高温超导磁储能监控与保护系统设计

夏亚君，薛曼玉，王海飞，王庭康，侯宇凝，宋 萌，胡南南

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院电力超导技术研究重点实验室，广东 广州 510080；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着经济飞速发展，电力需求也随之不断增加，电力系统面临的稳定性和电能质量等问题日益突出[1-2]，亟待解决。超导磁储能(superconducting magnetic energy storage，SMES)装置具有功率密度大、装置体积小等特点，能实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿，可改善电网的电压和频率特性，提高系统稳定性，还可抑制电网的低频功率振荡，调节功率因数，改善电能质量[3-5]。

1969年起，美国、日本、韩国等国陆续开展了SMES研究[6]。1999年，中国科学院电工研究所成功研制了我国第一台25 kJ/5 kW低温SMES样机。由于SMES装置的结构复杂、控制困难[7-8]，需设计一套功能完善的实时监控与保护系统，实现对各种电气量和非电气量的采集和存储，从而保障其可靠稳定运行。2004年，中国科学院开展了1 MJ/0.5 MW Bi-2223 SMES及其监控系统的研发；2005年华中科技大学研制了35 kJ/7.5 kW Bi-2223 SMES[9]，并与浙江大学共同研发其监控系统；2011年中国电力科学研究院设计了一种可控高温超导储能系统并网全数字监控系统[10-11]。华中科技大学和中国科学院电工研究所对监控系统的开发主要集中在电网和超导磁体的状态监控，中国电力科学研究院在前者基础上继续研究了功率变换器的监控技术。

本文将综合电网、超导磁体、功率变流器的状态监控来设计高温SMES监控与保护系统，功能包括数据采集与量化、波形显示、文件管理、失超保护等。本系统的软件部分主要基于LabVIEW完成软件设计，硬件部分由带有触摸屏的2I385CW型工业控制计算机、采集处理器、互感器等组成。此监控与保护系统能实现对电网、超导磁体、功率变换器的监测，可通过人机交互界面控制SMES的状态，也可根据历史波形对系统进行评估与改善，从而保证SMES装置安全稳定运行，且方便操作、更智能。

1 SMES监控与保护系统原理

SMES装置通过变压器和变流器将电网的能量以电磁能的形式储存在超导磁体中，当电网发生瞬态电压跌落或骤升或有功不平衡时，超导磁体再通过变压器和变流器将能量回馈给电网或负荷，从而保障电网的瞬态电压稳定和有功平衡[12]。拓扑结构如图1所示。

图1 高温SMES系统结构图Fig.1 Structure diagram of high temperature SMES

SMES主要包括5部分，即超导储能线圈、功率变换器[13]、冷却系统[14]、监控系统和失超保护。其中，超导储能线圈和功率变换器是 SMES 的核心关键部件。

1.1 监控系统原理

监控系统是通过采集板来采集SMES和电网运行状态信息，而后通过USB通信接口在工控机的液晶屏上显示，同时可在工控机下达相应的控制指令信息。图2是SMES监控系统结构图。

图2 SMES监控系统结构图Fig.2 Structure diagram of SMES monitoring system

对于电网，应实时监测三相交流电压和三相交流电流。对于SMES的功率变流器，需实时监控的参数量为变流器交流侧电压、变流器交流侧电流，并通过电压、电流参数计算得有功、无功功率值。对于SMES的超导磁体，需实时监控的参数量为流过高温超导磁体的电流、超导磁体端电压。同时还需实时监测失超电压。

采集板通过互感器、信号调理后得各状态参数的数据，通过CH375传送给上位机，软件系统将数据量化和修正后显示在人机交互界面上，能计算功率，并实时判断SMES的运行状态，同时也可通过人机交互界面控制SMES的投入和退出。为更好判断各状态量的波动，将数据整理为波形并显示，同时进行实时录波。

