确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的方法及系统与流程

1.本发明涉及直流接地极对埋地油气管道影响防护领域，并且更具体地，涉及一种确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的方法及系统。


背景技术：

2.直流输电系统接地极会对附近的埋地油气管道产生影响，在直流接地极与油气管道均十分密集的地方，直流接地极入地电流对附近油气管道的影响会很大。实际的埋地油气管道上使用了多种防护设施，主要包括绝缘接头、局部接地、牺牲阳极、强制阴极排流等。这些防护措施的存在会改变接地极入地电流对管道的影响，其中强制阴极保护电源是唯一一个有源防护设备，而且是可以根据干扰大小主动调节输出的设备。但是，油气管道上的阴极保护电源是针对自然腐蚀来设计的，很难应对高压直流接地极电流的影响。自然条件下的杂散电流幅值通常很小，长距离管道上的杂散电流分布没有规律，管道上目前使用的阴极保护设备的输出能力足以解决杂散电流引起的管道干扰问题，而直流接地极入地电流有电流幅值大（数千安）、短时间内稳定且电流方向固定的特点，受直接接地极电流干扰后，现有管道上的阴极保护系统由于输出能力小（通常最大输出电流为10～20a），且只能单向输出，很难解决接地极电流影响的干扰问题。比如，直流接地极阳极运行，流出数千安电流时，距直流接地极较近的管道处电位负偏，如果负偏过多，管道会有氢脆风险，两侧的管道可能会有腐蚀风险；直流接地极阴极运行，流入数千安电流时，距直流接地极较近的管道处电位正偏，管道会有腐蚀风险，两侧的管道可能会有氢脆风险。部分影响更严重的情况，甚至会导致阴极保护设备无法正常工作，给管道的安全运行带来巨大隐患。另外，管道上现有的阴极保护电源无法协同调节，阴极保护电源只能通过调节输出电流大小来改变参考点的电位，至于其他位置的电位大小则不予考虑，这就会导致对于有阴保电源的位置附近的管道不会发生腐蚀或产生氢脆风险，但是距阴保电源有一定距离的管道区域还是会发生腐蚀或产生氢脆风险。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中油气管道阴极保护装置输出能力小，只能单向输出，且只能通过调节输出电流大小改变参考点电位，而无法协调调节，导致无法有效保护油气管道安全运行，避免直流接地极干扰的问题，本发明提供一种确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的方法及系统。
4.根据本发明的一方面，本发明提供一种确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的方法，所述方法包括：根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极电流影响下的油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布；根据所述油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布确定直流接地极对油气管道的干扰等级；
根据所述油气管道极化电位分布和所述干扰等级确定拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量；根据拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，以及设置的阴极保护电源优化配置的目标函数与约束条件，采用自适应控制算法确定阴极保护电源最优配置参数，所述阴极保护电源最优配置参数包括电源数量，电源位置，电源输出电流值和方向。
5.可选地，根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极电流影响下的油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布，包括：将油气管道分段等效成包覆绝缘层的空心圆柱导体，将直流接地极分段等效成圆柱导体，以矩量法和电路理论为基础，建立直流接地极和油气管道的电路模型；基于所述直流接地极和油气管道的电路模型，根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极和油气管道上的泄漏电流，其中，直流接地极参数包括直流接地极位置、布置型式、材料及尺寸、入地电流方向及大小；油气管道参数包括油气管道位置、管径及埋深、防腐层类型及厚度、已有其他防护措施信息；土壤参数包括土壤结构、每层土壤电阻率及厚度；根据所述油气管道上的泄漏电流和设置的管道破损率计算油气管道最大泄漏电流密度；根据所述直流接地极和油气管道上的泄漏电流，计算油气管道的管道极化电位分布。
6.可选地，根据所述油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布确定直流接地极对油气管道的干扰等级，包括：根据所述油气管道最大泄漏电流密度，通过法拉第电解定律计算油气管道的年腐蚀深度；根据第一比较结果和/或第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级，其中，所述第一比较结果是所述年腐蚀深度和设置的深度阈值进行比较的结果，所述第二比较结果是所述油气管道极化电位分布和设置的电位区间的比较结果。
7.可选地，根据第一比较结果和/或第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级，包括：根据所述年腐蚀深度和设置的深度阈值确定第一比较结果，其中：当h1＜h＜h2时，确定第一比较结果为一般干扰，当h≥h2时，确定第一比较结果为严重干扰，当h≤h1时，确定第一比较结果为无干扰，式中，h为所述年腐蚀深度，h1为第一深度阈值，h2为第二深度阈值，且h1＜h2；根据所述油气管道极化电位分布和设置的电位区间确定第二比较结果，其中：当u
