埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法及装置，通过在阴极保护站所在处的埋地油气管道绝缘法兰钩线电缆里加装电流传感器来测量埋地油气管道中的电流，在阴极保护装置中安装电流和电压传感器来测量阴极保护装置中的电流和电压，以及使用在线学习的参数辨识方法来更新埋地油气管道土壤电阻参数，实时计算埋地油气管道和阴极保护装置的GIC动态电流。该测量方法有效解决了间接测量GIC及阴极保护装置动态电流所存在的问题，实现了阴极保护站所在处的埋地油气管道GIC和阴极保护装置的GIC准确监测，可以正确地评估地磁暴对埋地油气管道的影响，并且及时采取防御措施来避免重大事故的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及埋地油气管道GIC监测技术领域，具体涉及一种埋地油气管道 和阴极保护装置的GIC测量方法及装置。

背景技术

随着国民经济的快速发展，国家对石油和天然气的需求量逐年递增。毋庸置 疑，埋地油气管道(以下简称管道)的快速建设和发展有效保障了国家能源供应， 促进了经济发展。但与此同时，若管道发生安全故障，会对国民经济运行产生严 重影响，如果管道发生泄露穿孔，引发火灾爆炸或事故，更会对人民生命、环境 和国家财产造成严重危害。因此，应该从设计、施工及运行管理等方面严格控制， 降低事故发生概率，避免重特大事故及环境污染事件的发生。一般情况下，管道 发生事故的原因除了天灾人祸之外就是金属腐蚀，尤其是管道外部的直流杂散电 流腐蚀。首先，在已有研究结果中已经得到行业关注的是：我国电网尤其是南方 电网的直流输电系统在单极接地运行方式时，烧毁了很多管道阴极保护装置，对 广东管道已造成严重影响；其次，到目前为止还没有得到行业广泛关注的是：与 直流输电系统具有同样性质的空间天气引起的地磁暴产生的地磁感应电流对管 道所造成的影响。据世界中心的地磁暴Dst指数数据库统计表明，管道大约每年 平均有2到3个月的时间遭受中等及以上级别地磁暴的影响。另外，由核爆产生 的电磁脉冲辐射对管道的影响机理也与地磁暴类似。从国家战略角度上看，核爆 影响问题已经正在得到有关行业和管理部门的极大关注。由于直流输电系统、地 磁暴和核爆在管道里所产生的电流性质相近，所以，在本发明专利里，将其统称 为地磁感应电流GIC(Geomagnetically Induced Current)。

研究表明，地磁暴对管道影响的本质，一是导致管道产生更高的管地电位 PSP(Pipe to Soil Potential)；二是在管道里产生GIC。由于地理条件的限制和 分输站原因，油气管网铺设出现拐角、分支、地理起伏、海拔高度变化、不同电 阻率区域等复杂情况，使得具有全局影响的地磁暴和按原电池腐蚀局部影响设计 的传统阴极保护产生的管道GIC和管地电位PSP的分布特征完全不同。其危害 分为三个方面，第一，一般腐蚀。管地电位PSP会超过国家阴极保护标准范围， 从而使传统阴极保护失去控制，因此，地磁暴会加速金属管道的腐蚀。第二，对 于具有局部腐蚀的管道，管地电位PSP越高，在已有局部腐蚀处流进或流出的 电流就越大，造成腐蚀越严重甚至产生电弧导致管道漏油气以及爆炸等突发事 故。第三，对于与管道连接的具有接地点的阴极保护装置、仪表和传感器等设备， GIC电流会影响其正常工作甚至会通过其接地点将其烧毁。

要正确评估地磁暴对管道的影响并且采取防御措施，必须准确地测量管道 GIC和阴极保护装置GIC，这是非常必要的基础研究工作。但是存在两个最突出 的问题：

(1)间接测量GIC存在的问题

对于铺设好的正常运行的埋地管道，由于其直径较大，在管道上安装电流互 感器施工很不方便，另外，阴极保护装置还在运行中。所以，准确测量其通过管 道的GIC电流比较困难。

