CN114686891A - 油气管道杂散电流治理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种油气管道杂散电流治理方法及系统，通过杂散电流治理装置输出反向电压，抵消土壤电阻两端电压，使杂散电流治理装置所在回路的总阻抗最低，从而为杂散电流从土壤中返回牵引站构建最优导通回路，抑制了杂散电流在埋地管道破损点处的流通，实现埋地管道杂散电流干扰防护，杂散电流治理装置的分步出力法能够控制杂散电流治理装置输出电压UC，保证管地电压UD维持在阴保范围内，实现杂散电流的治理工作和保护管道，解决杂散电流对油气管道造成的干扰问题。

Description

油气管道杂散电流治理方法及系统
技术领域
本发明涉及杂散电流防护治理领域，特别是一种油气管道杂散电流治理方法及系统。
背景技术
目前我国地铁主要采用DC750V或DC1500V的直流牵引供电系统，牵引变电所为地铁列车提供牵引电流，牵引电流经过列车最后沿轨道(即走行轨)再返回牵引变电所。由于地铁在运营过程中绝大部分使用走行轨作为其牵引电流回流方式，加之走行轨对地绝缘老化等原因，会产生流向地下土壤环境的杂散电流。地铁杂散电流会对油气管道造成严重的电化学腐蚀，对油气管道的安全运营和城市系统造成较大的安全威胁，甚至会酿成无法挽回的重大事故，造成人员伤亡和财产损失。
资料显示，当杂散电流为1A时，一年内可腐蚀36kg铅、11kg铜和10kg铁。在杂散电流干扰比较严重的地区，电流可达几十安培甚至几百安培，壁厚8～9mm钢管，快则2～3个月就会穿孔，因此杂散电流造成的腐蚀相当严重。
地铁杂散电流本身难以测量，一般采用间接方法来确定杂散电流的大小，同时由杂散电流造成的管地电压变化是实时波动的，具有波动性与随机性，现有技术又多注重防腐和排流，鲜少有对杂散电流治理的手段。
发明专利CN103695937B应用于高压输电线对管道管地电压的杂散电流干扰，管地电压变化平缓具有规律性和可预测性，同时对采集到的管地电压的偏差量进行PID调节，PID调节运用恒定的参数无法处理变化多端的动态过程，地铁行驶时带来的杂散电流干扰，使管地电压具有随机性和波动性，变化剧烈，该方案无法处理管地电压变化的动态过程，管地电压追踪不及时，准确性低，无法有效抑制杂散电流。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种油气管道杂散电流治理方法及系统，及时跟踪管地电压变化，有效抑制杂散电流。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种油气管道杂散电流治理方法，包括以下步骤：
S1、采集管地电压UD；
S2、判断k时刻的管地电压UD(k)是否大于第一阈值T1，若是，则计算k时刻的第一扰动步长Δd1(k)；
判断所述k时刻的管地电压UD(k)小于第二阈值T2，若是，则计算k时刻的第二扰动步长Δd2(k)；
若所述k时刻的管地电压UD(k)介于第二阈值T2与第一阈值T1之间，则设置k时刻的第三扰动步长Δd3(k)＝0；
其中，所述第一阈值和所述第二阈值均小于0，且所述第一阈值的绝对值小于所述第二阈值的绝对值；
S3、根据k时刻的扰动步长，计算k时刻杂散电流治理装置的全桥四象限变换器的占空比信号；其中，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连接于油气管道和阳极之间；
S4、将所述占空比信号经过PWM调制，得到所述全桥四象限变换器的驱动信号，通过所述驱动信号改变所述全桥四象限变换器的输出电压；
S5、重复S1～S4，直至所述管地电压介于第二阈值与第一阈值之间。
本发明利用采集到的管地电压的偏差量直接控制输出电压，不经过PID调节，以变化的参数来处理管地电压变化的动态过程，保证了管地电压追踪的快速性和准确性，因此可以有效抑制杂散电流。本发明根据设定的阈值，分阶段计算扰动步长，并根据扰动步长计算杂散电流治理装置的占空比信号，减小了杂散电流治理装置输出功率的振荡。本发明可以保证管地电压介于第二阈值与第一阈值之间，使杂散电流治理装置所在回路的总阻抗最低，从而为杂散电流从土壤中返回牵引站构建了最优导通回路，有效抑制了杂散电流在埋地管道破损点处的流通，实现了埋地管道杂散电流干扰防护。
