張曉虎 羅隆福 李 勇 寧志毫

（1.湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082 2.湖南文理學院電氣工程系 常德 415000 3.湖南省電力公司科學研究院 長沙 410082）

1 引言

隨著大功率電力電子器件的發(fā)展，可控硅整流系統(tǒng)已廣泛應用于化工、冶金、城市軌道交通及高壓直流輸電等重大關鍵工程技術領域[1]。但是，這些領域都屬于高耗能行業(yè)，每年的電能消耗量巨大[2,3]。例如，據(jù)國家工業(yè)與信息化部公布的數(shù)據(jù)，2012 年我國電解鋁和電解銅產(chǎn)量分別達到1 565 萬t和479 萬t；而其中又以電解鋁的能耗最大，若按每噸電耗1.5 萬kW·h 計算，我國每年電解鋁消耗的電能達到了2347.5 億kW·h[4]。若將目前我國電解鋁整流系統(tǒng)的運行效率提高1%，則每年可節(jié)約電能23 億kW·h。

因此，對上述高能耗領域開展節(jié)能新技術的研究，哪怕是較少的節(jié)能措施對企業(yè)節(jié)能降耗以及提高效益和產(chǎn)品市場競爭力都十分重要。但是，目前國內(nèi)外并沒有大功率整流系統(tǒng)的各部件損耗實時監(jiān)測儀器或平臺，整流裝備特別是整流變壓器與整流器的效率無法核算，各部件供應商為追求高利潤，降低原材料成本，增加了系統(tǒng)損耗，也無法追究其責任，給整流用戶帶來莫名的損失，同時也影響該領域節(jié)能新方法與新技術的應用與推廣。

本文針對以上問題，提出了一種基于光纖以太網(wǎng)通信的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)多點測量與能效分析方法[5-7]，并以基于感應濾波技術的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效分析系統(tǒng)為例，對能效分析系統(tǒng)的整體設計方案、同步監(jiān)測機理以及能效分析算法進行了詳細的闡述。工程實例表明該能效分析系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)工業(yè)整流系統(tǒng)各供電裝備與系統(tǒng)的效率核算，實現(xiàn)整流變壓器及整流器的損耗與效率研究，從而為提高裝備效率及系統(tǒng)節(jié)能提供必要的依據(jù)。

2 光纖以太網(wǎng)通信的多點測量同步監(jiān)測工作原理

2.1 能效分析系統(tǒng)整體架構

基于感應濾波技術的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)及其能效分析系統(tǒng)拓撲結構如圖1 所示。大功率工業(yè)整流系統(tǒng)主要由三部分構成[8-10]：新型整流變壓器及其配套全調(diào)諧感應濾波裝置、三相全波晶閘管可控整流器、具有低電壓大電流特性的直流工業(yè)負荷。新型整流變壓器包括調(diào)壓變壓器和主變壓器兩個部分，對外整體表征為三相三繞組結構形式；根據(jù)基于感應濾波技術的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)組成，能效分析系統(tǒng)主要對其交流網(wǎng)側、濾波側、低壓閥側及直流側4 個測量點進行監(jiān)測，與常規(guī)整流系統(tǒng)相比，其添加了一個濾波繞組及其感應濾波裝置，可在接近諧波源處進行諧波抑制與無功功率補償，對于測量方案本身沒有本質(zhì)區(qū)別。但由于各測量點之間通常相隔距離較遠，特別是交流網(wǎng)側測量點與其他測量點之間的距離有時會有100～200m 或更遠，各測量點之間存在著非常大的磁場，且各測量點之間還需滿足同步采集的要求，考慮到以上因素，設計了一種基于光纖以太網(wǎng)的多測量點數(shù)據(jù)同步采集方案，解決了監(jiān)測系統(tǒng)中通信距離遠、通信速度要求高、抗干擾能力要求高、數(shù)據(jù)需要同步采集分析等問題。

圖1 大功率工業(yè)整流系統(tǒng)及其能效分析系統(tǒng)拓撲結構圖Fig.1 Topological graph of the high-power rectifier system and its efficiency analytic system

