高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏亞君，薛曼玉，王海飛，王庭康，侯宇凝，宋 萌，胡南南

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院電力超導(dǎo)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510080；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，電力需求也隨之不斷增加，電力系統(tǒng)面臨的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量等問(wèn)題日益突出[1-2]，亟待解決。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(superconducting magnetic energy storage，SMES)裝置具有功率密度大、裝置體積小等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大容量能量交換和功率補(bǔ)償，可改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，還可抑制電網(wǎng)的低頻功率振蕩，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量[3-5]。

1969年起，美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)陸續(xù)開展了SMES研究[6]。1999年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所成功研制了我國(guó)第一臺(tái)25 kJ/5 kW低溫SMES樣機(jī)。由于SMES裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難[7-8]，需設(shè)計(jì)一套功能完善的實(shí)時(shí)監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電氣量和非電氣量的采集和存儲(chǔ)，從而保障其可靠穩(wěn)定運(yùn)行。2004年，中國(guó)科學(xué)院開展了1 MJ/0.5 MW Bi-2223 SMES及其監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)；2005年華中科技大學(xué)研制了35 kJ/7.5 kW Bi-2223 SMES[9]，并與浙江大學(xué)共同研發(fā)其監(jiān)控系統(tǒng)；2011年中國(guó)電力科學(xué)研究院設(shè)計(jì)了一種可控高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)全數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)[10-11]。華中科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院電工研究所對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)主要集中在電網(wǎng)和超導(dǎo)磁體的狀態(tài)監(jiān)控，中國(guó)電力科學(xué)研究院在前者基礎(chǔ)上繼續(xù)研究了功率變換器的監(jiān)控技術(shù)。

本文將綜合電網(wǎng)、超導(dǎo)磁體、功率變流器的狀態(tài)監(jiān)控來(lái)設(shè)計(jì)高溫SMES監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)，功能包括數(shù)據(jù)采集與量化、波形顯示、文件管理、失超保護(hù)等。本系統(tǒng)的軟件部分主要基于LabVIEW完成軟件設(shè)計(jì)，硬件部分由帶有觸摸屏的2I385CW型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、采集處理器、互感器等組成。此監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)、超導(dǎo)磁體、功率變換器的監(jiān)測(cè)，可通過(guò)人機(jī)交互界面控制SMES的狀態(tài)，也可根據(jù)歷史波形對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估與改善，從而保證SMES裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，且方便操作、更智能。

1 SMES監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)原理

SMES裝置通過(guò)變壓器和變流器將電網(wǎng)的能量以電磁能的形式儲(chǔ)存在超導(dǎo)磁體中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生瞬態(tài)電壓跌落或驟升或有功不平衡時(shí)，超導(dǎo)磁體再通過(guò)變壓器和變流器將能量回饋給電網(wǎng)或負(fù)荷，從而保障電網(wǎng)的瞬態(tài)電壓穩(wěn)定和有功平衡[12]。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高溫SMES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of high temperature SMES

SMES主要包括5部分，即超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈、功率變換器[13]、冷卻系統(tǒng)[14]、監(jiān)控系統(tǒng)和失超保護(hù)。其中，超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈和功率變換器是 SMES 的核心關(guān)鍵部件。

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)原理

監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)采集板來(lái)采集SMES和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息，而后通過(guò)USB通信接口在工控機(jī)的液晶屏上顯示，同時(shí)可在工控機(jī)下達(dá)相應(yīng)的控制指令信息。圖2是SMES監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 SMES監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of SMES monitoring system

對(duì)于電網(wǎng)，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相交流電壓和三相交流電流。對(duì)于SMES的功率變流器，需實(shí)時(shí)監(jiān)控的參數(shù)量為變流器交流側(cè)電壓、變流器交流側(cè)電流，并通過(guò)電壓、電流參數(shù)計(jì)算得有功、無(wú)功功率值。對(duì)于SMES的超導(dǎo)磁體，需實(shí)時(shí)監(jiān)控的參數(shù)量為流過(guò)高溫超導(dǎo)磁體的電流、超導(dǎo)磁體端電壓。同時(shí)還需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)失超電壓。

