超導電力數據監測平臺技術架構與實現

張羿 任安林 田密 崔繼斌

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

0 引言

高溫超導體（HTS）從1986年發現以來，因之能在液氮沸點溫度下（77K）實現超導，就此使高溫超導的工業化應用成為可能。以美國、歐洲、日本、韓國等為首的工業發達國家，更是制定了長遠的發展超導技術的計劃，可以說超導的發展前景呈現日新月異的景象。

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

迄今為止，云南電網普吉變電站成為世界上首個同時運行有超導電纜和超導限流器的變電站。因此，通過對普吉變電站超導電纜和超導限流器實際運行數據的收集，建立世界上首個可用于超導電力設備設計、制造、運行、維護和標準制訂參考的超導電力數據監測平臺，研究超導電力設備運行的經濟性，包括運行損耗、維護費用及節能減排的潛力等等，對發展超導電力應用具有非常重大的現實意義。

1 超導電力設備的運行狀況及監控系統情況

1.1 超導電纜

2004年4月，普吉高溫超導電纜系統調試通過驗收，正式并網試運行。由于變電站自身容量所限，超導電纜最高負荷達到1620 A，試運行期間，電流維持在1450 A連續運行。并網試運行結束后，超導電纜系統維持在300 A至800 A之間正常運行送電。

系統運行監控的主要電氣指標有:電壓、電流、輸電量，非電氣指標有:液氮溫度，壓力和流量。主要運行參數范圍如表1所示。

表1 普吉超導電纜運行主要參數范圍

云南昆明普吉變電站的33.5 m、35 kV/2 kA超導電纜系統由超導電纜本體、終端、制冷系統、監控保護系統等四部分組成。監控保護系統實現對超導電纜系統自身的監測和控制，并且和電網繼電保護系統實現協調統一的控制。

截至2010年6月，超導電纜監控保護系統記錄數據基本情況見表2。;

表2 超導電纜監控數據

如上表所示，目前超導電纜監控系統搜集了從2004年3月份（超導電纜于2004年4月份正式并網運行）至2010年6月份約六年多的數據，監控數據基本上包括了電纜運行的各項技術指標，其中個別監控數據的采點精度達到毫秒級別（如電纜故障數據記錄采點精度為1毫秒），因此每天記錄電纜運行數據可達上萬條，因此在數據庫建設完成后，超導電纜數據量必定是驚人的。但超導電纜各監控系統在安裝電纜初期并沒有統一其數據形式，因此在導入數據庫之前，需要對其進行相應的數據處理，從而統一其形式（皆統一為EXCEL形式），方便下一步的數據庫導入及顯示。

1.2 超導限流器

2008年1月，首臺35kV三相飽和鐵心型超導限流器（英文全稱為“saturated iron core superconductor fault current limiter”，簡稱為“SIC－SFCL”）在云南普吉變電站并網運行。

35 kV/90 MVA三相飽和鐵心型超導限流器主要由電抗系統、直流勵磁系統、低溫系統、監控保護等幾部分構成。監控保護系統通過實時監測超導限流器低溫系統的熱力參數、直流勵磁系統和輸電電網中的電氣參數，控制超導限流器正常工作。此外，監控保護系統還具有數據記錄和數據分析等功能。其監控功能主要包括以下幾個方面:

1）電網實時監測

實時監測輸電電網中三相交流電流、電壓;

2）低溫系統監控

實時監測低溫系統關鍵部件的運行狀態和關鍵參數的運行范圍，根據需要控制實現超導繞組安全預冷、長期穩定運行和安全回溫。

3）直流勵磁系統監控

實時監測勵磁控制柜中快速開關的運行狀態以及直流勵磁系統電流、電壓，控制快速開關的開斷。

2009年7月，對35kV SIC－SFCL進行了實際電網的三相人工短路試驗，這對SIC－SFCL限流性能的檢驗有著至關重要的意義。由于SIC－SFCL的短路容量很大，常規的試驗條件很難同時達到電壓等級和短路電流的要求，更無法考驗SIC－SFCL與電網繼保系統的動作配合。因此，為確實檢驗SIC－SFCL的限流工作特性，云南電網公司提供了一次珍貴的并網人工三相短路試驗的機會。試驗從限流能力、控制動作及設備安全性等幾個方面對SIC－SFCL進行了全面的考驗，驗證了35 kV SIC－SFCL限流能力與設計相符，與電網繼保系統的動作配合正確。經過一年半左右的安全掛網運行及實際三相短路試驗的考驗，驗證了SIC－SFCL長期運行的安全穩定性及良好的限流效果，這標志著超導限流器技術已經進入實用化階段。

截至2010年6月份，超導限流器監控保護系統記錄數據基本情況見表3。

如表3所示，超導限流器監控系統搜集了從2007年12月份（超導限流器于2008年1月正式并網運行）至2010年6月份近三年的數據。期間由于監控系統運行不穩定的原因對其進行了相關的技術改造，改造前后記錄數據基本相同，皆詳細記錄了超導限流器的各項運行技術指標。和超導電纜監控數據一樣的是，超導限流器的各階段監控數據格式亦不相同，需要在導入數據庫前對其數據進行統一處理（統一為EXCEL形式）。

表3 超導限流器監控數據

2 超導電力設備數據庫的分析與設計

2.1 超導電力設備E－R模型設計

建立數據庫模型的過程包括確認需求，及使用某種方式描述將要管理的信息及信息之間的聯系，然后把這些格式化的信息輸入到數據庫管理系統中。E－R模型以E－R圖來表現，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數據的意義見圖1。

