Подход к интерпретации естественных индикаторов состояния космической погоды для оценки эффектов ее воздействия на высокоширотные энергосистемы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Динамичное освоение и развитие Арктической зоны РФ неразрывно связано с необходимостью минимизации техносферных рисков, сопряженных в том числе и с эффектами воздействия космической погоды на системы энергетического оборудования, эксплуатируемые внутри границ аврорального овала. При этом сопутствующий мониторинг параметров космической погоды и вариаций геомагнитного поля в Арктике осуществляется лишь посредством небольшой группы спутников и нескольких десятков магнитных станций, расположенных главным образом на территории США, Канады, северной и центральной Европы. Очевидно, что сложившаяся ситуация практически исключает возможность оперативного диагностирования уровня геоиндуцированных токов (ГИТ) для большей части Арктической зоны РФ, где фактически единственным доступным индикатором состояния космической погоды остаются полярные сияния. 
В работе предлагается подход к интерпретации проявления сияний для оценки эффектов воздействия космической погоды на объекты и системы высокоширотной инфраструктуры. Так, на примере подстанции “Выходной” магистральной электрической сети “Северный транзит” показано, что при регистрации полярных сияний на севере, в зените и на юге наиболее вероятный (усредненный по 30 мин) уровень ГИТ составляет 0.08, 0.23 и 0.68 А соответственно. При этом вероятность того, что среднеполучасовой уровень ГИТ превысит 2 А (в случае сияний на севере, в зените и на юге) составляет ∼6, ∼10 и ∼15 % соответственно. В заключение рассматриваются пути модернизации и границы применимости предложенного подхода.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Воробьев

Геофизический центр РАН; Уфимский университет науки и технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: geomagnet@list.ru
Россия, Москва; Уфа

А. Н. Лапин

Уфимский университет науки и технологий

Email: geomagnet@list.ru
Россия, Уфа

А. А. Соловьев

Геофизический центр РАН; Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН

Email: geomagnet@list.ru
Россия, Москва; Москва

Г. Р. Воробьева

Уфимский университет науки и технологий

Email: geomagnet@list.ru
Россия, Уфа

Список литературы

  1. Воробьев А.В., Лапин А.Н., Воробьева Г.Р. Программное обеспечение для автоматизированного распознавания и оцифровки архивных данных оптических наблюдений полярных сияний // Информатика и автоматизация. 2023. № 22(5). С. 1177–1206.https://doi.org/10.15622/ia.22.5.8
  2. Воробьев А.В., Пилипенко В.А. Подход к восстановлению геомагнитных данных на базе концепции цифровых двойников // Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7. № 2. С. 53–62. doi: 10.12737/szf-72202105
  3. Воробьев А.В., Пилипенко В.А., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Статистические взаимосвязи вариаций геомагнитного поля, аврорального электроджета и геоиндуцированных токов // Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5. № 1. С. 48–58. doi: 10.12737/szf-51201905
  4. Воробьев А.В., Соловьев А.А., Пилипенко В.А., Воробьева Г.Р., Гайнетдинова А.А., Лапин А.Н., Белаховский В.Б., Ролдугин А.В. Локальная диагностика наличия полярных сияний на основе интеллектуального анализа геомагнитных данных // Солнечно-земная физика. 2023. № 2. С. 26–34. DOI: https://doi.org/10.12737/szf-92202303
  5. Воробьев В.Г., Сахаров Я.А., Ягодкина О.И. и др. Геоиндуцированные токи и их связь с положением западной электроструи и границами авроральных высыпаний. Труды Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 5. Вып. 4. С. 16–28.
  6. Гвишиани А.Д., Лукьянова Р.Ю. Оценка влияния геомагнитных возмущений на траекторию наклонно-направленного бурения глубоких скважин в Арктическом регионе. Фундаментальный базис инновационных технологий нефтяной и газовой промышленности. Материалы Всероссийской научной конференции, посвященной 30-летию ИПНГ РАН. 2017. С. 46.
  7. Данилов Г.А. Повышение качества функционирования линий электропередачи. Монография. Москва–Берлин. 2015.
  8. Зеленый Л.М., Петрукович А.А. Арктика. Космическая погода // Природа. 2015. № 9. С. 31–39.
  9. Канониди Х.Д., Ораевский В.Н., Белов А.В., Гайдаш С.П., Лобков В.Л. Сбои в работе железнодорожной автоматики во время геомагнитных бурь. Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций: сборник материалов научно-практической конференции. 2002. С. 41–42.
  10. Пилипенко В.А. Воздействие космической погоды на наземные технологические системы // Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7. № 3. С. 72–110. doi: 10.12737/szf-73202106
  11. Птицына Н.Г., Тясто М.И., Касинский В.В., Ляхов Н.Н. Влияние космической погоды на технические системы: сбои железнодорожной аппаратуры во время геомагнитных бурь // Солнечно-земная физика. 2008. № 12–2 (125). С. 360.
  12. Пуляев В.И., Усачёв Ю.В. Магнитная буря – причина отключения ВЛ 330 кВ // Энергетик. 2002. № 7. С. 18.
  13. Селиванов В.Н., Аксенович Т.В., Билин В.А., Колобов В.В., Сахаров Я.А. База данных геоиндуцированных токов в магистральной электрической сети “Северный транзит” // Солнечно-земная физика. 2023. Т. 9. № 3. С. 100–110. doi: 10.12737/szf-93202311
  14. Соколова О.Н., Сахаров Я.А., Грицутенко С.С., Коровкин Н.В. Алгоритм анализа устойчивости энергосистем к геомагнитным бурям // Изв. РАН. Энергетика. 2019. С. 33–52.doi: 10.1134/S0002331019050145
  15. Ягодкина О.И., Воробьев В.Г., Шекунова Е.С. Наблюдения полярных сияний над Кольским полуостровом. Труды Кольского научного центра РАН. 2019. Т. 10. № 8–5. С. 43–55. doi: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.8
  16. Barannik M.B., Danilin A.N., Kat’kalov Yu.V. et al. A system for recording geomagnetically induced currents in neutrals of power autotransformers // Instruments and Experimental Techniques. 2012. V. 55. № 1. P. 110–115. doi: 10.1134/S0020441211060121
  17. Dimitrova D.S., Kaishev V.K., Tan S. Computing the Kolmogorov-Smirnov distribution when the underlying CDF is purely discrete, mixed, or continuous // Journal of Statistical Software. 2020. № 95(10). P. 1–42. doi: 10.18637/jss.v095.i10
  18. Dobbins R.W., Schriiver K. Electrical Claims and Space Weather Measuring the visible effects of an invisible force June 2015 [Электронный ресурс], режим доступа: https://static1.squarespace.com/static/57bc8a4a414fb50147550a88/t57d84e4d1b631b96124f3c69/1473793614089/2015+ZurichElectrical+Claims+and+Space+Weather.pdf
  19. Eckhard L., Werner A. S., Markus A. Log-normal distributions across the sciences: keys and clues: on the charms of statistics, and how mechanical models resembling gambling machines offer a link to a handy way to characterize log-normal distributions, which can provide deeper insight into variability and probability—normal or log-normal: that is the question // BioScience. 2001. V. 51. № 5. P. 341–352. doi: 10.1641/0006-3568(2001)051[0341:LNDATS]2.0.CO;2
  20. Kataoka R., Ngwira C. Extreme geomagnetically induced currents // Prog. in Earth and Planet. Sci. № 3. 2016. P. 23.
  21. PGI Geophysical data. January, February, March 2013 / V. Vorobjev (ed.). Murmansk. Apatity: PGI KSC RAS. 2013.
  22. Pilipenko V.A., Chernikov A.A., Soloviev A.A., Yagova N.V., Sakharov Ya.A., Kostarev D.V., Kozyreva O.V., Vorobev A.V., Belov A.V. Influence of space weather on the reliability of the transport system functioning at high latitudes // Russian Journal of Earth Sciences. 2023. V. 23. P. ES2008. doi: 10.2205/2023ES000824
  23. Radasky W., Emin Z., Adams R. et al. CIGRE TB 780: Understanding of geomagnetic storm environment for high voltage power grids. Technical report. 2019.
  24. Scott D.W. On optimal and data-based histograms // Biometrika. 1979. V. 66. P. 605–610.
  25. Sigernes F., Holmen S.E., Biles D. et al. Auroral all-sky camera calibration // Geosci. Instrum. Method. Data Syst. 2014. № 3. P. 241–245. DOI: https://doi.org/10.5194/gi-3-241-2014

