一種新型礦熱爐全電量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

1、一種新型礦熱爐全電量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究景滿德 1于景定2 馬志鵬2余永江2謝柯2翟小煜2楊峻1（1.國(guó)網(wǎng)青海電力節(jié)能服務(wù)有限公司，青海 西寧 810008 2.成都市中朋達(dá)電氣有限公司，四川 成都 610000 ）關(guān)鍵詞：嵌入式架構(gòu)、矢量運(yùn)算、爐況仿真、工藝優(yōu)化摘 要：礦熱爐爐型向大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展，在發(fā)展的過程中不能再依靠傳統(tǒng)的工人經(jīng)驗(yàn)的模式操作，所以礦熱爐生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)化、自動(dòng)化的要求越來越高。針對(duì)目前尚無有效而準(zhǔn)確的獲取全電量數(shù)據(jù)方法的問題，本文基于高性能嵌入式計(jì)算架構(gòu)開發(fā)一種新型礦熱爐全電量采集系統(tǒng)，并應(yīng)用于礦熱爐生產(chǎn)工藝操作中。在青海某鐵合金企業(yè)使用得到非常好的效果。1概述：

2、電石、鐵合金作為最基本的化工、冶煉原料之一，其用途非常廣泛，市場(chǎng)需求量很大。為積極響應(yīng)國(guó)家“十二五”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，生產(chǎn)電石、鐵合金的企業(yè)正在逐步對(duì)低產(chǎn)能、高污染、安全性差、自動(dòng)化水平低的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，向大規(guī)模、低能耗、高安全性、清潔生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)化、自動(dòng)化、完整產(chǎn)業(yè)鏈方向發(fā)展。目前，新建礦熱爐所用的特種變壓器容量大多在25500KVA81000KVA，接入電壓為110kV及以上。由于生產(chǎn)設(shè)備容量和接入電爐變壓器電壓等級(jí)的升高，依靠原有的敞開式、小容量爐型總結(jié)的工藝經(jīng)驗(yàn)無法滿足爐型調(diào)整后的工藝操作的需求。因?yàn)樵袪t型的爐況可以通過直接觀察爐內(nèi)煙氣、電極的狀態(tài)判斷爐況，而目前采用密閉爐型后

3、無法直觀觀察。所以必須依靠更多的電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)、結(jié)合爐內(nèi)壓力、溫度等非電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合爐況的判斷，以此進(jìn)行爐體電極的工藝操作，才能達(dá)到穩(wěn)定、高效爐體運(yùn)行狀態(tài)。如圖1所示，礦熱爐變壓器由三個(gè)單相變壓器組成，圍圈式分相安裝在電弧爐周圍，受電弧爐惡劣運(yùn)行環(huán)境影響，電爐變壓器周圍溫度高、灰塵大、磁場(chǎng)強(qiáng)。礦熱爐變壓器低壓側(cè)出線銅排多、空間狹小、多路導(dǎo)流銅排并聯(lián)輸出，排列方式多樣，電流互感器安裝困難，無法采用整體測(cè)量方案；礦熱爐變壓器低壓側(cè)電流大，最大達(dá)數(shù)十萬安培。 （圖一礦熱爐電氣主接線）目前礦熱爐低壓側(cè)電氣數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，大都基于商業(yè)模擬量采集板+工控機(jī)的架構(gòu)，由于Windows是非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，無法進(jìn)

4、行實(shí)時(shí)的高速運(yùn)算，這樣就無法實(shí)現(xiàn)礦熱爐電氣數(shù)據(jù)的矢量運(yùn)算，只能采用三角函數(shù)的方法計(jì)算得出，這在補(bǔ)償電流與二次側(cè)電流的向量運(yùn)算方面以及三相負(fù)載嚴(yán)重不平衡的情況下是不能準(zhǔn)確計(jì)算出二次側(cè)電氣數(shù)據(jù)的。如圖2所示，低壓側(cè)銅管一般采用羅氏線圈進(jìn)行低壓側(cè)電流采集。由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境高溫、銅管振動(dòng)，就地需要有電子設(shè)備，所以羅氏線圈運(yùn)行穩(wěn)定性無法滿足礦熱爐穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行的需要。（圖二低壓側(cè)電流采集示意圖）基于以上問題及需要，本文介紹了一種新型礦熱爐全電量采集系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。來滿足全電量采集的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性；并將其應(yīng)用到具體生產(chǎn)中優(yōu)化生產(chǎn)工藝操作。保證工藝調(diào)整是正向調(diào)整，有利于爐況快速好轉(zhuǎn)。2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：（圖三系統(tǒng)架

