CN111812562B - 一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法及装置，通过对输入高温超导环形磁体的功率信号进行傅里叶变换，获取所述超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量；以及根据变流器的开关频率，提取所述各次谐波分量中的高频分量，若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超，并定位出所述线圈为失超的线圈，提高了检测精度，且计算简单，解决现有技术检测高温超导环形磁体失超不精确，计算量大的问题。

Description

一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法及装置

技术领域

本申请涉及磁体失超检测领域，具体涉及一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法，同时涉及一种用于高温超导环形磁体的失超检测装置。

背景技术

随着经济的发展、科技的进步和人民生活水平的提高，人们对电力的需求不断增加、对电能的依赖程度明显增加，并对供电品质提出了更高的要求。面对日益突出的能源亟需、电能质量及环境污染等一系列问题，超导磁储能装置(SMES)利用高温超导磁体的高储能密度及现代电力电子技术快速转换和控制的特性，能几乎无损耗储存大量能量、可快速平衡电力系统负荷波动及环境友好，成为新的绿色环保、低碳无污染的电力技术。

高温超导磁体作为SMES的核心部分，其稳定运行的主要威胁是失超，若无法及时检测失超并对其进行相应保护，会出现一系列问题，如超导线或绝缘发热烧毁、磁体内部过电压和低温容器过压等问题，有可能烧毁超导磁体，在高温超导磁体的失超保护控制系统中失超检测是失超保护的前提，因此失超检测是保证超导磁体安全稳定运行的关键技术之一。

现有高温超导体的失超检测方法，主要有温升检测法、超声波检测法、光纤检测法以及电压检测法和有源功率检测法，通过温度探头测量温度变化、超声波输入与输出信号的传递函数变化、光纤光栅测量波长或温度变化来检测失超，存在明显时延、需要附加装置及失超判断算法复杂等问题；基于电测法的失超检测方法响应速度快且算法简单，因而广泛应用于超导磁体中。但现有研究都是通过恒定直流电源对磁体进行充电，不考虑噪声干扰，在充电状态下，未失超磁体两端电压基本保持在一个数值，流过磁体的电流直线上升；稳定状态下，未失超磁体两端电压和流过磁体的电流均保持不变，从充电到稳定运行阶段，未失超超导磁体的功率信号先直线上升再稳定在某一数值。变流器将电网的能量供给超导磁体过程中，超导磁体的运行状态有充电-续流-放电三种模式，其两端电压为方波信号，充电运行状态下流过磁体的电流为阶梯式上升，其功率信号不是一个直线上升或平稳的信号。因此通过恒定直流电源供电给超导磁体来检测磁体的失超是不够精确的。

现有的信号滤波有多种算法，例如小波分析法、卡尔曼滤波、维纳滤波、自适应滤波及傅里叶变换等，但通常采用算法实现简单使用方便的傅里叶变换算法。因为小波分析虽然可以实时分析谐波，但是选取小波基难度较大，而卡尔曼滤波和维纳滤波在实际应用时很难预先获得输入信号的统计参数，且维纳滤波仅适合于平稳的随机信号，一系列自适应滤波虽然具有更高的收敛速度，但是由于为超导磁体供电的变流器的开关频率较高，此算法计算量大且较为复杂。

发明内容

本申请提供一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法及装置，解决现有技术检测高温超导环形磁体失超不精确，计算量大的问题。

本申请提供一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法，包括：

获取高温超导环形磁体超导线圈的功率信号；

对所述功率信号进行傅里叶变换，获取所述超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量；以及根据变流器的开关频率，提取所述各次谐波分量中的高频分量；

若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超。

优选的，在判定所述高温超导环形磁体失超的步骤之后，还包括：

输出保护动作信号。

优选的，获取高温超导环形磁体超导线圈的功率信号，包括：

采集所述高温超导环形磁体超导线圈的两端电压U_i和流过超导线圈的电流信号I_i；

根据所述电压U_i和电流信号I_i，通过如下公式获得高温超导环形磁体每个超导线圈的功率P_i，

P_i＝U_iI_i。

优选的，在对所述功率信号进行傅里叶变换的步骤之前，还包括：

对所述功率信号进行噪声滤波处理，以消除高频干扰对所述功率信号的影响。

优选的，对所述功率信号进行傅里叶变换，获取所述超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量，包括：