基于光纖以太網(wǎng)通信的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效分析系統(tǒng)采用3 層B/S 模型，分為終端設備層、光纖以太網(wǎng)通信層、主站監(jiān)測層3 個部分。終端設備層分別在交流網(wǎng)側、低壓閥側、濾波側、直流側4 個測量點安裝數(shù)據(jù)采集終端，實現(xiàn)各個測量點的數(shù)據(jù)同步采集及上傳；光纖以太網(wǎng)通信層主要實現(xiàn)終端設備層與主站監(jiān)測層的線路通信；主站監(jiān)測層主要包括通信前置機、數(shù)據(jù)庫服務器、Web 服務器以及監(jiān)測計算機4 個部分，通信前置機實現(xiàn)終端設備層與主站監(jiān)測層的數(shù)據(jù)交互，并將采集的數(shù)據(jù)進行算法分析后存入數(shù)據(jù)庫服務器，供大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效分析平臺分析調(diào)用，Web 服務器則完成數(shù)據(jù)庫服務器與監(jiān)測計算機的交互。

2.2 基于光纖以太網(wǎng)通信的多點同步測量機理

光纖以太網(wǎng)同步采集系統(tǒng)的硬件原理結構框圖如圖2 所示。各采集終端利用光纖發(fā)射器HFBR-1414 和光纖接收器 HFBR-2412 設計了串行口的TXD 發(fā)送端和RXD 接收端的TTL 電平與光纖信號轉換電路以及光纖信號轉串口電路，無需購置市場上的串口轉光纖設備；既提高了采集終端的集成度，又減小了系統(tǒng)的硬件成本；且對于采集終端而言其通信使用的是串行口通信，而對于后臺PC 則使用的是TCP/IP 通信，既減輕了采集終端的通信電路復雜度，又提高了與后臺PC 間的通信穩(wěn)定性。

圖2 光纖以太網(wǎng)同步采集系統(tǒng)結構框圖Fig.2 Structure diagram of the optic fiber Ethernet synchronous acquisition system

多點同步測量機理可簡單描述如下：網(wǎng)側采集終端接收到前置機的采集命令后，統(tǒng)一向其他采集終端發(fā)送同步采集脈沖，同步脈沖的下降沿觸發(fā)各采集終端外部中斷進行同步數(shù)據(jù)采集。通信前置機的通信流程如圖3 所示。首先，初始化設置定時采集時間間隔（10 個采集周期）；然后，前置機與網(wǎng)側采集終端建立TCP/IP 連接并向其發(fā)送同步采集命令；網(wǎng)側采集終端收到命令后向所有其他采集終端發(fā)送同步脈沖信號，以觸發(fā)所有采集終端外部中斷進行同步采集；所有采集終端采樣10 個周期的數(shù)據(jù)，并對其進行數(shù)據(jù)壓縮；當達到采樣時間間隔，則前置機依次向各個數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令；采集終端收到上傳命令后立即上傳壓縮的采樣數(shù)據(jù)；通信前置機對接收到的壓縮采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)重構，還原各監(jiān)測點的采樣信息，并對其進行算法分析與處理后存入數(shù)據(jù)庫服務器，以供后臺能效分析系統(tǒng)顯示分析；接著通信前置機再次向主采集單元發(fā)送采集命令，重復以上過程。

圖3 通信前置機通信流程圖Fig.3 Flowchart of the communication front-end processor

3 基于傅里葉變換的數(shù)據(jù)壓縮與重構

如圖1 所示，能效分析系統(tǒng)分別在交流網(wǎng)側、低壓閥側、濾波側、直流側4 個測量點安裝數(shù)據(jù)采集終端，每個采集終端均可采集三相電壓及電流6 路信號，根據(jù)各側需監(jiān)測的信號量個數(shù)可以確定系統(tǒng)需配置的采集終端臺數(shù)。整個監(jiān)測系統(tǒng)具體配置如下：

