一种杂散电流治理方法及系统

1.本发明涉及杂散电流防护治理领域，特别是一种杂散电流治理方法及系统。


背景技术：

2.城市轨道交通在运行时对地会产生大量杂散电流(最大可达牵引电流的10％)，杂散电流通过防腐层漏点流入流出管道，极易造成管道局部阳极极化，导致阴保系统失效、管道服役寿命缩短。杂散电流直流干扰危害严重，直流干扰的腐蚀效率可高达交流腐蚀效率的50～100倍，1a杂散电流1年内可以腐蚀掉9.13kg钢铁，能够使壁厚8mm的钢管在数月腐蚀穿孔，导致管道发生泄漏/破裂，降低管道寿命，引发重大安全事故。因而，城市轨道交通对油气管道的动态直流干扰问题已成为能源输送系统不容忽视的重大威胁。
3.为了预防辖区整段管地电位的正向偏移，阴保系统常加大阴保电流输出，将导致出现局部管地电位过负情况，大幅加剧管道氢脆风险。同时动态变化的杂散电流导致阴保系统难以快速响应，在地铁交叉/并行段仍会出现管地电位正向偏移，无法从根本上解决杂散电流干扰难题。杂散电流干扰复杂，对油气长输管道的腐蚀更趋严重，而现有阴保系统难以支撑长输管道负电位阴极保护，亟待有效治理杂散电流直流干扰问题，保障能源系统安全运行。
4.现有杂散电流治理技术主要在干扰严重区域新增一条杂散电流泄放通道，通过减少杂散电流在管道破损点的流出量维持阴保系统正常运行。现有技术多聚焦材料防腐和电化学阴极保护，排流装置智能化水平低；采用牺牲阳极接地排流，受土壤电阻限制，接地排流效果不佳，牺牲阳极损耗大，难以形成有效防护。虽然近年来也有一些杂散电流强制排流技术研究，但对于引入油气管道的杂散电流排放与吸收仍存在较大技术缺陷，如响应速度慢，体积大，不便于在站外杂散电流干扰严重处布放安装等，对杂散电流的治理效果有限，响应速度慢，无法实现杂散电流的快速跟踪。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种杂散电流治理方法及系统，提高响应速度，实现杂散电流的快速跟踪。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种杂散电流治理方法，包括以下步骤：
7.s1、采集管地电位，利用所述管地电位获取对应区域的杂散电流特征频段信息；
8.s2、利用所述杂散电流特征频段信息计算占空比，将所述占空比经pwm调制后得到杂散电流治理装置的驱动信号；
9.步骤s2中，利用所述杂散电流特征频段信息计算占空比的具体实现过程包括：
10.a)保留所述杂散电流特征频段信号u
n_filter
(k)中幅值最大的h个分量，得到优选信号u
n_m
(k)；其中m表示优选信号的编号，m∈[1,h]；
[0011]
b)对所述优选信号u
n_m
(k)进行ifft变换，得到优选信号电位u
n_m
(x)；
[0012]
c)对所述优选信号电位u
n_m
(x)取反，得到指令值u
ref
＝-u
n_m
(x)；
[0013]
d)将所述杂散电流治理装置的输出电压uo作为反馈值，并将所述指令值u
ref
与反馈值uo相减，差值经pr控制器，得到占空比d1：其中，ωm表示杂散电流的特征角频率，k
p
和kr表示pr控制器的比例系数；s为复变量；
[0014]
其中，杂散电流治理装置数量为n个，每个所述杂散电流治理装置的正极与一辅助阳极、第一参比电极连接，负极与埋地管道连接；n≥1；所述第一参比电极用于采集所述管地电位；
[0015]
所述杂散电流治理装置包括串联的双向反激变换器和全桥四象限变换器。
[0016]