1.2 失超保护系统原理

图3 失超检测电路Fig.3 Circuit of quench detection

失超检测中，最快速、直接的方法是电压检测。在电压检测法的基础上，采用电桥检测法来进行高温超导磁储能系统的失超检测，以此提高检测精度[15-17]。图3为失超检测电路，该电路图中超导磁体被分为两段，分别与电阻并联形成电桥。其中：L1、L2分别为两部分磁体的电感；M为L1、L2的互感；Uq为电桥电压，也是失超电压；Ra、Rb的阻值约几十kΩ。当磁体正常运行时，超导磁体的电阻为0，电流只从磁体中流过，不经过电阻Ra、Rb，此时Uq=0;当磁体发生失超时，两段磁体会产生失超电阻R1、R2。发生失超时，若Ia为直流，可推算出失超电压Uq为

(1)

若Ia为交流时，因互感M特别大，L1+M≫R1和L2+M≫R2，此时Ra和Rb需满足Ra/Rb=(L1+M)/(L2+M)，此时推算出失超电压Uq为

(2)

因磁体失超时，Ra/Rb=R1/R2的发生概率极小，故这种情况不予考虑。

失超保护的电路可分为两种：主动保护法和被动保护法[18-19]。考虑到可靠性等原因，本设计采用主动保护法的释能电阻法：当检测到失超时，通过控制开关K2将释能电阻投入，同时控制K1切断电源，使释能电阻和磁体形成释能回路，磁体中存储的大部分能量将消耗在电阻上面，进而使磁体温度降低，完成失超保护。图4为采用释能电阻法的失超保护电路。

图4 失超保护电路Fig.4 Circuit of quench protection

图5 失超信号采集Fig.5 Acquisition of quench signal

2 系统设计

高温SMES监控与保护系统由工控机和采集板、失超保护系统组成。工控机作为主机，采集处理器作为从机，两者通过USB接口通讯。其主要功能是实时检测和记录超导磁体、系统侧等子单元的运行状态，并对SMES状态进行控制；同时根据运行要求及控制策略，及时判断SMES的运行状态，故障时及时发出必要的告警信号；当超导磁体发生失超时，主动发出保护动作，保证超导磁体系统的安全稳定运行。

2.1 硬件构成

高温SMES监控与保护系统的硬件组成如图5所示，具体如下：

1) 主机。主要用于对于各种采集到的数据的处理、搭载输入输出设备及存储处理数据所用程序，并为运行人员提供实时的人机操作接口和系统调试操作接口，实现各种保护与控制策略的执行。

2) 通信接口。所有状态监控的信息可通过通信接口传递到上位机，从而达到对运行状态的汇总，同时也将上位机的控制命令传达给下位机，实现监控。在此监控与保护系统中采用USB接口芯片CH375实现通信。

3) 数据采集系统。数据采集适配器将电网、功率变流器、超导磁体的电压和电流信号等引到调理板，调理电路将采集到的信号通过分压、滤波、放大、模数转换等方式，转化成合适种类及范围的信号供采集板采集，同时能对采集系统输入开关量。

4) 失超保护系统。包括IO卡、功率开关及释能电阻等部件，主要负责执行系统下达的安全指令，及时将释能电阻并入，并将失超磁体与系统断开，释放能量，保证系统安全。

2.2 失超保护系统设计

失超保护系统主要分为失超检测与失超保护。针对高温超导磁体的实际运行工况，本文对电桥检测法进行改进，加入滤波、放大、模数转换等，可滤除失超检测信号中的干扰信号，能更准确地 检查失超。具体流程如图6所示。

图6 失超保护系统流程图Fig.6 Flow diagram of quench protection system

在开始发生失超时，失超电压Uq的输出为mV级电压，为便于信号的下一步处理，需使用差分放大电路，把几mV的信号放大到几十mV。具体如图6的失超信号拾取部分所示。由于采集到的信号包含有电网工频干扰信号、工频高次谐波干扰信号、超导体前端的斩波干扰信号的无关信号，甚至干扰信号比有用信号强度大，所以必须设计低通滤波器，滤出干扰信号，如图6的滤波部分所示。经过拾取电路、滤波电路后，信号强度只有几十mV，将信号11倍放大，信号强度可达到近1 V电压。由图3可知，当发生失超时，电压Uq可能为正电压，也有可能为负电压，所以特设计了信号绝对值电路：无论电压Uq为正电压，还是负电压，经过绝对值电路后，均变成正电压信号，且电压幅值保持不变，具体如图6的整形部分所示。为提高系统抗干扰性，需把待测量的失超电压信号与系统进行电气隔离，电气隔离芯片ISO124可隔离电压1 500 V，从而实现失超信号电压与系统电压的隔离。信号隔离电路如图6所示。

