CN110132361B - 一种超导限流器状态监测***及状态监测方法 - Google Patents

Abstract

一种超导限流器状态监测***及方法，包括超导限流器本体、液氮储罐、低温制冷***、传感器组件、实时数据采集***和监测***；传感器组件包括电压传感器、温度传感器、压力传感器和液位传感器；实时数据采集***包括电压采集模块、温度采集模块、压力采集模块和液位采集模块，将传感器信号转换为相应的数字量；监测***对超导限流器的运行参数进行分析和状态监测；通过实时对超导限流器运行过程中状态参数进行采集、传输，基于超导限流器的故障判据来对超导限流器进行故障特征分析，实现对超导限流器的状态评估，并且提前发现并解决设备缺陷问题，避免设备与***发生故障，提高整个***的可靠性及稳定性。

Description

一种超导限流器状态监测***及状态监测方法

技术领域

本发明属于状态监测技术领域，特别是一种超导限流器状态监测***及状态监测方法。

背景技术

超导限流器是利用超导体的超导态—正常态转变的物理特性来达到限流目的，正常运行时的损耗很低，能自动复位，是十分理想的限流装置。一旦出现故障，导致无法有效限制直流短路故障电流，将会导致非计划停运，从而直接威胁到电网的安全稳定运行。

超导限流器处于超低温、高电压、电磁振荡的运行环境，这给超导限流器状态监测带来了极大的困难，传统的传感器在超低温、高电压、电磁振荡的运行环境中无法正常工作，整个***任何一部分出现问题都将导致超导限流器无法正常运行。超导限流器状态监测中，一方面需要同步采集各种类型的参数信号，如温度、压力、液位等来保证监测***进行准确的故障分析；另一方面，进行数据存储和远程传输有助于提高对超导限流器状态监测效率，实现超导限流器内部与外部状态信息的有效融合。

目前，实现超导限流器实际应用的最关键要素之一在于低温环境的保持，传统的超导限流器的状态监测装置很难保证整个限流***一年以上免检修运行，无法保证超导限流器内部与外部状态信息的同步采集和对整个***进行状态评估与故障分析，因此对于超导限流器与低温容器的液位、压力以及温度等状态参量在线监测至关重要。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超导限流器状态监测***与检测方法，能够有效检测整个***的参数，达到对超导限流器实时状态评估和故障监测的目的。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种超导限流器状态监测***，包括超导限流器本体2、液氮储罐1、低温制冷***、排液口8、传感器组件9、分线器10、实时数据预处理模块11和监控主机7；其特征在于：

所述液氮储罐1通过管道与超导限流器本体2相连，为超导限流器本体提供所需液氮；

在超导限流器本体2的下部设置排液口8；

在超导限流器本体2的上部设置低温制冷***，用于冷却超导限流器本体2中的液氮温度；

在液氮储罐1、超导限流器本体2和过冷液氮杜瓦罐5中设置传感器组件9，所述传感器组件9包括电压传感器、温度传感器、压力传感器和液位传感器，用于检测运行时超导限流器本体2的两端电压、液氮的温度、压力、液位，液氮储罐1与过冷液氮杜瓦罐5中液氮的液位；

各传感器的采集数据输出端通过分线器10连接至实时数据预处理模块11，所述实时数据预处理模块11将从传感器组件9采集的模拟信号转换成数字信号上传至监控主机7；

在稳态运行的过程中，超导限流器本体2的两端电压，带材温度值，液氮的压力值、液位值，液氮储罐1与过冷液氮杜瓦罐5中液氮的液位值需要保持在预先设定好的范围之内，如果任一监测参量超出预警范围，则监控主机7发出预警，并采取相应继电保护措施。

本发明进一步包括以下优选方案。

所述排液口8安置远程控制阀门开关，当超导限流器本体内液氮液位超过预警液位，监控主机7发出阀门开启信号，当液面降到安全液面时阀门关闭。

所述排液口8采用不锈钢法兰闸阀，将超导限流器本体2中过量的液氮排出外界，使超导限流器本体2中液氮液位始终处于一个安全液位区间。

所述低温制冷***包括低温液氮泵3、制冷机4和过冷液氮杜瓦罐5，制冷机4的一端通过管道连接至超导限流器本体2，另一端通过管道连接至过冷液氮杜瓦罐5，低温液氮泵3从过冷液氮杜瓦罐5抽取液氮，并通过管道将液氮压入超导限流器本体2，过冷液氮杜瓦罐5通过排气口6与空气相连，排气口6装有安全阀，当过冷液氮杜瓦罐5内压力高于泄氮阀设定值时阀门开启。所述制冷机4为斯特林循环制冷机，用法兰盘固定在冷液氮杜瓦罐5内壁，斯特林循环制冷机将过冷液氮杜瓦罐5中的氮气加压、冷却液化，通过分离塔获得液氮存储在过冷液氮杜瓦罐5内，然后低温液氮泵3抽取液氮并通过管道将液氮循环至超导限流器本体2中，使超导限流单元的温度处于正常工作温度。