高温超导环形磁体的多个超导线圈，第i(i＝1,…,N)个超导线圈功率傅里叶展开式为，

其中，a_{0_i}为第i个超导线圈功率的直流分量，a_{k_i}为第i个超导线圈功率的k次谐波的余弦分量系数，ω₀＝2π/T₀为超导线圈的角频率，/>为第i个超导线圈功率/>的初始相位角，b_{k_i}为第i个超导线圈功率/>的k次谐波的正弦分量系数，i,j＝1,2，…,N代表不同超导线圈；

将功率的傅里叶展开式转换为：

有，

定义功率的各次谐波分量/>为：

优选的，根据变流器的开关频率，提取所述各次谐波分量中的高频分量，包括：

根据变流器的开关频率，从各次谐波分量表示的功率/>展开式提取高频分量：

式中，q是谐波次数，矩阵A是(q+1)阶对角矩阵，令对应主对角线元素为1，其余元素为0，提取每个线圈功率信号的高频分量。

优选的，若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超，包括：

分别获取任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值；

若所述比值的差值，连续多次大于预设阈值，则分别获取两个超导线圈两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值；

若其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述超导线圈失超，进而判定所述高温超导环形磁体失超。

本申请同时提供一种用于高温超导环形磁体的失超检测装置，包括：

功率信号获取单元，获取高温超导环形磁体超导线圈的功率信号；

分量获取单元，对所述功率信号进行傅里叶变换，获取所述超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量；以及根据变流器的开关频率，提取所述各次谐波分量中的高频分量；

失超判定单元，若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超。

本申请提供一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法及装置，通过对输入高温超导环形磁体的功率信号进行傅里叶变换，获取高温超导环形磁体超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量；根据变流器的开关频率，提取所述各次谐波分量中的高频分量，若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超，并定位出所述线圈为失超的线圈，提高了检测精度，且计算简单，解决现有技术检测高温超导环形磁体失超不精确，计算量大的问题。

附图说明

图1是本申请提供的一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法的流程示意图；

图2是本申请涉及的高温超导环形磁体的空间尺寸示意图；

图3是本申请涉及的基于MATLAB的面向超导磁体实际工况下的失超检测方法流程图；

图4是本申请涉及的在实际运行工况下，超导磁体的功率信号处理流程图；

图5是本申请提供的一种用于高温超导环形磁体的失超检测装置示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

图1是本申请提供的一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法的流程示意图，下面结合图1对本申请提供的方法进行详细说明。

步骤S101，获取高温超导环形磁体超导线圈的功率信号。

本申请涉及的高温超导环形磁体的空间尺寸示意图如图2所示，环形超导磁体共N个超导线圈，按图示空间位置排列。采集所述高温超导环形磁体超导线圈的两端电压U_i和流过超导线圈的电流信号I_i；根据所述电压U_i和电流信号I_i，通过如下公式获得高温超导环形磁体每个超导线圈的功率P_i，

P_i＝U_iI_i。

步骤S102，对所述功率信号进行傅里叶变换，获取所述超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量；以及根据变流器的开关频率，提取所述各次谐波分量中的高频分量。

对所述功率信号进行噪声滤波处理，以消除高频干扰对所述功率信号的影响。

所述高温超导环形磁体的多个超导线圈，第i(i＝1,…,N)个超导线圈功率傅里叶展开式为，

其中，a_{0_i}为第i个超导线圈功率的直流分量，a_{k_i}为第i个超导线圈功率的k次谐波的余弦分量系数，ω₀＝2π/T₀为超导线圈的角频率，/>为第i个超导线圈功率/>的初始相位角，b_{k_i}为第i个超导线圈功率/>的k次谐波的正弦分量系数，i,j＝1,2，…,N代表不同超导线圈；

