量。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服已有技術的不足之處，提供了一種利用實測閃電垂直電場獲得閃電參數的方法。本專利技術克服了閃電基底電流直接測量，回擊速度和閃電通道電荷密度直接測量難以獲得這一不足，適用范圍廣，有助于電力系統采用更有效的防雷防護措施。。本專利技術提出的一種利用實測閃電垂直電場獲得閃電參數的方法，其中，閃電參數包括：閃電基底電流、回擊速度和閃電通道電荷密度分布，其特征在于，該方法包括以下步驟：1)利用人工引雷方法獲取遠距離實測閃電垂直電場數據，并對實測閃電垂直電場數據進行平滑去噪，消除實測閃電垂直電場數據中的噪聲信號,得到實測閃電垂直電場片段；具體步驟如下：1-1)在人工引雷桿底部水平距離為d的遠處安裝電場傳感器，d>10km，d即為電場測量點距離閃電通道的水平距離；1-2)當成功進行人工引雷試驗時，利用電場傳感器，測量得到人工觸發閃電的在遠距離所產生的垂直電場，從而獲得實測閃電垂直電場數據；從實測閃電垂直電場數據中截取N個采樣點的波形段，起止點分別記為[j,j+199]，其中j點是人工觸發閃電發生時電場最先開始出現變化的第一個零點；1-3)將步驟1-2)截取得到的實測閃電垂直電場數據N個采樣點組成的電場波形段，進行平滑去噪處理，消除實測閃電垂直電場波形段數據中的噪聲信號，得到實測閃電垂直電場片段Emeasure；2)考慮電場測量點所在土壤的反射作用，確定土壤衰減函數在時域的表達式；具體包括以下步驟：2-1)確定土壤衰減函數的基本參數，包括：第一層土壤的電導率σ1，第二層土壤的電導率σ2，第一層土壤的相對介電常數εr1，第二層土壤的相對介電常數εr2，以及第一層土壤的厚度h1；2-2)土壤衰減函本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用實測閃電垂直電場獲得閃電參數的方法，其中，閃電參數包括：閃電基底電流、回擊速度和閃電通道電荷密度分布，其特征在于，該方法包括以下步驟：1)利用人工引雷方法獲取遠距離實測閃電垂直電場數據，并對實測閃電垂直電場數據進行平滑去噪，消除實測閃電垂直電場數據中的噪聲信號，得到實測閃電垂直電場片段；具體步驟如下：1?1)在人工引雷桿底部水平距離為d的遠處安裝電場傳感器，d>10km，d即為電場測量點距離閃電通道的水平距離；1?2)當成功進行人工引雷試驗時，利用電場傳感器，測量得到人工觸發閃電的在遠距離所產生的垂直電場，從而獲得實測閃電垂直電場數據；從實測閃電垂直電場數據中截取N個采樣點的波形段，起止點分別記為[j,j+199]，其中j點是人工觸發閃電發生時電場最先開始出現變化的第一個零點；1?3)將步驟1?2)截取得到的實測閃電垂直電場數據N個采樣點組成的電場波形段，進行平滑去噪處理，消除實測閃電垂直電場波形段數據中的噪聲信號，得到實測閃電垂直電場片段E

【技術特征摘要】
1.一種利用實測閃電垂直電場獲得閃電參數的方法，其中，閃電參數包括：閃電基底電流、回擊速度和閃電通道電荷密度分布，其特征在于，該方法包括以下步驟：1)利用人工引雷方法獲取遠距離實測閃電垂直電場數據，并對實測閃電垂直電場數據進行平滑去噪，消除實測閃電垂直電場數據中的噪聲信號，得到實測閃電垂直電場片段；具體步驟如下：1-1)在人工引雷桿底部水平距離為d的遠處安裝電場傳感器，d>10km，d即為電場測量點距離閃電通道的水平距離；1-2)當成功進行人工引雷試驗時，利用電場傳感器，測量得到人工觸發閃電的在遠距離所產生的垂直電場，從而獲得實測閃電垂直電場數據；從實測閃電垂直電場數據中截取N個采樣點的波形段，起止點分別記為[j,j+199]，其中j點是人工觸發閃電發生時電場最先開始出現變化的第一個零點；1-3)將步驟1-2)截取得到的實測閃電垂直電場數據N個采樣點組成的電場波形段，進行平滑去噪處理，消除實測閃電垂直電場波形段數據中的噪聲信號，得到實測閃電垂直電場片段Emeasure；2)考慮電場測量點所在土壤的反射作用，確定土壤衰減函數在時域的表達式；具體包括以下步驟：2-1)確定土壤衰減函數的基本參數，包括：第一層土壤的電導率σ1，第二層土壤的電導率σ2，第一層土壤的相對介電常數εr1，第二層土壤的相對介電常數εr2，以及第一層土壤的厚度h1；2-2)土壤衰減函數代表土壤對閃電電場的衰減作用，表達式如式(1)所示：式中，Wstr是土壤衰減函數，ω是角頻率，erfc是復值誤差函數，p是中間參數，p的計算公式如下：式中，μ0是真空磁導率，ε0是真空介電常數，其余參數均為計算p所需的中間參數；通過式(1)-(10)計算得到在頻域的土壤衰減函數的表達式Wstr(d,jω)，然后通過傅里葉反變換得到在時域的土壤衰減函數的表達式wstr(d,t)；3)利用粒子群算法搜索得到最優的閃電基底電流和回擊速度；具體包括以下步驟：3-1)采用粒子群算法，令粒子群算法中每個粒子代表與閃電基底電流和回擊速度相關的一組參數，包括：Im，tm，a，bi，ci,n，vm,av,zm,y1,y2,w1,w2,z0；其中，Im是峰值電流，tm是峰值雷電流對應的峰值時間，vm為回擊速度最大值，a和bi分別為波頭參數和波尾參數，i＝1，2，…，n，ci為權重參數，n為波尾可調參數，av、y1和y2為調節參數，zm為對應于最大回擊速度的高度，w1和w2為權重參數，z0為速度中間變量；3-2)利用在第k次迭代時得到的Np個粒子值，Np代表粒子群的粒子總個數，根據式(11)和式(12)計算得到每一個粒子值所對應的閃電基底電流和回擊速度，并根據式(13)計算得到每一個粒子值所對應的理想大地下的閃電垂直電場：式中，i(0,t)是閃電基底電流，t是時間，中間參數

【專利技術屬性】
技術研發人員：何金良，余占清，楊滾，陳水明，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京,11