所述排气口6装有泄氮阀，泄氮阀采用内反馈结构，当过冷液氮杜瓦罐5内部压力高于泄氮阀设定值，阀芯上移打开阀门，向外界泄放氮气；当罐内部压力降至设定值，关闭阀门。

本申请还同时公开了一种基于前述的监测***的超导限流器状态监测方法，其特征在于，所述状态监测方法包括以下步骤：

步骤1：通过设置在超导限流器本体的传感器组件获取超导限流器两端的电压值，液氮的温度信号、压力信号与液位值，通过设置在液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位传感器获得液氮储罐与过冷液氮杜瓦罐的液氮液位值；

步骤2：待超导限流器本体进入运行状态时，将步骤1传感器组件测量的电压信号、温度信号、液氮压力信号和液位值，经实时数据预处理模块进行模数转换后再上传至监控主机；

步骤3：记录稳态运行时，即限流器本体两端电压为0时，本体液氮的温度、压力与液位值的范围，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值范围作为稳态预警范围；

步骤4：在监控主机中，基于对流换热与热流密度公式估算超导限流单元带材的温度T，步骤如下：

其中，c为液氮的比热容，d为传感器与带材的距离，T₁为液氮初始的温度，T₂为液氮测量时的温度，t为T₁到T₂的时间，k为导热系数；

步骤5：对超导带材损坏、制冷***异常、电网过流故障与正常限流四种状态下的超导限流器两端的电压值，液氮的温度信号、压力信号与液位值、以及液氮储罐与过冷液氮杜瓦罐的液氮液位值各进行20次测量，按照步骤4的计算公式，计算每次超导限流器本体中带材的温度，同时记录带材温度峰值，带材温度达到峰值时限流器本体两端电压值、液氮压力值、液位值，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值；

步骤6：将步骤5计算得到的带材温度峰值，限流器两端电压值、液氮压力值、液位值，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值这六个特征值输入到BP神经网络模型训练，输出向量可表示为

其中：x_i(i＝1，2，…，6)是输入特征值；w_i、θ分别表示连接权值、阈值，由随机数函数产生，连接权值和阈值的范围为[-1,1]之间，在训练过程中会根据设定输出误差要求自动调整；f(I_i)表示传递函数，采用S型对数函数；

步骤7：在稳态运行时，即限流器本体两端电压为0时，任一监测值不在稳态预警值范围内时，启动预警程序；在限流状态时，即限流器本体两端电压不为0时，将监测值实时传输到监控主机，通过BP神经网络模型得到输出值，与步骤6的输出值进行对比，判断限流器状态。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、对于超导限流器的超低温、高电压、电磁振荡的运行环境，布置可快速响应的传感器组件监测整个限流***，实现多种物理信号的在线同步检测，提高了超导限流器状态监测的准确性。

2、设计的在线监测***通讯方式，确保超导限流器状态信息能够实时传输，通过IEC61850将整个限流***的信号数据上传至测量结果显示屏，实现数据集中展示。

3、对于温度、压力、液位信号，在经过IED处理后，可以直接把结果实时显示在显示屏中，基于故障判据实现超导限流器多维度故障分析功能，完成设备状态的监测、预警、评估分析等高级应用功能。

附图说明

图1为本发明超导限流器状态监测***的结构示意图；

图2为本发明超导限流器状态监测方法的流程示意图。

附图标记：1、液氮储罐；2、超导限流器本体；3、低温液氮泵；4、制冷机；5过冷液氮杜瓦；6、排气口；7、监测***；8、排液口；9、传感器组件；10、分线器；11、数据预处理模块；12、数据传输总线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如附图1所示，本发明公开了一种超导限流器状态监测***，

