張大義， 張喜澤， 魏 東

（上海電纜研究所，上海200093）

35 kV 2000A冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

張大義， 張喜澤， 魏 東

（上海電纜研究所，上海200093）

結(jié)合工程的實(shí)際情況，介紹冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，采用了冗余備份技術(shù)和多種運(yùn)行保障措施，從而有效提高系統(tǒng)可靠性。

冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

高溫超導(dǎo)電纜具有更高的輸電能力、近于零的阻抗、緊湊的結(jié)構(gòu)等優(yōu)越特性［1］，得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜其交流電的輸送性能具有一定的優(yōu)勢(shì)，是目前國(guó)際上超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目中采用的主流結(jié)構(gòu)形式［2］。上海電纜研究所，于2011年聯(lián)合上海三原電纜附件有限公司、寶鋼股份有限公司、上海電纜設(shè)計(jì)院等項(xiàng)目參與單位，開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)適合工程應(yīng)用的超導(dǎo)電纜線路，并于2013年12月9日在寶鋼實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首條冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)示范工程的掛網(wǎng)運(yùn)行。這標(biāo)志著中國(guó)成為繼歐、美、日、韓等國(guó)［3］之后成功完成冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范工程的國(guó)家。

為了實(shí)現(xiàn)電纜系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和供電安全，本次示范工程中的超導(dǎo)電纜監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件架構(gòu)上具有較高的自運(yùn)行穩(wěn)定性，并控制整個(gè)電纜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析運(yùn)行參數(shù)，形成長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累。本文將圍繞本次示范工程的實(shí)際情況，介紹超導(dǎo)電纜監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

1 工程概況

本次冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜示范工程是基于寶鋼二練鋼電爐的原供電線路進(jìn)行改造，借助了寶鋼原有調(diào)度系統(tǒng)的擊穿保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)等措施，將超導(dǎo)電纜系統(tǒng)嵌入到了140 MVA降壓變壓器的二次側(cè)，運(yùn)行電壓為35 kV，額定電流2000 A，通過(guò)閘刀開(kāi)關(guān)與常規(guī)電流母排線路連接，可隨意進(jìn)行線路切換，也可實(shí)現(xiàn)常規(guī)電纜與超導(dǎo)電纜的并聯(lián)運(yùn)行，電氣布置圖如圖1所示。

圖1 示范工程電氣連接圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對(duì)象是制冷系統(tǒng)（包括液氮泵箱、過(guò)冷箱、輸液管、液氮貯槽、氣動(dòng)閥門等［4］）和超導(dǎo)電纜本體的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)向?qū)氫撜{(diào)度中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)，實(shí)行前端無(wú)人化自動(dòng)運(yùn)行，后端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和定期巡檢相結(jié)合的維護(hù)機(jī)制，總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.1 監(jiān)控點(diǎn)和控制器網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合設(shè)計(jì)方案和后續(xù)工程實(shí)況，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)象大致分為四部分：冷箱泵箱監(jiān)控、氦氣壓縮機(jī)IO控制、冷水機(jī)監(jiān)控和電纜參數(shù)采集。由于監(jiān)控點(diǎn)位置較分散，控制器采用分布式控制方案，在每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)集中區(qū)設(shè)置一個(gè)控制器分站，采用PROFIBUS總線進(jìn)行長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸，以有效簡(jiǎn)化布線，并提高抗干擾能力，如圖3所示。

圖3 控制器網(wǎng)絡(luò)

2.2 主控器冗余配置

控制器采用工業(yè)級(jí)可編程控制器的冗余架構(gòu)，確保了任何時(shí)候的系統(tǒng)可靠性，對(duì)所有的重要部件都進(jìn)行了冗余配置。這包括了冗余的PLC、供電模件和用于冗余PLC通信的同步模塊，并且配置了冗余客戶機(jī)、冗余通訊介質(zhì)、冗余接口模件、冗余PROFIBUS等，如圖4所示。