一般的管道GIC的测量原理是利用磁强计测量GIC所产生的感应磁场强度， 利用电磁定律间接计算得到GIC。常见磁强计有磁通门磁强计(涂疑，郭文生， 曹大平.磁通门传感器的应用与发展[J].水雷战与舰船防护，2002，01:36-38.)、 超导量子干涉磁强计(曾昭发,王者江.SQUID及在地球物理中的应用[J].地球 物理学进展，2003，04:608-613.)等。磁通门磁强计的传感器是绕在高磁导率芯 上的变压器。工作原理是：铁芯磁导率随激励磁场强度而变，在被测磁场的作用 下，感应电势中就会出现随被测磁场强度而变的偶次谐波分量，而当铁芯处于周 期性过饱和工作状态时，偶次谐波分量显著增大。所有偶次谐波的的振幅和相位 正比于探头轴相磁场的强度和方向。实际上，偶次谐波相比于奇次谐波是很弱的。 使用两个单铁芯探头平行，激磁线圈反向串联，感应线圈同向串联，使得奇次谐 波互相抵消，而偶次谐波信号相互叠加。所以，通过测量和分析偶次谐波信号的 变化就可以确定被测磁场。

双磁通门测量法是WallaceH Campbell和James E.Zimmerman在上世纪80 年代提出的(Campbell W H,Zimmerman J E 1980IEEE T.Geosci.Remote 18  244.)。在测量管道GIC时，管道周围的磁场B由两部分组成：GIC在管道周围 产生的磁场和管道周围的环境场。将一磁通门探头在管道10m处与管道平行放 置，记录磁场变化。所测得磁场为管道中的GIC在该点产生的磁场与该点的环 境磁场之和。可见，采用单一磁通门探头测量所测得磁场中不仅包括GIC在探 头处产生的磁场，还包括该点的环境磁场。为了消除环境磁场对测量的影响，所 以采用双磁通门差分测量。美国Alaska管线测量GIC就是使用这种方法。这种 方法本质上是利用磁通门测量GIC产生的磁场强度，间接计算得到GIC，不能 获得实时且准确的GIC数据。

WallaceH Campbell和James E.Zimmerman还提出了使用超导量子干涉磁强 计(SQUID Magnetometer)测量磁场梯度。SQUID磁强计本质上是同磁通门、 磁力计测量GIC一样，是在外部测量GIC产生的磁场强度，然后通过电流与磁 场的关系计算得到GIC。

另外，美国Chena测试站中使用了分流计来测量管道GIC。Chena测试站在 650英尺长的管道上安装分流器，首先通过其他技术手段获得这段管道上的电 阻，在已知管道电阻、分流器电阻的情况下，利用管道电阻和分流器支路分流的 比例关系，可以求得总线电流。由于管道上的电阻不能准确得到，所以误差很大。

所以，不使用电流互感器的间接测量管道GIC的方法，由于需要管道和其 环境背景参数等信息，另外，还受到背景电磁场的影响，因此，测量精度差。

(2)阴极保护装置动态电流对GIC测量的影响

在测量GIC时，由于阴极保护装置仍在运行中，所以，现场测得的电流是 地磁感应和阴极保护电源的合成结果，应该将运行中的阴极保护动态电流从所测 量电流值中分离出来之后才能得到所要测的真正GIC。

发明内容

针对现有技术中解决测量GIC所存在的上述两个突出问题，本发明提供了 一种埋地油气管道GIC和阴极保护装置GIC的测量方法及装置，通过在阴极保 护站所在处的埋地油气管道绝缘法兰钩线电缆里加装电流传感器来直接测量埋 地油气管道中的电流，在阴极保护装置中安装电流和电压传感器来测量阴极保护 装置中的电流和电压，以及使用在线学习的参数辨识方法来更新埋地油气管道土 壤电阻参数，实时计算埋地油气管道和阴极保护装置的GIC动态电流所存在的 问题，实现了阴极保护站所在处的埋地油气管道GIC和阴极保护装置的GIC准 确监测，可以正确地评估地磁暴对埋地油气管道的影响，并且及时采取防御措施 来避免重大事故的发生。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种埋地油气管道GIC和阴极保护装置GIC的测量方法，该方法包括：

