本申请涉及超导电力技术领域，尤其涉及基于限流型超导电缆的建模方法、装置设备及存储介质。
背景技术：
随着国民经济的快速发展，现如今对于电力基础设施的大容量、可持续以及可靠性的需求日益增长。尤其是在人口密集的金融、贸易以及政府的中心，电力传输容量的限制将阻碍区域发展的可持续性。同时，电网的重大故障将会严重影响该区域的发展和安全稳定。因此对于电力传输提出了更高的要求。
近年来，限流型高温超导电缆作为一种兼顾大容量和可靠性的输电方式，得到了很多研究人员的关注。限流型高温超导电缆既具有超导电缆通流大和体积小的优点，又能在系统发生故障时利用超导体的失超特性以及故障分流的特点来限制故障电流，在提高供电容量的同时能够保证供电可靠性。
限流型高温超导电缆是利用其失超电阻来限制故障电流，因失超而积聚的热量使得电缆的温度上升。温度的上升一方面会使得电阻继续上升，另一方面又会严重影响到电缆的运行安全。而对于系统仿真而言，动态变化的电阻对于电力系统的暂态特性又会造成影响。因此快速准确，能够实时表现出电阻和温度的变化特性，并且适用于电力系统仿真的模型有利于限流型高温超导电缆在电力系统的动态特性的研究。但是目前没必要专门的适用于系统仿真的限流型高温超导电缆模型，而传统的采用有限元软件的建模方法虽然可以很好地展现出电热特性，但是存在有仿真速度慢，且难以与系统仿真软件进行联合仿真的缺陷，因而不具有良好的适用性。
技术实现要素：
本申请提供了基于限流型超导电缆的建模方法、装置设备及存储介质，解决了现有技术中采用有限元软件的建模方法虽然可以很好地展现出电热特性，但是存在有仿真速度慢，且难以与系统仿真软件进行联合仿真的缺陷，因而不具有良好的适用性的技术问题。
本申请第一方面提供了一种基于限流型超导电缆的建模方法，包括：
获取限流型超导电缆的结构参数；
根据所述结构参数，建立所述限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块；
根据所述电气子模块和所述导热子模块建立所述限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型。
可选地，所述结构参数包括结构组成和材料参数，所述材料参数包括电阻率、热导率、比热容和密度。
可选地，所述根据所述结构参数，建立所述限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块，具体包括：
根据所述限流型超导电缆的结构组成和材料参数，构建电气子模块；所述电气子模块用等效电路表示；
基于所述限流型超导电缆的结构组成和材料参数根据传热方程构建传热模型，根据所述传热模型构建所述导热子模块。
可选地，所述根据所述电气子模块和所述导热子模块建立所述限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型，具体包括：
根据所述电气子模块计算出所述限流型超导电缆的发热功率数据，将所述发热功率数据输入所述导热子模块；
根据所述导热子模块计算出所述限流型超导电缆的温度数据，将所述温度数据输入所述电气子模块。
本申请第二方面提供了一种基于限流型超导电缆的建模装置，包括：
获取参数模块，用于获取限流型超导电缆的结构参数；
建模模块，用于根据所述结构参数，建立所述限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块；
仿真模块，用于根据所述电气子模块和所述导热子模块建立所述限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型。
可选地，所述结构参数包括结构组成和材料参数，所述材料参数包括电阻率、热导率、比热容和密度。
可选地，所述建模模块具体用于：
根据所述限流型超导电缆的结构组成和材料参数，构建电气子模块；所述电气子模块用等效电路表示；
基于所述限流型超导电缆的结构组成和材料参数根据传热方程构建传热模型，根据所述传热模型构建所述导热子模块。
可选地，所述仿真模块具体用于：
根据所述电气子模块计算出所述限流型超导电缆的发热功率数据，将所述发热功率数据输入所述导热子模块；
根据所述导热子模块计算出所述限流型超导电缆的温度数据，将所述温度数据输入所述电气子模块。
本申请第三方面提供了一种基于限流型超导电缆的建模设备，所述设备包括处理器以及存储器：
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面所述的一种基于限流型超导电缆的建模方法。
本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的一种基于限流型超导电缆的建模方法。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中，提供了一种基于限流型超导电缆的建模方法，包括：
获取限流型超导电缆的结构参数；根据所述结构参数，建立所述限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块；根据所述电气子模块和所述导热子模块建立所述限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型。