min1
＜u1＜u
min0
，或者u
max0
＜u2＜u
max1
时，确定第二比较结果为一般干扰，当u1≤u
min1
，或者u2≥u
max1
时，确定第二比较结果为严重干扰，当u
min0
≤u1＜u
max0
时，确定第二比较结果为无干扰，式中，u1和u2分别为所述油气管道极化电位分布的下限值和上限值，u
min0
和u
max0
分别为管道极化电位正常区间的下限值和上限值，u
min1
和u
max1
分别为确定管道极化电位严重异常的下限值和上限值；当采用第一比较结果和第二比较结果，或者只采用第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级时，以第二比较结果作为直流接地极对油气管道的干扰等级；当只
采用第一比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级时，以第一比较结果作为直流接地极对油气管道的干扰等级。
8.可选地，根据所述油气管道极化电位分布和所述干扰等级确定拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，包括：当干扰等级为一般干扰时，设置2n+1个阴极保护电源，其中，油气管道极化电位最大处设置1个作为中心阴极保护电源，剩余2n个以中心阴极保护电源为中心沿油气管道对称分布，n为自然数；当干扰等级为严重干扰时，使用2个绝缘接头将油气管道分成电气独立的三段，其中，所述绝缘接头位置选择的依据为分段后的三段管道的最大泄漏电流密度基本相等，中间管道设置2n+1个阴极保护电源，其中，油气管道极化电位最大处设置1个作为中心阴极保护电源，剩余2n个以中心阴极保护电源为中心沿油气管道对称分布，其余两段管道分别设置p个和q个阴极保护电源，p和q为自然数。
9.可选地，根据拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，以及设置的阴极保护电源优化配置的目标函数与约束条件，采用自适应控制算法确定阴极保护电源最佳配置，包括：步骤601，令中心阴极保护电源的位置坐标为0，根据阴极保护电源优化配置的约束条件确定拟配置的阴极保护电源的迭代初始值，生成n个粒子，其中，所述迭代初始值包括拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量s，电源位置迭代初始值和电源输出电流初始值，每个粒子代表s个拟配置的阴极保护电源的位置坐标，以及输出电流值和方向的组合，所述约束条件包括任意两个相邻阴极保护电源的距离不小于距离阈值，阴极保护电源输出电流值不大于电流阈值；步骤602，采用粒子群算法，基于n个粒子确定的油气管道的最大泄漏电流密度和管道极化电位分布计算目标函数值，确定第t次迭代的n个粒子中的全局最优解和每个粒子的个体最优解，其中，t的初始值为1，当只根据第一比较结果确定干扰等级时，所述目标函数w的表达式为：数w的表达式为：式中，max(ch)为管道最大年腐蚀深度，s为阴保电源数量；为不同位置阴保电源输出电流向量，m为管道上的采样节点数，ui和ji分别为采样节点i的管道极化电位和泄漏电流密度，mean(u)和mean(j)分别表示管道上所有采样节点管道极化电位平均值和泄漏电流密度平均值，c1，c2，c3，c4，c5分别表示不同目标项的惩罚系数(无量纲)；当只根据第二比较结果确定干扰等级，或者根据第一比较结果和第二比较结果确定干扰等级时，所述目标函数w的表达式为：
式中，max(max(u)+u
max0
,0)+max(u
min0-min(u)+,0)表示管道极化电位与管道极化电位正常区间的下限值和上限值的差值；步骤603，当第t次迭代的目标函数值满足收敛条件时，结束迭代，取第t次迭代的全局最优解为阴极保护电源最佳配置，其中，所述收敛条件为t≤t，且满足∣w
t-w
t-1
∣＜a的次数大于b，t为迭代次数阈值，w
t
和w
t-1
分别为第t次和第t-1次迭代的目标函数值，a为收敛阈值，是一个常数，b为自然数；步骤604，当第t次迭代的目标函数值不满足收敛条件时，根据所述全局最优解和每个粒子对应的个体最优解，生成对每个粒子进行速度向量和位置向量的更新后的n个粒子，所述位置向量包括电源数量，电源位置和电源输出电流，所述速度向量是位置向量的更新方向，令t=t+1，返回步骤602，其中，所述粒子进行速度向量和位置向量更新的公式为：所述粒子进行速度向量和位置向量更新的公式为：式中，i为粒子的序号，1≤i≤n，n为粒子的总数；d为粒子变量的维度；t为迭代次数；v
id
(t)表示第t次迭代中第i个粒子第d维分量的速度矢量；x
id
(t)表示第t次迭代中第i个粒子第d维分量的位置矢量；pbest
id
表示第i个粒子第d维分量当前个体最优解，用gbestd表示第d维分量当前全局最优解；w为惯性因子，其值为非负数，其值较大时，全局寻优能力强，局部寻优能力弱，反之相反；c1和c2分别为个体学习因子和群体学习因子，rand()为介于0到1之间的随机数。