采用冗余配置，可以大大增加系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)多次故障對(duì)策模擬，系統(tǒng)滿足冗余設(shè)計(jì)。在最近的多次試驗(yàn)和正式試驗(yàn)中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完全滿足冷絕緣高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)運(yùn)行的控制需求。

2.3 冷箱、泵箱和控制柜

1號(hào)分站負(fù)責(zé)對(duì)冷箱、泵箱以及配套附件的狀態(tài)采集和控制。冷箱、泵箱是分別用來(lái)安裝制冷機(jī)冷頭和液氮泵的杜瓦容器，每個(gè)杜瓦容器的液氮進(jìn)出口均設(shè)置了溫度和壓力測(cè)量點(diǎn)，設(shè)置了低溫閥門進(jìn)行補(bǔ)液和泵箱切換的操作。對(duì)冷箱和泵箱的監(jiān)控是保證制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，也是維持冷絕緣超導(dǎo)電纜運(yùn)行所需要液氮環(huán)境的關(guān)鍵。該P(yáng)LC分站的配置功能模塊較多，與主PLC一同配備在主控制柜之中，儀表柜可獨(dú)立于PLC系統(tǒng)的運(yùn)行，用來(lái)同步顯示整個(gè)電纜系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如圖5所示。

圖4 冗余架構(gòu)原理圖

圖5 控制柜和儀表柜

2.4 氦氣壓縮機(jī)控制

根據(jù)電纜的熱負(fù)荷計(jì)算和冗余需求，共裝配8臺(tái)GM制冷機(jī)。GM制冷機(jī)的控制面板設(shè)置在氦氣壓縮機(jī)上，共有三種控制方式，按控制優(yōu)先級(jí)排序?yàn)槊姘蹇刂啤?5針I(yè)O端口（無(wú)源觸點(diǎn)）控制、232/485端口控制。每臺(tái)壓縮機(jī)完全獨(dú)立運(yùn)行，具備運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)診斷和自保護(hù)功能。這里采用15針I(yè)O端口，分別用來(lái)指示壓縮機(jī)運(yùn)行、氦氣超壓、氦氣超溫、壓縮機(jī)正常4個(gè)狀態(tài)，進(jìn)行壓縮機(jī)鎖定、壓縮機(jī)開(kāi)、壓縮機(jī)關(guān)、面板控制切換4個(gè)操作。直接采用PLC分站的DI和DO擴(kuò)展模塊進(jìn)行對(duì)接，封裝在獨(dú)立的控制箱，控制箱外部設(shè)置有單臺(tái)壓縮機(jī)的啟停按鈕、手自動(dòng)切換按鈕和急停按鈕，通過(guò)2根PROFIBUS總線與總PLC控制器的連接，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活運(yùn)用。

2.5 冷水機(jī)控制

冷水機(jī)的可靠性是氦氣壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，其主水泵、冷卻塔、普冷壓縮機(jī)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)均采用雙機(jī)備份機(jī)制。外部氣溫較低的情況下，主要依冷卻塔來(lái)降溫。由于氦氣壓縮機(jī)的冷卻水溫度需要維持在5～29℃，只有在夏日氣溫較高時(shí)，才會(huì)開(kāi)啟普冷壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，從而降低了一部分能耗。

為了進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，冷水機(jī)采用了獨(dú)立的PLC系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)出口水溫、水泵熱過(guò)載、壓縮機(jī)高低壓報(bào)警、冷水流量等參數(shù)進(jìn)行采集，根據(jù)水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行。該P(yáng)LC子系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS擴(kuò)展模塊與主PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用以觀測(cè)運(yùn)行參數(shù)和過(guò)載報(bào)警。

2.6 室外電纜本體的監(jiān)測(cè)

電纜本體的運(yùn)行狀況是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，對(duì)于實(shí)時(shí)計(jì)算電纜導(dǎo)體層溫升和評(píng)估電纜熱負(fù)荷都是至關(guān)重要的。根據(jù)示范工程的情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括每相電纜的進(jìn)出口溫度和壓力、液氮管路流量、屏蔽線的溫度、以及電纜電流和終端液位的監(jiān)測(cè)。

