西安科技大学刘青团队：埋地管道HEMP响应的不确定度量化研究
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本文研究高空核爆电磁脉冲(HEMP)与埋地油气管道的相互作用，基于管道上感应电流和感应电压，来评估可能对油气管道的影响。目前，埋地导体的电磁脉冲响应计算多针对确定的输入变量，而电磁脉冲的入射角、管道参数等输入变量均有一定的不确定性，由确定输入得到的确定性结果不够全面，有必要考虑参数变化引起的响应不确定性。
► DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180580 ◀
随着电磁环境的复杂化，影响传输线场线耦合分析的随机变量增多。对于不确定性问题的分析，传统的方法是蒙特卡罗(MC)方法，但是其计算效率会随着样本数量的增加而显著下降。针对蒙特卡罗方法效率低、计算成本高的缺点，本文基于随机配点法(SC)和随机降阶法(SROM)对埋地管道的HEMP响应进行了不确定度量化，提高了计算效率。
本文的研究工作受到国家重点研发计划项目（2016YFC0800100）的资助。
本文采用HEMP的Bell实验室波形，以入射仰角、入射方位角作为随机输入变量，构造了埋地管道电流和电压响应的不确定度量化的计算模型。基于此模型计算了埋地管道两端接有不同负载时响应电流和响应电压的统计信息。
以蒙特卡罗方法(MC)的计算结果为参考，对比了SC和SROM两种方法的准确度和计算效率。最后基于SC展开式得到了管道响应电流对各输入参数的敏感度。埋地管道电压、电流响应的不确定度量化结果能够为管道的电磁防护提供更全面的参考。
本文考虑了电磁脉冲的入射仰角服从非典型分布的情况，构建了相应的正交多项式基函数，并以其根作为SC方法的插值点，将插值点组成的样本带入响应电压、响应电流的函数表达式（即目标函数）中求得对应的函数值，最后利用拉格朗日插值将目标函数表示成一组完备正交基的多项式组合，以此作为原目标函数的代理模型。
SROM法则是根据欧式距离最小来从大样本中选取小样本，即用较少的点来最大程度地反映输入参数的分布规律，用这些较少的点来代替MC方法中巨大的样本集，从而提高计算效率。
图1 电流响应的累积概率密度曲线对比
图2 两种方法相对于MC方法的误差分析
本文将入射仰角和方位角看作随机输入变量，基于随机配点法和随机降阶法对埋地管道响应电流和电压进行了不确定度量化。以MC方法30000个输入样本的计算结果为参考，随机配点法的样本数大于9就可以将响应电流幅值的均值和标准差误差降至0.1%以内，随机降阶法样本数大于150能将误差降至5%之内。
基于SC方法可以方便地计算出输出变量对输入参数的敏感度，本文的算例中响应电流幅值对仰角的敏感度大于对方位角的敏感度。后期工作将着力于改进SROM抽样方法，进一步提高该方法的准确度。
刘青, 王晨东, 李湛宇, 王英澜. 埋地管道HEMP响应的不确定度量化[J]. 电工技术学报, 2019, 34(9): 1789-1797.Liu Qing, Wang Chendong, Li Zhanyu, Wang Yinglan. Uncertainty Quantification of Response of Buried Pipeline to High-Altitude Electromagnetic Pulse. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(9): 1789-1797.
团队介绍
刘青，女，西安科技大学副教授，硕士生导师。中国电源学会电磁兼容专业委员会委员，中国兵工学会复杂辐射场技术及应用专委会委员。
承担国家重点研发计划子课题研究任务，先后参与中国工程院重点和重大咨询项目，主持或参与陕西省教育厅科技项目、国家自然基金青年基金项目、西安科技大学青年教师培育基金等科研项目。在IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility、电工技术学报、高电压技术、电网技术等国内外有重要影响的学术刊物及国际会议上发表论文30余篇。
主要研究方向：电力系统电磁暂态仿真、电力系统过电压及其防护、电力系统电磁兼容、供电安全技术等。