超導(dǎo)電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

張羿 任安林 田密 崔繼斌

（1.云南電網(wǎng)公司信息部，昆明 650011;2.北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司，北京 100176）

0 引言

高溫超導(dǎo)體（HTS）從1986年發(fā)現(xiàn)以來，因之能在液氮沸點(diǎn)溫度下（77K）實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，就此使高溫超導(dǎo)的工業(yè)化應(yīng)用成為可能。以美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)等為首的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，更是制定了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)的計(jì)劃，可以說超導(dǎo)的發(fā)展前景呈現(xiàn)日新月異的景象。

中國(guó)第一組實(shí)用型超導(dǎo)電纜系統(tǒng)自2004年4月19日在云南昆明市普吉變電站投入運(yùn)行以來，經(jīng)受了各種運(yùn)行工況的考驗(yàn)，供電已逾8億千瓦時(shí)，是目前世界上輸電量最多的超導(dǎo)電纜。2008年3月28日，同樣由北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司牽頭研發(fā)的35 kV/90MVA飽和鐵心型超導(dǎo)限流在普吉變電站實(shí)現(xiàn)掛網(wǎng)運(yùn)行。其額定運(yùn)行電壓為35 kV，可遏制最大短路電流為41 kA，并可在5 ms之內(nèi)將短路電流限制到20kA以下，是目前世界上掛網(wǎng)運(yùn)行的電壓等級(jí)最高、容量最大的超導(dǎo)限流器。

迄今為止，云南電網(wǎng)普吉變電站成為世界上首個(gè)同時(shí)運(yùn)行有超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器的變電站。因此，通過對(duì)普吉變電站超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集，建立世界上首個(gè)可用于超導(dǎo)電力設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)制訂參考的超導(dǎo)電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，研究超導(dǎo)電力設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，包括運(yùn)行損耗、維護(hù)費(fèi)用及節(jié)能減排的潛力等等，對(duì)發(fā)展超導(dǎo)電力應(yīng)用具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 超導(dǎo)電力設(shè)備的運(yùn)行狀況及監(jiān)控系統(tǒng)情況

1.1 超導(dǎo)電纜

2004年4月，普吉高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)調(diào)試通過驗(yàn)收，正式并網(wǎng)試運(yùn)行。由于變電站自身容量所限，超導(dǎo)電纜最高負(fù)荷達(dá)到1620 A，試運(yùn)行期間，電流維持在1450 A連續(xù)運(yùn)行。并網(wǎng)試運(yùn)行結(jié)束后，超導(dǎo)電纜系統(tǒng)維持在300 A至800 A之間正常運(yùn)行送電。

系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控的主要電氣指標(biāo)有:電壓、電流、輸電量，非電氣指標(biāo)有:液氮溫度，壓力和流量。主要運(yùn)行參數(shù)范圍如表1所示。

表1 普吉超導(dǎo)電纜運(yùn)行主要參數(shù)范圍

云南昆明普吉變電站的33.5 m、35 kV/2 kA超導(dǎo)電纜系統(tǒng)由超導(dǎo)電纜本體、終端、制冷系統(tǒng)、監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)等四部分組成。監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)自身的監(jiān)測(cè)和控制，并且和電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的控制。

截至2010年6月，超導(dǎo)電纜監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)基本情況見表2。;

表2 超導(dǎo)電纜監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

如上表所示，目前超導(dǎo)電纜監(jiān)控系統(tǒng)搜集了從2004年3月份（超導(dǎo)電纜于2004年4月份正式并網(wǎng)運(yùn)行）至2010年6月份約六年多的數(shù)據(jù)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)基本上包括了電纜運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，其中個(gè)別監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采點(diǎn)精度達(dá)到毫秒級(jí)別（如電纜故障數(shù)據(jù)記錄采點(diǎn)精度為1毫秒），因此每天記錄電纜運(yùn)行數(shù)據(jù)可達(dá)上萬條，因此在數(shù)據(jù)庫建設(shè)完成后，超導(dǎo)電纜數(shù)據(jù)量必定是驚人的。但超導(dǎo)電纜各監(jiān)控系統(tǒng)在安裝電纜初期并沒有統(tǒng)一其數(shù)據(jù)形式，因此在導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫之前，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，從而統(tǒng)一其形式（皆統(tǒng)一為EXCEL形式），方便下一步的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入及顯示。