将功率的傅里叶展开式转换为：

有，

定义功率的各次谐波分量/>为：

根据变流器的开关频率，从各次谐波分量表示的功率/>展开式提取高频分量：

式中，q是谐波次数，矩阵A是(q+1)阶对角矩阵，令对应主对角线元素为1，其余元素为0，提取每个线圈功率信号的高频分量。

步骤S103，若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超。

以提取3次谐波分量(6kHz)为例：

计算得到相应各次谐波分量与直流分量比值为：

通过仿真验证，在磁体失超，3次谐波分量(3×2kHz＝6kHz)与直流分量的比值P_{3DC_i}变化量最大，为了快速有效检测失超信号，选用变化量最大的ΔP_{3DC_i}，计算各个线圈的变化量，有：

ΔP_{3DC_ij}(t)＝|P_{3DC_i}(t)-P_{3DC_j}(t)|

ΔP_{3DC_ii}(t)＝|P_{3DC_i}(t)-P_{3DC_i}(t-T_s)|

式中，j＝i+1(j≤12)，T_s＝1/2000秒。

分别获取任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值；若所述比值的差值，连续多次大于预设阈值，则分别获取两个超导线圈两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值；若其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超，并定位出所述线圈为失超的线圈。

下面为具体的应用实施例

本申请面向超导磁体实际工况下的失超检测，充分考虑充电-放电-续流三种模式，在超导磁体充、放电和稳定运行状态下，实时测量超导磁体电压、电流得到功率信号后，利用傅里叶变换简单快速获取所述超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量，并根据变流器开关频率确定出高频分量，以高频分量与直流分量的比值作为失超判定的变量，一旦磁体失超，可以正确及时检测失超，并快速启动保护系统，保证磁体的电压、电流及温度梯度在安全范围内。

本申请通过建立超导磁体的MATLAB/Simulink仿真模型，采用傅里叶变换对功率方波信号进行滤波，采集超导线圈的功率，根据功率信号进行傅里叶分析和变换。根据高温超导环形储能线圈功率的傅里叶展开式得到直流分量和各次谐波分量；通过变流器开关频率确定提取线圈功率的高频分量；计算线圈功率高频分量与直流分量的比值；比较两个相邻线圈的功率和一个线圈前后相邻时刻的高频分量与直流分量的比值。当两种功率高频分量与直流分量比值的差值均大于给定阈值，且连续m次大于阈值时，判定超导磁体失超，定位出所述线圈为失超的线圈，输出保护动作信号。其中，功率差阈值是充电和稳态运行状态下的两个不同线圈和一个线圈前后时刻的最大功率分量差值，m反映了失超判断延迟时间。

本申请提供向超导磁体实际工况下的失超检测方法，如图4，所述方法包括：

MATLAB/Simulink搭建超导磁体仿真模型，仿真获得超导线圈的功率信号；

MATLAB对超导线圈的功率信号进行傅里叶变换；

MATLAB基于高温超导环形磁体线圈功率的傅里叶展开式得到谐波分量；

通过变流器开关频率确定提取线圈功率的高频分量；

计算线圈功率高频分量与直流分量的比值；

比较两个相邻线圈的功率和一个线圈前后时刻的高频分量与直流分量的比值，当两个功率高频分量的差值均大于其阈值，且连续m(m≥2)次大于阈值时，判定超导磁体失超，定位出所述线圈为失超的线圈，并输出保护动作信号。

如图2，SMES超导磁体空间尺寸示意图，环形超导磁体共N个储能线圈，按图示空间位置排列。

所述仿真获得储能线圈的功率信号，并对储能线圈的功率信号进行傅里叶变换并提取高频分量包括：

如图3，通过MATLAB对功率信号进行傅里叶变换，计算功率的傅里叶展开式，得到直流分量和各次谐波分量，再给矩阵A赋值，得到某一分量数值。

所述单个超导线圈功率P_i：

P_i＝U_iI_i

其中，U_i为高温超导线圈两端的电压，I_i为流过高温超导线圈的电流。

所述根据储能磁体N个超导线圈，第i(i＝1,…,N)个超导线圈功率的傅里叶展开式为：

其中，a_{0_i}为第i个超导线圈功率的直流分量，a_{k_i}为第i个超导线圈功率的k次谐波的余弦分量系数，ω₀＝2π/T₀为超导线圈的角频率，/>为第i个超导线圈功率/>的初始相位角，b_{k_i}为第i个超导线圈功率/>的k次谐波的正弦分量系数，i,j＝1,2，…,N代表不同超导线圈。

