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，因之能在液氮沸點溫度下（77K）實現(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、歐洲、日本、韓國等為首的工業(yè)發(fā)達國家，更是制定了長遠(yuǎn)的發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)的計劃，可以說超導(dǎo)的發(fā)展前景呈現(xiàn)日新月異的景象。

中國第一組實用型超導(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行以來，經(jīng)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(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現(xiàn)掛網(wǎng)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(nèi)將短路電流限制到20kA以下，是目前世界上掛網(wǎng)運行的電壓等級最高、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同時運行有超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器的變電站。因此，通過對普吉變電站超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器實際運行數(shù)據(jù)的收集，建立世界上首個可用于超導(dǎo)電力設(shè)備設(shè)計、制造、運行、維護和標(biāo)準(zhǔn)制訂參考的超導(dǎo)電力數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，研究超導(dǎo)電力設(shè)備運行的經(jīng)濟性，包括運行損耗、維護費用及節(jié)能減排的潛力等等，對發(fā)展超導(dǎo)電力應(yīng)用具有非常重大的現(xiàn)實意義。

1 超導(dǎo)電力設(shè)備的運行狀況及監(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)試通過驗收，正式并網(wǎng)試運行。由于變電站自身容量所限，超導(dǎo)電纜最高負(fù)荷達到1620 A，試運行期間，電流維持在1450 A連續(xù)運行。并網(wǎng)試運行結(jié)束后，超導(dǎo)電纜系統(tǒng)維持在300 A至800 A之間正常運行送電。

系統(tǒng)運行監(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。主要運行參數(shù)范圍如表1所示。

表1 普吉超導(dǎo)電纜運行主要參數(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)控保護系統(tǒng)等四部分組成。監(jiān)控保護系統(tǒng)實現(xiàn)對超導(dǎo)電纜系統(tǒng)自身的監(jiān)測和控制，并且和電網(wǎng)繼電保護系統(tǒng)實現(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)控數(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)運行）至2010年6月份約六年多的數(shù)據(jù)，監(jiān)控數(shù)據(jù)基本上包括了電纜運行的各項技術(shù)指標(biāo)，其中個別監(jiān)控數(shù)據(jù)的采點精度達到毫秒級別（如電纜故障數(shù)據(jù)記錄采點精度為1毫秒），因此每天記錄電纜運行數(shù)據(jù)可達上萬條，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，需要對其進行相應(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”，簡稱為“SIC－SFCL”）在云南普吉變電站并網(wǎng)運行。

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)、直流勵磁系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、監(jiān)控保護等幾部分構(gòu)成。監(jiān)控保護系統(tǒng)通過實時監(jiān)測超導(dǎo)限流器低溫系統(tǒng)的熱力參數(shù)、直流勵磁系統(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方面:

1）電網(wǎng)實時監(jiān)測

實時監(jiān)測輸電電網(wǎng)中三相交流電流、電壓;

2）低溫系統(tǒng)監(jiān)控

實時監(jiān)測低溫系統(tǒng)關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)的運行范圍，根據(jù)需要控制實現(xiàn)超導(dǎo)繞組安全預(yù)冷、長期穩(wěn)定運行和安全回溫。

3）直流勵磁系統(tǒng)監(jiān)控

實時監(jiān)測勵磁控制柜中快速開關(guān)的運行狀態(tài)以及直流勵磁系統(tǒng)電流、電壓，控制快速開關(guān)的開斷。

2009年7月，對35kV SIC－SFCL進行了實際電網(wǎng)的三相人工短路試驗，這對SIC－SFCL限流性能的檢驗有著至關(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(wǎng)繼保系統(tǒng)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(wǎng)公司提供了一次珍貴的并網(wǎng)人工三相短路試驗的機會。試驗從限流能力、控制動作及設(shè)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(shè)計相符，與電網(wǎng)繼保系統(tǒng)的動作配合正確。經(jīng)過一年半左右的安全掛網(wǎng)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(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)進入實用化階段。

截至2010年6月份，超導(dǎo)限流器監(jiān)控保護系統(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)運行不穩(wěn)定的原因?qū)ζ溥M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)限流器的各項運行技術(shù)指標(biāo)。和超導(dǎo)電纜監(jiān)控數(shù)據(jù)一樣的是，超導(dǎo)限流器的各階段監(jiān)控數(shù)據(jù)格式亦不相同，需要在導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫前對其數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理（統(tǒng)一為EXCEL形式）。

表3 超導(dǎo)限流器監(jiān)控數(shù)據(jù)

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

2.1 超導(dǎo)電力設(shè)備E－R模型設(shè)計

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數(shù)據(jù)的意義見圖1。

2.2 邏輯設(shè)計見圖2

圖1 ER－R模型圖

3 超導(dǎo)電力設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺整體架構(gòu)

超導(dǎo)電力設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺在建設(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)方面會形成“信息孤島”，使其可以更方便的能與其他系統(tǒng)進行信息集成和共享，采用了XML方式進行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交互。定義XML文檔結(jié)構(gòu)的同時，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)測平臺中超導(dǎo)電力設(shè)備目前主要為超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器，其實時數(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，必須先對采集來的數(shù)據(jù)進行轉(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)場實時數(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)后在頁面展示層進行頁面處理。

4 平臺技術(shù)實現(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象的屬性和對象之間的關(guān)系，系統(tǒng)中目前用到的設(shè)備對象類和關(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獨立于任何體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)格式，獨立于任何語言的數(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）。可以將超導(dǎo)電纜和限流器及連接關(guān)系使用XML/RDF格式進行表示。

4.2 數(shù)據(jù)訪問層

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

同時，由于現(xiàn)場的監(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，需要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和適配，在作實時數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換接口時，定義了原始導(dǎo)庫文件的模板，對采集來的超導(dǎo)監(jiān)控數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)適配器轉(zhuǎn)換操作，使真實的監(jiān)控數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)適配器進入數(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行抽取，通過CIM映射文件和查詢結(jié)果的對應(yīng)轉(zhuǎn)換，生成符合CIM模型的XML文檔。這樣，可以提高對于系統(tǒng)本身運行的效率和數(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XML數(shù)據(jù)進行封裝，再通過對Web Service接口的調(diào)用，來實現(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框架進行Web Service的實現(xiàn)，利用Web Service對數(shù)據(jù)進行了封裝，用戶通過http協(xié)議向運行有Web Service服務(wù)器發(fā)送Soap請求，通過代理對象（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)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的請求服務(wù)。

圖6 數(shù)據(jù)抽取與轉(zhuǎn)換的工作原理

4.4 業(yè)務(wù)層實現(xiàn)

業(yè)務(wù)層是對數(shù)據(jù)處理的邏輯定義，通過業(yè)務(wù)層對數(shù)據(jù)的處理，可以達到對數(shù)據(jù)進行具體業(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)送至頁面層進行具體展示。

4.5 頁面層實現(xiàn)

頁面層作用是用于對數(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)進行展示，發(fā)送到客戶桌面端進行顯示，在本系統(tǒng)中，采用了ASP.NET技術(shù)進行實現(xiàn)，并且應(yīng)用了一定Ajax技術(shù)和報表引擎進行支撐，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)展現(xiàn)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(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，該數(shù)據(jù)庫應(yīng)用平臺的建立，對超導(dǎo)行業(yè)的發(fā)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(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)用中有著很好的擴展性。

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