2.2 邏輯設計見圖2

圖1 ER－R模型圖

3 超導電力設備數據監測平臺整體架構

超導電力設備數據監測平臺在建設初期，考慮到目前電力企業已經存在很多不同的業務應用系統，為了盡量避免系統今后在超導數據方面會形成“信息孤島”，使其可以更方便的能與其他系統進行信息集成和共享，采用了XML方式進行數據的數據交互。定義XML文檔結構的同時，參考了目前通用的IEC61970標準的CIM模型，利用CIM模型中導電設備的相關定義進行XML的描述，盡量能讓系統在建設完成之后方便與其他業務系統進行數據交換和數據共享，提高系統數據的利用率，從而使系統具有更好的可集成度與兼容性。系統的整體架構如圖3所示。

超導電力設備數據監測平臺中超導電力設備目前主要為超導電纜和超導限流器，其實時數據是從各設備底層直接取得，并且底層數據形式是以文檔形式為主，必須先對采集來的數據進行轉換。根據數據的文檔格式來生成數據庫數據，將現場實時數據轉換導入數據庫后，開發XML格式的數據轉換接口，依據CIM模型的定義，生成符合CIM規范的XML文檔數據，實現數據的規范化轉換，并放到系統業務邏輯層進行數據處理，形成相應的業務數據后在頁面展示層進行頁面處理。

4 平臺技術實現與分析

4.1CIM模型與XML文件建立

圖4 系統中電力設備對象類圖

CIM模型采用的是面向對象的技術來抽象地描述電力系統設備及關系，通過一定的對象屬性和關系來表示電力系統的資源，可以應用相應的XML文檔來進行CIM模型的描述，CIM模型采用UML（Unified Modeling Language統一建模語言）來描述，對象之間包括:泛化、關聯、聚合三種關系，可以通過XML文件的定義來描述出對象的屬性和對象之間的關系，系統中目前用到的設備對象類和關系如圖4所示。

XML目前已被廣泛用于數據交換，由于XML獨立于任何體系結構的數據格式，獨立于任何語言的數據格式，數據展現與表示是分開的（同一數據內容可以靈活地展現為不同的顯示形式）。可以將超導電纜和限流器及連接關系使用XML/RDF格式進行表示。

4.2 數據訪問層

系統通過SQL Server建立了與XML文檔相對應的數據庫，根據CIM模型進行了數據庫的建表和關聯，應用C#語言進行系統的開發和建設，提供對多種數據庫訪問的類，從而提高系統的兼容性。圖5是對不同數據庫的操作類。

同時，由于現場的監控軟件數據采集是不同的底層應用程序，生成的數據文件格式不同、結構不同、內容不同，需要進行數據轉換和適配，在作實時數據的轉換接口時，定義了原始導庫文件的模板，對采集來的超導監控數據進行數據適配器轉換操作，使真實的監控數據通過數據適配器進入數據庫中，從而提高數據底層的可操作性。

圖5 不同數據庫的操作類

4.3 數據抽取與轉換

對于本系統的應用，在數據抽取和轉換中采用客戶查詢的方式來進行抽取，通過CIM映射文件和查詢結果的對應轉換，生成符合CIM模型的XML文檔。這樣，可以提高對于系統本身運行的效率和數據展示效果，但考慮到今后系統數據與其他應用系統的數據共享和數據互操作性，采用了Web Service的封裝方式對XML數據進行封裝，再通過對Web Service接口的調用，來實現系統之間數據的互通共享作用，為今后系統的改造和集成提高了有效的支持。具體結構原理如圖6所示。

本系統建設過程中，采用了微軟的.NET框架進行Web Service的實現，利用Web Service對數據進行了封裝，用戶通過http協議向運行有Web Service服務器發送Soap請求，通過代理對象（Proxy）與服務器端交互，Web Service服務器端向客戶端送回XML格式的數據，實現對數據的請求服務。

圖6 數據抽取與轉換的工作原理

4.4 業務層實現

業務層是對數據處理的邏輯定義，通過業務層對數據的處理，可以達到對數據進行具體業務的操作和應用，由于本系統中業務應用比較少，主要是用于超導電力設備運行數據的展示，業務層的類很少。業務邏輯層通過調用數據抽取層和轉換層的XML文檔，進行一定的解析和處理，將結果數據發送至頁面層進行具體展示。

4.5 頁面層實現

頁面層作用是用于對數據的具體展示和描繪，將業務邏輯層傳來的數據進行展示，發送到客戶桌面端進行顯示，在本系統中，采用了ASP.NET技術進行實現，并且應用了一定Ajax技術和報表引擎進行支撐，從而實現數據展現的各項功能。具體頁面效果如圖7所示。

5 待深入研究工作

系統在建設初期，已經考慮到系統今后與其他系統信息的互操作性，利用了基于CIM模型的XML數據傳輸方式，大大體現了系統在今后的可集成度。在下一步的深入應用中，可以考慮將系統數據通過統一的數據總線或服務總線進行數據共享，為企業業務數據應用提供有效的支撐，也可通過一定的改造，實現面向服務的系統建設，具體構架如圖8所示:

6 結束語

目前世界上還未有基于超導電纜和超導限流器的數據庫平臺，該數據庫應用平臺的建立，對超導行業的發展有非常重要的實際意義。

對于信息共享要求很高的今天，單純地完成一套單一應用系統的應用已不是目前系統建設的目標。為了能不斷地加強企業內部數據的通用性和兼容性，采用通用的CIM模型實現數據XML文檔化，為解決信息資源共享的問題奠定了基礎，使得本系統在今后應用中有著很好的擴展性。

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