5、構(gòu)示意圖）新型礦熱爐電氣參數(shù)綜合測(cè)量系統(tǒng)采用DSP+FPGA的高性能嵌入式計(jì)算架構(gòu)，高速采樣，快速計(jì)算，可用于各種容量、各種接線方式和無功補(bǔ)償方式的礦熱爐電氣參數(shù)的采集，計(jì)算，以及參數(shù)的傳輸，狀態(tài)控制，以及故障告警等功能。本系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)計(jì)算單元和后臺(tái)系統(tǒng)三部分。2.1 數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)各處的PT/CT數(shù)據(jù)采集并同步化最終整合以光通信的形式送給計(jì)算單元。數(shù)據(jù)采集單元具備多路高精度AD，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的高速采集。對(duì)交流信號(hào)瞬時(shí)值進(jìn)行高速采樣的結(jié)果含有被測(cè)信號(hào)的有效值、相位、諧波分量等，從而為矢量運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。實(shí)際電網(wǎng)頻率是有漂移的，并且礦熱爐產(chǎn)生的諧波分量更

6、會(huì)加劇電網(wǎng)的波動(dòng)，因此固定點(diǎn)采樣肯定是存在大的誤差的，為實(shí)現(xiàn)高精度采樣與矢量計(jì)算，數(shù)據(jù)采集單元采用了交流同步采樣技術(shù)。數(shù)據(jù)采集單元以10KHz的速率進(jìn)行采樣，同時(shí)通過瞬時(shí)頻率跟蹤算法計(jì)算實(shí)時(shí)頻率，進(jìn)而改變采樣間隔并啟動(dòng)ADC進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)了交流同步采樣。該工作是由數(shù)據(jù)采集單元上的FPGA實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集單元上的DSP在極短的周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將數(shù)據(jù)通過光通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)計(jì)算單元。2.2數(shù)據(jù)計(jì)算單元數(shù)據(jù)計(jì)算單元由更高性能的DSP+FPGA架構(gòu)組成。FPGA主要完成接收數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和整合，并以采樣中斷的形式通知DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。計(jì)算單元所用DSP為TI公司推出的雙核高性能DSP處理器

7、TMS320C6657。TMS320C6657基于KeyStone多核架構(gòu)，內(nèi)嵌兩個(gè)TMS320C66x DSP 內(nèi)核子系統(tǒng)，最高可以提供2.5GHz的累積DSP，使得該平臺(tái)具有高能效，并易于使用。同時(shí)整合了各種子系統(tǒng)(C66x內(nèi)核、存儲(chǔ)器子系統(tǒng)、外設(shè)和加速器)，并使用一些創(chuàng)新的組件和技術(shù)，最大限度地提高了器件內(nèi)和器件間的通信，可以使多種DSP資源有效和無縫地操作。在該處理器的軟件設(shè)計(jì)中，以core0完成任務(wù)和通信的管理，其任務(wù)切換時(shí)間小于2us，保證了系統(tǒng)能快速響應(yīng)中斷請(qǐng)求，從而真正實(shí)現(xiàn)了矢量計(jì)算和低時(shí)延；以core1實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算，以保證所有電氣參數(shù)的計(jì)算能在100us的周期內(nèi)完成。TI公司

8、針對(duì)其DSP的結(jié)構(gòu)和特性，給出了基于其DSP處理器的快速傅立葉算法，并封裝在其算法庫中，使用該FFT算法可以實(shí)現(xiàn)以最小的系統(tǒng)開銷完成快速傅立葉變換。本系統(tǒng)基于此，并結(jié)合小波變換算法，內(nèi)置實(shí)現(xiàn)了礦熱爐高壓側(cè)、低壓側(cè)和電極上電壓電流信號(hào)的諧波分析的功能。數(shù)據(jù)計(jì)算單元將計(jì)算出的礦熱爐高壓側(cè)、短網(wǎng)側(cè)以及電極側(cè)的數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議送至系統(tǒng)監(jiān)視層。2.3 后臺(tái)系統(tǒng)：系統(tǒng)監(jiān)視層由下位機(jī)PLC與上位機(jī)后臺(tái)兩部分組成。下位機(jī)由西門子S7-1200CPU與模擬量模塊組成，完成與數(shù)據(jù)計(jì)算單元的TCP/IP通訊和礦熱爐自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊，以及爐變檔位等非電量信息的采集。上位機(jī)顯示使用可靠高效的西門子WINCC組態(tài)軟件，