（1）網(wǎng)側：采集三相電壓及電流共6 路信號，配置6 通道數(shù)據(jù)采集終端1 臺。

（2）濾波側：采集三相電壓及電流共6 路信號，配置6 通道數(shù)據(jù)采集終端1 臺。

（3）低壓閥側：閥側繞組一般采用同相逆并聯(lián)或者雙反星聯(lián)結以消除大電流對外界的磁場干擾[11-13]。如圖4 所示，采用同相逆并聯(lián)的低壓閥側繞組在整流柜輸入處一分為二，每根母排流過全波電流，因此需要采集12 路電壓及12 路電流共24路信號，配置6 通道數(shù)據(jù)采集終端4 臺。

（4）直流側：采集直流電壓、電流各1 路信號，配置6 通道數(shù)據(jù)采集終端1 臺。

圖4 12 脈波閥側繞組與整流柜連接及其測量點接線圖Fig.4Wiring diagram of the 12 pulse-wave valve side and rectifier cabinet and its measuring points

因此，對于圖4 所示的12 脈波整流系統(tǒng)的能效分析，需要同步采集38 路信號（交流36 路，直流2 路），每路信號單周期采樣256 個點（每個點均為16 位即2 個字節(jié)），且系統(tǒng)每采集10 個周期數(shù)據(jù)上傳一次，則系統(tǒng)每次需上傳256×2×10×38=194 560個字節(jié)；為了減少網(wǎng)絡傳輸?shù)牧髁?，增加網(wǎng)絡通信的能力，需要對上傳數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)壓縮以提高系統(tǒng)的整體性能。

由于電壓和電流以工頻為周期，且包含有以基波分量為主的豐富的諧波分量，因此對周期為T=2π/ω 的原始信號進行傅里葉分解，其表達式為

式中，F(xiàn)k、θk分別為k 次諧波的幅值及相位；Ak、Bk分別為k 次諧波的實部與虛部，即

對式（2）作離散化處理可以得到

式中，M 為單周期采樣點數(shù)。

根據(jù)式（3）可以求得各次諧波的幅值Fk及相位θk為

根據(jù)各次諧波的幅值Fk，可以求得交流電壓及電流的有效值：

交流側數(shù)據(jù)壓縮原理如下：所有交流側采集終端采集10 個周期電壓、電流信號并存儲，根據(jù)式（3）和式（4）可求得交流電壓及電流10 個周期的50 次以內(nèi)諧波幅值及相位平均值，將其上傳給前置通信機，前置通信機根據(jù)式（1）進行傅里葉反變換對壓縮數(shù)據(jù)進行重構，從而還原測量點的交流電壓及電流波形數(shù)據(jù)；50 次以內(nèi)諧波的幅值及相位平均值各為2B，則每個通道只需上傳50×2×2=200B 數(shù)據(jù)，交流36 個通道只需上傳200×36=7 200B數(shù)據(jù)，而直流側只需上傳10 個周期的直流電壓及電流（各2B）平均值即可，因此根據(jù)這種數(shù)據(jù)壓縮方法，系統(tǒng)38 路信號同步采集10 個周期只需上傳7 200+4=7 204B 數(shù)據(jù)，遠遠小于原來的194 560B 的傳輸量。

4 直流大電流間接反演與計算新方法

在化工、冶金等行業(yè)中應用的變流系統(tǒng)容量越來越大，其中直流電流也在不斷增大，特別是在一些電解行業(yè)，直流電流已高達數(shù)十萬安培，而直流大電流測量的準確性一直是受到業(yè)界質(zhì)疑，其準確測量一直以來都是尚未有效解決的技術難題[14,15]；目前測量直流大電流采用最多的為霍爾互感器，工作原理是將電流信號轉化為磁場測量，進而測量磁通密度或磁通、磁動勢等方法來測量電流，但整流環(huán)境具有強腐蝕性和電磁干擾、諧波污染嚴重以及直流電流大等特點，其測量精度一般不能滿足要求，且具有其體積大、價格高以及安裝不便等缺點[16]。針對上述直流測量方案的缺陷，本文提出了一種直流大電流反演與計算新方法。

忽略晶閘管阻容回路影響，通過閥側正半波電流的疊加處理即可實現(xiàn)直流電流的反演與推算，圖5 給出了交流電流到直流電流的反演示意圖，閥側疊加反演直流電流算法過程如下：

