[发明专利]大规模埋地油气管道GIC和PSP计算方法

权利要求书

1.一种大规模埋地油气管道GIC和PSP计算方法，该方法包括：

第一步，将大规模埋地油气管道等效电路分成若干部分；

第二步，选取大规模埋地油气管道等效电路的若干部分之一，保留其非线性电路部分，利用有源Y—△型联结电路正变换和有源Y—△型联结电路逆变换，对大规模埋地油气管道等效电路的其余部分进行等效电路变换实现简化，从而将高阶大规模埋地油气管道等效电路变成低阶埋地油气管道等效电路；

有源Y—△型联结电路正变换算法包括：

进行有源电阻网络的等效变换，有源对称或不对称Y型联结电路变换对称△型联结电路被定义为有源Y—△型联结电路正变换算法，同无源Y—△型联结电路网络构造一样，有源Y—△型联结电路变换网络，分别标注出相应端号，流经三个端点的电流为i₁、i₂和i₃；端点间的电压为u₁₂、u₂₃和u₃₁；

有源Y型联结网络中，E₁、E₂和E₃分别为Y型联结支路上的电源电势，R₁、R₂和R₃分别为Y型联结支路上与电源电势相对应的电阻，并且按规定的正方向；按照基尔霍夫电压定律KCL和基尔霍夫电流定律KVL推导，有如下关系

由有源Y型联结网络方程组解得电流值分别为i₁、i₂和i₃：

对于有源△型联结电路，标注出相应端点处的电流和端点间的电压，E₁₂、E₂₃和E₃₁分别为△型联结电路支路上的电源电势，R₁₂、R₂₃和R₃₁分别为△型联结电路支路上与电源电势相对应的电阻，设一个参考方向，按照基尔霍夫电压定律KCL和基尔霍夫电流定律KVL推导得

根据等效变换条件，不论电压u₁₂、u₂₃和u₃₁与电势E₁、E₂和E₃为何值，如果两个电路等效的话，流入对应端子的电流应该相等，对应端子之间的电势应该相等；所以，由Y型联结和△型电路联结网络得到的与电流对应的各项应分别相等，即：u₁₂、u₂₃和u₃₁前的系数应该相等，于是得到Y型－△型联结电路电阻和电势的等效变换公式分别为

由(5)式看出，由于E₁₂、E₂₃和E₃₁之和为零，所以，无论是对称Y型联结和非对称Y型联结变换得到的△型联结电路均为对称△型联结电路，这里对称Y型电路联结和非对称Y型电路联结不作区别；

所述有源Y—△型联结电路逆变换算法包括有源Y—△型联结电路逆变换算法A、有源Y—△型电路逆变换算法B；

所述有源Y—△型联结电路逆变换算法A包括：

进行有源电阻网络的等效变换，有源对称△型变换Y型联结电路被定义为有源Y—△型联结电路逆变换算法A，当有源△型联结电路网络电势E₁₂、E₂₃和E₃₁满足E₁₂+E₂₃+E₃₁＝0时，按照基尔霍夫定律进行对称△－Y型联结电路变换，电阻变换公式如下

根据电势等效公式，由于电源代数和为零，(5)式将会线性相关，将会产生无数组解，因此，确定其中一个变换电源，先设定E₁的值，再求出其他两个电源值，由(5)式得到

所述有源Y—△型电路逆变换算法B包括：

进行有源电阻网络的等效变换，有源非对称△变换Y型联结电路算法被定义为有源Y—△型联结电路变换算法B；当等效模型出现非对称△型联结电路需要变换成Y型联结电路网络的情况，当有源△型联结电路网络中三电势之和不为零时，电阻按照Y－△型联结电路变换公式求得，电源的等效由广义直流对称分量法来进行分析换算，相对应的直流电源的正序、负序和零序分量分别为广义正序分量、广义负序分量和广义零序分量，具体地：