10.根据本发明的另一方面，本发明提供一种确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的系统，所述系统包括：参数计算单元，用于根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极电流影响下的油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布；干扰等级单元，用于根据所述油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布确定直流接地极对油气管道的干扰等级；电源数量单元，用于根据所述油气管道极化电位分布和所述干扰等级确定拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量；电源配置单元，用于根据拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，以及设置的阴极保护电源优化配置的目标函数与约束条件，采用自适应控制算法确定阴极保护电源最优配置参数，所述阴极保护电源最优配置参数包括电源数量，电源位置，电源输出电流值和方向。
11.可选地，参数计算单元根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极电流影响下的油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布，包括：将油气管道分段等效成包覆绝缘层的空心圆柱导体，将直流接地极分段等效成圆柱导体，以矩量法和电路理论为基础，建立直流接地极和油气管道的电路模型；
基于所述直流接地极和油气管道的电路模型，根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极和油气管道上的泄漏电流，其中，直流接地极参数包括直流接地极位置、布置型式、材料及尺寸、入地电流方向及大小；油气管道参数包括油气管道位置、管径及埋深、防腐层类型及厚度、已有其他防护措施信息；土壤参数包括土壤结构、每层土壤电阻率及厚度；根据所述油气管道上的泄漏电流和设置的管道破损率计算油气管道最大泄漏电流密度；根据所述直流接地极和油气管道上的泄漏电流，计算油气管道的管道极化电位分布。
12.可选地，干扰等级单元根据所述油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布确定直流接地极对油气管道的干扰等级，包括：根据所述油气管道最大泄漏电流密度，通过法拉第电解定律计算油气管道的年腐蚀深度；根据第一比较结果和/或第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级，其中，所述第一比较结果是所述年腐蚀深度和设置的深度阈值进行比较的结果，所述第二比较结果是所述油气管道极化电位分布和设置的电位区间的比较结果。
13.可选地，干扰等级单元根据第一比较结果和/或第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级，包括：根据所述年腐蚀深度和设置的深度阈值确定第一比较结果，其中：当h1＜h＜h2时，确定第一比较结果为一般干扰，当h≥h2时，确定第一比较结果为严重干扰，当h≤h1时，确定第一比较结果为无干扰，式中，h为所述年腐蚀深度，h1为第一深度阈值，h2为第二深度阈值，且h1＜h2；根据所述油气管道极化电位分布和设置的电位区间确定第二比较结果，其中：当u
min1
＜u1＜u
min0
，或者u
max0
＜u2＜u
max1
时，确定第二比较结果为一般干扰，当u1≤u
min1
，或者u2≥u
max1
时，确定第二比较结果为严重干扰，当u
min0
≤u1＜u
max0
时，确定第二比较结果为无干扰，式中，u1和u2分别为所述油气管道极化电位分布的下限值和上限值，u
min0
和u
max0
分别为管道极化电位正常区间的下限值和上限值，u
min1
和u
max1
分别为确定管道极化电位严重异常的下限值和上限值；当采用第一比较结果和第二比较结果，或者只采用第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级时，以第二比较结果作为直流接地极对油气管道的干扰等级；当只采用第一比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级时，以第一比较结果作为直流接地极对油气管道的干扰等级。
14.可选地，电源数量单元根据所述油气管道极化电位分布和所述干扰等级确定拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，包括：当干扰等级为一般干扰时，设置2n+1个阴极保护电源，其中，油气管道极化电位最大处设置1个作为中心阴极保护电源，剩余2n个以中心阴极保护电源为中心沿油气管道对称分布，n为自然数；当干扰等级为严重干扰时，使用2个绝缘接头将油气管道分成电气独立的三段，其中，所述绝缘接头位置选择的依据为分段后的三段管道的最大泄漏电流密度基本相等，中
间管道设置2n+1个阴极保护电源，其中，油气管道极化电位最大处设置1个作为中心阴极保护电源，剩余2n个以中心阴极保护电源为中心沿油气管道对称分布，其余两段管道分别设置p个和q个阴极保护电源，p和q为自然数。
15.可选地，电源配置单元根据拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，以及设置的阴极保护电源优化配置的目标函数与约束条件，采用自适应控制算法确定阴极保护电源最佳配置，包括：步骤601，令中心阴极保护电源的位置坐标为0，根据阴极保护电源优化配置的约束条件确定拟配置的阴极保护电源的迭代初始值，生成n个粒子，其中，所述迭代初始值包括拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量s，电源位置迭代初始值和电源输出电流初始值，每个粒子代表s个拟配置的阴极保护电源的位置坐标，以及输出电流值和方向的组合，所述约束条件包括任意两个相邻阴极保护电源的距离不小于距离阈值，阴极保护电源输出电流值不大于电流阈值；步骤602，采用粒子群算法，基于n个粒子确定的油气管道的最大泄漏电流密度和管道极化电位分布计算目标函数值，确定第t次迭代的n个粒子中的全局最优解和每个粒子的个体最优解，其中，t的初始值为1，当只根据第一比较结果确定干扰等级时，所述目标函数w的表达式为：数w的表达式为：式中，max(ch)为管道最大年腐蚀深度，s为阴保电源数量； 为不同位置阴保电源输出电流向量，m为管道上的采样节点数，ui和ji分别为采样节点i的管道极化电位和泄漏电流密度，mean(u)和mean(j)分别表示管道上所有采样节点管道极化电位平均值和泄漏电流密度平均值，c1，c2，c3，c4，c5分别表示不同目标项的惩罚系数(无量纲)；当只根据第二比较结果确定干扰等级，或者根据第一比较结果和第二比较结果确定干扰等级时，所述目标函数w的表达式为：所述目标函数w的表达式为：式中，max(max(u)+u