9、實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)通信，具備基本的礦熱爐高、中、低壓側(cè)以及短網(wǎng)和補(bǔ)償側(cè)全電氣量顯示，和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)和曲線查詢功能。另外使用了基于windows平臺(tái)的unilty3d虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立了仿真的爐況模型如圖四。其中對(duì)爐內(nèi)電極深度、坩堝區(qū)狀態(tài)、電極消耗等進(jìn)行顯示。圖4爐況仿真模擬3、關(guān)鍵算法及軟件設(shè)計(jì)3.1.電極電流的計(jì)算礦熱爐二次側(cè)電流是二次側(cè)電氣參數(shù)計(jì)算的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，但由于二次側(cè)電流太大，直接使用互感器進(jìn)行測(cè)量是不現(xiàn)實(shí)的，并且誤差很大，少數(shù)采用Rogowski線圈來測(cè)量，但該線圈價(jià)格昂貴，且會(huì)加大接線復(fù)雜度，并且測(cè)量精度也不夠高，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下。使用折算的軟

10、測(cè)量方法是一種有效而低成本的方法。目前礦熱爐多采用中壓或低壓補(bǔ)償，變壓器折算電流需要跟補(bǔ)償電流進(jìn)行矢量運(yùn)算才能得到準(zhǔn)確的二次側(cè)電流。本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)了矢量計(jì)算的基礎(chǔ)之上可以準(zhǔn)確而高效地計(jì)算出二次側(cè)電流值。電極電流可由公式1得到：3.2 電極電壓的計(jì)算目前常用的方法是測(cè)量電極頂部對(duì)地電壓(有的以爐底為地)作為電極電壓。由于爐料不均勻、三相電極負(fù)載不均衡，所以爐內(nèi)中性點(diǎn)是一直在漂移的，簡(jiǎn)單把電極對(duì)地電壓當(dāng)做電極實(shí)際電壓顯然是不正確。本系統(tǒng)針對(duì)此情況，獨(dú)創(chuàng)性的在矢量計(jì)算的基礎(chǔ)上通過矢量分解的方法得到電極電壓，更為準(zhǔn)確和合理。3.3 短網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算短網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算是在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)矢量計(jì)算的基礎(chǔ)之上，對(duì)短網(wǎng)電氣參

11、數(shù)進(jìn)行采集和快速計(jì)算得到的。3.4電壓有效值的計(jì)算：3.5電流有效值的計(jì)算3.6視在功率的計(jì)算：3.7有功功率的計(jì)算：3.8數(shù)字移相法計(jì)算基波無功功率4、全電量數(shù)據(jù)在礦熱爐生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用：電弧爐是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁沟V石熔化，并還原的冶煉的設(shè)備。電能是冶煉所需能量的主要來源。供電系統(tǒng)承擔(dān)著能量的轉(zhuǎn)換任務(wù)，它主要由電爐變壓器、短網(wǎng)、電極以及電爐負(fù)載四部分組成，,完成電爐的熱力控制與工藝控制。操作工藝通過合理選擇變壓器檔位、電極電流、電極電壓級(jí)來調(diào)節(jié)入爐總功率的大小以及三相熔池有功功率的平衡，以穩(wěn)定爐況，來達(dá)到提高冶煉效率和降低電耗的目的。針對(duì)電弧爐具有非線性、時(shí)變、多變量、強(qiáng)耦合及存在隨機(jī)干擾的

12、特點(diǎn)，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中不能用電氣量的瞬時(shí)值來進(jìn)行指導(dǎo)爐體操作。本系統(tǒng)所用的所有指導(dǎo)生產(chǎn)的電氣數(shù)據(jù)都是平均值，累加值等。下面根據(jù)在青海某鐵合金企業(yè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)功能分析4.1電極位置判斷模塊：如圖五從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)分析得出：當(dāng)在三相變壓器檔位相同時(shí)，電極電流的有效值的大小與電極相對(duì)位置的深淺趨勢(shì)保持一致。在電極進(jìn)行操作下放時(shí)此相電極電流變大，但運(yùn)行一段時(shí)間（系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際爐況設(shè)置定值）后趨勢(shì)又恢復(fù)。從而用電極電流來判斷每相電極的相對(duì)位置在現(xiàn)場(chǎng)的爐況運(yùn)行中有一定的意義。系統(tǒng)中把電極在爐內(nèi)的絕對(duì)位置分為三種狀態(tài)。電極位置過淺、電極位置正常、電極位置過深。通過變壓器檔位、爐內(nèi)料面溫度、爐口出爐產(chǎn)品的

