超导电力数据监测平台技术架构与实现

张羿 任安林 田密 崔继斌

（1.云南电网公司信息部，昆明 650011;2.北京云电英纳超导电缆有限公司，北京 100176）

0 引言

高温超导体（HTS）从1986年发现以来，因之能在液氮沸点温度下（77K）实现超导，就此使高温超导的工业化应用成为可能。以美国、欧洲、日本、韩国等为首的工业发达国家，更是制定了长远的发展超导技术的计划，可以说超导的发展前景呈现日新月异的景象。

中国第一组实用型超导电缆系统自2004年4月19日在云南昆明市普吉变电站投入运行以来，经受了各种运行工况的考验，供电已逾8亿千瓦时，是目前世界上输电量最多的超导电缆。2008年3月28日，同样由北京云电英纳超导电缆有限公司牵头研发的35 kV/90MVA饱和铁心型超导限流在普吉变电站实现挂网运行。其额定运行电压为35 kV，可遏制最大短路电流为41 kA，并可在5 ms之内将短路电流限制到20kA以下，是目前世界上挂网运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器。

迄今为止，云南电网普吉变电站成为世界上首个同时运行有超导电缆和超导限流器的变电站。因此，通过对普吉变电站超导电缆和超导限流器实际运行数据的收集，建立世界上首个可用于超导电力设备设计、制造、运行、维护和标准制订参考的超导电力数据监测平台，研究超导电力设备运行的经济性，包括运行损耗、维护费用及节能减排的潜力等等，对发展超导电力应用具有非常重大的现实意义。

1 超导电力设备的运行状况及监控系统情况

1.1 超导电缆

2004年4月，普吉高温超导电缆系统调试通过验收，正式并网试运行。由于变电站自身容量所限，超导电缆最高负荷达到1620 A，试运行期间，电流维持在1450 A连续运行。并网试运行结束后，超导电缆系统维持在300 A至800 A之间正常运行送电。

系统运行监控的主要电气指标有:电压、电流、输电量，非电气指标有:液氮温度，压力和流量。主要运行参数范围如表1所示。

表1 普吉超导电缆运行主要参数范围

云南昆明普吉变电站的33.5 m、35 kV/2 kA超导电缆系统由超导电缆本体、终端、制冷系统、监控保护系统等四部分组成。监控保护系统实现对超导电缆系统自身的监测和控制，并且和电网继电保护系统实现协调统一的控制。

截至2010年6月，超导电缆监控保护系统记录数据基本情况见表2。;

表2 超导电缆监控数据

如上表所示，目前超导电缆监控系统搜集了从2004年3月份（超导电缆于2004年4月份正式并网运行）至2010年6月份约六年多的数据，监控数据基本上包括了电缆运行的各项技术指标，其中个别监控数据的采点精度达到毫秒级别（如电缆故障数据记录采点精度为1毫秒），因此每天记录电缆运行数据可达上万条，因此在数据库建设完成后，超导电缆数据量必定是惊人的。但超导电缆各监控系统在安装电缆初期并没有统一其数据形式，因此在导入数据库之前，需要对其进行相应的数据处理，从而统一其形式（皆统一为EXCEL形式），方便下一步的数据库导入及显示。

1.2 超导限流器

2008年1月，首台35kV三相饱和铁心型超导限流器（英文全称为“saturated iron core superconductor fault current limiter”，简称为“SIC－SFCL”）在云南普吉变电站并网运行。

35 kV/90 MVA三相饱和铁心型超导限流器主要由电抗系统、直流励磁系统、低温系统、监控保护等几部分构成。监控保护系统通过实时监测超导限流器低温系统的热力参数、直流励磁系统和输电电网中的电气参数，控制超导限流器正常工作。此外，监控保护系统还具有数据记录和数据分析等功能。其监控功能主要包括以下几个方面:

1）电网实时监测

实时监测输电电网中三相交流电流、电压;

