35 kV 2000A冷絕緣高溫超導電纜監(jiān)控系統(tǒng)設計與開發(fā)

張大義， 張喜澤， 魏 東

（上海電纜研究所，上海200093）

35 kV 2000A冷絕緣高溫超導電纜監(jiān)控系統(tǒng)設計與開發(fā)

張大義， 張喜澤， 魏 東

（上海電纜研究所，上海200093）

結合工程的實際情況，介紹冷絕緣高溫超導電纜監(jiān)控系統(tǒng)的設計和開發(fā)，采用了冗余備份技術和多種運行保障措施，從而有效提高系統(tǒng)可靠性。

冷絕緣高溫超導電纜；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

高溫超導電纜具有更高的輸電能力、近于零的阻抗、緊湊的結構等優(yōu)越特性［1］，得到了世界各國的廣泛關注。冷絕緣高溫超導電纜其交流電的輸送性能具有一定的優(yōu)勢，是目前國際上超導電纜示范項目中采用的主流結構形式［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、上海電纜設計院等項目參與單位，開始著手開發(fā)適合工程應用的超導電纜線路，并于2013年12月9日在寶鋼實現(xiàn)了國內首條冷絕緣高溫超導電纜系統(tǒng)示范工程的掛網(wǎng)運行。這標志著中國成為繼歐、美、日、韓等國［3］之后成功完成冷絕緣高溫超導電纜示范工程的國家。

為了實現(xiàn)電纜系統(tǒng)的可靠運行和供電安全，本次示范工程中的超導電纜監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件架構上具有較高的自運行穩(wěn)定性，并控制整個電纜系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，可實時監(jiān)測和分析運行參數(shù)，形成長期的數(shù)據(jù)積累。本文將圍繞本次示范工程的實際情況，介紹超導電纜監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

1 工程概況

本次冷絕緣高溫超導電纜示范工程是基于寶鋼二練鋼電爐的原供電線路進行改造，借助了寶鋼原有調度系統(tǒng)的擊穿保護和過電流保護等措施，將超導電纜系統(tǒng)嵌入到了140 MVA降壓變壓器的二次側，運行電壓為35 kV，額定電流2000 A，通過閘刀開關與常規(guī)電流母排線路連接，可隨意進行線路切換，也可實現(xiàn)常規(guī)電纜與超導電纜的并聯(lián)運行，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)設計與實現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控對象是制冷系統(tǒng)（包括液氮泵箱、過冷箱、輸液管、液氮貯槽、氣動閥門等［4］）和超導電纜本體的運行參數(shù)，通過無源觸點信號向寶鋼調度中心發(fā)送報警信號，實行前端無人化自動運行，后端遠程實時監(jiān)控和定期巡檢相結合的維護機制，總體架構如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)架構示意圖

2.1 監(jiān)控點和控制器網(wǎng)絡

結合設計方案和后續(xù)工程實況，需要實時監(jiān)控對象大致分為四部分：冷箱泵箱監(jiān)控、氦氣壓縮機IO控制、冷水機監(jiān)控和電纜參數(shù)采集。由于監(jiān)控點位置較分散，控制器采用分布式控制方案，在每個監(jiān)控點集中區(qū)設置一個控制器分站，采用PROFIBUS總線進行長距離數(shù)據(jù)傳輸，以有效簡化布線，并提高抗干擾能力，如圖3所示。

圖3 控制器網(wǎng)絡

2.2 主控器冗余配置

控制器采用工業(yè)級可編程控制器的冗余架構，確保了任何時候的系統(tǒng)可靠性，對所有的重要部件都進行了冗余配置。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、冗余通訊介質、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)運行的可靠性和穩(wěn)定性。經(jīng)過多次故障對策模擬，系統(tǒng)滿足冗余設計。在最近的多次試驗和正式試驗中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，完全滿足冷絕緣高溫超導電纜系統(tǒng)運行的控制需求。

2.3 冷箱、泵箱和控制柜

1號分站負責對冷箱、泵箱以及配套附件的狀態(tài)采集和控制。冷箱、泵箱是分別用來安裝制冷機冷頭和液氮泵的杜瓦容器，每個杜瓦容器的液氮進出口均設置了溫度和壓力測量點，設置了低溫閥門進行補液和泵箱切換的操作。對冷箱和泵箱的監(jiān)控是保證制冷系統(tǒng)正常運行的重要環(huán)節(jié)，也是維持冷絕緣超導電纜運行所需要液氮環(huán)境的關鍵。該PLC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，儀表柜可獨立于PLC系統(tǒng)的運行，用來同步顯示整個電纜系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，如圖5所示。

圖4 冗余架構原理圖

圖5 控制柜和儀表柜

2.4 氦氣壓縮機控制

根據(jù)電纜的熱負荷計算和冗余需求，共裝配8臺GM制冷機。GM制冷機的控制面板設置在氦氣壓縮機上，共有三種控制方式，按控制優(yōu)先級排序為面板控制、15針I(yè)O端口（無源觸點）控制、232/485端口控制。每臺壓縮機完全獨立運行，具備運行狀態(tài)自動診斷和自保護功能。這里采用15針I(yè)O端口，分別用來指示壓縮機運行、氦氣超壓、氦氣超溫、壓縮機正常4個狀態(tài)，進行壓縮機鎖定、壓縮機開、壓縮機關、面板控制切換4個操作。直接采用PLC分站的DI和DO擴展模塊進行對接，封裝在獨立的控制箱，控制箱外部設置有單臺壓縮機的啟停按鈕、手自動切換按鈕和急停按鈕，通過2根PROFIBUS總線與總PLC控制器的連接，實現(xiàn)了自動控制和現(xiàn)場調試的靈活運用。