采集板通過(guò)互感器、信號(hào)調(diào)理后得各狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)，通過(guò)CH375傳送給上位機(jī)，軟件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)量化和修正后顯示在人機(jī)交互界面上，能計(jì)算功率，并實(shí)時(shí)判斷SMES的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也可通過(guò)人機(jī)交互界面控制SMES的投入和退出。為更好判斷各狀態(tài)量的波動(dòng)，將數(shù)據(jù)整理為波形并顯示，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)錄波。

1.2 失超保護(hù)系統(tǒng)原理

圖3 失超檢測(cè)電路Fig.3 Circuit of quench detection

失超檢測(cè)中，最快速、直接的方法是電壓檢測(cè)。在電壓檢測(cè)法的基礎(chǔ)上，采用電橋檢測(cè)法來(lái)進(jìn)行高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的失超檢測(cè)，以此提高檢測(cè)精度[15-17]。圖3為失超檢測(cè)電路，該電路圖中超導(dǎo)磁體被分為兩段，分別與電阻并聯(lián)形成電橋。其中：L1、L2分別為兩部分磁體的電感；M為L(zhǎng)1、L2的互感；Uq為電橋電壓，也是失超電壓；Ra、Rb的阻值約幾十kΩ。當(dāng)磁體正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)磁體的電阻為0，電流只從磁體中流過(guò)，不經(jīng)過(guò)電阻Ra、Rb，此時(shí)Uq=0;當(dāng)磁體發(fā)生失超時(shí)，兩段磁體會(huì)產(chǎn)生失超電阻R1、R2。發(fā)生失超時(shí)，若Ia為直流，可推算出失超電壓Uq為

(1)

若Ia為交流時(shí)，因互感M特別大，L1+M?R1和L2+M?R2，此時(shí)Ra和Rb需滿足Ra/Rb=(L1+M)/(L2+M)，此時(shí)推算出失超電壓Uq為

(2)

因磁體失超時(shí)，Ra/Rb=R1/R2的發(fā)生概率極小，故這種情況不予考慮。

失超保護(hù)的電路可分為兩種：主動(dòng)保護(hù)法和被動(dòng)保護(hù)法[18-19]?？紤]到可靠性等原因，本設(shè)計(jì)采用主動(dòng)保護(hù)法的釋能電阻法：當(dāng)檢測(cè)到失超時(shí)，通過(guò)控制開關(guān)K2將釋能電阻投入，同時(shí)控制K1切斷電源，使釋能電阻和磁體形成釋能回路，磁體中存儲(chǔ)的大部分能量將消耗在電阻上面，進(jìn)而使磁體溫度降低，完成失超保護(hù)。圖4為采用釋能電阻法的失超保護(hù)電路。

圖4 失超保護(hù)電路Fig.4 Circuit of quench protection

圖5 失超信號(hào)采集Fig.5 Acquisition of quench signal

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高溫SMES監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)由工控機(jī)和采集板、失超保護(hù)系統(tǒng)組成。工控機(jī)作為主機(jī)，采集處理器作為從機(jī)，兩者通過(guò)USB接口通訊。其主要功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)和記錄超導(dǎo)磁體、系統(tǒng)側(cè)等子單元的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)SMES狀態(tài)進(jìn)行控制；同時(shí)根據(jù)運(yùn)行要求及控制策略，及時(shí)判斷SMES的運(yùn)行狀態(tài)，故障時(shí)及時(shí)發(fā)出必要的告警信號(hào)；當(dāng)超導(dǎo)磁體發(fā)生失超時(shí)，主動(dòng)發(fā)出保護(hù)動(dòng)作，保證超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 硬件構(gòu)成

高溫SMES監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)的硬件組成如圖5所示，具體如下：

1) 主機(jī)。主要用于對(duì)于各種采集到的數(shù)據(jù)的處理、搭載輸入輸出設(shè)備及存儲(chǔ)處理數(shù)據(jù)所用程序，并為運(yùn)行人員提供實(shí)時(shí)的人機(jī)操作接口和系統(tǒng)調(diào)試操作接口，實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)與控制策略的執(zhí)行。

2) 通信接口。所有狀態(tài)監(jiān)控的信息可通過(guò)通信接口傳遞到上位機(jī)，從而達(dá)到對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的匯總，同時(shí)也將上位機(jī)的控制命令傳達(dá)給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。在此監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)中采用USB接口芯片CH375實(shí)現(xiàn)通信。

