一种新型矿热炉全电量采集系统的设计及应用研究

1、一种新型矿热炉全电量采集系统的设计及应用研究景满德 1于景定2 马志鹏2余永江2谢柯2翟小煜2杨峻1（1.国网青海电力节能服务有限公司，青海 西宁 810008 2.成都市中朋达电气有限公司，四川 成都 610000 ）关键词：嵌入式架构、矢量运算、炉况仿真、工艺优化摘 要：矿热炉炉型向大型化、自动化方向发展，在发展的过程中不能再依靠传统的工人经验的模式操作，所以矿热炉生产信息数据化、自动化的要求越来越高。针对目前尚无有效而准确的获取全电量数据方法的问题，本文基于高性能嵌入式计算架构开发一种新型矿热炉全电量采集系统，并应用于矿热炉生产工艺操作中。在青海某铁合金企业使用得到非常好的效果。1概述：

2、电石、铁合金作为最基本的化工、冶炼原料之一，其用途非常广泛，市场需求量很大。为积极响应国家“十二五”产业规划，生产电石、铁合金的企业正在逐步对低产能、高污染、安全性差、自动化水平低的设备进行升级改造，向大规模、低能耗、高安全性、清洁生产环境、生产工艺数据化、自动化、完整产业链方向发展。目前，新建矿热炉所用的特种变压器容量大多在25500KVA81000KVA，接入电压为110kV及以上。由于生产设备容量和接入电炉变压器电压等级的升高，依靠原有的敞开式、小容量炉型总结的工艺经验无法满足炉型调整后的工艺操作的需求。因为原有炉型的炉况可以通过直接观察炉内烟气、电极的状态判断炉况，而目前采用密闭炉型后

3、无法直观观察。所以必须依靠更多的电气运行数据、结合炉内压力、温度等非电气数据进行综合炉况的判断，以此进行炉体电极的工艺操作，才能达到稳定、高效炉体运行状态。如图1所示，矿热炉变压器由三个单相变压器组成，围圈式分相安装在电弧炉周围，受电弧炉恶劣运行环境影响，电炉变压器周围温度高、灰尘大、磁场强。矿热炉变压器低压侧出线铜排多、空间狭小、多路导流铜排并联输出，排列方式多样，电流互感器安装困难，无法采用整体测量方案；矿热炉变压器低压侧电流大，最大达数十万安培。 （图一矿热炉电气主接线）目前矿热炉低压侧电气数据的采集系统，大都基于商业模拟量采集板+工控机的架构，由于Windows是非实时操作系统，无法进

4、行实时的高速运算，这样就无法实现矿热炉电气数据的矢量运算，只能采用三角函数的方法计算得出，这在补偿电流与二次侧电流的向量运算方面以及三相负载严重不平衡的情况下是不能准确计算出二次侧电气数据的。如图2所示，低压侧铜管一般采用罗氏线圈进行低压侧电流采集。由于现场运行环境高温、铜管振动，就地需要有电子设备，所以罗氏线圈运行稳定性无法满足矿热炉稳定生产运行的需要。（图二低压侧电流采集示意图）基于以上问题及需要，本文介绍了一种新型矿热炉全电量采集系统的研究设计。来满足全电量采集的稳定性、准确性；并将其应用到具体生产中优化生产工艺操作。保证工艺调整是正向调整，有利于炉况快速好转。2.系统结构：（图三系统架

5、构示意图）新型矿热炉电气参数综合测量系统采用DSP+FPGA的高性能嵌入式计算架构，高速采样，快速计算，可用于各种容量、各种接线方式和无功补偿方式的矿热炉电气参数的采集，计算，以及参数的传输，状态控制，以及故障告警等功能。本系统主要分为数据采集单元、数据计算单元和后台系统三部分。2.1 数据采集单元数据采集单元负责将现场各处的PT/CT数据采集并同步化最终整合以光通信的形式送给计算单元。数据采集单元具备多路高精度AD，实现模拟信号的高速采集。对交流信号瞬时值进行高速采样的结果含有被测信号的有效值、相位、谐波分量等，从而为矢量运算的实现提供基础。实际电网频率是有漂移的，并且矿热炉产生的谐波分量更

