大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效在線監(jiān)測系統(tǒng)及其遠程校準算法

張曉虎，羅隆福，李 勇，劉 潔

（1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南文理學院 計算機系，湖南 常德 415000）

0 引言

大功率整流機組在電化學、冶金及軌道交通等領域取得了廣泛應用，隨著社會對節(jié)能減排和清潔能源呼聲的日益高漲，這些高能耗領域的企業(yè)對整流機組的效率和電能質量也更加關切[1-2]。對上述高能耗領域開展節(jié)能新技術的研究，即使是較少的節(jié)能措施對企業(yè)節(jié)能降耗、提高效益和產品市場競爭力都十分重要。但是，目前國內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而降低原材料成本，增加了系統(tǒng)損耗，但無法追究其責任，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。因此對大功率整流系統(tǒng)能效在線監(jiān)測裝置的研制勢在必行。

隨著科學研究和測控技術的發(fā)展，人們對測試儀器的準確度、穩(wěn)定性和工作條件提出了很高的要求。實現(xiàn)測量系統(tǒng)、儀器的智能化，建立具有智能化功能的測量系統(tǒng)，是克服測量系統(tǒng)自身不足，獲得高穩(wěn)定性、高可靠性、高精度以及提高分辨率與適應性的必然趨勢[3-7]。在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓、電流的測量是各種繼電保護、電測等應用技術的基礎，交流采樣的同步誤差和裝置內部采樣通道測量元件的誤差均會影響相量在幅值和相位上的測量精度[8-10]。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)能效在線監(jiān)測方法及多通道并行遠程自校準算法，可以有效實現(xiàn)工業(yè)整流系統(tǒng)各供電裝備與系統(tǒng)的效率監(jiān)測與分析；其遠程校準系統(tǒng)保證了系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的精度，為能效分析系統(tǒng)的準確分析提供了有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效監(jiān)測機理

1.1 大功率工業(yè)整流系統(tǒng)拓撲

新型12脈波整流系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示，其主要由三部分構成[11-12]：含有載調壓的新型整流變壓器及其配套全調諧感應濾波裝置、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。與常規(guī)整流系統(tǒng)相比，其添加了1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區(qū)別。閥側接線如圖2所示，采用同相逆并聯(lián)的閥側繞組在整流柜輸入處一分為二，通過12根銅排分別與4個整流橋相連接，每根母排流過全波電流。能效分析系統(tǒng)的工作機理可簡單描述如下：首先同步采集交流網(wǎng)側、低壓閥側、濾波側、直流側4個測量點的電壓及電流信號，通過電壓及電流數(shù)據(jù)計算各個測量點的有功功率，進一步可計算整流系統(tǒng)各部件（如變壓器、整流器等）損耗及效率。圖1中標出了各測量點的位置；圖2中標出了閥側采集終端的配置方案。

圖1 大功率工業(yè)整流系統(tǒng)拓撲結構圖Fig.1 Topology of large-power industrial rectifier system

圖2 閥側繞組接線圖Fig.2 Wiring diagram of windings at valve side

1.2 基于光纖以太網(wǎng)的多通道同步測量機理

監(jiān)測系統(tǒng)的拓撲結構如圖3所示，主要包括監(jiān)測終端層、光纖以太網(wǎng)通信層以及主站監(jiān)測層3個部分。監(jiān)測終端層實現(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)監(jiān)測終端層與主站監(jiān)測層之間的線路通信；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)了監(jiān)測終端層與主站監(jiān)測層的數(shù)據(jù)交互，且可以通過軟件設定實現(xiàn)多通道并行在線校準功能與正常測量功能的靈活切換；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。

同步采集監(jiān)測機理可簡單描述如下。

采集系統(tǒng)可任意選擇1臺終端設定為主采集終端，其他均為從采集終端。首先通信前置機向主采集終端發(fā)送同步采集命令，主采集終端收到命令后向所有從采集終端發(fā)送同步脈沖（低脈沖），利用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；采樣固定周期的數(shù)據(jù)后，采樣數(shù)據(jù)依次通過串口轉光纖電路、光纖轉串口電路及串口轉TCP/IP轉換器，最后經(jīng)由以太網(wǎng)交換機上傳到通信前置機；通信前置機對采樣數(shù)據(jù)進行自校準或算法分析后存入數(shù)據(jù)庫服務器，供上位機監(jiān)測平臺進行分析調用；然后通信前置機再次向主采集終端發(fā)送采集命令，并重復以上過程。利用光纖發(fā)射器HFBR-1414和光纖接收器HFBR-2412及其外圍電路為系統(tǒng)通信線路設計了串行口TTL電平與光纖信號轉換電路，這樣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，又減少了系統(tǒng)的硬件成本；且對于終端而言其通信使用的是串口通信，而對于后臺PC機則使用的是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機間的通信穩(wěn)定性。