13、流速及亮度判斷其絕對(duì)位置。用電極電壓、電極電流進(jìn)行電極的微量調(diào)整，從而保證最佳的運(yùn)行爐況。圖五電極位置與電流有效值對(duì)比圖4.2判斷電極消耗模塊：電極消耗判斷在礦熱爐運(yùn)行控制的難點(diǎn)之一。目前只能通過電極壓放量、電極電壓、電流的狀態(tài)模糊被動(dòng)判斷。無法精確判斷電極的消耗，所以沒有辦法主動(dòng)調(diào)整電極壓放。如圖六從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)分析得出：在爐料穩(wěn)定的條件下電極所消耗電量與電極消耗關(guān)系正向相關(guān)。同時(shí)根據(jù)電極長(zhǎng)期累積的噸消耗電極糊與噸消耗電量之間的關(guān)系來取得電極電量與電極消耗的正相關(guān)公式。圖六電極消耗與電極電量對(duì)比圖4.3爐內(nèi)坩堝區(qū)狀態(tài)判斷模塊：在礦熱爐運(yùn)行過程中最佳的運(yùn)行狀態(tài)是保證三相坩堝區(qū)（如圖七C部分）每

14、相有足夠的空間及三相之間互相連通。但目前對(duì)對(duì)坩堝區(qū)的狀態(tài)判斷尚無數(shù)據(jù)化的判斷。此項(xiàng)功能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝操作指導(dǎo)有著非常重要的作用。反應(yīng)坩堝區(qū)的狀態(tài)通過：電極電壓、電極電流、分相電極的功率因素、分相電極的有功功率。綜合判斷進(jìn)行仿真模擬。模擬結(jié)果如圖4.通過對(duì)爐內(nèi)坩堝區(qū)的狀態(tài)仿真。有效的調(diào)整爐況。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行過程中表明效果顯著。圖七爐內(nèi)料層分布圖4.4異常爐況判斷模塊：由于礦熱爐變壓器的接線方式為Y-11接線方式。傳統(tǒng)的采用高壓側(cè)數(shù)據(jù)基本上計(jì)算的都是分相變壓器的電氣數(shù)據(jù)，而不是電極上的電氣數(shù)據(jù)。所以有電極上的數(shù)據(jù)來反應(yīng)電極周圍出現(xiàn)的異常爐況更為合理、準(zhǔn)確如電極周圍塌料后，此項(xiàng)電極的功率因數(shù)會(huì)降低，同

15、時(shí)電極電流相應(yīng)減少。而電極掉頭后電流會(huì)相應(yīng)減少但功率因素的反應(yīng)與塌料不同。在電氣數(shù)據(jù)上分析會(huì)對(duì)異常爐況判斷更準(zhǔn)確。因此此模塊能夠準(zhǔn)確判斷塌料、電極軟、硬斷等從而指導(dǎo)運(yùn)行人員進(jìn)行精確調(diào)整，避免出現(xiàn)逆調(diào)整問題(由于爐況判斷錯(cuò)誤調(diào)整策略錯(cuò)誤導(dǎo)致越調(diào)爐況越糟)4.5損耗及電能質(zhì)量情況分析：本系統(tǒng)是對(duì)礦熱爐進(jìn)行全電量采集。如圖八可以對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的有功損耗和無功損耗進(jìn)行顯示。同時(shí)對(duì)短網(wǎng)的電氣運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算?？梢酝ㄟ^調(diào)整適當(dāng)降低供電系統(tǒng)損耗和監(jiān)事短網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖八現(xiàn)場(chǎng)能量質(zhì)量及損耗5.系統(tǒng)顯示的所有數(shù)據(jù)： 輸出內(nèi)容序號(hào)顯示數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用分相電極參數(shù)1電極電壓：電極對(duì)熔池中性點(diǎn)電壓U極AU極BU極C用于電