max0
,0)+max(u
min0-min(u)+,0)表示管道极化电位与管道极化电位正常区间的下限值和上限值的差值；步骤603，当第t次迭代的目标函数值满足收敛条件时，结束迭代，取第t次迭代的全局最优解为阴极保护电源最佳配置，其中，所述收敛条件为t≤t，且满足∣w
t-w
t-1
∣＜a的次数大于b，t为迭代次数阈值，w
t
和w
t-1
分别为第t次和第t-1次迭代的目标函数值，a为收敛阈值，是一个常数，b为自然数；步骤604，当第t次迭代的目标函数值不满足收敛条件时，根据所述全局最优解和
每个粒子对应的个体最优解，生成对每个粒子进行速度向量和位置向量的更新后的n个粒子，所述位置向量包括电源数量，电源位置和电源输出电流，所述速度向量是位置向量的更新方向，令t=t+1，返回步骤602，其中，所述粒子进行速度向量和位置向量更新的公式为：所述粒子进行速度向量和位置向量更新的公式为：式中，i为粒子的序号，1≤i≤n，n为粒子的总数；d为粒子变量的维度；t为迭代次数；v
id
(t)表示第t次迭代中第i个粒子第d维分量的速度矢量；x
id
(t)表示第t次迭代中第i个粒子第d维分量的位置矢量；pbest
id
表示第i个粒子第d维分量当前个体最优解，用gbestd表示第d维分量当前全局最优解；w为惯性因子，其值为非负数，其值较大时，全局寻优能力强，局部寻优能力弱，反之相反；c1和c2分别为个体学习因子和群体学习因子，rand()为介于0到1之间的随机数。
16.本发明技术方案提供的确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的方法及系统根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极电流影响下的油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布；根据所述油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布确定直流接地极对油气管道的干扰等级；根据所述油气管道极化电位分布和所述干扰等级确定拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量；根据拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，以及设置的阴极保护电源优化配置的目标函数与约束条件，采用自适应控制算法确定阴极保护电源最优配置参数，所述阴极保护电源最优配置参数包括电源数量，电源位置，电源输出电流值和方向。所述方法和系统通过对油气管道中的双向输出大功率阴极保护电源进行优化配置，不仅提高了阴保电源的输出能力，实现了对管道极化电位进行双向调节，而且还能使配置的多个阴保电源进行联合控制，使得每一个阴保电源的输出电流对于调节管道的整体电位分布都是最优的，从而大幅提高待建/已建管道阴保系统的设计效率，并能根据各位置所需的阴保电源输出能力给出不同位置阴保电源的推荐配置，可以指导工程设计，且更加经济有效。
附图说明
17.通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：图1为根据本发明优选实施方式的确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的方法的流程图；图2为根据本发明优选实施方式的直流接地极与油气管道位置示意图；图3为根据本发明优选实施方式的直流接地极电流5000a时油气管道电流泄漏密度与管道极化电位变化曲线示意图；图4为根据本发明优选实施方式的直流接地极电流50a时油气管道电流泄漏密度与管道极化电位变化曲线示意图；图5为根据本发明优选实施方式的采用粒子算法进行双向输出大功率阴极保护电源配置时的目标函数值曲线图；图6为根据本发明优选实施方式确定双向输出大功率阴极保护电源最优配置时的
油气管道电流泄漏密度与管道极化电位变化曲线示意图；图7为根据本发明优选实施方式的确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的系统的结构示意图。
具体实施方式
18.现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
19.除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
20.图1为根据本发明优选实施方式的确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的方法的流程图。如图1所示，本优选实施方式所述的确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的方法从步骤101开始。