2.3 监控系统设计

该监控与保护系统软件程序是基于NI LabVIEW 2018编写的。LabVIEW是一款图形化编程软件，具有简明、直观、易用的特点[20]。软件程序是按照数据流模式运行，其执行的顺序、方向及数据的流向都是可预见的。本软件主要是单线程编程，数据流依次进入各个模块，所走的程序路径按照连续顺序排下来，系统稳定、扩展性强。在软件程序中，数据交互通过共享变量实现；状态机根据事件结构来转换状态，响应操作动作。

在通讯程序启动时，首先调用驱动库中的CH375opendevice子程序以初始化连接下位机，然后运行参数下载子程序，按照通信协议中20H命令码的格式要求，传递两个超导磁体的门限电压与投入或退出命令给下位机。完成参数下载后，发送23H命令，则下位机开始测试。在下位机测试完毕后，将读取到的结果进行数据量化与修正，而后转换为波形数据并计算幅值和功率。在显示波形时，将数据以二进制格式进行存储，存储路径为“波形数据X年X月X日X时X分X秒.dat”。该监控系统也应有工作人员对变比系数及其他参数设置界面，方便调试。具体实现流程如图7所示。

图7 软件设计流程Fig.7 Flow diagram of software design

3 系统界面

通过对SMES的各监控量数据进行模拟，利用ARM核心板，将各状态模拟数据实时显示在触摸屏上，从而测试SMES监控与保护系统的实际运行效果。

触摸屏上电开机后，打开可执行程序，首先出现的是主界面，具体如图8所示。主界面主要显示电网、SMES变流器、超导磁体运行时的电压和电流数据，并在底端显示SMES装置的运行状态。若失超电压大于门限电压，将会弹出失超警告弹框。同时附有SMES系统的拓扑图，方便用户清楚理解系统结构。

第2个界面为实时波形,如图9所示，显示电网的三相电压和电流、SMES变流器电压和电流、超导磁体的电压和电流波形，同时后台程序也在执行录波功能。

第3个界面为历史波形，如图10所示，主要是实时记录波形数据，按“xxxx年xx月xx时xx分xx秒”的格式保存波形数据，方便打开历史波形，对系统状态进行评估，还可删除不需要的波形数据。

图8 主界面Fig.8 Main interface

图12 调试界面Fig.12 Debug interface

图10 历史波形Fig.10 Historical waveform

第4个界面为参数设置，如图11所示。当现场信号接入仪器时，使用了传感器，所以必须设置用户传感器变比的界面。当用户使用不同传感器时，可自行修改对应的参数，仪器上电默认该系数为1.000 0。在此界面，还可控制SMES装置的“投入”与“退出”，因为液晶屏为触摸屏，操作方便，只需轻触即可。该界面也有失超门限电压设置，若失超电压大于门限电压，将会有失超告警弹框出现，提示用户采取保护措施。

图11 参数设置Fig.11 Parameter setting

由于采集处理器采集的数据是无量纲的，需乘以主板硬件设计系数，才能转换成有量纲、有物理意义的信号。而当仪器接入标准信号源时，仪器显示的数据与标准源信号存在偏差时，需要修订，需设置修订系数，即仪器校准系数。主板硬件设计系数和仪器校准系数界面需设置为隐藏界面，如图12所示，其适用于调试人员进行调试。当两个SMES的失超门限电压同时设置为1 037 mV时,调试界面会弹出。

4 结论

本文主要设计了高温SMES监控与保护系统，叙述了监控与保护系统的原理、系统设计，实现了下位机与上位机的数据传输和控制命令代码传送，最后介绍了系统界面。根据ARM核心板的模拟数据，实验表明所设计的监控与保护系统可用于电网、SMES变换器、超导磁体的状态量监测和运行状态控制，具有较好的实时性和高可靠性。