可将功率的傅里叶展开式化为：

有，

为方便计算定义功率的各次谐波分量/>为：

所述根据各次谐波分量表示的功率/>展开式提取高频分量：

式中，q是谐波次数，P_{q_i}(t)为第i个线圈功率的q次谐波分量，定义基频是2kHz，最大频率为20kHz。

矩阵A是(q+1)阶对角矩阵，令对应主对角线元素为1，其余元素为0，提取每个线圈功率信号的高频分量。

以提取3次谐波分量(6kHz)为例：

计算得到相应各次谐波分量与直流分量比值为：

通过仿真验证，在磁体失超，3次谐波分量(3×2kHz＝6kHz)与直流分量的比值P_{3DC_i}变化量最大，为了快速有效检测失超信号，选用变化量最大的ΔP_{3DC_i}，计算各个线圈的变化量，有：

ΔP_{3DC_ij}(t)＝|P_{3DC_i}(t)-P_{3DC_j}(t)|

ΔP_{3DC_ii}(t)＝|P_{3DC_i}(t)-P_{3DC_i}(t-T_s)|

式中，j＝i+1(j≤12)，T_s＝1/2000秒。

比较两个相邻线圈的功率和一个线圈前后时刻的高频分量与直流分量比值，当两种功率高频分量与直流分量比值的差值均大于给定阈值，且连续m次大于阈值时，判定超导磁体失超，定位出所述线圈为失超的线圈，并输出保护动作信号。其中，功率差阈值是充电和稳态运行状态下的两个相邻线圈和一个线圈前后时刻的最大功率分量差值，m反映失超判断延迟时间。

基于同一发明构思，本申请同时提供一种用于高温超导环形磁体的失超检测装置，如图5所示，包括：

功率信号获取单元510，获取高温超导环形磁体超导线圈的功率信号；

高频分量提取单元520，对所述功率信号进行傅里叶变换，获取所述超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量；以及根据变流器的开关频率，提取所述各次谐波分量中的高频分量；

失超判定单元530，若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超。

本发明通过建立超导磁体的MATLAB/Simulink仿真模型，计算超导线圈功率信号，采用傅里叶变换对功率方波信号进行滤波分解，通过设置系数矩阵的元素提取每个线圈功率信号的某一高频分量，比较两个相邻线圈的功率和一个线圈前后时刻的高频分量与直流分量比值，当两种功率高频分量与直流分量比值的差值均大于其阈值，且连续m(m≥2)次大于阈值时，判定超导磁体失超，并定位出所述线圈为失超的线圈。在充分考虑了超导磁体稳定运行时的电压波动、超导线圈工作环境改变和设备故障带来的影响因素下，在超导磁体充电、放电和稳态运行状态下，实时测量超导磁体电压和电流，及时准确检测失超信号，并快速启动保护系统，保证磁体的运行状态在安全范围内，提高了检测精度，并具有一定的抗干扰能力，效果和优点具体如下：

(1)本发明充分考虑了超导磁体运行时的变流器高频开关动作产生的谐波对失超检测信号的扰动，通过变流器开关频率确定谐波分解的频率，并根据此高频分量与直流分量的比值作为失超判定条件的变量，放大了失超前后数值差异，提高了失超检测的正确性和准确度；

(2)本发明充分考虑了超导磁体稳定运行时的电压波动、超导线圈工作环境变化和设备故障带来的失超误判，需要同时满足各个线圈前一时刻与现在时刻的功率信号、不同线圈的功率信号存在明显差值两个条件，才能判定磁体失超，相比于只是将两个线圈的功率做差来判定失超的有源功率检测法，提高了检测精度，并具有一定的抗干扰能力；