本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法，通过获取到的限流型超导电缆的结构参数，采用matlab/simulink仿真软件对限流型超导电缆来进行建模，所建立的仿真模型可以避免不同仿真软件之间的交互问题，提高仿真速度和易用性。该仿真模型可以在各种工况下获得限流型超导电缆的电气特性和导热特性，使得电缆状态在仿真过程中能够被实时监控，而有助于分析限流型超导电缆的动态响应性能。本申请的一种基于限流型超导电缆的建模方法，解决了现有技术中采用有限元软件的建模方法虽然可以很好地展现出电热特性，但是存在有仿真速度慢，且难以与系统仿真软件进行联合仿真的缺陷，因而不具有良好的适用性的技术问题。
附图说明
图1为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的另一个实施例的流程示意图；
图3为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的限流型超导电缆的结构示意图；
图4为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的等效电路图；
图5为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的热电类比等效电路图；
图6为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的系统仿真拓扑图；
图7为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的电流仿真结果图；
图8为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的温度电阻仿真结果图；
图9为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的限流型高温超导电缆的导体层电阻及温度的动态变化图；
图10为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了基于限流型超导电缆的建模方法、装置设备及存储介质，解决了现有技术中采用有限元软件的建模方法虽然可以很好地展现出电热特性，但是存在有仿真速度慢，且难以与系统仿真软件进行联合仿真的缺陷，因而不具有良好的适用性的技术问题。
为了便于理解，参见图1，图1为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法的一个实施例的流程示意图；
本申请实施例第一方面提供了一种基于限流型超导电缆的建模方法，包括：
100，获取限流型超导电缆的结构参数；
200，根据结构参数，建立限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块；
300，根据电气子模块和导热子模块建立限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型。
需要说明的是，本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模方法，基于获取的限流型高温超导电缆的本体结构以及设计参数，在matlab/simulink仿真软件建立该电缆的电-热耦合的仿真模型，考虑到电缆的电气特性和导热特性，所建立的仿真模型包括有电气子模块和导热子模块。其中，电气子模块通过等效电路来表示。
以一个单相单轴的限流型高温超导电缆在10kv电力系统下的动态特性为例，阐明本申请实施例中的一种基于限流型超导电缆的建模方法的具体步骤，其中本申请实施例中的模型和系统仿真均由matlab/simulink仿真软件来实现具体步骤：
1)在matlab/simulink仿真软件中搭建电气模型。限流型高温超导电缆的结构图如图3所示。图示的导体层由二代超导带材绕制而成，自场临界电流为200a，所构建的等效电路图如图4所示。
2)在matlab/simulink仿真软件中搭建导热模型。根据附图3，构建基于柱坐标的导热模型。根据热电类比法来构建用于求取温度的电路，所构建出的电路图如图5所示。
3)最后将前面步骤中构建的电气子模块和导热子模块耦合，模型的计算步骤如附图6所示。电气子模型输出计算得到的电缆各层的热功率到导热子模块，导热子模块再根据热功率计算出各层的温度再反馈计算结果给电气子模块。
4)系统仿真模型由交流电压源、电源阻抗、限流型高温超导电缆模型和负载组成。电压等级为10kv，频率为50hz。整个系统的拓扑结构如附图7所示。图示中的限流型高温超温电缆模块即为封装后的电-热耦合模型。
假设仿真时长设置为0.1s，为观察失超后的动态特性，设置短路时刻为0.05s，计算结果如下：
1)如图8所示，i为该限流型高温超导电缆流过的总电量，其值等于电缆的导体层的电流加上稳定层电流。isc为导体层电流，iformer为稳定层电流。从图中可看出，在短路故障发生前，电缆流过的总电流等于导体层电流。短路故障发生后，由于失超，流过导体层的电流迅速下降，此时的稳定层可以起到分流的作用。
2)如图9所示的限流型高温超导电缆的导体层电阻及温度的动态变化图。从图中可以看出在短路故障发生前，导体层的电阻几乎为0。在短路故障发生后，由于失超而使得导体层的电阻开始上升，同时由于电阻值的上升带来的发热量增加，而使得其温度也进一步上升。