(a)对非对称△型联结电路的直流电源E₁₂、E₂₃和E₃₁进行广义直流对称分量分解：

对直流电源E₁₂、E₂₃和E₃₁进行广义直流对称分量分解，有

其中，E_a1、E_b1和E_c1为广义正序电压源分量，E_a2、E_b2和E_c2为广义负序电压源分量，E_a0、E_b0和E_c0为广义零序电源电压分量；

根据对称分量法，广义正序和广义负序电源电压分量的关系式为

对于△型联结电路而言，设广义零序电源电压分量E_a0、E_b0和E_c0有如下关系

其中，I_a0、I_b0、I_c0和I₀分别为对应的广义零序电流源分量；

由(10)式可得

E_a0+E_b0+E_c0＝I₀*(R₁₂+R₂₃+R₃₁) (11)，

由(8)式各式相加，可得

E_a0+E_b0+E_c0＝E₁₂+E₂₃+E₃₁ (12)，

将(11)式代入(12)式，可得

I₀＝(E₁₂+E₂₃+E₃₁)/(R₁₂+R₂₃+R₃₁) (13)，

将(11)式代入(8)式，可得

任意设(14)式中两个变量分别为某数值，取E_a1和E_b1分别为不为零某数值，则求得E_a2和E_b2的表达式为

将(15)式代入(9)式，求得E_c1和E_c2

至此，在取定E_a1和E_b1分别为某数值后，利用(15)式和(16)式求得广义正序电源电压分量(E_a1、E_b1和E_c1)和广义负序电源电压分量(E_a2、E_b2和E_c2)；利用(10)式和(13)求得广义零序电源电压分量(E_a0、E_b0和E_c0)；

(b)叠加原理：

对非对称△型联结电路的E₁₂、E₂₃和E₃₁进行广义直流对称分量分解，得到广义正序电源电压分量(E_a1、E_b1和E_c1)、广义负序电源电压分量(E_a2、E_b2和E_c2)和广义零序电源电压分量(E_a0、E_b0和E_c0)；利用叠加原理将广义各序电源电压分量变换合成，得到Y型联结电路的电源电压

其中，E_sa1、E_sb1和E_sc1为Y型联结电路广义正序电源电压分量；E_sa2、E_sb2和E_sc2为Y型联结电路广义负序电源电压分量；E_sa0、E_sb0和E_sc0为Y型联结电路广义零序电源电压分量；

广义正序电源电压分量，在广义正序电源电压分量(E_a1、E_b1和E_c1)的作用下，根据对称△—Y型联结电路变换方法，求广义正序电源电压分量E_sa1、E_sb1和E_sc1；

广义负序电源电压分量，在广义负序电源电压分量(E_a2、E_b2和E_c2)的作用下，根据对称△型—Y型联结电路变换方法，求广义负序电源电压分量E_sa2、E_sb2和E_sc2；

广义零序电源电压分量，由于广义零序电压分量施加在△型联结电路侧，无论另一侧接线方式如何，都没有广义零序电流流过，所以，忽略广义零序电源电压分量(E_a0、E_b0和E_c0)的作用影响，即：

E_a0＝0、E_b0＝0 E_c0＝0 (18)，

将式(18)代入式(17)，得到Y型联结电路的等效电源为

电阻变换公式如下

第三步，利用回路电流方程或节点电压方程求解低阶埋地油气管道等效电路GIC和PSP；

利用回路电流方程求解低阶埋地油气管道等效电路GIC和PSP，所述大规模埋地油气管道GIC和PSP的回路电流计算方法包括：

第一步骤，给定计算机及其算法所能计算的最多回路数，用符号Mloop表示；回路数是指使用回路电流法求解直流电路电流和电压所定义的回路数；

第二步骤，给出被研究管网对象和与其对应的整体等效电路，以下简称原电路；

第三步骤，将电路中的非线性元件和关键节点部分电路定义保留标记，其回路数用符号Kloop表示，即，除保留电路外，电路的其余部分均为线性电路；

第四步骤，将原电路进行划分得到N段原电路，在N段原电路中的每段原电路的回路数为Lloop，其约束条件为：Lloop+Kloop＜Mloop，算法能够求出正确解；

第五步骤，选取初值：i＝1；

第六步骤，提取第i段原电路；这里欲仿真计算该第i段埋地油气管道对应电路的GIC和PSP分布；

第七步骤，对j＝1、2、…i-1、i+1、…、N段原电路分别使用一段埋地油气管道的等效变换方法对之线性电路进行等效变换，将非线性元件和关键节点部分电路保留，分别得到对应的N-1段等效电路，其中j≠i；