冷絕緣超導(dǎo)電纜的外護(hù)套和終端外殼都與接地線連接，傳感器和變送器均可設(shè)置在殼體之上，而無(wú)需考慮高電壓測(cè)量措施。電流測(cè)量采用羅氏線圈，安裝在超導(dǎo)終端殼體上，通過(guò)嵌入式工業(yè)主板控制同步采集卡進(jìn)行采集。A、B、C相電流直接測(cè)量，屏蔽線電流需要用節(jié)點(diǎn)電流法來(lái)處理，測(cè)量原理見(jiàn)圖6所示。電流波形通過(guò)軟件算法進(jìn)行擬合處理，解析出幅值、頻率、相位信息，并可自動(dòng)記錄過(guò)電流波形。

圖6 超導(dǎo)電纜電流測(cè)量

終端液位測(cè)量，在終端杜瓦容器的內(nèi)層，按高度布置熱電阻的方式進(jìn)行液位定位，每個(gè)終端配備一個(gè)16通道的溫度巡檢儀，帶485接口；同時(shí)還針對(duì)終端杜瓦容器的真空度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用帶485接口的一體式變送器進(jìn)行測(cè)量。

室外的PLC分站安裝在防水密封箱體中，由于前端的傳感器包括485接口設(shè)置于室外電纜終端上，需經(jīng)過(guò)防雷和隔離處理才能與采集模塊相連，PLC分站與主PLC之間也設(shè)置了PROFIBUS隔離模塊，以保證主控系統(tǒng)的安全。報(bào)警信號(hào)也由該分站的DO模塊通過(guò)繼電器隔離后向?qū)氫摲矫姘l(fā)送。

2.7 現(xiàn)場(chǎng)控制程序和人機(jī)界面

現(xiàn)場(chǎng)控制程序運(yùn)行主PLC之中，主要的功能包括溫度控制、壓力控制、液位控制、報(bào)警控制等，這些控制功能要以前述的外圍硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為前提，直接關(guān)系到整個(gè)超導(dǎo)電纜系統(tǒng)運(yùn)行。溫度控制根據(jù)泵箱回液口處和A相電纜出口處的溫度進(jìn)行回滯比較來(lái)控制壓縮機(jī)的啟停，保證運(yùn)行溫度維持在74.5K的范圍；壓力控制主要是維持泵箱內(nèi)的壓力，進(jìn)行泄壓和補(bǔ)壓操作；液位控制主要是控制液氮儲(chǔ)罐對(duì)冷箱和泵箱進(jìn)行適量補(bǔ)液；報(bào)警控制，通過(guò)自動(dòng)判斷電纜系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)來(lái)發(fā)送輕、重兩個(gè)級(jí)別的故障報(bào)警。

人機(jī)界面是供操作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作的平臺(tái)，運(yùn)行在工業(yè)計(jì)算機(jī)上，通過(guò)組態(tài)軟件的方式進(jìn)行編寫，具有較高的穩(wěn)定性，同樣采用了雙機(jī)備份的配置方案，可觀測(cè)到超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)，界面如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)的人機(jī)界面

2.8 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

示范工程現(xiàn)場(chǎng)采用了無(wú)人化控制站的方式運(yùn)行，這就需要架設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況，同時(shí)把關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期歸檔。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由中轉(zhuǎn)服務(wù)器、OPC接口、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)服務(wù)器、客戶端幾個(gè)部分構(gòu)成。中轉(zhuǎn)服務(wù)器為雙機(jī)熱備份配置，采取OPC接口技術(shù)與主PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)約束設(shè)置使其無(wú)法直接更改主PLC的控制參數(shù)和控制流程，運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立；網(wǎng)絡(luò)傳輸采用工業(yè)級(jí)3G路由器進(jìn)行無(wú)線傳輸，共設(shè)置了4級(jí)故障備份，備份路由器始終維持在線狀態(tài)，一旦主路由器信號(hào)中斷會(huì)自動(dòng)切換到備份路由器工作；數(shù)據(jù)服務(wù)器和客戶端采用了CS軟件架構(gòu)，可觀測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備全部關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)具有歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，客戶端界面如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件界面