2）低温系统监控

实时监测低温系统关键部件的运行状态和关键参数的运行范围，根据需要控制实现超导绕组安全预冷、长期稳定运行和安全回温。

3）直流励磁系统监控

实时监测励磁控制柜中快速开关的运行状态以及直流励磁系统电流、电压，控制快速开关的开断。

2009年7月，对35kV SIC－SFCL进行了实际电网的三相人工短路试验，这对SIC－SFCL限流性能的检验有着至关重要的意义。由于SIC－SFCL的短路容量很大，常规的试验条件很难同时达到电压等级和短路电流的要求，更无法考验SIC－SFCL与电网继保系统的动作配合。因此，为确实检验SIC－SFCL的限流工作特性，云南电网公司提供了一次珍贵的并网人工三相短路试验的机会。试验从限流能力、控制动作及设备安全性等几个方面对SIC－SFCL进行了全面的考验，验证了35 kV SIC－SFCL限流能力与设计相符，与电网继保系统的动作配合正确。经过一年半左右的安全挂网运行及实际三相短路试验的考验，验证了SIC－SFCL长期运行的安全稳定性及良好的限流效果，这标志着超导限流器技术已经进入实用化阶段。

截至2010年6月份，超导限流器监控保护系统记录数据基本情况见表3。

如表3所示，超导限流器监控系统搜集了从2007年12月份（超导限流器于2008年1月正式并网运行）至2010年6月份近三年的数据。期间由于监控系统运行不稳定的原因对其进行了相关的技术改造，改造前后记录数据基本相同，皆详细记录了超导限流器的各项运行技术指标。和超导电缆监控数据一样的是，超导限流器的各阶段监控数据格式亦不相同，需要在导入数据库前对其数据进行统一处理（统一为EXCEL形式）。

表3 超导限流器监控数据

2 超导电力设备数据库的分析与设计

2.1 超导电力设备E－R模型设计

建立数据库模型的过程包括确认需求，及使用某种方式描述将要管理的信息及信息之间的联系，然后把这些格式化的信息输入到数据库管理系统中。E－R模型以E－R图来表现，E－R图使用可视化的图形方法，即使用图形模型尽力地表达数据的意义见图1。

2.2 逻辑设计见图2

图1 ER－R模型图

3 超导电力设备数据监测平台整体架构

超导电力设备数据监测平台在建设初期，考虑到目前电力企业已经存在很多不同的业务应用系统，为了尽量避免系统今后在超导数据方面会形成“信息孤岛”，使其可以更方便的能与其他系统进行信息集成和共享，采用了XML方式进行数据的数据交互。定义XML文档结构的同时，参考了目前通用的IEC61970标准的CIM模型，利用CIM模型中导电设备的相关定义进行XML的描述，尽量能让系统在建设完成之后方便与其他业务系统进行数据交换和数据共享，提高系统数据的利用率，从而使系统具有更好的可集成度与兼容性。系统的整体架构如图3所示。

超导电力设备数据监测平台中超导电力设备目前主要为超导电缆和超导限流器，其实时数据是从各设备底层直接取得，并且底层数据形式是以文档形式为主，必须先对采集来的数据进行转换。根据数据的文档格式来生成数据库数据，将现场实时数据转换导入数据库后，开发XML格式的数据转换接口，依据CIM模型的定义，生成符合CIM规范的XML文档数据，实现数据的规范化转换，并放到系统业务逻辑层进行数据处理，形成相应的业务数据后在页面展示层进行页面处理。

4 平台技术实现与分析

4.1CIM模型与XML文件建立

图4 系统中电力设备对象类图

CIM模型采用的是面向对象的技术来抽象地描述电力系统设备及关系，通过一定的对象属性和关系来表示电力系统的资源，可以应用相应的XML文档来进行CIM模型的描述，CIM模型采用UML（Unified Modeling Language统一建模语言）来描述，对象之间包括:泛化、关联、聚合三种关系，可以通过XML文件的定义来描述出对象的属性和对象之间的关系，系统中目前用到的设备对象类和关系如图4所示。

XML目前已被广泛用于数据交换，由于XML独立于任何体系结构的数据格式，独立于任何语言的数据格式，数据展现与表示是分开的（同一数据内容可以灵活地展现为不同的显示形式）。可以将超导电缆和限流器及连接关系使用XML/RDF格式进行表示。

4.2 数据访问层

系统通过SQL Server建立了与XML文档相对应的数据库，根据CIM模型进行了数据库的建表和关联，应用C#语言进行系统的开发和建设，提供对多种数据库访问的类，从而提高系统的兼容性。图5是对不同数据库的操作类。