1.2 超導(dǎo)限流器

2008年1月，首臺(tái)35kV三相飽和鐵心型超導(dǎo)限流器（英文全稱為“saturated iron core superconductor fault current limiter”，簡(jiǎn)稱為“SIC－SFCL”）在云南普吉變電站并網(wǎng)運(yùn)行。

35 kV/90 MVA三相飽和鐵心型超導(dǎo)限流器主要由電抗系統(tǒng)、直流勵(lì)磁系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、監(jiān)控保護(hù)等幾部分構(gòu)成。監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超導(dǎo)限流器低溫系統(tǒng)的熱力參數(shù)、直流勵(lì)磁系統(tǒng)和輸電電網(wǎng)中的電氣參數(shù)，控制超導(dǎo)限流器正常工作。此外，監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析等功能。其監(jiān)控功能主要包括以下幾個(gè)方面:

1）電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電電網(wǎng)中三相交流電流、電壓;

2）低溫系統(tǒng)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低溫系統(tǒng)關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)的運(yùn)行范圍，根據(jù)需要控制實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)繞組安全預(yù)冷、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和安全回溫。

3）直流勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)勵(lì)磁控制柜中快速開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)以及直流勵(lì)磁系統(tǒng)電流、電壓，控制快速開關(guān)的開斷。

2009年7月，對(duì)35kV SIC－SFCL進(jìn)行了實(shí)際電網(wǎng)的三相人工短路試驗(yàn)，這對(duì)SIC－SFCL限流性能的檢驗(yàn)有著至關(guān)重要的意義。由于SIC－SFCL的短路容量很大，常規(guī)的試驗(yàn)條件很難同時(shí)達(dá)到電壓等級(jí)和短路電流的要求，更無法考驗(yàn)SIC－SFCL與電網(wǎng)繼保系統(tǒng)的動(dòng)作配合。因此，為確實(shí)檢驗(yàn)SIC－SFCL的限流工作特性，云南電網(wǎng)公司提供了一次珍貴的并網(wǎng)人工三相短路試驗(yàn)的機(jī)會(huì)。試驗(yàn)從限流能力、控制動(dòng)作及設(shè)備安全性等幾個(gè)方面對(duì)SIC－SFCL進(jìn)行了全面的考驗(yàn)，驗(yàn)證了35 kV SIC－SFCL限流能力與設(shè)計(jì)相符，與電網(wǎng)繼保系統(tǒng)的動(dòng)作配合正確。經(jīng)過一年半左右的安全掛網(wǎng)運(yùn)行及實(shí)際三相短路試驗(yàn)的考驗(yàn)，驗(yàn)證了SIC－SFCL長(zhǎng)期運(yùn)行的安全穩(wěn)定性及良好的限流效果，這標(biāo)志著超導(dǎo)限流器技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。

截至2010年6月份，超導(dǎo)限流器監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)基本情況見表3。

如表3所示，超導(dǎo)限流器監(jiān)控系統(tǒng)搜集了從2007年12月份（超導(dǎo)限流器于2008年1月正式并網(wǎng)運(yùn)行）至2010年6月份近三年的數(shù)據(jù)。期間由于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的原因?qū)ζ溥M(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)改造，改造前后記錄數(shù)據(jù)基本相同，皆詳細(xì)記錄了超導(dǎo)限流器的各項(xiàng)運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)。和超導(dǎo)電纜監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一樣的是，超導(dǎo)限流器的各階段監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)格式亦不相同，需要在導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫前對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理（統(tǒng)一為EXCEL形式）。