21.在步骤101，根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极电流影响下的油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布。
22.优选地，根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极电流影响下的油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布，包括：将油气管道分段等效成包覆绝缘层的空心圆柱导体，将直流接地极分段等效成圆柱导体，以矩量法和电路理论为基础，建立直流接地极和油气管道的电路模型；基于所述直流接地极和油气管道的电路模型，根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极和油气管道上的泄漏电流，其中，直流接地极参数包括直流接地极位置、布置型式、材料及尺寸、入地电流方向及大小；油气管道参数包括油气管道位置、管径及埋深、防腐层类型及厚度、已有其他防护措施信息；土壤参数包括土壤结构、每层土壤电阻率及厚度；根据所述油气管道上的泄漏电流和设置的管道破损率计算油气管道最大泄漏电流密度；根据所述直流接地极和油气管道上的泄漏电流，计算油气管道的管道极化电位分布。
23.在步骤102，根据所述油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布确定直流接地极对油气管道的干扰等级。
24.优选地，根据所述油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布确定直流接地极对油气管道的干扰等级，包括：根据所述油气管道最大泄漏电流密度，通过法拉第电解定律计算油气管道的年腐蚀深度；根据第一比较结果和/或第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级，其中，所述第一比较结果是所述年腐蚀深度和设置的深度阈值进行比较的结果，所述第二
比较结果是所述油气管道极化电位分布和设置的电位区间的比较结果。
25.优选地，根据第一比较结果和/或第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级，包括：根据所述年腐蚀深度和设置的深度阈值确定第一比较结果，其中：当h1＜h＜h2时，确定第一比较结果为一般干扰，当h≥h2时，确定第一比较结果为严重干扰，当h≤h1时，确定第一比较结果为无干扰，式中，h为所述年腐蚀深度，h1为第一深度阈值，h2为第二深度阈值，且h1＜h2；根据所述油气管道极化电位分布和设置的电位区间确定第二比较结果，其中：当u
min1
＜u1＜u
min0
，或者u
max0
＜u2＜u
max1
时，确定第二比较结果为一般干扰，当u1≤u
min1
，或者u2≥u
max1
时，确定第二比较结果为严重干扰，当u
min0
≤u1＜u
max0
时，确定第二比较结果为无干扰，式中，u1和u2分别为所述油气管道极化电位分布的下限值和上限值，u
min0
和u
max0
分别为管道极化电位正常区间的下限值和上限值，u
min1
和u
max1
分别为确定管道极化电位严重异常的下限值和上限值；当采用第一比较结果和第二比较结果，或者只采用第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级时，以第二比较结果作为直流接地极对油气管道的干扰等级；当只采用第一比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级时，以第一比较结果作为直流接地极对油气管道的干扰等级。
26.在一个实施例中，根据相关标准的规定，管道的年腐蚀深度不能超过0.0254mm，管道极化电位要在-0.85v～-1.2v之间，因此，第一深度阈值可设置为0.0254mm，第二深度阈值则可根据实际设计或保护需求设置为大于第一深度阈值的任何常数，管道极化电位正常区间的下限值和上限值可分别设置为-1.2v和-0.85v，管道极化电位严重异常的下限值和上限值可分别设置为小于-1.2v，大于-0.85的任何常数，例如-2.2v和0。在实践中，当管道极化电位位于正常区间时，管道的电位负于自然电位，泄漏电流都是流入管道方向，管道不会受到腐蚀，因此，自然满足管道年腐蚀限值要求。基于此，在确定直流接地极对油气管道的干扰等级时，如果只考虑年腐蚀深度或者管道极化电位时，则只需分别考虑对应的比较结果即可，如果同时考虑年腐蚀深度和管道极化电位时，由于管道极化电位在正常区间时，自然满足管道年腐蚀限值要求，因此，只需要考虑第二比较结果即可。
27.在另一个实施例中，对具有以下工程参数的系统进行双向输出大功率阴极保护电源的优化配置。所述工程参数包括：直流接地极阴极运行，流入电流5000a（双极不平衡运行时接地极电流为额定电流的1%，为50a），极环材料为φ70圆钢，接地极距管道的最近距离20km，管道全长200km，外径1016mm，壁厚12mm，3pe防腐层电阻率105ω
·
m2，厚3mm，破损率为0.03%，土壤电阻率100ω
·
m。直流接地极与管道的相对位置关系见图2。
28.图2为根据本发明优选实施方式的直流接地极与油气管道位置示意图。如图2所示，油气管道全长200km，接地极与油气管道的最近距离20km，将接地极与油气管道最近距离投射在管道上的位置作为坐标原点。
29.图3为根据本发明优选实施方式的直流接地极电流5000a时油气管道电流泄漏密度与管道极化电位变化曲线示意图。如图3所示，接地极阴极运行，流入5000a电流时，从变化趋势看，直流接地极距离管道最近位置的泄漏电流密度和极化电位最大，随着距离绝对值的增加，泄漏电流密度和极化电位变小。其中，管道最大泄漏电流密度为0.898a/m2，出现
在距接地极最近的管道处，。