6、会加剧电网的波动，因此固定点采样肯定是存在大的误差的，为实现高精度采样与矢量计算，数据采集单元采用了交流同步采样技术。数据采集单元以10KHz的速率进行采样，同时通过瞬时频率跟踪算法计算实时频率，进而改变采样间隔并启动ADC进行采样，从而实现了交流同步采样。该工作是由数据采集单元上的FPGA实现的。数据采集单元上的DSP在极短的周期内完成数据预处理，并将数据通过光通信模块发送至数据计算单元。2.2数据计算单元数据计算单元由更高性能的DSP+FPGA架构组成。FPGA主要完成接收数据的校验和整合，并以采样中断的形式通知DSP进行数据的读取。计算单元所用DSP为TI公司推出的双核高性能DSP处理器

7、TMS320C6657。TMS320C6657基于KeyStone多核架构，内嵌两个TMS320C66x DSP 内核子系统，最高可以提供2.5GHz的累积DSP，使得该平台具有高能效，并易于使用。同时整合了各种子系统(C66x内核、存储器子系统、外设和加速器)，并使用一些创新的组件和技术，最大限度地提高了器件内和器件间的通信，可以使多种DSP资源有效和无缝地操作。在该处理器的软件设计中，以core0完成任务和通信的管理，其任务切换时间小于2us，保证了系统能快速响应中断请求，从而真正实现了矢量计算和低时延；以core1实现高速计算，以保证所有电气参数的计算能在100us的周期内完成。TI公司

8、针对其DSP的结构和特性，给出了基于其DSP处理器的快速傅立叶算法，并封装在其算法库中，使用该FFT算法可以实现以最小的系统开销完成快速傅立叶变换。本系统基于此，并结合小波变换算法，内置实现了矿热炉高压侧、低压侧和电极上电压电流信号的谐波分析的功能。数据计算单元将计算出的矿热炉高压侧、短网侧以及电极侧的数据通过TCP协议送至系统监视层。2.3 后台系统：系统监视层由下位机PLC与上位机后台两部分组成。下位机由西门子S7-1200CPU与模拟量模块组成，完成与数据计算单元的TCP/IP通讯和矿热炉自动化系统的通讯，以及炉变档位等非电量信息的采集。上位机显示使用可靠高效的西门子WINCC组态软件，

9、实现与下位机实时准确的数据通信，具备基本的矿热炉高、中、低压侧以及短网和补偿侧全电气量显示，和历史数据报表统计和曲线查询功能。另外使用了基于windows平台的unilty3d虚拟现实技术，利用实时数据建立了仿真的炉况模型如图四。其中对炉内电极深度、坩埚区状态、电极消耗等进行显示。图4炉况仿真模拟3、关键算法及软件设计3.1.电极电流的计算矿热炉二次侧电流是二次侧电气参数计算的关键数据，但由于二次侧电流太大，直接使用互感器进行测量是不现实的，并且误差很大，少数采用Rogowski线圈来测量，但该线圈价格昂贵，且会加大接线复杂度，并且测量精度也不够高，尤其是在现场的强电磁干扰环境下。使用折算的软

10、测量方法是一种有效而低成本的方法。目前矿热炉多采用中压或低压补偿，变压器折算电流需要跟补偿电流进行矢量运算才能得到准确的二次侧电流。本系统在实现了矢量计算的基础之上可以准确而高效地计算出二次侧电流值。电极电流可由公式1得到：3.2 电极电压的计算目前常用的方法是测量电极顶部对地电压(有的以炉底为地)作为电极电压。由于炉料不均匀、三相电极负载不均衡，所以炉内中性点是一直在漂移的，简单把电极对地电压当做电极实际电压显然是不正确。本系统针对此情况，独创性的在矢量计算的基础上通过矢量分解的方法得到电极电压，更为准确和合理。3.3 短网参数的计算短网参数的计算是在系统实现矢量计算的基础之上，对短网电气参