（1）根據(jù)前面介紹的能效分析系統(tǒng)采集方案同步采集閥側繞組接出的所有交流電流信號，形成n個具有s 個采樣點的電流序列(i1[s]i2[s]… in[s])（n為閥側繞組接出的電流信號個數(shù)，其數(shù)值與閥側繞組的接線方式有關；s 為采樣點個數(shù)），然后對in[s]數(shù)值進行判斷，若in[s]＜0，則將in[s]置0；若in[s]＞0，則保持in[s]數(shù)值不變。

（2）對步驟（1）重新獲得的電流序列in[s]進行疊加計算，求得推算的直流電流序列id[s]：

圖5 交流電流到直流電流的反演示意圖Fig.5 Inverting graph of AC to DC

5 大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效算法分析

本節(jié)以圖4 所示低壓閥側繞組聯(lián)結方式的12脈波整流系統(tǒng)為例來介紹能效分析算法，所有公式所涉及的電壓、電流量均為通信前置機重構后還原的電壓及電流信號。

5.1 整流系統(tǒng)各測量點有功功率的計算

對于交流網(wǎng)側和濾波側，采用的是三相四線制測量方法，引入的電壓信號為相電壓，根據(jù)式（7）可算得交流網(wǎng)側和濾波側有功功率PG、PF（單位：kW）；Us、Is為重構后的相電壓、電流采樣序列。

對于低壓閥側，采用的是三相三線制測量方法，引入的電壓信號為線電壓，需進行線電壓到相電壓的轉換，根據(jù)式（8）可計算其4 個橋的三相總有功功率 PV1、PV2、PV3、PV4，則閥側總功率 PV=PV1+PV2+PV3+PV4；U12s、U23s、U31s均為重構后的線電壓采樣序列。

直流側終端上傳的直流電壓、電流平均值可直接計算求得直流側平均功率Pd，但由本文第4 節(jié)內(nèi)容可知利用霍爾互感器測量的直流大電流精度較低，因此其計算的直流功率只能作為參考，本文采用閥側疊加推算的直流電流平均值來計算直流側平均功率Ptd。

5.2 整流系統(tǒng)各部件損耗的計算

整流機組總損耗即系統(tǒng)總損耗，主要包括變壓器損耗PT和整流器損耗PR。變壓器損耗PT=交流網(wǎng)側輸入有功 PG-低壓閥側輸出有功(PV1+PV2+PV3+PV4) -濾波側有功PF，即

整流器損耗 PR=低壓閥側有功(PV1+PV2+PV3+PV4) -直流側有功Ptd，即

因此，整流機組總損耗即系統(tǒng)總損耗

PZ=變壓器損耗PT+整流器損耗PR

5.3 整流系統(tǒng)各部件效率的計算

通過測量網(wǎng)側的輸入功率及閥側的功率可以計算變壓器的效率ηT（%）；由閥側的功率和直流側功率可以計算與整流柜的效率ηR（%），計算表達式為

系統(tǒng)運行效率可通過以下公式計算。

整流系統(tǒng)在實際工況下的運行效率，可按照式（12）推算其額定效率。

式中，ηt為整流系統(tǒng)在額定工況下的推算效率（%）；η 為整流系統(tǒng)在實際工況下的運行效率（%）；Ud為整流系統(tǒng)測定運行效率時的實際輸出電壓（V）；Itd為整流系統(tǒng)測定運行效率時的實際輸出電流（kA）；Udn為整流系統(tǒng)的額定輸出電壓（V）；Idn為整流系統(tǒng)的額定輸出電流（kA）。

能效分析平臺可以從數(shù)據(jù)庫中查詢?nèi)我粫r間段內(nèi)的網(wǎng)側輸入電能WG及直流側輸出電能Wd為

式中，PGs、Pds分別為數(shù)據(jù)庫中存儲的網(wǎng)側和直流側有功功率記錄（kW）；Δt 為相鄰兩個有功功率數(shù)據(jù)記錄存入數(shù)據(jù)庫的時間間隔。