3 運(yùn)行與維護(hù)

本監(jiān)控系統(tǒng)自2013年12月9日投入使用，全程不間斷運(yùn)行，溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)均控制在預(yù)先設(shè)定的范圍，初期由維護(hù)人員進(jìn)行了一周左右的現(xiàn)場(chǎng)值守，之后基本實(shí)現(xiàn)了示范工程現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人化運(yùn)行。結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了寶鋼調(diào)度中心、遠(yuǎn)端監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)巡檢相結(jié)合的運(yùn)行維護(hù)方式，平均每周進(jìn)行一次現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，基本確保了寶鋼二煉鋼電爐廠區(qū)的正常生產(chǎn)。

根據(jù)電爐廠區(qū)生產(chǎn)任務(wù)需求，本超導(dǎo)電纜線路為24 h連續(xù)供電，單根電纜平均載流為1500A，如圖9所示為一天的用電負(fù)荷情況。

圖9 超導(dǎo)電纜一天輸電情況示意圖

與民用周期性高峰供電不同，在每次電爐投入使用的瞬間都會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)電流，借助波錄軟件可以查看過(guò)電流的詳細(xì)波形，每次電爐合閘時(shí)刻的過(guò)電流一般不會(huì)超過(guò)10個(gè)周波，如圖10所示。

圖10 電爐合閘瞬間的過(guò)電流波形捕捉（瞬時(shí)值）

4 結(jié)束語(yǔ)

本監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件設(shè)計(jì)上采用了冗余備份的方式提高了自身運(yùn)行的穩(wěn)定性，并根據(jù)示范工程的現(xiàn)場(chǎng)情況，采取了一系列應(yīng)對(duì)措施，采取了現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)巡檢相結(jié)合的維護(hù)機(jī)制，確保了超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)隨著工程推進(jìn)和長(zhǎng)期運(yùn)行，也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處有待改進(jìn)，例如，可以增加視頻設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)管道的絕熱性能，增加電磁閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)液氮儲(chǔ)罐的控壓等，將在近期的設(shè)備維護(hù)中進(jìn)行集中優(yōu)化處理。在下一步的工作計(jì)劃中，將圍繞著設(shè)備布局優(yōu)化、制冷方式優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)布線優(yōu)化等方面展開(kāi)，為高溫超導(dǎo)電力電纜產(chǎn)業(yè)化做好配套工作。

［1］ 林 一.淺析高溫超導(dǎo)電纜在城市電網(wǎng)的應(yīng)用前景［J］.供用電，2011（2）：57-60.

［2］ 龔偉志，張 棟.冷絕緣超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)及技術(shù)簡(jiǎn)介［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，2012（6）：177-182.

［3］ 宗曦華，魏 東.高溫超導(dǎo)電纜研究與應(yīng)用新進(jìn)展［J］.電線電纜，2013（5）：49-53.

［4］ 丁懷況，施 錦.30M-35kV/2000A高溫超導(dǎo)電纜制冷系統(tǒng)［J］.低溫電子技術(shù)，2005（12）：60-63.

The Design and Development of 35 kV 2000A CD HTSCable M onitor System

ZHANG Da-yi，ZHANG Xi-ze，WEIDong
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

This paper will introduce the design and development of 35 kV 2000A CD HTS cablemonitor system with the practical situation of project，especially the redundant backup and multiple security，which will effectively improve the reliability of the whole system.

CD HTS cable；monitor system

TM249.7

A

1672-6901（2014）06-0001-04

2014-05-09

張大義（1980-），男，工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)［200093］.