本发明的杂散电流治理装置结构简单，体积小，便于在站外杂散电流干扰严重处布放；本发明通过采样管地电位提取出杂散电流特征频段信号的频段信息，通过对杂散电流干扰影响最大的几个频段信号进行分频补偿控制，进一步提高了响应速度，可快速补偿治理点的动态杂散电流，实现了治理点杂散电流的快速跟踪，解决了现有技术响应速度慢的问题。
[0017]
步骤s1的具体实现过程包括：
[0018]
1)采集任一区域n的管地电位un(x)，n∈[1,n]；
[0019]
2)将所述管地电位un(x)输入高通滤波器，滤除高频噪声干扰信号，得到滤波后的管地电位u
n_filter
(x)；
[0020]
3)对滤波后的管地电位u
n_filter
(x)进行fft变换，得到杂散电流特征频段信号u
n_filter
(k)。
[0021]
本发明采集管地电位后，对管地电位进行高通滤波，然后进行fft变换，处理过程简单，进一步提高了响应速度，实用性强。
[0022]
所述埋地管道与阴极保护装置负极连接，所述阴极保护装置正极接阳极地床、第二参比电极；所述阴极保护装置包括串联的双向反激变换器和全桥四象限变换器；所述阴极保护装置控制过程包括：
[0023]
i)获取n个杂散电流治理装置各自所在区域的管地电位，并计算每个区域的管地电位的平均值，得到任一区域n的电位平均值n∈[1,n]；
[0024]
ii)构建目标函数当目标函数f取得最小值时，判定区域n埋地管道的阴极保护平均状态处于最优水平，此时阴极保护装置的输出电流指令值为i
ref
；ue表示优化目标值；
[0025]
iii)将电流指令值i
ref
与阴极保护装置的输出电流io相减，差值经过pi控制器得到占空比d2：d2＝k
p
(i
ref-io)+ki∫(i
ref-io)dt；其中，k
p
，ki分别表示pi控制器的比例系数和积分系数；
[0026]
iv)将所述占空比d2经pwm调制，得到阴极保护装置的驱动信号。
[0027]
本发明阴极保护装置控制过程不但可以实现辖区内油气管道在杂散电流干扰下保持最优阴保(阴极保护)状态，还可以保证站内阴保装置(阴极保护装置)的出力最小。
[0028]
阴极保护电位的范围为-1.2v≤ue≤-0.85v。
[0029]
所述辅助阳极位于阴极保护主站外并埋放在埋地管道旁，所述辅助阳极中心线与所述埋地管道轴线平行，能够最大化增加辅助阳极对埋地管道的覆盖范围。
[0030]
作为一个发明构思，本发明还提供了一种杂散电流治理系统，其包括n个杂散电流治理装置；每个所述杂散电流治理装置的正极与一辅助阳极、第一电极连接，负极与埋地管道连接；n≥1；所述杂散电流治理装置包括串联的双向反激变换器和全桥四象限变换器；所述杂散电流治理装置的驱动信号由第一控制器计算得出；所述第一控制器被配置为用于实现本发明治理方法的步骤。
[0031]
本发明的杂散电流治理系统还包括阴极保护装置；所述阴极保护装置与埋地管道负极连接，所述阴极保护装置正极接阳极地床、第二电极；所述阴极保护装置包括串联的双向反激变换器和全桥四象限变换器；所述阴极保护装置的驱动信号由第二控制器计算得出；所述第二控制器被配置为用于实现阴极保护装置控制过程的步骤。
[0032]
本发明所述双向反激变换器包括稳压电容；所述稳压电容两端分别接直流电源正极和负极；所述稳压电容正极接高频变压器原边绕组一端，所述高频变压器原边绕组另一端接第一开关管；所述高频变压器副边绕组一端接第二开关管；所述第二开关管接π型lc滤波电路。
[0033]
本发明所述全桥四象限变换器包括全桥电路；所述全桥电路与所述π型lc滤波电路连接；所述全桥电路的两个桥臂中点均与lc差分滤波电路连接。