任一時間段內(nèi)的系統(tǒng)電能效率ηq

6 工程驗證

基于感應濾波技術的新型直流供電系統(tǒng)已成功應用于某電解錳整流系統(tǒng)實際項目中，其額定直流輸出600V、17.5kA，該工程于2012 年3 月投入運行考核。系統(tǒng)電氣接線圖如圖6 所示，單機組為等效12 脈波（星形和三角形繞組共鐵心），采用同相逆并聯(lián)的結構形式，閥側輸出四個聯(lián)結組，通過12根銅排分別與四個整流橋相連接，每套機組均配置了11 次和13 次單調(diào)諧濾波器，以作功率補償和濾波，圖6 中標出了3、4 號整流機組能效分析系統(tǒng)測量點位置。低壓閥側及直流側測量點的具體施工如圖7 所示，在整流柜側面安放電氣屏蔽柜1 個，內(nèi)裝閥側采集終端4 臺，直流側采集終端1 臺。在閥側12 個銅排上安裝金屬鉤直接引線將電壓信號（電壓等級500V）接入采集柜接線端子排；閥側銅排上套裝12 個羅氏線圈互感器（變比：5000A∶5V）用于檢測閥側電流，其積分器輸出0～5V 信號接入采集柜接線端子排；直流側電壓（電壓等級600V）直接從直流銅排引線接入采集柜接線端子排；直流銅排的直流霍爾互感器（變比：20kA∶5V）采集直流電流，其積分器輸出0～5V 直流信號接入采集柜接線端子排。

圖6 系統(tǒng)接線圖Fig.6Wiring diagram for the system

圖7 低壓閥側施工接線圖Fig.7 Main-circuit topology of the system

6.1 影響整流機組損耗及效率分析的關鍵因素

（1）傳感器精度問題：采集系統(tǒng)的測量精度是保證系統(tǒng)損耗及效率計算準確的關鍵因素，主要包括電壓、電流互感器精度以及采集終端的測量精度。在測量前必須對傳感器及測量裝置進行校準工作。

（2）計算結果的誤差修正：根據(jù)前面對傳感器即測量終端的校準結果，對整流機組的損耗及效率計算結果進行修正。

（3）數(shù)據(jù)同步采集問題：計算整流機組損耗及效率所需的各個參數(shù)（如網(wǎng)側輸入功率、閥側輸出功率、濾波側有功、直流側有功等），必須是同步采集各個側電壓電流計算獲得的。

6.2 系統(tǒng)同步性能測試與分析

采樣通道間延時，是衡量系統(tǒng)同步性能的重要指標。通道間延時計算公式為

式中，θi和θj分別為兩個不同的采集通道i 和j 對應的初始時刻Ti0和Tj0各自的初始相位；則兩個通道間的通道延時Tij為

考慮不同通道數(shù)據(jù)計算的信號頻率差異，取頻率為兩者均值，則式（16）變?yōu)?/p>

為了測試同步采集系統(tǒng)的同步性能，測試實驗為所有采集板的三相電壓及電流通道引入相同的交流標準源信號進行同步性能測試，表1 給出了網(wǎng)側電壓及電流通道1 與濾波側所有電壓及電流通道的同步性能測試結果，結果表明該同步采集方法完全符合能效分析系統(tǒng)的同步性能要求。

表1 同步性能測試結果Tab.1 Test results of synchronization performance

6.3 基于傅里葉變換的數(shù)據(jù)壓縮與重構工程驗證

數(shù)據(jù)壓縮性能指標的計算公式如下。

信號的壓縮比Rc

式中，Rnum為壓縮后數(shù)據(jù)總量；Fnum為待壓縮數(shù)據(jù)總量。

信號重構后的賦范方均誤差Fc

信噪比SNR：

根據(jù)式（18）～式（20）可以驗證基于傅里葉變換數(shù)據(jù)壓縮算法的壓縮效果，表2 給出了某實際12 脈波電解錳整流系統(tǒng)交流網(wǎng)側、閥側電壓及電流原始信號的壓縮效果；根據(jù)式（5）可以計算壓縮后的電壓、電流有效值，表3 給出了交流網(wǎng)側、閥側電壓及電流原始信號有效值、壓縮后數(shù)據(jù)計算的有效值及誤差；閥側電壓、電流原始信號及壓縮重構波形如圖8 所示，原始信號的波形與重構后的波形幅值相位基本一致，因此利用傅里葉變換進行數(shù)據(jù)壓縮上傳及重構，既可以提高系統(tǒng)的通信性能，又可以保證系統(tǒng)的精度。