3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集適配器將電網(wǎng)、功率變流器、超導(dǎo)磁體的電壓和電流信號(hào)等引到調(diào)理板，調(diào)理電路將采集到的信號(hào)通過(guò)分壓、濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等方式，轉(zhuǎn)化成合適種類及范圍的信號(hào)供采集板采集，同時(shí)能對(duì)采集系統(tǒng)輸入開關(guān)量。

4) 失超保護(hù)系統(tǒng)。包括IO卡、功率開關(guān)及釋能電阻等部件，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行系統(tǒng)下達(dá)的安全指令，及時(shí)將釋能電阻并入，并將失超磁體與系統(tǒng)斷開，釋放能量，保證系統(tǒng)安全。

2.2 失超保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

失超保護(hù)系統(tǒng)主要分為失超檢測(cè)與失超保護(hù)。針對(duì)高溫超導(dǎo)磁體的實(shí)際運(yùn)行工況，本文對(duì)電橋檢測(cè)法進(jìn)行改進(jìn)，加入濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，可濾除失超檢測(cè)信號(hào)中的干擾信號(hào)，能更準(zhǔn)確地 檢查失超。具體流程如圖6所示。

圖6 失超保護(hù)系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow diagram of quench protection system

在開始發(fā)生失超時(shí)，失超電壓Uq的輸出為mV級(jí)電壓，為便于信號(hào)的下一步處理，需使用差分放大電路，把幾mV的信號(hào)放大到幾十mV。具體如圖6的失超信號(hào)拾取部分所示。由于采集到的信號(hào)包含有電網(wǎng)工頻干擾信號(hào)、工頻高次諧波干擾信號(hào)、超導(dǎo)體前端的斬波干擾信號(hào)的無(wú)關(guān)信號(hào)，甚至干擾信號(hào)比有用信號(hào)強(qiáng)度大，所以必須設(shè)計(jì)低通濾波器，濾出干擾信號(hào)，如圖6的濾波部分所示。經(jīng)過(guò)拾取電路、濾波電路后，信號(hào)強(qiáng)度只有幾十mV，將信號(hào)11倍放大，信號(hào)強(qiáng)度可達(dá)到近1 V電壓。由圖3可知，當(dāng)發(fā)生失超時(shí)，電壓Uq可能為正電壓，也有可能為負(fù)電壓，所以特設(shè)計(jì)了信號(hào)絕對(duì)值電路：無(wú)論電壓Uq為正電壓，還是負(fù)電壓，經(jīng)過(guò)絕對(duì)值電路后，均變成正電壓信號(hào)，且電壓幅值保持不變，具體如圖6的整形部分所示。為提高系統(tǒng)抗干擾性，需把待測(cè)量的失超電壓信號(hào)與系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離，電氣隔離芯片ISO124可隔離電壓1 500 V，從而實(shí)現(xiàn)失超信號(hào)電壓與系統(tǒng)電壓的隔離。信號(hào)隔離電路如圖6所示。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)軟件程序是基于NI LabVIEW 2018編寫的。LabVIEW是一款圖形化編程軟件，具有簡(jiǎn)明、直觀、易用的特點(diǎn)[20]。軟件程序是按照數(shù)據(jù)流模式運(yùn)行，其執(zhí)行的順序、方向及數(shù)據(jù)的流向都是可預(yù)見(jiàn)的。本軟件主要是單線程編程，數(shù)據(jù)流依次進(jìn)入各個(gè)模塊，所走的程序路徑按照連續(xù)順序排下來(lái)，系統(tǒng)穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)。在軟件程序中，數(shù)據(jù)交互通過(guò)共享變量實(shí)現(xiàn)；狀態(tài)機(jī)根據(jù)事件結(jié)構(gòu)來(lái)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，響應(yīng)操作動(dòng)作。