第一扰动步长Δd1(k)的计算公式为：
Figure BDA0003615993320000021
M为比例因子，ΔUDmax是管地电压变化最大值，ΔUCmax是杂散电流治理装置输出电压变化最大值，Δdmax是最大安全扰动步长。本发明通过测量k时刻的的管地电位UD(k)与第一阈值T1的差值作为指数函数的变量，进而确定占空比，当k时刻的管地电位UD(k)远离第一阈值T1时，曲线
Figure BDA0003615993320000031
斜率较大，当k时刻的的管地电位UD(k)靠近第一阈值T1时，曲线
Figure BDA0003615993320000032
斜率较小，因而当工作点在大于第一阈值T1点时，通过引入(UD(k)-T1)变量，使得占空比改变量比在不同情况下变化不同，实现快速跟踪。当k时刻的的管地电位UD(k)靠近第一阈值T1时，则减小占空比改变量。相比传统控制方法，本发明的分布出力法控制效果更快速，控制结果更精确。
第二扰动步长Δd2(k)的计算公式为：
Figure BDA0003615993320000033
M为比例因子，ΔUDmax是管地电压变化最大值；ΔUCmax是杂散电流治理装置输出电压变化最大值，Δdmax是最大安全扰动步长。通过测量k时刻的管地电位UD(k)与第二阈值T2的差值作为指数函数的变量，进而确定占空比，当k时刻的管地电位UD(k)远离第二阈值T2时，曲线
Figure BDA0003615993320000034
斜率较大，当k时刻的管地电位UD(k)靠近第二阈值T2时，曲线
Figure BDA0003615993320000035
斜率较小，因而当工作点在小于第二阈值T2点时，通过引入(UD(k)-T2)变量，使得占空比改变量比在不同情况下变化不同，实现快速跟踪。当k时刻的的管地电位UD(k)靠近第二阈值T2时，则减小占空比改变量。相比传统控制方法法，分布出力法控制效果更快速、精确。
本发明中，为避免M过大引发系统(即杂散电流治理装置)振荡与失稳，实现系统小步长快速稳定增长，M＝0.1。
步骤S3中，占空比信号D(k)的具体计算过程包括：
当管地电压UD(k)大于第一阈值T1时，
若UD(k)-UD(k-1)＞0，则D(k)＝D(k-1)+Δd1(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＜0，则D(k)＝D(k-1)-Δd1(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＝0，则D(k)＝D(k-1)；
当管地电压UD(k)小于第二阈值T2时，
若UD(k)-UD(k-1)＞0，则D(k)＝D(k-1)-Δd2(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＜0，则D(k)＝D(k-1)+Δd2(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＝0，则D(k)＝D(k-1)；
当管地电压UD(k)介于第二阈值T2与第一阈值T1之间时，D(k)＝0。
本发明中，占空比初始化为D(0)＝0。
当管地电压UD(k)大于第一阈值T1时：
若UD(k)-UD(k-1)＞0，即UD(k)＞UD(k-1)，k时刻的的管地电位UD(k)相较于(k-1)时刻的的管地电位UD(k-1)离第一阈值T1更远，此时需要增大占空比输出，所以D(k)＝D(k-1)+Δd1(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＜0，即UD(k)＜UD(k-1)，k时刻的的管地电位UD(k)相较于(k-1)时刻的的管地电位UD(k-1)离第一阈值T1更近，此时需要减少占空比输出，所以D(k)＝D(k-1)-Δd1(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＝0，即UD(k)＝UD(k-1)，k时刻的的管地电位UD(k)和(k-1)时刻的的管地电位UD(k-1)相同，此时无法判断占空比的增加或者减少，所以保持上一时刻占空比输出，D(k)＝D(k-1)；