表3 超導(dǎo)限流器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

2 超導(dǎo)電力設(shè)備數(shù)據(jù)庫的分析與設(shè)計(jì)

2.1 超導(dǎo)電力設(shè)備E－R模型設(shè)計(jì)

建立數(shù)據(jù)庫模型的過程包括確認(rèn)需求，及使用某種方式描述將要管理的信息及信息之間的聯(lián)系，然后把這些格式化的信息輸入到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。E－R模型以E－R圖來表現(xiàn)，E－R圖使用可視化的圖形方法，即使用圖形模型盡力地表達(dá)數(shù)據(jù)的意義見圖1。

2.2 邏輯設(shè)計(jì)見圖2

圖1 ER－R模型圖

3 超導(dǎo)電力設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)整體架構(gòu)

超導(dǎo)電力設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)在建設(shè)初期，考慮到目前電力企業(yè)已經(jīng)存在很多不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，為了盡量避免系統(tǒng)今后在超導(dǎo)數(shù)據(jù)方面會(huì)形成“信息孤島”，使其可以更方便的能與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息集成和共享，采用了XML方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交互。定義XML文檔結(jié)構(gòu)的同時(shí)，參考了目前通用的IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的CIM模型，利用CIM模型中導(dǎo)電設(shè)備的相關(guān)定義進(jìn)行XML的描述，盡量能讓系統(tǒng)在建設(shè)完成之后方便與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的利用率，從而使系統(tǒng)具有更好的可集成度與兼容性。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3所示。

超導(dǎo)電力設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)中超導(dǎo)電力設(shè)備目前主要為超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器，其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是從各設(shè)備底層直接取得，并且底層數(shù)據(jù)形式是以文檔形式為主，必須先對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)數(shù)據(jù)的文檔格式來生成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫后，開發(fā)XML格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，依據(jù)CIM模型的定義，生成符合CIM規(guī)范的XML文檔數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范化轉(zhuǎn)換，并放到系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成相應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后在頁面展示層進(jìn)行頁面處理。

4 平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與分析

4.1CIM模型與XML文件建立

圖4 系統(tǒng)中電力設(shè)備對(duì)象類圖

CIM模型采用的是面向?qū)ο蟮募夹g(shù)來抽象地描述電力系統(tǒng)設(shè)備及關(guān)系，通過一定的對(duì)象屬性和關(guān)系來表示電力系統(tǒng)的資源，可以應(yīng)用相應(yīng)的XML文檔來進(jìn)行CIM模型的描述，CIM模型采用UML（Unified Modeling Language統(tǒng)一建模語言）來描述，對(duì)象之間包括:泛化、關(guān)聯(lián)、聚合三種關(guān)系，可以通過XML文件的定義來描述出對(duì)象的屬性和對(duì)象之間的關(guān)系，系統(tǒng)中目前用到的設(shè)備對(duì)象類和關(guān)系如圖4所示。

XML目前已被廣泛用于數(shù)據(jù)交換，由于XML獨(dú)立于任何體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)格式，獨(dú)立于任何語言的數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)展現(xiàn)與表示是分開的（同一數(shù)據(jù)內(nèi)容可以靈活地展現(xiàn)為不同的顯示形式）?？梢詫⒊瑢?dǎo)電纜和限流器及連接關(guān)系使用XML/RDF格式進(jìn)行表示。

4.2 數(shù)據(jù)訪問層

系統(tǒng)通過SQL Server建立了與XML文檔相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)CIM模型進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫的建表和關(guān)聯(lián)，應(yīng)用C#語言進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)和建設(shè)，提供對(duì)多種數(shù)據(jù)庫訪問的類，從而提高系統(tǒng)的兼容性。圖5是對(duì)不同數(shù)據(jù)庫的操作類。