16、極之間相對(duì)位置的判斷，參考調(diào)整入爐功率大小。三相電極的平衡狀態(tài)。2電極電流：每根電極中流過的電流I極AI極BI極C為恒電流操作策略提供準(zhǔn)確的二次電流，反應(yīng)每根電極的負(fù)荷情況，根據(jù)此測(cè)算焙燒程度。3電極有功功率：每根電極上的有功功率P極AP極BP極C反應(yīng)電極電弧做功狀況。操作人員以此作為三相平衡和入爐功率的參考值。是爐況調(diào)整最好的參考數(shù)據(jù)。是運(yùn)行中尋找最優(yōu)冶煉功率的依據(jù)。直觀反映電極調(diào)整時(shí)各項(xiàng)電極的功率分布和功率轉(zhuǎn)移情況。進(jìn)而綜合調(diào)整電極平衡操作和入爐總有功。4電極無功功率：每根電極上的無功功率Q極AQ極BQ極C反映料面的透氣性、料面厚度以及功率區(qū)位置。 直觀反映電極調(diào)整時(shí)各項(xiàng)電極的功率分布和功

17、率轉(zhuǎn)移情況。進(jìn)而綜合調(diào)整電極操作平衡。5電極操作阻抗：Z極AZ極BZ極C反應(yīng)爐料配比狀況。坩堝區(qū)溝通情況。6電極操作電阻：R極AR極BR極C反映電弧做功情況及弧的長(zhǎng)度。7電極操作電抗：X極AX極BX極C反映料面的透氣性及料面厚度。8分相電極功率因數(shù)：COSA極COSB極COSC極拉弧情況坩堝區(qū)位置,三相是否聯(lián)通。坩堝區(qū)與爐料區(qū)結(jié)構(gòu)是否合理。9入爐3、5、7、9、11次電壓諧波反應(yīng)電弧閃變情況。爐內(nèi)功率參數(shù)10入爐有效功率：P有效反映爐內(nèi)實(shí)際消耗的有功，為確定實(shí)際的入爐功率提供依據(jù)。同時(shí)根據(jù)其變化可以找到最佳入爐功率點(diǎn)。11入爐效率：有效功率占總有功功率的比例。反映損耗指標(biāo)。如果比較低，就要調(diào)整

18、工藝、爐型、安裝提高效率的設(shè)備等措施。短網(wǎng)參數(shù)12短網(wǎng)有功：P短A P短A、P短B P短B、P短CP短C反映短網(wǎng)有功損耗。評(píng)估短網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。評(píng)價(jià)節(jié)能設(shè)備使用有效性。對(duì)三相平衡操作進(jìn)行操作。如果短網(wǎng)的P不平衡。只看高壓側(cè)平衡那么爐內(nèi)肯定不平衡。13短網(wǎng)無功：Q短AQ短A、Q短B Q短B、Q短CQ短C比較爐內(nèi)無功與短網(wǎng)無功分布情況。對(duì)三相平衡操作進(jìn)行操作。如果短網(wǎng)的Q不平衡。只看高壓側(cè)平衡那么爐內(nèi)肯定不平衡。綜合爐內(nèi)無功，為低壓補(bǔ)償設(shè)備提供控制策略。14短網(wǎng)電阻：R短A R短A、R短B R短B、R短CR短C與設(shè)計(jì)爐體時(shí)短網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行比較，評(píng)估短網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和安裝工藝。為短網(wǎng)的調(diào)整提供依據(jù)。15短網(wǎng)電

19、抗X短A X短A、X短B X短B、X短C X短C、與設(shè)計(jì)爐體時(shí)短網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行比較，評(píng)估短網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和安裝工藝。為短網(wǎng)的調(diào)整提供依據(jù)。16短網(wǎng)壓降：U短A U短A、U短B U短B、U短C U短C綜合判斷入爐有效電壓爐變參數(shù)17爐變有功損耗P損耗AP損耗BP損耗C反映變壓器有功損耗。評(píng)估變壓器運(yùn)行狀態(tài)。評(píng)價(jià)節(jié)能設(shè)備使用有效性。對(duì)三相平衡操作進(jìn)行操作。如果短網(wǎng)的P不平衡。只看高壓側(cè)平衡那么爐內(nèi)肯定不平衡。18爐變高壓側(cè)有功P總PAPBPC系統(tǒng)總輸入有功。各個(gè)變壓器輸入有功。與低壓側(cè)比較綜合分析用能效率。同時(shí)分析電極功率與變壓器功率之間的關(guān)系。用于三相平衡操作19爐變高壓側(cè)無功Q總QAQBQC系統(tǒng)總輸入無功。各個(gè)變壓器輸入無功。與低壓側(cè)比較綜合分析用能效率。同時(shí)分析電極功率與變壓器功率之間的關(guān)系。用于三相平衡操作20爐變高壓側(cè)功率因數(shù)COSA COSB COSC各個(gè)變壓器功率因數(shù)。與低壓側(cè)比較綜合分