[0034]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在阴极保护主站处放置1个站内阴极保护装置，在阴保站(阴极保护主站)管辖区内各处放置n个站外杂散电流治理装置，站内站外装置共同出力，实现了整体阴极保护状态最优与局部杂散电流精准补偿，从而有效避免了轨道交通对埋地管道造成的杂散电流动态直流干扰。
附图说明
[0035]
图1为本发明实施例杂散电流综合治理系统的结构示意图；
[0036]
图2为本发明实施例杂散电流特征频段信号提取方法示意图；
[0037]
图3为本发明实施例分频补偿控制方法控制框图；
[0038]
图4为本发明实施例目标优化控制方法控制框图；
[0039]
图5为本发明实施例高频四象限双向快速有源吸收拓扑结构图。
具体实施方式
[0040]
如图1，本发明的杂散电流综合治理系统包括站内阴保单元、站外治理单元；站内阴保单元包括站内阴极保护装置、阳极地床、第二参比电极；站外治理单元包括站外杂散电流治理装置、辅助阳极、第一参比电极；系统的特点具体如下：
[0041]
(1)站外杂散电流治理装置安装在阴极保护主站外，尤其是在埋地管道与轨道交通并行、交叉等遭受杂散电流干扰严重的区域，其输出的两端通过导线分别与所述埋地管道、所述辅助阳极连接，还通过导线与第一参比电极连接。所述辅助阳极位于阴极保护主站外并平行埋放在所述埋地管道旁边。所述第一参比电极靠近埋地管道埋放，用于采集管地电位。站外杂散电流治理装置采用杂散电流特征频段提取方法对采集到的管地电位进行处理，得到该区域杂散电流特征频段信息，之后采用分频补偿控制方法，实现对站外一段区域
埋地管道的实时动态补偿；所述管地电位还会上传至所述站内阴极保护装置；
[0042]
(2)站内阴极保护装置安装在阴极保护主站内，输出负极通过导线与埋地管道连接，输出正极通过导线与所述阳极地床连接，还通过导线与第二参比电极连接；阳极地床位于阴极保护主站内并埋在地下15米以下，实现对管辖区内埋地管道的大范围阴极保护。站内阴极保护装置会对管地电位进行处理，并采用目标优化控制方法，保证管辖区内埋地管道的阴极保护平均状态处于最优水平；
[0043]
(3)站内阴极保护装置与所述站外杂散电流治理装置对应的数量关系为1：n，n为整数。站内阴极保护装置与站外杂散电流治理装置均采用同一种高频四象限双向快速有源吸收拓扑结构；高频四象限双向快速有源吸收拓扑结构包括前级双向反激变换器与后级全桥四象限变换器。
[0044]
如图2所示，杂散电流特征频段信号提取方法，实现过程包括：
[0045]
(1)第n区域站外杂散电流治理装置对该区域管地电位进行采样得到un(x)；其中，n表示某个站外杂散电流治理装置的编号，n∈[1,n]，n为大于1的整数；本发明实施例中的第1～第n个区域，是指以杂散电流治理装置的安装点为中心向四周辐射，辐射半径为1km的区域；辐射半径可以根据实际情况设置；
[0046]
(2)将所述管地电位un(x)经低通滤波器进行处理，滤除高频噪声干扰信号，得到滤波后管地电位u
n_filter
(x)；
[0047]
(3)将所述滤波后管地电位u
n_filter
(x)经fft算法处理变换到频域，得到杂散电流特征频段信号u
n_filter
(k)；fft算法的公式为：
[0048][0049]
其中，i表示虚数，x表示采样点数。
[0050]
如图3所示，分频补偿控制方法，实现过程包括：
[0051]
(1)仅保留所述杂散电流特征频段信号u
n_filter
(k)中幅值最大的h个分量，得到优选信号u
n_m
(k)；其中m表示优选信号的编号，m∈[1,h]；取h＝3；
[0052]
(2)将所述优选信号u
n_m
(k)经ifft算法处理变换到时域得到优选信号电位u