同时，由于现场的监控软件数据采集是不同的底层应用程序，生成的数据文件格式不同、结构不同、内容不同，需要进行数据转换和适配，在作实时数据的转换接口时，定义了原始导库文件的模板，对采集来的超导监控数据进行数据适配器转换操作，使真实的监控数据通过数据适配器进入数据库中，从而提高数据底层的可操作性。

图5 不同数据库的操作类

4.3 数据抽取与转换

对于本系统的应用，在数据抽取和转换中采用客户查询的方式来进行抽取，通过CIM映射文件和查询结果的对应转换，生成符合CIM模型的XML文档。这样，可以提高对于系统本身运行的效率和数据展示效果，但考虑到今后系统数据与其他应用系统的数据共享和数据互操作性，采用了Web Service的封装方式对XML数据进行封装，再通过对Web Service接口的调用，来实现系统之间数据的互通共享作用，为今后系统的改造和集成提高了有效的支持。具体结构原理如图6所示。

本系统建设过程中，采用了微软的.NET框架进行Web Service的实现，利用Web Service对数据进行了封装，用户通过http协议向运行有Web Service服务器发送Soap请求，通过代理对象（Proxy）与服务器端交互，Web Service服务器端向客户端送回XML格式的数据，实现对数据的请求服务。

图6 数据抽取与转换的工作原理

4.4 业务层实现

业务层是对数据处理的逻辑定义，通过业务层对数据的处理，可以达到对数据进行具体业务的操作和应用，由于本系统中业务应用比较少，主要是用于超导电力设备运行数据的展示，业务层的类很少。业务逻辑层通过调用数据抽取层和转换层的XML文档，进行一定的解析和处理，将结果数据发送至页面层进行具体展示。

4.5 页面层实现

页面层作用是用于对数据的具体展示和描绘，将业务逻辑层传来的数据进行展示，发送到客户桌面端进行显示，在本系统中，采用了ASP.NET技术进行实现，并且应用了一定Ajax技术和报表引擎进行支撑，从而实现数据展现的各项功能。具体页面效果如图7所示。

5 待深入研究工作

系统在建设初期，已经考虑到系统今后与其他系统信息的互操作性，利用了基于CIM模型的XML数据传输方式，大大体现了系统在今后的可集成度。在下一步的深入应用中，可以考虑将系统数据通过统一的数据总线或服务总线进行数据共享，为企业业务数据应用提供有效的支撑，也可通过一定的改造，实现面向服务的系统建设，具体构架如图8所示:

6 结束语

目前世界上还未有基于超导电缆和超导限流器的数据库平台，该数据库应用平台的建立，对超导行业的发展有非常重要的实际意义。

对于信息共享要求很高的今天，单纯地完成一套单一应用系统的应用已不是目前系统建设的目标。为了能不断地加强企业内部数据的通用性和兼容性，采用通用的CIM模型实现数据XML文档化，为解决信息资源共享的问题奠定了基础，使得本系统在今后应用中有着很好的扩展性。

［1］侯波，叶锋，熊志全，等.我国第一组高温超导电缆的运行工况及损耗计算［J］.电网技术，2006，30（14）:24－29.

［2］侯波，叶锋，吴娟，等.35kV/2kA高温超导电缆系统现场安装、调试和运行缺陷分析［J］.低温与超导，2006，34（4）:293－298.

［3］侯波，席海霞，肖麟祥，等.普吉变电站35 kV高温超导电缆系统运行状况分析［C］.电机工程学会，2007年会.

［4］ 张永，牛潇晔，王洋，等.超导故障限流器［J］.《国际电力》2005，9（2）:59－62.

［5］信赢，龚伟志，高永全，等.5kV/90MVA挂网运行超导限流器结构与性能介绍［J］.稀有金属材料与工程，2008（54）:275－280.

［6］信赢.超导电缆技术的发展及应用前景［J］.新材料产业，2004（7）:49－53.

［7］ Richard Silberglitt.Strengthening the grid:effect of high－temperature superconducting power technologies on reliability，power transfer capacity，and energy use［M］.Santa Monica，CA:RAND，2002:103－107.