步骤1，通过在阴极保护站所在处的埋地油气管道绝缘法兰钩线电缆里加装 电流传感器，直接测量埋地油气管道中的电流；

步骤2，使用在线学习的参数辨识方法，更新埋地油气管道土壤电阻参数， 实时计算埋地油气管道和阴极保护装置的GIC动态电流。

优选的是，如步骤1所述的在阴极保护站所在处的埋地油气管道绝缘法兰钩 线电缆里加装电流传感器测量埋地油气管道中电流，具体包括：

步骤11，阴极保护站的进出站干线管道通过绝缘法兰钩线电缆连接，每一 个阴极保护站安装有两套雷电防护装置和两套阴极保护装置，其通过绝缘法兰外 侧的阴极电缆与进出站干线管道连接；

步骤12，阴极保护装置上安装输出电压传感器和电流传感器，并在钩线电 缆处加装一个电流传感器。

在上述任一技术方案中优选的是，如步骤2所述的使用在线学习的参数辨识 方法来更新埋地油气管道土壤电阻参数，实时计算埋地油气管道和阴极保护装置 的GIC动态电流，具体包括：

步骤21，对无地磁暴时的阴极保护装置电流、阴极保护装置左侧钩线电缆 电流分别与阴极保护装置输出电压之间的关系进行数据在线拟合；

步骤22，使用最小二乘法在线估计求解模型土壤电阻参数；

步骤23，当无地磁暴时进行数据记录，建立历史数据库；

步骤24，当有地磁暴时进行数据记录；

步骤25，对阴极保护站所在处埋地油气管道和阴极保护装置GIC的电流瞬 时值进行求解。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种埋地油气管道GIC和阴极保护装 置GIC的测量装置，该测量装置包括传感器、电源、信号调理电路、PCI数据采 集板卡、GPS授时模块、通讯模块和工控机。

在上述任一技术方案中优选的是，电源连接传感器、信号调理电路、PCI数 据采集板卡、GPS授时模块，GPS授时模块连接工控机，工控机连接通讯模块。

在上述任一技术方案中优选的是，管地电位PSP、管道钩线电流、阴极保护 装置的阴极电流、阴极保护装置的输出电压这四路测量信号经过信号调理电路的 整理和隔离后，分别输入到PCI数据采集板卡的各个采集通道进行信号采集，工 控机的监测界面实时显示和本地存储数据，数据通过通讯模块传输至GIC安全 评估中心进行分析处理。

在上述任一技术方案中优选的是，所述传感器与信号调理电路相连接，所述 传感器包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，霍尔电压传感器和霍尔电流传感 器均为闭环霍尔传感器。

在上述任一技术方案中优选的是，所述信号调理电路与霍尔电压传感器、霍 尔电流传感器及PCI数据采集板卡相连接，用于采集信号的放大、滤波、隔离及 传输。

在上述任一技术方案中优选的是，所述PCI数据采集板卡与信号调理电路及 工控机相连接，用于数据采集和控制。

在上述任一技术方案中优选的是，所述GPS授时模块与工控机相连接，用 于实现设备的时间同步。

在上述任一技术方案中优选的是，所述工控机与PCI数据采集板卡、GPS 授时模块及通讯模块相连接，用于数据显示和存储。

在上述任一技术方案中优选的是，所述通讯模块与GIC安全评估中心相连 接，用于实现数据的远距离传输。

本发明的埋地油气管道GIC和阴极保护装置GIC的测量方法及装置，该测 量方法通过在阴极保护站所在处的埋地油气管道绝缘法兰钩线电缆里加装电流 传感器，可直接测量埋地油气管道中的电流，这样既避免使用管道和其环境背景 参数等信息，也不会受到背景电磁场的影响；使用在线学习的参数辨识方法来更 新埋地油气管道土壤电阻参数，并实时计算阴极保护装置动态电流，最后得到所 要测的真正GIC。该测量方法有效解决了“间接测量GIC”及“阴极保护装置动态 电流对GIC测量影响”这两个现有技术中测量GIC所存在的最突出的问题，实现 了阴极保护站所在处的埋地油气管道GIC和阴极保护装置的GIC准确监测。埋 地油气管道GIC和阴极保护装置GIC的测量装置包括传感器、电源、信号调理 电路、PCI数据采集板卡、GPS授时模块、通讯模块及工控机，通过其数据测量、 数据传输、采集同步、装置定位、预测报警、安全防爆功能，可以实现部署在全 国各地的各个管道压气站中GIC测量装置的数据采集、存储、传输任务。采用 本发明的埋地油气管道GIC和阴极保护装置GIC测量方法及装置，可以正确地 评估地磁暴对埋地油气管道的影响，并且及时采取防御措施来避免重大事故的发 生。