本发明可以使得占空比在不同情况下变化不同，当k时刻的的管地电位UD(k)靠近第一阈值T1时，则减小占空比，当k时刻的的管地电位UD(k)远离第一阈值T1时，则增大占空比，实现了杂散电流的快速跟踪。
当管地电压UD(k)小于第二阈值T2时：
若UD(k)-UD(k-1)＞0，即UD(k)＞UD(k-1)，k时刻的的管地电位UD(k)相较于(k-1)时刻的的管地电位UD(k-1)离第二阈值T1更近，此时需要减少占空比输出，所以D(k)＝D(k-1)-Δd2(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＜0，即UD(k)＜UD(k-1)，k时刻的的管地电位UD(k)相较于(k-1)时刻的的管地电位UD(k-1)离第二阈值T1更远，此时需要增大占空比输出，所以D(k)＝D(k-1)+Δd2(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＝0，即UD(k)＝UD(k-1)，k时刻的的管地电位UD(k)和(k-1)时刻的的管地电位UD(k-1)相同，此时无法判断占空比的增加或者减少，所以保持上一时刻占空比输出，D(k)＝D(k-1)；
本发明中，当k时刻的的管地电位UD(k)靠近第二阈值T2时，则减小占空比，当k时刻的的管地电位UD(k)远离第二阈值T2时，则增大占空比，实现快速跟踪。
当用饱和硫酸铜电极作为参比电极时，T1＝-0.85；T2＝-1.2。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种油气管道杂散电流治理系统，包括多个杂散电流治理装置；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连接于油气管道和阳极之间；每个所述杂散电流治理装置与一个控制器连接，或者所有杂散电流治理装置均与一控制器连接；所述控制器被配置为用于实现本发明上述方法的步骤。
本发明中，所述杂散电流治理装置数量为2个。对于管道所遭受的杂散电流干扰而言，在管道破损点流入点和流出点都会遭受干扰。本发明为了治理杂散电流干扰问题，会在管道破损点流入点和流出点都安装治理装置。通过安装2个杂散电流治理装置，在流入、流出2处地点都形成杂散电流最优导通回路。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过控制管地电压UD控制杂散电流管道破损点流出电流，使用分步出力法输出电压，从而控制杂散电流流入最优导通回路，保证管地电压维持在阴保范围内。本发明可以解决杂散电流给油气管道带来的腐蚀等难题，降低管道腐蚀速度，提高管道服役寿命，大幅减少因油气管道泄漏而引发的经济损失。
附图说明
图1为杂散电流治理装置接入轨道-交通系统示意图；
图2为杂散电流治理装置未启动时杂散电流流通电路图；
图3为杂散电流治理装置启动时杂散电流最优导通回路流通电路图；
图4为本发明的管地电压分步出力法框图；
图5为本发明实施例杂散电流治理装置拓扑结构图。
具体实施方式
图1为本发明实施例杂散电流治理装置接入轨道交通-埋地管道杂散电流干扰系统示意图。轨道交通-埋地管道杂散电流干扰系统涉及：泄露电压U(轨道交通列车行驶的过程中从走行轨向土壤中泄漏的电压)、土壤电阻R1(泄漏电压U到管道破损流入点之间的土壤电阻)、土壤电阻R2(管道破损流出点到牵引站之间的土壤电阻)、土壤电阻R5(牺牲阳极与泄露电压U之间的土壤电阻)、土壤电阻R6(牺牲阳极与牵引站之间的土壤电阻)、管道破损流入点A、管道破损流入点B、牵引站、牺牲阳极、杂散电流治理装置1和杂散电流治理装置2。杂散电流治理装置1和杂散电流治理装置2接于管道和牺牲阳极之间，其中杂散电流治理装置1可输出正/负电压，输出电压为UC1，杂散电流治理装置2可输出正/负电压，输出电压为UC2。
图2为本发明实施例杂散电流治理装置未启动时杂散电流流通电路图。杂散电流治理装置未启动时，杂散电流通过泄露电压U流向土壤电阻R1、油气管道、土壤电阻R2，最后流向牵引站。