因此该建模方法可以展现出限流型高温超导电缆的电气特性和导热特性，且采用该建模方法只需已知电缆参数和系统参数，将电缆的电气子模型和导热子模型耦合后封装好，带入系统的模型内进行联合计算，而不需要其他繁琐的数据传递过程。根据建立的仿真模型获得的仿真结果可以很好地反映限流型高温超导电缆在系统短路工程中的动态特性，具有一定的可行性。
进一步地，结构参数包括结构组成和材料参数，材料参数包括电阻率、热导率、比热容和密度。
需要说明的是，在进行建模之前，先获取该限流型高温超导电缆的各层的结构组成和材料参数，即各层在设计时采用了哪种材料就采用该种材料的物性参数，比如电阻率、热导率、比热容和密度。在根据结构参数构建等效电路时，可以根据上述实施例中的公式(1)和(2)计算电阻率，再根据公式(3)来计算电阻；稳定层的电阻可以根据材料的固有电阻率(例如采用铜为稳定层，及采用铜的电阻率)，再根据该稳定层的长度以及截面积来计算电阻；在电感矩阵中，自感和互感的计算可以根据上述实施例中的公式(4)和公式(5)来计算。除了上述的材料参数以外，几何参数的获取可以根据电缆半径和绕指角度而定。
进一步地，根据结构参数，建立限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块，具体包括：
210，根据限流型超导电缆的结构组成和材料参数，构建电气子模块；电气子模块用等效电路表示；
220，基于限流型超导电缆的结构组成和材料参数根据传热方程构建传热模型，根据传热模型构建导热子模块。
需要说明的是，如图3所示的限流型超导电缆的结构示意图，本申请实施例中的限流型高温超导电缆的结构从外及里依次有液氮通道、绝缘层、屏蔽层、稳定层、导体层和波纹管。等效电路的数据由限流型高温超导电缆的的各层的电阻、各层的电感以及层间互感组成。而限流型高温超导电缆的导体层与屏蔽层分别由多跟限流型高温超导电缆带材并联绕制而成，因此每一层电阻值由高温超导带材的等效电阻求取。而本申请中的电缆为二代高温超导带材为多层结构，其等效电阻率求取方式如下：
上式中的f为各组分占比，ρ为各组分电阻率，与带材的温度有关，其中超导材料的电阻率ρsc的计算方式如下：
上式中，e0＝1e-4v/m，为超导材料的失超判据，j为电流密度，jc(t)为超导材料温度下的临界电流密度，由式(2)可知，超导材料的电阻特性存在高度非线性，该特性受到电流和温度变化的影响。由此，超导层或屏蔽层的电阻率计算方式如下式：
上式中的l为电缆长度，s为带材的截面积，α为带材的绕制角度，n为超导层或屏蔽层所采用的带材根数。
导体层与屏蔽层的自感互感的计算方式如下式：
对于式(4)，其中dk为该导体层的直径，lpk为有该层超导带材绕制角度决定的该层的绕线截距，μ0为真空磁导率，d为屏蔽层外径。
对于式(5)，其中常量ai与aj用来表示超导带材的相对缠绕方向。如果两层是同方向缠绕，常量一致，否则相反。假定顺时针方向为 1，逆时针方向为-1。
稳定层的电阻则可以根据该层的材料和几何属性确定。
根据超导电缆的结构，可列写柱坐标下各层的传热方程，如下式所示：
式(6)为电缆每一层的传热方程，其中t为温度，d为材料密度，c为材料比密度，λ为材料热导率，
在与液氮接触的表面，考虑对流换热，即热传导的第三类边界条件，有：
其中hc为液氮的对流换热系数。在屏蔽层的外表面，同样考虑第三类边界条件。采用有限差分法对式(6)进行中心差分处理，结果如下式所示：
采用热电类比法，将导热问题等效为电路求解，其中的节点电压对应温度，既可以通过节点法来求取各层温度。据此可求解出各层的温度。图3中的各层的参数求解如下列各式所示。其中ri和ri 1分别为该层的内半径和外半径。
p＝i2re(11)
将电气子模块的计算结果输入导热子模块，同时将导热子模块的计算结果输入电气子模块，以此实现仿真模型的电-热耦合。
进一步地，根据电气子模块和导热子模块建立限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型，具体包括：
310，根据电气子模块计算出限流型超导电缆的发热功率数据，将发热功率数据输入导热子模块；
320，根据导热子模块计算出限流型超导电缆的温度数据，将温度数据输入电气子模块。
需要说明的是，根据电气子模块对于各层电阻的计算结果，根据公式(10)可以计算出发热功率，将其作为热源输入导热子模块。
通过导热子模块可以求出各层的温度，即可用各层的温度去修正其电阻率。对于高温超导带材的其余各层，其电阻率与温度相关，并由材料属性决定。对于ybco导体层，其温度与临界电流的关系可以通过公式(14)来表示。
上式中的tref为参考温度，示例性的，取值为77k，tc为临界温度，对于ybco，示例性的，取值为92k。α的取值为1.5。
因此，本申请的有益效果为：
可以在系统仿真的同时获取限流型高温超导电缆的非线性特性，在不同的系统模型中限流型高温超导电缆的非线性特性也有所不同，该模型可以适应各种工况的计算；
可以在各种工况下获得限流型高温超导电缆的电气特性和导热特性，使得电缆状态在仿真过程中能够被实时监控，有利于分析限流型高温超导电缆的动态响应性能；
可以实现系统仿真与限流型超导电缆的相互影响，与传统的有限元仿真软件，通过matlab/simulink仿真软件对限流型高温超导电缆进行建模可以避免不同仿真软件之间的交互问题，提高仿真速度和易用性。