附图说明

图1为按照本发明的埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法及装置 的一优选实施例的埋地油气管道和阴极保护装置GIC测量方法流程图；

图2为按照本发明的埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法及装置 的一优选实施例的阴极保护站结构示意图；

图3a为按照本发明的埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法及装置 的一优选实施例的阴极电缆位于出站(下游)侧时的管道等效电路图；

图3b为按照本发明的埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法及装置 的一优选实施例的阴极电缆位于进站(上游)侧时的管道等效电路图；

图4为按照本发明的埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法及装置 的一优选实施例的测量管道中电流的流程图；

图5为按照本发明的埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法及装置 的一优选实施例的更新管道系统参数并实时计算阴极保护装置动态电流得到所 测GIC的流程图；

图6为按照本发明的埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法及装置 的一优选实施例的埋地管道GIC监控装置数据采集硬件结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明，以下描述仅作为示范和 解释，并不对本发明作任何形式上的限制。

如图1所示，埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法包括步骤1、2：

步骤1，通过在阴极保护站所在处的埋地油气管道绝缘法兰钩线电缆里加装 电流传感器，直接测量埋地油气管道中的电流；

步骤2，使用在线学习的参数辨识方法，更新埋地油气管道土壤电阻参数， 实时计算埋地油气管道和阴极保护装置的GIC动态电流。

一般输气管道清管站(阴极保护站)的站内工艺管道与进出站干线管道分别 由两个绝缘接头进行电绝缘，进出站干线管道通过钩线电缆连接起来。在每一个 清管站安装两套雷电防护装置和两套阴极保护装置(一套工作，另一套备用)， 通过绝缘法兰外侧的阴极电缆与进出站干线管道连接。阴极保护站结构如图2 所示。

当地磁暴发生而干线管道内存在GIC时，接入阴极保护装置后的等效电路如 图3a至图3b所示。具体地，当阴极电缆位于出站(下游)侧时，接入阴极保护 装置后的等效电路图如图3a所示；当阴极电缆位于进站(上游)侧时，接入阴 极保护装置后的等效电路图如图3b所示。

如图4所示，对于上述的埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法的 步骤1，在阴极保护站所在处的埋地油气管道绝缘法兰钩线电缆里加装电流传感 器测量埋地油气管道中电流，具体包括步骤11、12：

步骤11，阴极保护站的进出站干线管道通过绝缘法兰钩线电缆连接，每一 个阴极保护站安装有两套雷电防护装置和两套阴极保护装置，其通过绝缘法兰外 侧的阴极电缆与进出站干线管道连接；

步骤12，阴极保护装置上安装输出电压传感器和电流传感器，并在钩线电 缆处加装一个电流传感器。

如图5所示，对于上述的埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法的 步骤2，使用在线学习的参数辨识方法来更新埋地油气管道土壤电阻参数，实时 计算埋地油气管道和阴极保护装置的GIC动态电流，具体包括：