30.图4为根据本发明优选实施方式的直流接地极电流50a时油气管道电流泄漏密度与管道极化电位变化曲线示意图。如图4所示，当直流工程双极运行，流入50a电流时，油气管道的泄漏电流密度和极化电位变化趋势与图3相同，即直流接地极距离管道最近位置的泄漏电流密度和极化电位最大，随着距离绝对值的增加，泄漏电流密度和极化电位变小。管道最大泄漏电流密度不超过0.007a/m2，最大值也出现在距接地极最近的管道处。
31.根据直流输电工程各工况运行时间统计结果，结合法拉第电解定律，可得出直流接地极在两种输出电流的综合影响下，管道年腐蚀深度为0.0119mm，不超过0.0254mm/a的第一深度阈值，因此，第一比较结果为无干扰。
32.从图3可知，接地极阴极运行，流入5000a电流时，管道极化电位范围为-0.03v~-0.47v，不在管道极化电位的正常区间（-0.85v～-1.20v）。从管道最大泄漏电流密度数据可知，该算例中接地极电流对管道影响不大，而根据设置的严重干扰区分限值0，管道极化电位范围为-0.03v~-0.47v在-0.85～0的区间内，因此第二比较结果属于一般干扰情况，仅使用阴极保护电源治理即可。
33.在步骤103，根据所述油气管道极化电位分布和所述干扰等级确定拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量。
34.优选地，根据所述油气管道极化电位分布和所述干扰等级确定拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，包括：当干扰等级为一般干扰时，设置2n+1个阴极保护电源，其中，油气管道极化电位最大处设置1个作为中心阴极保护电源，剩余2n个以中心阴极保护电源为中心沿油气管道对称分布，n为自然数；当干扰等级为严重干扰时，使用2个绝缘接头将油气管道分成电气独立的三段，其中，所述绝缘接头位置选择的依据为分段后的三段管道的最大泄漏电流密度基本相等，中间管道设置2n+1个阴极保护电源，其中，油气管道极化电位最大处设置1个作为中心阴极保护电源，剩余2n个以中心阴极保护电源为中心沿油气管道对称分布，其余两段管道分别设置p个和q个阴极保护电源，p和q为自然数。
35.在上述实施例中，当以第二比较结果确定干扰等级时，为一般干扰。因此，在管道上设置3个阴保电源，一个位于管道中间位置，另外两个以管道中间位置为中心，在管道两侧对称分布。
36.在步骤104，根据拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，以及设置的阴极保护电源优化配置的目标函数与约束条件，采用自适应控制算法确定阴极保护电源最优配置参数，所述阴极保护电源最优配置参数包括电源数量，电源位置，电源输出电流值和方向。
37.优选地，根据拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，以及设置的阴极保护电源优化配置的目标函数与约束条件，采用自适应控制算法确定阴极保护电源最佳配置，包括：步骤601，令中心阴极保护电源的位置坐标为0，根据阴极保护电源优化配置的约束条件确定拟配置的阴极保护电源的迭代初始值，生成n个粒子，其中，所述迭代初始值包括拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量s，电源位置迭代初始值和电源输出电流
初始值，每个粒子代表s个拟配置的阴极保护电源的位置坐标，以及输出电流值和方向的组合，所述约束条件包括任意两个相邻阴极保护电源的距离不小于距离阈值，阴极保护电源输出电流值不大于电流阈值；步骤602，采用粒子群算法，基于n个粒子确定的油气管道的最大泄漏电流密度和管道极化电位分布计算目标函数值，确定第t次迭代的n个粒子中的全局最优解和每个粒子的个体最优解，其中，t的初始值为1，当只根据第一比较结果确定干扰等级时，所述目标函数w的表达式为：数w的表达式为：式中，max(ch)为管道最大年腐蚀深度，s为阴保电源数量；为不同位置阴保电源输出电流向量，m为管道上的采样节点数，ui和ji分别为采样节点i的管道极化电位和泄漏电流密度，mean(u)和mean(j)分别表示管道上所有采样节点管道极化电位平均值和泄漏电流密度平均值，c1，c2，c3，c4，c5分别表示不同目标项的惩罚系数(无量纲)；当只根据第二比较结果确定干扰等级，或者根据第一比较结果和第二比较结果确定干扰等级时，所述目标函数w的表达式为：所述目标函数w的表达式为：式中，max(max(u)+u
max0
,0)+max(u
min0-min(u)+,0)表示管道极化电位与管道极化电位正常区间的下限值和上限值的差值；步骤603，当第t次迭代的目标函数值满足收敛条件时，结束迭代，取第t次迭代的全局最优解为阴极保护电源最佳配置，其中，所述收敛条件为t≤t，且满足∣w
t-w
t-1
∣＜a的次数大于b，t为迭代次数阈值，w
t
和w
t-1
分别为第t次和第t-1次迭代的目标函数值，a为收敛阈值，是一个常数，b为自然数；步骤604，当第t次迭代的目标函数值不满足收敛条件时，根据所述全局最优解和每个粒子对应的个体最优解，生成对每个粒子进行速度向量和位置向量的更新后的n个粒子，所述位置向量包括电源数量，电源位置和电源输出电流，所述速度向量是位置向量的更新方向，令t=t+1，返回步骤602，其中，所述粒子进行速度向量和位置向量更新的公式为：所述粒子进行速度向量和位置向量更新的公式为：式中，i为粒子的序号，1≤i≤n，n为粒子的总数；d为粒子变量的维度；t为迭代次
15.8km、27.6a，0、27.2a，15.8km、27.6a）对油气管道进行布置，也即管道中间位置布置一个阴保电源，从管道抽出27.2a电流，管道中间点两侧各15.8km处分别布置一个阴保电源，从管道抽出27.6a电流后，管道最大极化电位为-0.85v、最小极化电位为-1.2v，管道泄漏电流都是流入管道方向，而根据泄漏电流密度变化与管道极化电位的变化趋势基本吻合，因此管道不腐蚀，所以年腐蚀深度为0。