n_m
(x)；ifft算法的公式为：
[0053][0054]
(3)所述优选信号电位u
n_m
(x)取反作为指令值u
ref
＝-u
n_m
(x)，所述站外杂散电流治理装置的输出电压uo作为反馈值，指令值u
ref
与反馈值uo相减，再经过多pr并联控制器得到占空比d1；公式为：
[0055][0056]
其中，ωm表示杂散电流的特征角频率，k
p
和kr表示比例系数。
[0057]
(4)占空比d1经pwm调制后得到站外治理装置的驱动信号g1。
[0058]
如图4所示，所述目标优化控制方法，实现过程包括：
[0059]
(1)所述站内阴极保护装置对累积接收到的各区域管地电位un(x)求平均值公式为：
[0060][0061]
(2)构建目标函数当目标函数f取得最小值时，说明各区域埋地管道的阴极保护平均状态处于最优水平(阴极保护平均状态处于最优水平时阴极保护装置的输出电流指令值为i
ref
)，即通过目标优化算法进行求解(郭宇.船舶与海洋结构物阴极保护电位数值仿真与优化设计[d].哈尔滨工程大学,2013.)，得到站内阴极保护装置的输出电流指令值i
ref
。本发明实施例中，目标优化算法采用模拟退火算法，ue表示优化目标值，取值范围为-1.2v≤ue≤-0.8v；
[0062]
(3)所述站内阴极保护装置的输出电流io作为反馈值，指令值i
ref
与反馈值io相减，再经过pi控制器得到占空比d2；公式为：
[0063]
d2＝k
p
(i
ref-io)+ki∫(i
ref-io)dt；
[0064]
其中，k
p
，ki分别表示pi控制器的比例系数和积分系数。
[0065]
如图5所示，本发明杂散电流治理装置和阴极保护装置结构相同。图5中，双向反激变换器作为前级，与作为后级的所述全桥四象限变换器连接。所述双向反激变换器包括稳压电容c1、第一开关管s1、高频变压器t1、第二开关管s2、π型lc滤波电路。其中，所述稳压电容c1两端分别接直流电源正极和负极，用于稳压；所述稳压电容正极接所述高频变压器原边绕组一端，所述高频变压器原边绕组另一端接所述第一开关管；所述第一开关管s1用于将输入的直流电压转化为高频交流电压；所述高频变压器t1用于隔离和传递高频交流电压；所述高频变压器副边绕组一端接所述第二开关管s2；所述第二开关管s2另一端接所述π型lc滤波电路；所述第二开关管s2与所述第一开关管s1互补导通，用于将高频交流电压整流为直流电压；所述π型lc滤波电路由第二电容c2，第一电感l1，第三电容c3组成，第二电容c2、第三电容c3并联，第二电容c2正极接入第二开关管s2与第一电感l1一端之间，第一电感l1另一端与第三电容c3正极连接，π型lc滤波电路用于稳压和滤除高频谐波。
[0066]
所述全桥四象限变换器包括全桥电路与lc差分滤波电路；所述全桥电路与所述π型lc滤波电路连接；所述全桥电路的两个桥臂中点均与所述lc差分滤波电路连接；所述全桥电路由第三开关管s3、第四开关管s4、第五开关管s5、第六开关管s6组成，用于产生四象限输出；所述lc差分滤波电路由第二电感l2、第四电容c4、第三电感l3组成，用于滤除高频谐波。
[0067]
本发明一种实现方式中，杂散电流治理装置的驱动信号由第一控制器给出，第一控制器被配置为用于实现上述实施例中的杂散电流特征频段信号提取方法和分频补偿控制方法。
[0068]
本发明一种实现方式中，阴极保护装置的驱动信号由第二控制器给出，第二控制器被配置为用于实现上述实施例中目标优化控制方法。
[0069]
本发明实施例中的第一控制器和第二控制器，可以是相同型号的控制器，也可以是不同型号的控制器。