步骤21，对无地磁暴时的阴极保护装置电流、阴极保护装置左侧钩线电缆 电流分别与阴极保护装置输出电压之间的关系进行数据在线拟合；

步骤22，使用最小二乘法在线估计求解模型土壤电阻参数；

步骤23，数据记录，其中：

当无地磁暴时进行数据记录，建立历史数据库；

当有地磁暴时进行数据记录；

步骤24，对阴极保护站所在处埋地油气管道和阴极保护装置GIC的电流瞬 时值进行求解。

下面以阴极电缆位于出站(下游)侧时的管道地磁感应电流GIC和阴极保护 装置中流入的GIC计算和测量方法。

假设条件：第一，在管道上加装的阴极保护装置可等效为可调电源E和等效 内阻r，其输出电压为V；第二，被保护的上下游管道的上游管道和阳极床之间 土壤的等效电阻为R₁，下游管道和阳极床之间土壤的等效电阻为R₂；第三，管 道阴极保护站所在处阴极焊接点左侧的GIC电流为I_GIC(t)，阴极焊接点右侧的 GIC电流为I′_GIC(t)；上下游管道流进和流出阴极保护站的等效GIC电流分别为 I_GIC1(t)和I_GIC2(t)。

由于阴极电缆有两种不同的位置，所以测量阴极保护站所在处的GIC时有两 种不同情况。取阴极电缆位于出站侧情况，这里给出阴极保护站所在处的地磁感 应电流GIC瞬时值在线测量方法，如下所述：

1)电流传感器安装

在阴极保护装置上自身安装有输出电压传感器V和电流传感器A₀。为准确 测量GIC，还应在钩线电缆处加装一个电流传感器A₁。其中，各仪表的安装位 置和正方向有如图3a和3b所示的两种接线方式。

2)对无地磁暴时的阴极保护装置电流A₀₀(t)、阴极保护装置左侧钩线电缆电 流A₁₀(t)分别与输出电压V₀(t)之间关系的在线拟合

根据如图3a所示的管道等效电路图的第一种接线方式可知：

阴极保护装置阴极右侧电流不方便测量，其计算值为

A₂₀(t)＝A₀₀(t)-A₁₀(t)  (1)

这里，

$A_{10}\left(t\right)=\frac{V_0\left(t\right)}{R_1\left(t\right)+R},A_{20}\left(t\right)=\frac{V_0\left(t\right)}{R_2\left(t\right)+R}---\left(2\right)$

其中，E为阴极保护装置的等效电势，r为阴极保护装置的等效内阻，R为 管道的涂层等效电阻。上游管道和阳极床之间土壤的等效电阻为R₁(t)，下游管 道和阳极床之间土壤的等效电阻为R₂(t)。E、R和r为已知的参数，而R₁(t)和 R₂(t)会随着环境的变化而变化。

由电路可得阴极保护装置左侧钩线电缆电流A₁₀(t)与阴极保护装置输出电 压V₀(t)之间的关系

$A_{10}\left(t\right)=\frac{E[R_2\left(t\right)+R]-V_0\left(t\right)[R_2\left(t\right)+R+r]}{[R_2\left(t\right)+R]r}---\left(3\right)$

由电路可得管道阴极保护装置的电流A₀₀(t)与阴极保护装置输出电压V₀(t)之 间的关系

$A_{20}\left(t\right)=\frac{E[R_1\left(t\right)+R]-V_0\left(t\right)[R_1\left(t\right)+R+r]}{[R_0\left(t\right)+R]r}+\frac{E[R_2\left(t\right)+R]-V_0\left(t\right)[R_2\left(t\right)+R+r]}{[R_2\left(t\right)+R]r}---\left(4\right)$

由(3)式和(4)式可知，A₀₀(t)和A₁₀(t)受到管道涂层电阻R、上游管道和 阳极床之间土壤的等效电阻R₁(t)、下游管道和阳极床之间土壤的等效电阻R₂(t) 的影响。R₁(t)和R₂(t)因受到大气天气环境变化的影响而发生变化。

3)使用最小二乘法模型参数估计

当系统正常运行或做试验时(此时没有地磁暴发生，只有阴极保护装置单独 运行)，在某一时刻t，采集系统的输出量：管道阴极保护装置的电流A₀₀(t)、阴 极保护装置左侧钩线电缆电流A₁₀(t)，采集系统的输入量u：阴极保护装置输出 电压V₀(t)数据。存储多组阴极保护装置输出电压V₀(t)和管道阴极保护装置的电 流A₀₀(t)、阴极保护装置左侧钩线电缆电流A₁₀(t)的关系数据作为历史数据库， 通过(3)式和(4)式，使用最小二乘法参数估计方法，在线估计求解出R₁(t)和 R₂(t)等模型参数。