41.需要注意的是，当根据第二比较结果确定干扰等级时对应的目标函数可知，目标函数值的大小与管道极化电位，阴极保护电源数量，电源输出电流值和方向，泄漏电流密度变化平滑度（通过惩罚系数c4后的表达式反映）和管道极化电位变化平滑度（通过惩罚系数 c5后的表达式反映）有关，通过对c1，c2，c3，c4，c5设置不同的权重来决定以哪一个变量为优选考虑因素来进行优化配置。例如，当c1，c3，c4，c5为0，而c2等于1时，表示用所需的阴保电源数量最小的一个粒子作为最优解，而当c1，c2，c4，c5为0，而c3等于1时，则表示用同样阴保电源数量下所需阴保电流最小的一组作为最优解，其他以此类推。
42.另一个需要注意的是，本发明保护的是根据直流接地极影响，确定油气管道需配置的双向输出大功率阴极保护电源的最优配置的方法，因此，采取自适应控制算法进行配置时，只考虑了阴极保护电源的数量，输出电流值和方向的组合的优化配置，但并不意味着本发明的保护只限于阴极保护电源的配置，实际上也可以是阴保电源的配置与牺牲阳极位置、长度，或其他防护措施的组合。同理，本实施例为了实现多个阴极保护电源的联合控制，采用的自适应控制算法为粒子群算法，但其他可以实现自适应控制的算法，如遗传算法、免疫算法、蚁群算法、神经网络算法、模拟退火算法等也在本发明的保护范围内。
43.图7为根据本发明优选实施方式的确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的系统的结构示意图。如图7所示，本优选实施方式所述的确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的系统包括：参数计算单元701，用于根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极电流影响下的油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布；干扰等级单元702，用于根据所述油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布确定直流接地极对油气管道的干扰等级；电源数量单元703，用于根据所述油气管道极化电位分布和所述干扰等级确定拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量；电源配置单元704，用于根据拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，以及设置的阴极保护电源优化配置的目标函数与约束条件，采用自适应控制算法确定阴极保护电源最优配置参数，所述阴极保护电源最优配置参数包括电源数量，电源位置，电源输出电流值和方向。
44.优选地，参数计算单元701根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极电流影响下的油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布，包括：将油气管道分段等效成包覆绝缘层的空心圆柱导体，将直流接地极分段等效成圆柱导体，以矩量法和电路理论为基础，建立直流接地极和油气管道的电路模型；基于所述直流接地极和油气管道的电路模型，根据直流接地极参数、油气管道参数和土壤参数计算直流接地极和油气管道上的泄漏电流，其中，直流接地极参数包括直流接地极位置、布置型式、材料及尺寸、入地电流方向及大小；油气管道参数包括油气管道位
置、管径及埋深、防腐层类型及厚度、已有其他防护措施信息；土壤参数包括土壤结构、每层土壤电阻率及厚度；根据所述油气管道上的泄漏电流和设置的管道破损率计算油气管道最大泄漏电流密度；根据所述直流接地极和油气管道上的泄漏电流，计算油气管道的管道极化电位分布。
45.优选地，干扰等级单元702根据所述油气管道最大泄漏电流密度和油气管道极化电位分布确定直流接地极对油气管道的干扰等级，包括：根据所述油气管道最大泄漏电流密度，通过法拉第电解定律计算油气管道的年腐蚀深度；根据第一比较结果和/或第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级，其中，所述第一比较结果是所述年腐蚀深度和设置的深度阈值进行比较的结果，所述第二比较结果是所述油气管道极化电位分布和设置的电位区间的比较结果。
46.优选地，干扰等级单元702根据第一比较结果和/或第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级，包括：根据所述年腐蚀深度和设置的深度阈值确定第一比较结果，其中：当h1＜h＜h2时，确定第一比较结果为一般干扰，当h≥h2时，确定第一比较结果为严重干扰，当h≤h1时，确定第一比较结果为无干扰，式中，h为所述年腐蚀深度，h1为第一深度阈值，h2为第二深度阈值，且h1＜h2；根据所述油气管道极化电位分布和设置的电位区间确定第二比较结果，其中：当u
min1
＜u1＜u
min0
，或者u
max0
＜u2＜u
max1
时，确定第二比较结果为一般干扰，当u1≤u
min1
，或者u2≥u
max1
时，确定第二比较结果为严重干扰，当u
min0
≤u1＜u
max0
时，确定第二比较结果为无干扰，式中，u1和u2分别为所述油气管道极化电位分布的下限值和上限值，u
min0
和u
max0
分别为管道极化电位正常区间的下限值和上限值，u
min1
和u
max1