圖3 基于光纖以太網(wǎng)的能效在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 Online energy-efficiency monitoring system based on fiber optic Ethernet

2 遠程校準系統(tǒng)及多通道并行校準算法

2.1 遠程校準系統(tǒng)

遠程校準系統(tǒng)的搭建只需在圖3的硬件基礎上，將各測量點的信號源引入同一高精度標準源信號，并采用第1.2節(jié)所述多通道同步數(shù)據(jù)采集原理，將采集的數(shù)據(jù)代入多通道并行校準算法中求得校準參數(shù)即可實現(xiàn)所有采集終端的遠程校準，最終校準參數(shù)保存到數(shù)據(jù)庫中?；谠摫O(jiān)測方法的通信前置機軟件具有正常數(shù)據(jù)采集測量和多采集終端并行校準2個功能，可通過軟件設計靈活地實現(xiàn)2種功能的切換。下面介紹多通道并行校準算法的工作原理。

2.2 多通道并行校準算法原理

校準算法的基本原理可簡單描述如下。

a.首先采用高精度標準源對監(jiān)測系統(tǒng)的所有通道進行線性初始化并行校準，以獲得各通道的線性校準比例系數(shù)（即標準源實際輸出量有效值與進入A/D轉換器的采樣模擬量的比值），并存入數(shù)據(jù)庫。2.3節(jié)將對此步驟進行詳細的描述。

b.根據(jù)步驟a求得的各通道校準比例系數(shù)，可以測量高精度標準源的3個不同范圍的標定值，然后將標定值和其測量值代入基于曲線擬合法的多通道非線性自校準算法，求得各通道的非線性常系數(shù)，并存入數(shù)據(jù)庫。該步驟會在2.4節(jié)中詳細介紹。

c.最后，根據(jù)步驟a求得的各通道校準比例系數(shù)以及步驟b求得的各通道非線性常系數(shù)，可以獲得采集系統(tǒng)的高精度測量值。

2.3 多通道初始化線性校準

如圖3所示，當對多個采集終端（終端上包括多個采集通道）進行并行校準時，只需將各終端的測量點的信號源引入同一高精度標準源信號，利用第1節(jié)介紹的同步測量機理，控制所有采集終端采樣N（N＞10）個周期數(shù)據(jù)序列VNSi（N為采樣周期序號；S為通道號；i為每個周期的采樣點數(shù)）；然后將所有數(shù)據(jù)上傳至通信前置機，由其校準程序實現(xiàn)所有通道的初始化校準。下面以采樣交流電壓信號為例來介紹并行校準算法。

a.首先對序列VNSi進行均方根值運算，可求得第S通道第N個采樣周期的電壓有效值：

其中，Ns為單周期采樣點數(shù)。

b.計算實際高精度標準源輸出電壓有效值Ureal與第S通道第N個采樣周期的有效值UNS的比值 KNS，即變比：

c.利用拉依達準則（又稱3σ準則）消除變比KNS中的粗大誤差，求得通道校準比例系數(shù)，具體處理流程如圖4所示，分為4個步驟。

步驟2計算第S通道各次采樣變比KNS的剩余誤差，即。

步驟4判斷所有的δNS是否均滿足。若均滿足該條件，則對該變比序列求平均值KNS，并保存到數(shù)據(jù)庫中，作為第S通道的校準比例系數(shù)CNS；若有不滿足該條件的，則將其相應的變比序列中的KNS值剔除，并重新計算新的變比序列的平均值，轉到步驟2重復以上步驟，直到滿足，最終求得第S通道的校準比例系數(shù)。

圖4 通道校準比例系數(shù)的計算流程Fig.4 Flowchart of channel calibration coefficient calculation