使用最小二乘法估计模型参数R₁(t)和R₂(t)的过程描述：

整理(3)式和(4)式，得到

$A_{10}\left(t\right)=\frac{E}{r}+{\alpha }_1{V}_0\left(t\right)---\left(5\right)$

$A_{00}\left(t\right)=\frac{2E}{r}+{\beta }_1{V}_0\left(t\right)---\left(6\right)$

其中，${\alpha }_1=-\frac{[R_2\left(t\right)+R+r]}{[R_2\left(t\right)+R]r},{\beta }_1=-\frac{[R_1\left(t\right)+R+r]}{[R_1\left(t\right)+R]r}-\frac{[R_2\left(t\right)+R+r]}{[R_2\left(t\right)+R]r}$

以下对参数α₁进行最小二乘估计。

设a₁是α₁的最小二乘估计值，则(5)式写成

$A_{10}\left(k\right)=\frac{E}{r}+a_1{V}_0\left(k\right)+e\left(k\right)---\left(7\right)$

其中，A₁₀(k)、V₀(k)是第k时刻的观测值，e(k)为第k时刻的误差估计值，称 为残差，k＝1,2,...,n，n为观测数据长度。

令为A₁₀(k)的估计值，则

${\hat{A}}_{10}\left(k\right)=\frac{E}{r}+a_1{V}_0\left(k\right)---\left(8\right)$

$e\left(k\right)=A_{10}\left(k\right)-{\hat{A}}_{10}\left(k\right)---\left(9\right)$

想要估计值与实际值拟合的最好，需要使残差的平方和最小，即

$Q\left(b_1\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{e}^2\left(k\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}[A_{10}\left(k\right)-{\hat{A}}_{10}\left(k\right){]}^2=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}[A_{10}\left(k\right)-(\frac{E}{r}+a_1{V}_0\left(k\right))]---\left(10\right)$

取得最小值。为此，我们利用微分求极值原理确定a₁的值，即解下列公式

$\frac{\partial Q}{{\partial a}_1}=-2[A_{10}\left(k\right)-{\hat{A}}_{10}\left(k\right)]V_0\left(k\right)---\left(11\right)$

即

$\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}[A_{10}\left(k\right)-\frac{E}{r}-a_1{V}_0\left(k\right)]V_0\left(k\right)=0---\left(12\right)$

整理并化简上式，得到

$\frac{E}{r}\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_0\left(k\right)+\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_1{V_0}^2\left(k\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_{10}\left(k\right)V_0\left(k\right)---\left(13\right)$

求解上式，可得

$a_1=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_{10}\left(k\right)V_0\left(k\right)-\frac{E}{r}\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_0\left(k\right)}{\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V_0}^2\left(k\right)}---\left(14\right)$

(14)式即为(5)式中参数α₁的最小二乘估计。

进而可以求解R₂(t)

$R_2\left(t\right)=-\frac{{\alpha }_1\mathrm{Rr}+R+r}{1+{\alpha }_{1}r}---\left(15\right)$

同理，可求得R₁(t)的值。

4)当无磁暴时进行数据记录，建立历史数据库

记录数据：阴极保护装置电流传感器和钩线电缆电流传感器的数值A₀₀和 A₁₀，，阴极保护装置输出电压传感器数值为V₀，建立历史数据库。

5)当有地磁暴时进行动态数据记录

当发生地磁暴时(此时阴极保护装置也在运行中)，在同一时刻，采集管道 阴极保护装置的阴极电流A₀₁(t)、阴极保护装置左侧电流A₁₁(t)和输出电压V₁(t) 三个数据。当地磁暴和阴极保护装置共同起作用时根据叠加原理，有

阴极保护装置左侧钩线电缆电流瞬时值关系

A₁₁(t)＝A₁₀(t)+I_GIC(t)  (16)

阴极保护装置焊接点右侧电流瞬时值关系

A₂₁(t)＝A₂₀(t)-I′_GIC(t)  (17)