11、数进行采集和快速计算得到的。3.4电压有效值的计算：3.5电流有效值的计算3.6视在功率的计算：3.7有功功率的计算：3.8数字移相法计算基波无功功率4、全电量数据在矿热炉生产系统中的应用：电弧炉是将电能转变为热能使矿石熔化，并还原的冶炼的设备。电能是冶炼所需能量的主要来源。供电系统承担着能量的转换任务，它主要由电炉变压器、短网、电极以及电炉负载四部分组成，,完成电炉的热力控制与工艺控制。操作工艺通过合理选择变压器档位、电极电流、电极电压级来调节入炉总功率的大小以及三相熔池有功功率的平衡，以稳定炉况，来达到提高冶炼效率和降低电耗的目的。针对电弧炉具有非线性、时变、多变量、强耦合及存在随机干扰的

12、特点，在实际的生产过程中不能用电气量的瞬时值来进行指导炉体操作。本系统所用的所有指导生产的电气数据都是平均值，累加值等。下面根据在青海某铁合金企业所得数据进行对系统功能分析4.1电极位置判断模块：如图五从现场采集数据分析得出：当在三相变压器档位相同时，电极电流的有效值的大小与电极相对位置的深浅趋势保持一致。在电极进行操作下放时此相电极电流变大，但运行一段时间（系统根据实际炉况设置定值）后趋势又恢复。从而用电极电流来判断每相电极的相对位置在现场的炉况运行中有一定的意义。系统中把电极在炉内的绝对位置分为三种状态。电极位置过浅、电极位置正常、电极位置过深。通过变压器档位、炉内料面温度、炉口出炉产品的

13、流速及亮度判断其绝对位置。用电极电压、电极电流进行电极的微量调整，从而保证最佳的运行炉况。图五电极位置与电流有效值对比图4.2判断电极消耗模块：电极消耗判断在矿热炉运行控制的难点之一。目前只能通过电极压放量、电极电压、电流的状态模糊被动判断。无法精确判断电极的消耗，所以没有办法主动调整电极压放。如图六从现场采集数据分析得出：在炉料稳定的条件下电极所消耗电量与电极消耗关系正向相关。同时根据电极长期累积的吨消耗电极糊与吨消耗电量之间的关系来取得电极电量与电极消耗的正相关公式。图六电极消耗与电极电量对比图4.3炉内坩埚区状态判断模块：在矿热炉运行过程中最佳的运行状态是保证三相坩埚区（如图七C部分）每

14、相有足够的空间及三相之间互相连通。但目前对对坩埚区的状态判断尚无数据化的判断。此项功能对现场工艺操作指导有着非常重要的作用。反应坩埚区的状态通过：电极电压、电极电流、分相电极的功率因素、分相电极的有功功率。综合判断进行仿真模拟。模拟结果如图4.通过对炉内坩埚区的状态仿真。有效的调整炉况。在现场实际的运行过程中表明效果显著。图七炉内料层分布图4.4异常炉况判断模块：由于矿热炉变压器的接线方式为Y-11接线方式。传统的采用高压侧数据基本上计算的都是分相变压器的电气数据，而不是电极上的电气数据。所以有电极上的数据来反应电极周围出现的异常炉况更为合理、准确如电极周围塌料后，此项电极的功率因数会降低，同

15、时电极电流相应减少。而电极掉头后电流会相应减少但功率因素的反应与塌料不同。在电气数据上分析会对异常炉况判断更准确。因此此模块能够准确判断塌料、电极软、硬断等从而指导运行人员进行精确调整，避免出现逆调整问题(由于炉况判断错误调整策略错误导致越调炉况越糟)4.5损耗及电能质量情况分析：本系统是对矿热炉进行全电量采集。如图八可以对整个供电系统的有功损耗和无功损耗进行显示。同时对短网的电气运行参数进行计算。可以通过调整适当降低供电系统损耗和监事短网的运行状态。图八现场能量质量及损耗5.系统显示的所有数据： 输出内容序号显示数据数据应用分相电极参数1电极电压：电极对熔池中性点电压U极AU极BU极C用于电