同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)采集是不同的底層應(yīng)用程序，生成的數(shù)據(jù)文件格式不同、結(jié)構(gòu)不同、內(nèi)容不同，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和適配，在作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換接口時(shí)，定義了原始導(dǎo)庫文件的模板，對(duì)采集來的超導(dǎo)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)適配器轉(zhuǎn)換操作，使真實(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)適配器進(jìn)入數(shù)據(jù)庫中，從而提高數(shù)據(jù)底層的可操作性。

圖5 不同數(shù)據(jù)庫的操作類

4.3 數(shù)據(jù)抽取與轉(zhuǎn)換

對(duì)于本系統(tǒng)的應(yīng)用，在數(shù)據(jù)抽取和轉(zhuǎn)換中采用客戶查詢的方式來進(jìn)行抽取，通過CIM映射文件和查詢結(jié)果的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換，生成符合CIM模型的XML文檔。這樣，可以提高對(duì)于系統(tǒng)本身運(yùn)行的效率和數(shù)據(jù)展示效果，但考慮到今后系統(tǒng)數(shù)據(jù)與其他應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)互操作性，采用了Web Service的封裝方式對(duì)XML數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，再通過對(duì)Web Service接口的調(diào)用，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的互通共享作用，為今后系統(tǒng)的改造和集成提高了有效的支持。具體結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

本系統(tǒng)建設(shè)過程中，采用了微軟的.NET框架進(jìn)行Web Service的實(shí)現(xiàn)，利用Web Service對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了封裝，用戶通過http協(xié)議向運(yùn)行有Web Service服務(wù)器發(fā)送Soap請(qǐng)求，通過代理對(duì)象（Proxy）與服務(wù)器端交互，Web Service服務(wù)器端向客戶端送回XML格式的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求服務(wù)。

圖6 數(shù)據(jù)抽取與轉(zhuǎn)換的工作原理

4.4 業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)

業(yè)務(wù)層是對(duì)數(shù)據(jù)處理的邏輯定義，通過業(yè)務(wù)層對(duì)數(shù)據(jù)的處理，可以達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體業(yè)務(wù)的操作和應(yīng)用，由于本系統(tǒng)中業(yè)務(wù)應(yīng)用比較少，主要是用于超導(dǎo)電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的展示，業(yè)務(wù)層的類很少。業(yè)務(wù)邏輯層通過調(diào)用數(shù)據(jù)抽取層和轉(zhuǎn)換層的XML文檔，進(jìn)行一定的解析和處理，將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至頁面層進(jìn)行具體展示。

4.5 頁面層實(shí)現(xiàn)

頁面層作用是用于對(duì)數(shù)據(jù)的具體展示和描繪，將業(yè)務(wù)邏輯層傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，發(fā)送到客戶桌面端進(jìn)行顯示，在本系統(tǒng)中，采用了ASP.NET技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并且應(yīng)用了一定Ajax技術(shù)和報(bào)表引擎進(jìn)行支撐，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)的各項(xiàng)功能。具體頁面效果如圖7所示。

5 待深入研究工作

系統(tǒng)在建設(shè)初期，已經(jīng)考慮到系統(tǒng)今后與其他系統(tǒng)信息的互操作性，利用了基于CIM模型的XML數(shù)據(jù)傳輸方式，大大體現(xiàn)了系統(tǒng)在今后的可集成度。在下一步的深入應(yīng)用中，可以考慮將系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線或服務(wù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，為企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用提供有效的支撐，也可通過一定的改造，實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的系統(tǒng)建設(shè)，具體構(gòu)架如圖8所示:

6 結(jié)束語

目前世界上還未有基于超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，該數(shù)據(jù)庫應(yīng)用平臺(tái)的建立，對(duì)超導(dǎo)行業(yè)的發(fā)展有非常重要的實(shí)際意義。

對(duì)于信息共享要求很高的今天，單純地完成一套單一應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用已不是目前系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)。為了能不斷地加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)的通用性和兼容性，采用通用的CIM模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)XML文檔化，為解決信息資源共享的問題奠定了基礎(chǔ)，使得本系統(tǒng)在今后應(yīng)用中有著很好的擴(kuò)展性。

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