阴极保护装置电流瞬时值关系

A₀₁(t)＝A₀₀(t)+ΔI_GIC(t)  (18)

阴极保护装置阴极焊接点右侧电流瞬时值

A₂₁(t)＝A₀₁(t)-A₁₁(t)  (19)

6)阴极保护站所在处管道GIC的电流瞬时值求解

由(16)式、(17)式和(18)式，有

阴极保护装置左侧钩线电缆GIC电流瞬时值I_GIC(t)

I_GIC(t)＝A₁₁(t)-A₁₀(t)  (20)

阴极保护装置阴极焊接点右侧GIC电流瞬时值I′_GIC(t)

I′_GIC(t)＝A₂₀(t)-A₂₁(t)  (21)

阴极保护装置阴极GIC电流瞬时值ΔI_GIC(t)

ΔI_GIC(t)＝A₀₁(t)-A₀₀(t)  (22)

将(1)式和(19)式带入(21)式中，得到

阴极保护装置阴极焊接点右侧GIC电流瞬时值I′_GIC(t)

I′_GIC(t)＝A₀₀(t)-A₀₁(t)+A₁₁(t)-A₁₀(t)  (23)

式中，A₀₀(t)和A₁₀(t)的数值确定方法为：可在历史数据库V₀(t)中寻找V₀(t)等 于V₁(t)所对应的A₀₀(t)和A₁₀(t)的电流值来替代。这样，利用公式(20)式、(22) 式和(23)式，就可以计算出阴极保护站处各个位置的GIC电流的瞬时值。

前面给出了阴极保护装置阴极电缆位于出站(下游)侧时第一种接线方式的 管道地磁感应电流GIC和阴极保护装置中流入的GIC计算和测量方法。同理， 可以得到阴极保护装置阴极电缆位于进站(上游)侧时第二种接线方式的管道地 磁感应电流GIC和阴极保护装置中流入的GIC计算和测量方法，这里不再赘述。

埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量装置包括传感器、电源、信号调理 电路、PCI数据采集板卡、GPS授时模块、通讯模块、工控机，如图6所示，该 测量装置的电源连接传感器、信号调理电路、PCI数据采集板卡、GPS授时模块， GPS授时模块连接工控机，工控机连接通讯模块。GIC测量装置部署在各个管道 压气站中，遍布全国各地。因而，GIC测量装置担负着数据采集、存储、传输的 任务。

基于前述埋地油气管道和阴极保护装置的GIC测量方法计算过程可知，测 量信号有四个，包括：管地电位V₁、管道钩线电流A₁、阴极保护装置的阴极电 流A₀、阴极保护装置的输出电压V。这四路测量信号经过信号调理电路进行整 理和隔离后，分别输入到PCI数据采集板卡的各个采集通道，进行信号采集；在 工控机的监测界面进行实时显示和本地存储，通过通讯模块将数据进行远距离传 输；GIC安全评估中心接收到数据之后，对数据进行分析处理。

传感器与信号调理电路相连接，传感器包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感 器，霍尔电压传感器和霍尔电流传感器均为闭环霍尔传感器。信号调理电路与霍 尔电压传感器、霍尔电流传感器及PCI数据采集板卡相连接，用于采集信号的放 大、滤波、隔离及传输。PCI数据采集板卡与信号调理电路及工控机相连接，用 于数据采集和控制。GPS授时模块与工控机相连接，用于实现设备的时间同步。 工控机与PCI数据采集板卡、GPS授时模块及通讯模块相连接，用于数据显示 和存储。通讯模块与GIC安全评估中心相连接，用于实现数据的远距离传输。