表2 真實電壓、電流信號壓縮效果Tab.2 Compression results by real data

表3 電壓、電流有效值及誤差Tab.3 Error and RMS of voltage and current

圖8 閥側電壓、電流原始信號及壓縮重構波形Fig.8 Voltage and current practical measurement waveforms in the grid winding before and after implementing inductive filtering

6.4 直流大電流間接反演仿真驗證

本文針對該電解錳整流系統(tǒng)建立了仿真模型。圖9 給出了相應的直流電流仿真波形及由閥側交流電流疊加推算的直流電流波形，由圖9 可見，兩者波形基本重合。

圖9 直流仿真波形與閥側反演波形對比Fig.9 Comparison wave form of DC side and vavle side

表4 給出了本方法推算值與仿真值對比，可見閥側疊加反演的直流電流推算值與仿真值十分接近，誤差僅為0.053%，完全可以滿足工程測試與計量的要求。

表4 推算值與仿真值對比Tab.4 Comparison of calculated value and simulation value

6.5 能效分析系統(tǒng)工程驗證

表5 給出了3、4 號整流機組的能效測量結果，從表5 中可以看出

（1）3、4 號整流機組的直流側實測的直流電流與利用閥側交流電流疊加反推算法求得的直流電流大小差值分別為67.36A 和62.67A，進一步證明了閥側交流電流疊加反推算法的可靠性及準確性，考慮到直流霍爾互感器的測量精度較低，實際測量值一般偏低，只能作為參考，這里主要以推算的直流電流計算的直流功率來計算整流系統(tǒng)各部件的損耗及效率。

表5 能效測量結果統(tǒng)計Tab.5 The measuring results of energy efficiency

（2）兩套整流機組的變壓器效率均在 98%以上，實測整流器效率及推算整流器效率也均在99%以上，作為參考的實測整流機組總效率也在97%以上，根據(jù)推算直流電流算得的整流機組總效率更是在98%以上，有效地證明了基于感應濾波技術的新型直流供電系統(tǒng)的高效性。

6.6 能效分析結果的指導意義

（1）對仿真模型的驗證及修改指導：該能效分析方法，能夠對仿真者設計的大功率整流系統(tǒng)仿真模型進行全面的能效分析。既可以驗證仿真模型的節(jié)能效果，又可以指導設計者對仿真模型的參數(shù)進行相應的修改，同時觀測修改后節(jié)能效果。

（2）對實際工程的能效分析及指導：該能效分析方法可以對實際已投入工程運行的工業(yè)整流系統(tǒng)進行全面的能效評估，使用戶及設計者實時準確地了解被測整流機組損耗較大、效率較低的部件，從而為整流機組的改造提供依據(jù)。

（3）本文的能效分析方法對所有大功率工業(yè)整流系統(tǒng)均適用，通過對采用不同整流技術的整流機組的能效分析，可以對比不同整流技術的優(yōu)缺點，使設計者能夠取長補短。

7 結論

（1）給出了基于光纖以太網(wǎng)通信的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)多點測量與能效分析系統(tǒng)的整體設計方案、同步監(jiān)測機理以及能效算法。

（2）針對整流系統(tǒng)監(jiān)測信號量多且通信量巨大等問題，給出了一種基于傅里葉變換的數(shù)據(jù)壓縮與重構算法，并用實例驗證了此方法的正確性和工程實用性。

（3）提出了一種基于閥側交流電流疊加反推直流電流的直流大電流間接反演與計算方法，通過仿真驗證了此方法的正確性。

（4）給出了大功率工業(yè)整流系統(tǒng)的能效分析算法，并對能效分析系統(tǒng)的終端配置及施工方案進行了詳細的闡述；工程實例表明該能效分析方法可以有效實現(xiàn)工業(yè)整流系統(tǒng)各供電裝備與系統(tǒng)的效率核算，實現(xiàn)整流變壓器及整流器的損耗與效率研究，從而為提高裝備效率及系統(tǒng)節(jié)能提供必要的依據(jù)。

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