图3为本发明实施例杂散电流治理装置启动时杂散电流最优导通回路流通电路图。杂散电流治理装置启动时，杂散电流治理装置1给输出电容C1输出反向电压UC1，杂散电流治理装置2给输出电容C2输出反向电压UC2，抵消土壤电阻R5和土壤电阻R6两端电压，再通过分步出力法控制输出反向电压UC1和反向电压UC2，使得杂散电流治理装置所在回路的总阻抗最低，从而为杂散电流从土壤中返回牵引站构建最优导通回路，实现泄露电压U产生的杂散电流流向土壤电阻R5、输出电容C1、输出电容C2、土壤电阻R6，最后流向牵引站。
图4为本发明实施例构建的管地电压分步出力法框图。分步出力法能够控制杂散电流治理装置输出电压UC，保证管地电压UD维持在阴保范围内。包括以下步骤：
(1)采样得到k时刻的管地电压UD(k)；本发明实施例中，可以通过参比电极采集管地电压，参比电极靠近埋地油气管道埋放。管地电位是指管道相对于参比电极的极化电位，参比电极通常是埋放在管道附近的土壤中。
(2)根据管地UD(k)的电压大小，判断模式；
a.模式一：电压正偏，UD(k)>-0.85V(第一阈值)，杂散电流治理装置使用分步出力得到扰动步长Δd1(k)：
Figure BDA0003615993320000071
式中：|UD(k)-(-0.85)|为第k次扰动后管地电压与阴保范围的最小电位差，M为比例因子，代表了系统柔韧性，M越大，系统反应越灵敏；ΔUDmax是管地电压变化最大值；ΔUCmax是杂散电流治理装置输出电压变化最大值；Δdmax是最大安全扰动步长，为避免M过大引发系统振荡与失稳，实现系统小步长快速稳定增长，这里M＝0.1。
b.模式二：电压负偏，UD(k)<-1.2V(第二阈值)，杂散电流治理装置使用分步出力得到扰动步长Δd2(k)：
Figure BDA0003615993320000072
式中：|UD(k)-(-1.2)|为第k次扰动后管地电压与阴保范围的最小电位差，M为比例因子，代表了系统柔韧性，M越大，系统反应越灵敏；ΔUDmax是管地电压变化最大值；ΔUCmax是杂散电流治理装置输出电压变化最大值；Δdmax是最大安全扰动步长，为避免M过大引发系统振荡与失稳，实现系统小步长快速稳定增长，这里M＝0.1。
c.模式三：阴保(阴极保护)范围，-0.8V≤UD(k)≤-1.2V，杂散电流治理装置不工作，扰动步长Δd3(k)＝0；
(3)产生k时刻的占空比D(k)：
电压正偏，即UD(k)>-0.8V：
UD(k)-UD(k-1)＞0时，D(k)＝D(k-1)+Δd1(k)；
UD(k)-UD(k-1)＜0时，D(k)＝D(k-1)-Δd1(k)；
UD(k)-UD(k-1)＝0时，D(k)＝D(k-1)；
电压负偏，即UD(k)<-1.2V：
UD(k)-UD(k-1)＞0时，D(k)＝D(k-1)-Δd2(k)；
UD(k)-UD(k-1)＜0时，D(k)＝D(k-1)+Δd2(k)；
UD(k)-UD(k-1)＝0时，D(k)＝D(k-1)；
阴保范围，即-0.8V≤UD(k)≤-1.2V：
D(k)＝0；
(4)占空比D(k)经过PWM调制得到四象限变换器(即全桥四象限变换器)的驱动信号，从而改变四象限变换器的输出电压UC；
(5)重复步骤(1)～(4)，保证管地电压UD处于阴保范围内，从而构建出杂散电流最优导通回路。
图5为本发明实施例的杂散电流治理装置结构图。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C4、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C4两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C5，第一电感L1，第三电容C3组成，第二电容C5、第三电容C3并联，第二电容C5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。
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C1(即输出电容)、第三电感L3组成，用于滤除高频谐波。