一种超导限流器状态监测***，包括超导限流器本体2、液氮储罐1、低温制冷***、排液口8、传感器组件9、分线器10、实时数据预处理模块11和监控主机7。所述液氮储罐1通过管道与超导限流器本体2相连，为超导限流器本体提供所需液氮；在超导限流器本体2的下部设置排液口8；排液口安置远程控制阀门开关，当超导限流器本体内液氮液位超过预警液位，监控主机7发出阀门开启信号，当液面降到安全液面时阀门关闭；在超导限流器本体2的上部设置低温制冷***，用于冷却超导限流器本体2中的液氮温度；所述低温制冷***包括低温液氮泵3、制冷机4和过冷液氮杜瓦罐5，制冷机4的一端通过管道连接至超导限流器本体2，另一端通过管道连接至过冷液氮杜瓦罐5，低温液氮泵3从过冷液氮杜瓦罐5抽取液氮，并通过管道将液氮压入超导限流器本体2，过冷液氮杜瓦罐5通过排气口6与空气相连，排气口6装有安全阀，当过冷液氮杜瓦罐5内压力大于设定阈值时阀门开启；在液氮储罐1、超导限流器本体2和过冷液氮杜瓦罐5中设置传感器组件9，所述传感器组件9包括电压传感器、温度传感器、压力传感器和液位传感器，用于检测运行时超导限流器本体2的两端电压、液氮的温度、压力、液位，液氮储罐1与过冷液氮杜瓦罐5中液氮的液位；各传感器的采集数据输出端通过分线器10连接至实时数据预处理模块11，所述实时数据预处理模块11将从传感器组件9采集的模拟信号转换成数字信号上传至监控主机7；在稳态运行的过程中，超导限流器本体2的两端电压，带材温度值，液氮的压力值、液位值，液氮储罐1与过冷液氮杜瓦罐5中液氮的液位值需要保持在预先设定好的范围之内，如果任一监测参量超出预警范围，则监控主机7发出预警，并采取相应继电保护措施。

在本发明的优选实施例中，所述液氮储罐1通过耐低温不锈钢管道与超导限流器本体2相连，当超导限流器本体液氮不足时为其补充液氮，在超导限流器本体2的下部设置排液口8，排液口安置远程控制阀门开关，当超导限流器本体内液氮液位超过预警液位，监测主机发出阀门开启信号，当液面降到安全液面时阀门关闭。其中，所述排液口8优选采用不锈钢法兰闸阀，必要时将超导限流器本体2中过量的液氮排出外界，使超导限流器本体2中液氮液位始终处于一个安全液位区间。

所述低温制冷***用于为超导限流器提供超低温运行环境(78K左右)，所述低温制冷***包括低温液氮泵3、制冷机4和过冷液氮杜瓦罐5，过冷液氮杜瓦罐5一端通过管道连接至超导限流器本体2，低温液氮泵3从过冷液氮杜瓦罐5抽取液氮并通过管道将液氮压入超导限流器本体2，过冷液氮杜瓦罐5通过排气口6与空气相连，排气口6安装安全阀，当过冷液氮杜瓦罐5内压力大于设定阈值时阀门开启，可以将多余氮气排出，防止发生压力异常持续升高可能引起的安全事故。

在本申请的优选实施例中，所述制冷机为斯特林循环制冷机，用法兰盘固定在冷液氮杜瓦罐5内壁，斯特林循环制冷机将过冷液氮杜瓦罐5中的氮气加压、冷却液化，通过分离塔获得液氮存储在过冷液氮杜瓦罐5内，然后低温液氮泵3抽取液氮并通过管道将液氮循环至超导限流器本体2中，使超导限流单元的温度处于正常工作温度。

因为负载条件下超导***瞬间失超会产生大量热量，致使液氮挥发，体积迅速膨胀，需考虑过压安全防护。主要有三道安全防护，第一是低温容器压力裕度与焊接工艺严格按照低温真空容器标准实施。第二方面是作业过程的控制防护，控制制作过程中的变形因素，按照标准进行焊接工艺评定，做好工艺过程的监督检查。第三方面是过压保护，包含安全阀防护措施，使氮气经过压保护装置－大气的泄放路径直接排放到大气环境。

在液氮储罐1、超导限流器本体2和过冷液氮杜瓦罐5中设置传感器组件9，所述传感器组件9包括温度传感器、压力传感器和液位传感器，温度传感器可以使用PT100热电阻传感器，压力传感器可以使用低温薄膜压力传感器，液位传感器可以使用电容式传感器，用于检测超导限流器运行时超导限流器本体2的液氮温度、压力、液位，液氮储罐1与过冷液氮杜瓦罐5中液氮的液位。

各传感器的引线采用绝缘性能强的抗干扰电线，采集数据通过分线器11连接至实时数据预处理模块12，所述实时数据预处理模块12将从传感器组件9采集的模拟信号转换成数字信号上传至监测主机7。