(3)本发明充分考虑超导磁体运行在充电-充电续流模式下磁体的方波电压信号、阶梯式电流信号，通过建立超导磁体的MATLAB/Simulink仿真模型，采用傅里叶变换对功率方波信号进行滤波。相比于现有失超检测方法，充分考虑了超导磁体实际运行工况，失超检测的精度和准确度更高。另外，相比于小波分析、卡尔曼滤波等现代滤波算法，傅里叶变换算法简单、更容易实现且使用方便。

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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于高温超导环形磁体的失超检测方法，其特征在于，包括：

获取高温超导环形磁体超导线圈的功率信号；

对所述功率信号进行傅里叶变换，获取所述超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量，包括：

高温超导环形磁体的多个超导线圈，第i(i＝1,…,N)个超导线圈功率傅里叶展开式为，

其中，a_{0_i}为第i个超导线圈功率的直流分量，a_{k_i}为第i个超导线圈功率/>的k次谐波的余弦分量系数，ω₀＝2π/T₀为超导线圈的角频率，/>为第i个超导线圈功率的初始相位角，b_{k_i}为第i个超导线圈功率/>的k次谐波的正弦分量系数，i,j＝1,2，…,N代表不同超导线圈；

将功率的傅里叶展开式转换为：

有，

定义功率的各次谐波分量/>为：

以及根据变流器的开关频率，提取所述各次谐波分量中的高频分量，包括：

根据变流器的开关频率，从各次谐波分量表示的功率/>展开式提取高频分量：

式中，q是谐波次数，矩阵A是(q+1)阶对角矩阵，令对应主对角线元素为1，其余元素为0，提取每个线圈功率信号的高频分量；

若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在判定所述高温超导环形磁体失超的步骤之后，还包括：

输出保护动作信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取高温超导环形磁体超导线圈的功率信号，包括：

采集所述高温超导环形磁体超导线圈的两端电压U_i和流过超导线圈的电流信号I_i；

根据所述电压U_i和电流信号I_i，通过如下公式获得高温超导环形磁体每个超导线圈的功率P_i，

P_i＝U_iI_i。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述功率信号进行傅里叶变换的步骤之前，还包括：

对所述功率信号进行噪声滤波处理，以消除高频干扰对所述功率信号的影响。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超，包括：

分别获取任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值；

若所述比值的差值，连续多次大于预设阈值，则分别获取两个超导线圈两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值；

若其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述超导线圈失超，进而判定所述高温超导环形磁体失超。

6.一种用于高温超导环形磁体的失超检测装置，其特征在于，包括：

功率信号获取单元，获取高温超导环形磁体超导线圈的功率信号；

分量获取单元，对所述功率信号进行傅里叶变换，获取所述超导线圈功率的直流分量和各次谐波分量，包括：

高温超导环形磁体的多个超导线圈，第i(i＝1,…,N)个超导线圈功率傅里叶展开式为，

其中，a_{0_i}为第i个超导线圈功率的直流分量，a_{k_i}为第i个超导线圈功率/>的k次谐波的余弦分量系数，ω₀＝2π/T₀为超导线圈的角频率，/>为第i个超导线圈功率的初始相位角，b_{k_i}为第i个超导线圈功率/>的k次谐波的正弦分量系数，i,j＝1,2，…,N代表不同超导线圈；

将功率的傅里叶展开式转换为：

有，

定义功率的各次谐波分量/>为：

以及根据变流器的开关频率，提取所述各次谐波分量中的高频分量，包括：

根据变流器的开关频率，从各次谐波分量表示的功率/>展开式提取高频分量：

式中，q是谐波次数，矩阵A是(q+1)阶对角矩阵，令对应主对角线元素为1，其余元素为0，提取每个线圈功率信号的高频分量；

失超判定单元，若任意两个相邻超导线圈同一时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，且两个相邻超导线圈中的其中一个超导线圈，两个相邻时刻高频分量与直流分量的比值的差值，连续多次大于预设阈值，则判定所述高温超导环形磁体失超。