本发明一种实现方式中，油气管道杂散电流治理系统包括2个杂散电流治理装置。每个杂散电流治理装置与一个控制器连接，或者所有杂散电流治理装置均与一个控制器连接。控制器被配置为用于实现上述实施例中分步出力法的步骤。

Claims (8)

1.一种油气管道杂散电流治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集管地电压UD；
S2、判断k时刻的管地电压UD(k)是否大于第一阈值T1，若是，则计算k时刻的第一扰动步长Δd1(k)；
判断所述k时刻的管地电压UD(k)小于第二阈值T2，若是，则计算k时刻的第二扰动步长Δd2(k)；
若所述k时刻的管地电压UD(k)介于第二阈值T2与第一阈值T1之间，则设置k时刻的第三扰动步长Δd3(k)＝0；
其中，所述第一阈值和所述第二阈值均小于0，且所述第一阈值的绝对值小于所述第二阈值的绝对值；
S3、根据k时刻的扰动步长，计算k时刻杂散电流治理装置的全桥四象限变换器的占空比信号；其中，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连接于油气管道和阳极之间；
S4、将所述占空比信号经过PWM调制，得到所述全桥四象限变换器的驱动信号，通过所述驱动信号改变所述全桥四象限变换器的输出电压；
S5、重复S1～S4，直至所述管地电压介于第二阈值与第一阈值之间。
2.根据权利要求1所述的油气管道杂散电流治理方法，其特征在于，第一扰动步长Δd1(k)的计算公式为：
Figure FDA0003615993310000011
M为比例因子，ΔUDmax是管地电压变化最大值，ΔUCmax是杂散电流治理装置输出电压变化最大值，Δdmax是最大安全扰动步长。
3.根据权利要求1所述的油气管道杂散电流治理方法，其特征在于，第二扰动步长Δd2(k)的计算公式为：
Figure FDA0003615993310000012
M为比例因子，ΔUDmax是管地电压变化最大值；ΔUCmax是杂散电流治理装置输出电压变化最大值，Δdmax是最大安全扰动步长。
4.根据权利要求2或3所述的油气管道杂散电流治理方法，其特征在于，M＝0.1。
5.根据权利要求1～3之一所述的油气管道杂散电流治理方法，其特征在于，步骤S3中，占空比信号D(k)的具体计算过程包括：
当管地电压UD(k)大于第一阈值T1时，
若UD(k)-UD(k-1)＞0，则D(k)＝D(k-1)+Δd1(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＜0，则D(k)＝D(k-1)-Δd1(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＝0，则D(k)＝D(k-1)；
当管地电压UD(k)小于第二阈值T2时，
若UD(k)-UD(k-1)＞0，则D(k)＝D(k-1)-Δd2(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＜0，则D(k)＝D(k-1)+Δd2(k)；
若UD(k)-UD(k-1)＝0，则D(k)＝D(k-1)；
当管地电压UD(k)介于第二阈值T2与第一阈值T1之间时，D(k)＝0。
6.根据权利要求1～3之一所述的油气管道杂散电流治理方法，其特征在于，T1＝-0.85；T2＝-1.2。
7.一种油气管道杂散电流治理系统，其特征在于，包括多个杂散电流治理装置；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连接于油气管道和阳极之间；每个所述杂散电流治理装置与一个控制器连接，或者所有杂散电流治理装置均与一控制器连接；所述控制器被配置为用于实现权利要求1～6之一所述方法的步骤。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述杂散电流治理装置数量为2个。
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