分别为确定管道极化电位严重异常的下限值和上限值；当采用第一比较结果和第二比较结果，或者只采用第二比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级时，以第二比较结果作为直流接地极对油气管道的干扰等级；当只采用第一比较结果确定直流接地极对油气管道的干扰等级时，以第一比较结果作为直流接地极对油气管道的干扰等级。
47.优选地，电源数量单元703根据所述油气管道极化电位分布和所述干扰等级确定拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，包括：当干扰等级为一般干扰时，设置2n+1个阴极保护电源，其中，油气管道极化电位最大处设置1个作为中心阴极保护电源，剩余2n个以中心阴极保护电源为中心沿油气管道对称分布，n为自然数；当干扰等级为严重干扰时，使用2个绝缘接头将油气管道分成电气独立的三段，其中，所述绝缘接头位置选择的依据为分段后的三段管道的最大泄漏电流密度基本相等，中间管道设置2n+1个阴极保护电源，其中，油气管道极化电位最大处设置1个作为中心阴极保护电源，剩余2n个以中心阴极保护电源为中心沿油气管道对称分布，其余两段管道分别设置p个和q个阴极保护电源，p和q为自然数。
48.优选地，电源配置单元704根据拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量，以及设置的阴极保护电源优化配置的目标函数与约束条件，采用自适应控制算法确定阴极保护电源最佳配置，包括：步骤601，令中心阴极保护电源的位置坐标为0，根据阴极保护电源优化配置的约束条件确定拟配置的阴极保护电源的迭代初始值，生成n个粒子，其中，所述迭代初始值包括拟配置的双向输出大功率阴极保护电源的数量s，电源位置迭代初始值和电源输出电流初始值，每个粒子代表s个拟配置的阴极保护电源的位置坐标，以及输出电流值和方向的组合，所述约束条件包括任意两个相邻阴极保护电源的距离不小于距离阈值，阴极保护电源输出电流值不大于电流阈值；步骤602，采用粒子群算法，基于n个粒子确定的油气管道的最大泄漏电流密度和管道极化电位分布计算目标函数值，确定第t次迭代的n个粒子中的全局最优解和每个粒子的个体最优解，其中，t的初始值为1，当只根据第一比较结果确定干扰等级时，所述目标函数w的表达式为：数w的表达式为：式中，max(ch)为管道最大年腐蚀深度，s为阴保电源数量；为不同位置阴保电源输出电流向量，m为管道上的采样节点数，ui和ji分别为采样节点i的管道极化电位和泄漏电流密度，mean(u)和mean(j)分别表示管道上所有采样节点管道极化电位平均值和泄漏电流密度平均值，c1，c2，c3，c4，c5分别表示不同目标项的惩罚系数(无量纲)；当只根据第二比较结果确定干扰等级，或者根据第一比较结果和第二比较结果确定干扰等级时，所述目标函数w的表达式为：所述目标函数w的表达式为：式中，max(max(u)+u
max0
,0)+max(u
min0-min(u)+,0)表示管道极化电位与管道极化电位正常区间的下限值和上限值的差值；步骤603，当第t次迭代的目标函数值满足收敛条件时，结束迭代，取第t次迭代的全局最优解为阴极保护电源最佳配置，其中，所述收敛条件为t≤t，且满足∣w
t-w
t-1
∣＜a的次数大于b，t为迭代次数阈值，w
t
和w
t-1
分别为第t次和第t-1次迭代的目标函数值，a为收敛阈值，是一个常数，b为自然数；步骤604，当第t次迭代的目标函数值不满足收敛条件时，根据所述全局最优解和每个粒子对应的个体最优解，生成对每个粒子进行速度向量和位置向量的更新后的n个粒子，所述位置向量包括电源数量，电源位置和电源输出电流，所述速度向量是位置向量的更新方向，令t=t+1，返回步骤602，其中，所述粒子进行速度向量和位置向量更新的公式为：
式中，i为粒子的序号，1≤i≤n，n为粒子的总数；d为粒子变量的维度；t为迭代次数；v
id
(t)表示第t次迭代中第i个粒子第d维分量的速度矢量；x
id
(t)表示第t次迭代中第i个粒子第d维分量的位置矢量；pbest
id
表示第i个粒子第d维分量当前个体最优解，用gbestd表示第d维分量当前全局最优解；w为惯性因子，其值为非负数，其值较大时，全局寻优能力强，局部寻优能力弱，反之相反；c1和c2分别为个体学习因子和群体学习因子，rand()为介于0到1之间的随机数。
49.本优选实施方式所述的确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的系统通过确定直流接地极对油气管道的干扰等级，采用自适应控制算法确定双向输出大功率阴极保护电源的配置的步骤，与本发明所述确定自适应控制双向输出大功率阴极保护电源的方法采取的步骤相同，达到的技术效果也相同，此处不再赘述。
50.已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
51.通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
[0052]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0053]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0054]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0055]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一
个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0056]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。