在通訊程序啟動(dòng)時(shí)，首先調(diào)用驅(qū)動(dòng)庫(kù)中的CH375opendevice子程序以初始化連接下位機(jī)，然后運(yùn)行參數(shù)下載子程序，按照通信協(xié)議中20H命令碼的格式要求，傳遞兩個(gè)超導(dǎo)磁體的門限電壓與投入或退出命令給下位機(jī)。完成參數(shù)下載后，發(fā)送23H命令，則下位機(jī)開始測(cè)試。在下位機(jī)測(cè)試完畢后，將讀取到的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)量化與修正，而后轉(zhuǎn)換為波形數(shù)據(jù)并計(jì)算幅值和功率。在顯示波形時(shí)，將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)路徑為“波形數(shù)據(jù)X年X月X日X時(shí)X分X秒.dat”。該監(jiān)控系統(tǒng)也應(yīng)有工作人員對(duì)變比系數(shù)及其他參數(shù)設(shè)置界面，方便調(diào)試。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.7 Flow diagram of software design

3 系統(tǒng)界面

通過(guò)對(duì)SMES的各監(jiān)控量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，利用ARM核心板，將各狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上，從而測(cè)試SMES監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果。

觸摸屏上電開機(jī)后，打開可執(zhí)行程序，首先出現(xiàn)的是主界面，具體如圖8所示。主界面主要顯示電網(wǎng)、SMES變流器、超導(dǎo)磁體運(yùn)行時(shí)的電壓和電流數(shù)據(jù)，并在底端顯示SMES裝置的運(yùn)行狀態(tài)。若失超電壓大于門限電壓，將會(huì)彈出失超警告彈框。同時(shí)附有SMES系統(tǒng)的拓?fù)鋱D，方便用戶清楚理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

第2個(gè)界面為實(shí)時(shí)波形,如圖9所示，顯示電網(wǎng)的三相電壓和電流、SMES變流器電壓和電流、超導(dǎo)磁體的電壓和電流波形，同時(shí)后臺(tái)程序也在執(zhí)行錄波功能。

第3個(gè)界面為歷史波形，如圖10所示，主要是實(shí)時(shí)記錄波形數(shù)據(jù)，按“xxxx年xx月xx時(shí)xx分xx秒”的格式保存波形數(shù)據(jù)，方便打開歷史波形，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，還可刪除不需要的波形數(shù)據(jù)。

圖8 主界面Fig.8 Main interface

圖12 調(diào)試界面Fig.12 Debug interface

圖10 歷史波形Fig.10 Historical waveform

第4個(gè)界面為參數(shù)設(shè)置，如圖11所示。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接入儀器時(shí)，使用了傳感器，所以必須設(shè)置用戶傳感器變比的界面。當(dāng)用戶使用不同傳感器時(shí)，可自行修改對(duì)應(yīng)的參數(shù)，儀器上電默認(rèn)該系數(shù)為1.000 0。在此界面，還可控制SMES裝置的“投入”與“退出”，因?yàn)橐壕翞橛|摸屏，操作方便，只需輕觸即可。該界面也有失超門限電壓設(shè)置，若失超電壓大于門限電壓，將會(huì)有失超告警彈框出現(xiàn)，提示用戶采取保護(hù)措施。

圖11 參數(shù)設(shè)置Fig.11 Parameter setting

由于采集處理器采集的數(shù)據(jù)是無(wú)量綱的，需乘以主板硬件設(shè)計(jì)系數(shù)，才能轉(zhuǎn)換成有量綱、有物理意義的信號(hào)。而當(dāng)儀器接入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源時(shí)，儀器顯示的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)源信號(hào)存在偏差時(shí)，需要修訂，需設(shè)置修訂系數(shù)，即儀器校準(zhǔn)系數(shù)。主板硬件設(shè)計(jì)系數(shù)和儀器校準(zhǔn)系數(shù)界面需設(shè)置為隱藏界面，如圖12所示，其適用于調(diào)試人員進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)兩個(gè)SMES的失超門限電壓同時(shí)設(shè)置為1 037 mV時(shí),調(diào)試界面會(huì)彈出。

4 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了高溫SMES監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)，敘述了監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)的原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和控制命令代碼傳送，最后介紹了系統(tǒng)界面。根據(jù)ARM核心板的模擬數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)可用于電網(wǎng)、SMES變換器、超導(dǎo)磁體的狀態(tài)量監(jiān)測(cè)和運(yùn)行狀態(tài)控制，具有較好的實(shí)時(shí)性和高可靠性。