2.5 冷水機控制

冷水機的可靠性是氦氣壓縮機穩(wěn)定運行的關鍵因素，其主水泵、冷卻塔、普冷壓縮機等關鍵環(huán)節(jié)均采用雙機備份機制。外部氣溫較低的情況下，主要依冷卻塔來降溫。由于氦氣壓縮機的冷卻水溫度需要維持在5～29℃，只有在夏日氣溫較高時，才會開啟普冷壓縮機進行制冷，從而降低了一部分能耗。

為了進一步提高穩(wěn)定性，冷水機采用了獨立的PLC系統(tǒng)，對進出口水溫、水泵熱過載、壓縮機高低壓報警、冷水流量等參數(shù)進行采集，根據(jù)水溫自動調節(jié)運行。該PLC子系統(tǒng)通過PROFIBUS擴展模塊與主PLC進行數(shù)據(jù)通信，用以觀測運行參數(shù)和過載報警。

2.6 室外電纜本體的監(jiān)測

電纜本體的運行狀況是監(jiān)測的重點，對于實時計算電纜導體層溫升和評估電纜熱負荷都是至關重要的。根據(jù)示范工程的情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括每相電纜的進出口溫度和壓力、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。

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

圖6 超導電纜電流測量

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

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接口設置于室外電纜終端上，需經(jīng)過防雷和隔離處理才能與采集模塊相連，PLC分站與主PLC之間也設置了PROFIBUS隔離模塊，以保證主控系統(tǒng)的安全。報警信號也由該分站的DO模塊通過繼電器隔離后向寶鋼方面發(fā)送。

2.7 現(xiàn)場控制程序和人機界面

現(xiàn)場控制程序運行主PLC之中，主要的功能包括溫度控制、壓力控制、液位控制、報警控制等，這些控制功能要以前述的外圍硬件設計和實現(xiàn)為前提，直接關系到整個超導電纜系統(tǒng)運行。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行回滯比較來控制壓縮機的啟停，保證運行溫度維持在74.5K的范圍；壓力控制主要是維持泵箱內的壓力，進行泄壓和補壓操作；液位控制主要是控制液氮儲罐對冷箱和泵箱進行適量補液；報警控制，通過自動判斷電纜系統(tǒng)運行關鍵參數(shù)來發(fā)送輕、重兩個級別的故障報警。

人機界面是供操作人員進行現(xiàn)場操作的平臺，運行在工業(yè)計算機上，通過組態(tài)軟件的方式進行編寫，具有較高的穩(wěn)定性，同樣采用了雙機備份的配置方案，可觀測到超導電纜系統(tǒng)的所有運行參數(shù)，界面如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場操作臺的人機界面

2.8 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

示范工程現(xiàn)場采用了無人化控制站的方式運行，這就需要架設遠程監(jiān)控系統(tǒng)來實時觀察現(xiàn)場的運行狀況，同時把關鍵運行參數(shù)進行長期歸檔。遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由中轉服務器、OPC接口、網(wǎng)絡傳輸、數(shù)據(jù)服務器、客戶端幾個部分構成。中轉服務器為雙機熱備份配置，采取OPC接口技術與主PLC進行數(shù)據(jù)通訊，通過約束設置使其無法直接更改主PLC的控制參數(shù)和控制流程，運行相對獨立；網(wǎng)絡傳輸采用工業(yè)級3G路由器進行無線傳輸，共設置了4級故障備份，備份路由器始終維持在線狀態(tài)，一旦主路由器信號中斷會自動切換到備份路由器工作；數(shù)據(jù)服務器和客戶端采用了CS軟件架構，可觀測到現(xiàn)場設備全部關鍵運行參數(shù)，同時具有歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，客戶端界面如圖8所示。

圖8 遠程監(jiān)控軟件界面

3 運行與維護

本監(jiān)控系統(tǒng)自2013年12月9日投入使用，全程不間斷運行，溫度、壓力等關鍵參數(shù)均控制在預先設定的范圍，初期由維護人員進行了一周左右的現(xiàn)場值守，之后基本實現(xiàn)了示范工程現(xiàn)場的無人化運行。結合遠程監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了寶鋼調度中心、遠端監(jiān)控、現(xiàn)場巡檢相結合的運行維護方式，平均每周進行一次現(xiàn)場維護，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)任務需求，本超導電纜線路為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荷情況。

圖9 超導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產(chǎn)生較大的過電流，借助波錄軟件可以查看過電流的詳細波形，每次電爐合閘時刻的過電流一般不會超過10個周波，如圖10所示。

圖10 電爐合閘瞬間的過電流波形捕捉（瞬時值）

4 結束語

本監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件設計上采用了冗余備份的方式提高了自身運行的穩(wěn)定性，并根據(jù)示范工程的現(xiàn)場情況，采取了一系列應對措施，采取了現(xiàn)場自動運行、遠程監(jiān)控、現(xiàn)場巡檢相結合的維護機制，確保了超導電纜系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。同時隨著工程推進和長期運行，也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處有待改進，例如，可以增加視頻設備來監(jiān)測管道的絕熱性能，增加電磁閥門來實現(xiàn)液氮儲罐的控壓等，將在近期的設備維護中進行集中優(yōu)化處理。在下一步的工作計劃中，將圍繞著設備布局優(yōu)化、制冷方式優(yōu)化、現(xiàn)場布線優(yōu)化等方面展開，為高溫超導電力電纜產(chǎn)業(yè)化做好配套工作。

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

［2］ 龔偉志，張 棟.冷絕緣超導電纜的結構及技術簡介［J］.低溫物理學報，2012（6）：177-182.

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

［4］ 丁懷況，施 錦.30M-35kV/2000A高溫超導電纜制冷系統(tǒng)［J］.低溫電子技術，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［200093］.