故障预警方案主要分为两部分：稳态运行预警和限流运行预警。

在稳态运行的过程中，即限流器本体两端电压为0时，超导限流器本体2中液氮的温度值、压力值、液位值，液氮储罐1与过冷液氮杜瓦罐5中液氮的液位值需要保持在预先设定好的范围之内，如果任一监测参量超出预警范围，则监控主机7发出预警，并采取一定措施。本发明以160kV超导限流器为例，设定了稳态预警数据范围，并设定了维护方案，如超导限流器本体中液氮液位值过低，液氮储罐中的液氮将被送至超导限流器。

对超导带材损坏、制冷***异常、电网过流故障与正常限流四种状态各进行20次样本训练，根据公式计算每次超导限流器本体中带材的温度，同时记录带材温度峰值，带材温度达到峰值时限流器本体两端电压值、液氮压力值、液位值，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值，输入到BP神经网络模型训练。在实际限流运行的过程中，即限流器本体两端电压不为0时，将监测值实时传输到监控主机，通过BP神经网络模型得到输出值，与步骤6的输出值进行对比，判断限流器状态，进行故障检修。

本发明还公开了一种基于前述监测***的超导限流器状态监测方法，其特征在于，所述状态监测方法包括以下步骤：

步骤1：通过设置在超导限流器本体的传感器组件获取超导限流器两端的电压值，液氮的温度信号、压力信号与液位值，通过设置在液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位传感器获得液氮储罐与过冷液氮杜瓦罐的液氮液位值；

步骤2：待超导限流器本体进入运行状态时，将步骤1传感器组件测量的电压信号、温度信号、液氮压力信号和液位值，经实时数据预处理模块进行模数转换后再上传至监控主机；

步骤3：记录稳态运行时，即限流器本体两端电压为0时，本体液氮的温度、压力与液位值的范围，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值范围作为稳态预警范围；

步骤4：在监控主机中，基于对流换热与热流密度公式估算超导限流单元带材的温度T，步骤如下：

其中，c为液氮的比热容，d为传感器与带材的距离，T₁为液氮初始的温度，T₂为液氮测量时的温度，t为T₁到T₂的时间，k为导热系数；

步骤5：对超导带材损坏、制冷***异常、电网过流故障与正常限流四种状态各进行20次测量，按照步骤3的计算公式，计算每次超导限流器本体中带材的温度，同时记录带材温度峰值，带材温度达到峰值时限流器本体两端电压值、液氮压力值、液位值，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值；

步骤6：将步骤4中的带材温度峰值，限流器两端电压值、液氮压力值、液位值，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值这六个特征值输入到BP神经网络模型训练，输出向量可表示为

其中：x_i(i＝1，2，…，6)是输入特征值；w_i、θ分别表示连接权值、阈值，由随机数函数产生，值的范围为[-1,1]之间，在训练过程中会根据输出误差自动调整，以达到输出要求；f(I_i)表示传递函数，这里采用S型对数函数。

步骤7：在稳态运行时，即限流器本体两端电压为0时，任一监测值不在稳态预警值范围内时，启动预警程序；在限流状态时，即限流器本体两端电压不为0时，将监测值实时传输到监控主机，通过BP神经网络模型得到输出值，与步骤6的输出值进行对比，判断限流器状态。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超导限流器状态监测方法，液氮储罐通过管道与超导限流器本体相连，超导限流器本体的上部设置低温制冷***，在液氮储罐、超导限流器本体和过冷液氮杜瓦罐中设置传感器组件，用于检测运行时超导限流器本体的两端电压、液氮的温度、压力、液位，液氮储罐与过冷液氮杜瓦罐中液氮的液位；其特征在于，所述状态监测方法包括以下步骤：

步骤1：通过设置在超导限流器本体的传感器组件获取超导限流器两端的电压值，液氮的温度信号、压力信号与液位值，通过设置在液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位传感器获得液氮储罐与过冷液氮杜瓦罐的液氮液位值；

步骤2：待超导限流器本体进入运行状态时，将步骤1传感器组件测量的电压信号、温度信号、液氮压力信号和液位值，经实时数据预处理模块进行模数转换后再上传至监控主机；

步骤3：记录稳态运行时，即限流器本体两端电压为0时，本体液氮的温度、压力与液位值的范围，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值范围作为稳态预警范围；