16、极之间相对位置的判断，参考调整入炉功率大小。三相电极的平衡状态。2电极电流：每根电极中流过的电流I极AI极BI极C为恒电流操作策略提供准确的二次电流，反应每根电极的负荷情况，根据此测算焙烧程度。3电极有功功率：每根电极上的有功功率P极AP极BP极C反应电极电弧做功状况。操作人员以此作为三相平衡和入炉功率的参考值。是炉况调整最好的参考数据。是运行中寻找最优冶炼功率的依据。直观反映电极调整时各项电极的功率分布和功率转移情况。进而综合调整电极平衡操作和入炉总有功。4电极无功功率：每根电极上的无功功率Q极AQ极BQ极C反映料面的透气性、料面厚度以及功率区位置。 直观反映电极调整时各项电极的功率分布和功

17、率转移情况。进而综合调整电极操作平衡。5电极操作阻抗：Z极AZ极BZ极C反应炉料配比状况。坩埚区沟通情况。6电极操作电阻：R极AR极BR极C反映电弧做功情况及弧的长度。7电极操作电抗：X极AX极BX极C反映料面的透气性及料面厚度。8分相电极功率因数：COSA极COSB极COSC极拉弧情况坩埚区位置,三相是否联通。坩埚区与炉料区结构是否合理。9入炉3、5、7、9、11次电压谐波反应电弧闪变情况。炉内功率参数10入炉有效功率：P有效反映炉内实际消耗的有功，为确定实际的入炉功率提供依据。同时根据其变化可以找到最佳入炉功率点。11入炉效率：有效功率占总有功功率的比例。反映损耗指标。如果比较低，就要调整

18、工艺、炉型、安装提高效率的设备等措施。短网参数12短网有功：P短A P短A、P短B P短B、P短CP短C反映短网有功损耗。评估短网运行状态。评价节能设备使用有效性。对三相平衡操作进行操作。如果短网的P不平衡。只看高压侧平衡那么炉内肯定不平衡。13短网无功：Q短AQ短A、Q短B Q短B、Q短CQ短C比较炉内无功与短网无功分布情况。对三相平衡操作进行操作。如果短网的Q不平衡。只看高压侧平衡那么炉内肯定不平衡。综合炉内无功，为低压补偿设备提供控制策略。14短网电阻：R短A R短A、R短B R短B、R短CR短C与设计炉体时短网参数进行比较，评估短网的运行状态和安装工艺。为短网的调整提供依据。15短网电

19、抗X短A X短A、X短B X短B、X短C X短C、与设计炉体时短网参数进行比较，评估短网的运行状态和安装工艺。为短网的调整提供依据。16短网压降：U短A U短A、U短B U短B、U短C U短C综合判断入炉有效电压炉变参数17炉变有功损耗P损耗AP损耗BP损耗C反映变压器有功损耗。评估变压器运行状态。评价节能设备使用有效性。对三相平衡操作进行操作。如果短网的P不平衡。只看高压侧平衡那么炉内肯定不平衡。18炉变高压侧有功P总PAPBPC系统总输入有功。各个变压器输入有功。与低压侧比较综合分析用能效率。同时分析电极功率与变压器功率之间的关系。用于三相平衡操作19炉变高压侧无功Q总QAQBQC系统总输入无功。各个变压器输入无功。与低压侧比较综合分析用能效率。同时分析电极功率与变压器功率之间的关系。用于三相平衡操作20炉变高压侧功率因数COSA COSB COSC各个变压器功率因数。与低压侧比较综合分析用能效率。21炉变高压侧电压UAB UB