第八步骤，将等效后的电路称为第i段等效电路；将第i段原电路及其相连接的等效后的电路统称为第i段电路，后等效电路；

第九步骤，利用回路电流方法仿真计算第i段后等效电路的GIC和PSP分布，保存第i段原电路的GIC和PSP分布结果；

第十步骤，判断：

如果i＜N，则变量i递增i＝i+1，转第七步骤，继续计算；

如果i＝N，输出i＝1、2、3……N段原电路的GIC和PSP分布结果，就是被研究管网对象的GIC和PSP分布结果；

第十一步骤，结束计算；

利用节点电压方程求解低阶埋地油气管道等效电路GIC和PSP，所述大规模埋地油气管道GIC和PSP的节点电压计算方法包括：

第一步骤，给定计算机及其算法所能计算的最多节点数，用符号Mnod表示；节点数是指使用节点电压法求解直流电路电流和电压所定义的节点数；

第二步骤，给出被研究管网对象和与其对应的整体等效电路，以下简称原电路；

第三步骤，将电路中的非线性元件和关键节点部分电路定义保留标记，节点数，用符号Knod表示，即，除保留电路外，电路的其余部分均为线性电路；

第四步骤，将原电路进行划分得到N段原电路，在N段原电路中的每段原电路的节点数Lnod，其约束条件为：Lnod+Knod＜Mnod，算法能够求出正确解；

第五步骤，选取初值：i＝1；

第六步骤，提取第i段原电路；这里欲仿真计算该段埋地油气管道对应电路的GIC和PSP分布；

第七步骤，对j＝1、2、…i-1、i+1、…、N段原电路分别使用一段埋地油气管道的等效变换方法对之线性电路进行等效变换，将非线性元件和关键节点部分电路保留，分别得到对应的N-1段等效电路，其中j≠i；

第八步骤，将等效后的电路称为第i段等效电路；

第九步骤，利用节点电压方法仿真计算第i段等效电路的GIC和PSP分布，保存第i段原电路的GIC和PSP分布结果；

第十步骤，判断：

如果i＜N，则变量i递增i＝i+1，转第七步骤，继续计算；

如果i＝N，输出i＝1、2、3……N段原电路的GIC和PSP分布结果，就是被研究管网对象的GIC和PSP分布结果；

第十一步骤，结束计算；

第四步，将大规模埋地油气管道等效电路的若干部分的每一部分都分别扫描计算一遍，集成若干部分的计算结果就得到大规模埋地油气管道GIC和PSP全部结果。

2.如权利要求1所述的大规模埋地油气管道GIC和PSP计算方法，其特征在于：所述一段埋地油气管道的等效变换方法，选取埋地油气管道LZS-DSPL模型中一段四孔网络，埋地油气管道参数R₁₁、R₁₂、R₁₃和R₁₄代表埋地油气管道纵向电阻，R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄和R₂₅表示涂层横向电阻，R₃₁、R₃₂、R₃₃和R₃₄表示土壤纵向电阻，E₁₁、E₁₂、E₁₃和E₁₄表示埋地油气管道附近电场强度，简化网孔，将四网孔合并简化成三个网孔，过程如下：

第一步，Y变换△型联结电路有源网络，即有源Y—△型联结电路正变换算法；利用有源Y型—对称△型联结电路联结变换，即有源Y—△型联结电路变换算法A，Y－△型联结电路有源网络变换将其中两个网孔进行合并而简化电路，R₁₂、E₁₂、R₁₃、E₁₃和R₂₃三个支路组成一个Y型联结网络，经过变换等效成一个新的△型联结电路网络，用R₁、E₁、R₂、E₂、R₃、E₃表示△型联结电路的三个支路，经过变换后，原来的四个网孔变成了五个网孔；

第二步，左△变换Y型联结电路有源网络，即采用有源Y—△型联结电路逆变换算法；如果△为有源对称△，则采用有源Y—△型联结电路逆变换算法A；如果△为有源非对称△，则采用有源Y—△型联结电路逆变换算法B；网孔R₃₂、R₂₂、R₃、E₃三个支路组成一个△型联结电路网络，经过△－Y型联结电路变换等效成Y型联结电路网络R₁’、E₁’、R₂’、E₂’、R₃’、E₃’三个支路；

第三步，右△变换Y型联结电路有源网络，即采用有源Y—△型联结电路逆变换算法；如果△为有源对称△，则采用有源Y—△型联结电路逆变换算法A；如果△为有源非对称△，则采用有源Y—△型联结电路逆变换算法B；与上述第二步同理，网孔R₃₃、R₂₄、R₂、E₂三个支路也等效成一个Y型联结网络R₁”、E₁”、R₂”、E₂”、R₃”、E₃”三个支路；

第四步，合并；经过以上三步变换后，进一步整理得到等效电路；再将电阻合并后得到一个新的三孔电路网络，从而达到了将四网孔简化成三个网孔的目的。