具有上述硬件结构的埋地管道GIC测量装置具有如下功能：

1)数据测量功能：准确测量各个采集通道的信号，并在装置中实时显示和 存储；

2)数据传输功能：通过3G或4G无线网络，装置将测得的GIC数据传输给 GIC安全评估中心，进行数据分析处理；

3)采集同步功能：通过GPS时间模块，获得同一GPS卫星的时钟源，作为 系统的采样时钟源，使得各监测装置的数据采集同步；

4)装置定位功能：通过GPS定位模块，将装置的位置信息进行定位，方便 GIC安全评估中心进行数据对比分析；

5)预测报警功能：当测得的GIC电流值持续一段时间处于超限状态时，装 置会进行预测报警，关闭阴极保护装置，防止过大的GIC电流对阴极保护装置 造成损坏；

6)安全防爆功能：装置装有安全防爆模块，防止在对管道进行电流电压测 量时，装置对管道产生影响，减小测量行为对管道的危害。

对于埋地管道GIC监控装置，其硬件部分：

1)首先，对于传感器：埋地管道GIC测量方法已经描述过了，所用到的传 感器为霍尔电压传感器和霍尔电流传感器。根据本系统的要求，选择用精度更高 的闭环霍尔传感器，其原理是利用磁平衡，通过副边线圈电流所产生的磁场来补 偿原边电流所产生的磁场，从而使霍尔器件始终处于监测零磁通的工作状态。

通过比较各厂商的闭环霍尔传感器的性能和价格，最终选用莱姆(LEM)公 司的LA305-S型闭环霍尔电流传感器和LV25-200型霍尔电压传感器。闭环霍尔 电流传感器主要有以下特点：①可以同时测量任意波形电流，如直流、交流、脉 冲电流；②副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离；③磁芯中磁感应强 度极低，不过使磁芯饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗；④线性度很好； ⑤响应时间快；⑥频率响应范围宽，如在0-100kHz信号范围响应。

2)对于工控机：由于在现场进行工作，有较强的振动、电磁干扰等环境影 响，控制设备选择为可靠性高、实时性好的工控机。所选型号为研华IPC-610MB， 该机型采用AIMB-763VG的主板，Intel奔腾双核E5300(2.6G)的CPU，板 上带有2个COM口，8个USB2.0接口，5个PCI接口，1个PCIex1/PCIex16 接口，1个千兆网卡，内存1G，硬盘160GB，显卡224M。

3)对于GPS授时模块：GIC测量装置被安放在不同的管道压气站中，各个 测量终端是分散在全国各地的，需要对其进行定位。埋地管道GIC安全评估平 台在对数据进行分析处理时，需要各个装置的数据采集是同步的，因而需要用 GPS时间服务器对GIC测量装置进行定位和时钟源输出，保证整个网络的数据 采集的同步。

GPS授时模块是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时、定位的 高科技产品，它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口 类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备(计算机、保护装置等)，实现 时间同步。同时将GIC测量装置的位置信息发送给评估中心，具有很高的精度。

本系统最终选用工业级的HS-105型GPS授时模块，该产品的GPS定位同步 时钟精度达到±0.000001秒/天，完全满足本系统数据采集要求。

4)对于信号调理电路：信号调理是指在数据进入采集卡之前，对信号用模 拟方法进行的处理，其目的是把采集到的信号转变成适宜信号的处理形式，从而 满足采集卡输入的要求。本系统所用的调理电路主要包括一下几个功能：信号放 大、滤波和隔离等。

5)对于PCI数据采集卡：在模拟信号经过初步调理后，随后流入PCI-8361BN 数据采集卡进行采集。该采集卡是北京中泰公司的8路同步数据采集卡，采样率 达到50KHz其模拟量的分辨率为16位，即可以分辨出1/2¹⁶≈0.000015V，具有 很高的分辨率和精度，满足本系统数据采集要求。

6)对于通讯模块：本系统的通讯模块采用工业级无线路由MR-900系列， 其内置工业级3G无线模块，可以通过中国联通或电信的3G无线网络实现远距 离的数据采集转发功能，不受地域、距离、布线、数量的限制，信息发送快速、 准确，应用操作便捷。MR-900系列增加了针对高速率无线通信应用的性能优化， 可稳定、可靠的工作于无人值守环境。其数据传输的理论上行速率可达5.3Mbps， 下行速率7.2Mbps，完全满足本系统数据采集转发的要求。

以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进 行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明 的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范 围内。

本发明专利得到国家自然科学基金项目支持，项目名称：混沌地磁感应电流 对埋地油气管道影响与对策研究(项目编号：51071176)。