步骤4：在监控主机中，基于对流换热与热流密度公式估算超导限流单元带材的温度T，步骤如下：

其中，c为液氮的比热容，d为传感器与带材的距离，T₁为液氮初始的温度，T₂为液氮测量时的温度，t为T₁到T₂的时间，k为导热系数；

步骤5：对超导带材损坏、制冷***异常、电网过流故障与正常限流四种状态下的超导限流器两端的电压值，液氮的温度信号、压力信号与液位值、以及液氮储罐与过冷液氮杜瓦罐的液氮液位值各进行20次测量，按照步骤4的计算公式，计算每次超导限流器本体中带材的温度，同时记录带材温度峰值，带材温度达到峰值时限流器本体两端电压值、液氮压力值、液位值，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值；

步骤6：将步骤5计算得到的带材温度峰值，限流器两端电压值、液氮压力值、液位值，液氮储罐、过冷液氮杜瓦罐中的液位值这六个特征值输入到BP神经网络模型训练，输出向量可表示为

其中：x_i是输入特征值，i的取值是1至6；w_i、θ分别表示连接权值、阈值，由随机数函数产生，连接权值和阈值的范围为[-1,1]之间，在训练过程中会根据设定输出误差要求自动调整；I_i为中间变量，y表征超导限流器状态，f(I_i)表示传递函数，采用S型对数函数；

步骤7：在稳态运行时，即限流器本体两端电压为0时，任一监测值不在稳态预警值范围内时，启动预警程序；在限流状态时，即限流器本体两端电压不为0时，将监测值实时传输到监控主机，通过BP神经网络模型得到输出值，与步骤6的输出值进行对比，判断限流器状态。

2.一种利用权利要求1所述超导限流器状态监测方法的超导限流器状态监测***，包括超导限流器本体、液氮储罐、低温制冷***、排液口、传感器组件、分线器、实时数据预处理模块和监控主机；其特征在于：

所述液氮储罐通过管道与超导限流器本体相连，为超导限流器本体提供所需液氮；

在超导限流器本体的下部设置排液口；

在超导限流器本体的上部设置低温制冷***，用于冷却超导限流器本体中的液氮温度；

在液氮储罐、超导限流器本体和过冷液氮杜瓦罐中设置传感器组件，所述传感器组件包括电压传感器、温度传感器、压力传感器和液位传感器，用于检测运行时超导限流器本体的两端电压、液氮的温度、压力、液位，液氮储罐与过冷液氮杜瓦罐中液氮的液位；

各传感器的采集数据输出端通过分线器连接至实时数据预处理模块，所述实时数据预处理模块将从传感器组件采集的模拟信号转换成数字信号上传至监控主机；

在稳态运行的过程中，超导限流器本体的两端电压，带材温度值，液氮的压力值、液位值，液氮储罐与过冷液氮杜瓦罐中液氮的液位值需要保持在预先设定好的范围之内，如果任一监测参量超出预警范围，则监控主机发出预警，并采取相应继电保护措施。

3.根据权利要求2所述的超导限流器状态监测***，其特征在于：

所述排液口安置远程控制阀门开关，当超导限流器本体内液氮液位超过预警液位，监控主机发出阀门开启信号，当液面降到安全液面时阀门关闭。

4.根据权利要求3所述的超导限流器状态监测***，其特征在于：

所述排液口采用不锈钢法兰闸阀，将超导限流器本体中过量的液氮排出外界，使超导限流器本体中液氮液位始终处于一个安全液位区间。

5.根据权利要求2或3所述的超导限流器状态监测***，其特征在于：

所述低温制冷***包括低温液氮泵、制冷机和过冷液氮杜瓦罐，制冷机的一端通过管道连接至超导限流器本体，另一端通过管道连接至过冷液氮杜瓦罐，低温液氮泵从过冷液氮杜瓦罐抽取液氮，并通过管道将液氮压入超导限流器本体，过冷液氮杜瓦罐通过排气口与空气相连，排气口装有安全阀，当过冷液氮杜瓦罐内压力高于泄氮阀设定值时阀门开启。

6.根据权利要求5所述的超导限流器状态监测***，其特征在于：

所述制冷机为斯特林循环制冷机，用法兰盘固定在冷液氮杜瓦罐内壁，斯特林循环制冷机将过冷液氮杜瓦罐中的氮气加压、冷却液化，通过分离塔获得液氮存储在过冷液氮杜瓦罐内，然后低温液氮泵抽取液氮并通过管道将液氮循环至超导限流器本体中，使超导限流单元的温度处于正常工作温度。

7.根据权利要求6所述的超导限流器状态监测***，其特征在于：

所述排气口装有泄氮阀，泄氮阀采用内反馈结构，当过冷液氮杜瓦罐内部压力高于泄氮阀设定值，阀芯上移打开阀门，向外界泄放氮气；当罐内部压力降至设定值，关闭阀门。

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