为了便于理解，请参照图10，为本申请提供的一种基于限流型超导电缆的建模装置的结构示意图。
本申请实施例第二方面提供了一种基于限流型超导电缆的建模装置，包括：
获取参数模块10，用于获取限流型超导电缆的结构参数；
建模模块20，用于根据结构参数，建立限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块；
仿真模块30，用于根据电气子模块和导热子模块建立限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型。
进一步地，结构参数包括结构组成和材料参数，材料参数包括电阻率、热导率、比热容和密度。
进一步地，建模模块具体用于：
根据限流型超导电缆的结构组成和材料参数，构建电气子模块；电气子模块用等效电路表示；
基于限流型超导电缆的结构组成和材料参数根据传热方程构建传热模型，根据传热模型构建导热子模块。
进一步地，仿真模块具体用于：
根据电气子模块计算出限流型超导电缆的发热功率数据，将发热功率数据输入导热子模块；
根据导热子模块计算出限流型超导电缆的温度数据，将温度数据输入电气子模块。
本申请第三方面提供了一种基于限流型超导电缆的建模设备，设备包括处理器以及存储器：
存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；
处理器用于根据程序代码中的指令执行上述实施例的一种基于限流型超导电缆的建模方法。
本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述实施例的一种基于限流型超导电缆的建模方法。
本申请的说明书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：randomaccessmemory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种基于限流型超导电缆的建模方法，其特征在于，包括：
获取限流型超导电缆的结构参数；
根据所述结构参数，建立所述限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块；
根据所述电气子模块和所述导热子模块建立所述限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于限流型超导电缆的建模方法，其特征在于，所述结构参数包括结构组成和材料参数，所述材料参数包括电阻率、热导率、比热容和密度。
3.根据权利要求1所述的一种基于限流型超导电缆的建模方法，其特征在于，所述根据所述结构参数，建立所述限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块，具体包括：
根据所述限流型超导电缆的结构组成和材料参数，构建电气子模块；所述电气子模块用等效电路表示；
基于所述限流型超导电缆的结构组成和材料参数根据传热方程构建传热模型，根据所述传热模型构建所述导热子模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于限流型超导电缆的建模方法，其特征在于，所述根据所述电气子模块和所述导热子模块建立所述限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型，具体包括：
根据所述电气子模块计算出所述限流型超导电缆的发热功率数据，将所述发热功率数据输入所述导热子模块；
根据所述导热子模块计算出所述限流型超导电缆的温度数据，将所述温度数据输入所述电气子模块。
5.一种基于限流型超导电缆的建模装置，其特征在于，包括：
获取参数模块，用于获取限流型超导电缆的结构参数；
建模模块，用于根据所述结构参数，建立所述限流型超导电缆的导热子模块和用等效电路表示的电气子模块；
仿真模块，用于根据所述电气子模块和所述导热子模块建立所述限流型超导电缆的电热耦合的仿真模型。
6.根据权利要求5所述的一种基于限流型超导电缆的建模装置，其特征在于，所述结构参数包括结构组成和材料参数，所述材料参数包括电阻率、热导率、比热容和密度。
7.根据权利要求5所述的一种基于限流型超导电缆的建模装置，其特征在于，所述建模模块具体用于：
根据所述限流型超导电缆的结构组成和材料参数，构建电气子模块；所述电气子模块用等效电路表示；
基于所述限流型超导电缆的结构组成和材料参数根据传热方程构建传热模型，根据所述传热模型构建所述导热子模块。
8.根据权利要求5所述的一种基于限流型超导电缆的建模装置，其特征在于，所述仿真模块具体用于：
根据所述电气子模块计算出所述限流型超导电缆的发热功率数据，将所述发热功率数据输入所述导热子模块；
根据所述导热子模块计算出所述限流型超导电缆的温度数据，将所述温度数据输入所述电气子模块。
9.一种基于限流型超导电缆的建模设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-4任一项所述的一种基于限流型超导电缆的建模方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-4任一项所述的一种基于限流型超导电缆的建模方法。
技术总结