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. География магистральной электрической сети “Северный транзит” (сплошная черная линия), обсерватории “Ловозеро” (LOZ) и трансформаторной подстанции “Выходной” (VKH).

Скачать (89KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Формат представления данных в виде аскаплота: 1 – сияние не наблюдается; 2 – сияние в северной области; 3 – сияние в зените; 4 – сияние на юге; 5 – сияние в зените, северной и южной областях; 6 – умеренное сияние в зените, кроме этого, свечение присутствует в северной и южной областях; 7 – сильное сияние в зените, кроме этого, свечение присутствует в северной и южной областях; 8 – частичная облачность; 9 – сплошная облачность; 10 – регистрация не проводилась (а); пример аскаплота обсерватории LOZ за 14.12.2013 г. [PGI Geophysical data, 2013] (б).

Скачать (81KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Сопоставление уровня ГИТ на станции VKH и области наблюдения полярных сияний в окрестности обсерватории LOZ по состоянию на 14.12.2013 г.

Скачать (131KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Статистика ГИТ при наблюдении сияний на севере (а), в зените (б) и на юге (в). Серая сплошная и пунктирная линии соответствуют функциям плотности вероятности (PDF) и выживаемости (SF) логнормального закона распределения соответственно. Черная сплошная линия – эмпирическая функция выживаемости (ESF).

Скачать (228KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Гистограмма распределения плотности вероятности значений ГИТ при наличии/отсутствии полярных сияний (а) и при их дифференциации по областям небосвода (б). Ширина интервалов гистограммы в данном случае определяется согласно правилу: hₙ = 3.49sn–1/3, где n – размер выборки, s – среднеквадратическое отклонение [Scott, 1979] и соответствует ∼0.15 А.

Скачать (181KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Апостериорная вероятность превышения ГИТ на станции VKH уровня J₀ при одновременном наблюдении сияний в различных областях небосвода. Маркерами отмечены расчетные (эмпирические) значения; пунктирной линией – аппроксимация эмпирических значений выражением (4).

Скачать (98KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Состояние небосвода, зарегистрированное All-sky-камерой [Sigernes, 2014] обсерватории LOZ в различное время суток 21.12.2016 г.: (а) – сияния отсутствуют; (б) – диффузионные сияния; (в) – сияния типа “дуга”; (г) – сияния типа “вихрь”.

Скачать (159KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024