2.4 多通道非線性自校準算法

測量系統(tǒng)的線性度是影響系統(tǒng)精度的重要因素，為了減小非線性誤差，本文給出了一種基于曲線擬合法的多通道非線性自校準算法，以軟件實現(xiàn)非線性自校正智能化功能。

算法采用n次多項式來逼近反非線性曲線，該多項式方程的各個系數(shù)由最小二乘法確定，步驟如下。

a.對測量系統(tǒng)進行在線實時3點標定，即依次輸入標定值 XS1、XS2、XS3，測得相應輸出值 YS1、YS2、YS3。

b.列出反非線性特性擬合方程式，呈非線性特性的測量系統(tǒng)，其特性至少為二階三項多項式。

其中，S 為通道號；i為標定值序號，i=1，2，3。

c.由標定值求反非線性特性曲線擬合方程的系數(shù) AS0、AS1、AS2，按照最小二乘法原則，由多項式方程（3）計算確定的各個 XSi（YSi）值與各個點對應標定值XSi的均方差應最小，即：

根據(jù)函數(shù)求極值（最小值）條件，令偏導數(shù)為0，即：

整理后得矩陣方程：

其中，K為標定值個數(shù)。

解式（5）矩陣方程可得待定常系數(shù) AS0、AS1、AS2的表達式為：

由標定值及相應測量值可以計算出P、Q、R、T、D、E、F，代入式（6）中可以求出 AS0、AS1、AS2的數(shù)值，并保存到數(shù)據(jù)庫中。

綜上分析，當采集系統(tǒng)進行測量采集時，首先根據(jù)2.3節(jié)求得的各通道校準比例系數(shù)求得初始化測量值YSi（S為通道號，i為標定值序號），然后將YSi及各通道的常系數(shù) AS0、AS1、AS2代入式（3），即可獲得高精度測量值。

3 大功率整流系統(tǒng)能效分析算法

本節(jié)以圖2所示低壓閥側繞接線方式的12脈波整流系統(tǒng)為例來介紹能效分析算法。

a.計算各測量點有功功率。

根據(jù)各測量點電壓及電流采樣信號計算網(wǎng)側有功PG、濾波側有功PF、閥側4個橋的三相總有功功率PV=PV1+PV2+PV3+PV4、直流側平均功率 Pd。

b.整流系統(tǒng)各部件損耗分析。

整流機組總損耗即系統(tǒng)總損耗PZ為變壓器損耗PT與整流器損耗PR之和。各部件損耗計算公式如下：

c.整流系統(tǒng)各部件效率分析。

整流系統(tǒng)各部件效率主要包括：變壓器效率ηT、整流器效率ηR以及整流機組總效率ηZ。計算表達式如下：

4 工程驗證

4.1 系統(tǒng)同步性能測試與分析

由本文1.2節(jié)可知，光纖以太網(wǎng)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過主采集終端向其他各從采集終端發(fā)送光纖同步觸發(fā)脈沖（低脈沖），觸發(fā)各采集終端外部中斷進行同步數(shù)據(jù)采集。因此該同步采集觸發(fā)方式具有以下優(yōu)點：

a.無需為所有終端配備專用的基準時鐘源，既節(jié)省了硬件成本，又減少了設備安裝與布線復雜性；

b.整流系統(tǒng)各測量點之間距離較遠，且存在著非常大的磁場，而光纖同步觸發(fā)方式具有通信距離遠、抗干擾能力強、通信速度高等優(yōu)點，解決了以上問題；

c.采用低脈沖觸發(fā)各采集終端外部中斷的方式，可以使終端對觸發(fā)信號的響應更加及時，進一步提高了同步性，并且自主設計的光纖與TTL電平轉換電路，既提高了采集終端的集成度，又減少了硬件成本。

采樣通道間延時是衡量系統(tǒng)同步性能的重要指標[13-14]。 其計算公式如下：

其中，θi和θj分別為2個不同的采集通道i和j在對應的初始時刻Ti0和Tj0的初始相位，則2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，取頻率為兩通道信號的均值，則式（10）變?yōu)椋?/p>

由式（11）可知，要求得各通道間延時，必須準確地計算各采集通道信號的初始相位及信號頻率，常用的計算方法有三參數(shù)正弦曲線擬合法、四參數(shù)正弦曲線擬合法等。文獻[14]介紹了一種對以上2種算法進行改進的四參數(shù)正弦曲線擬合的絕對收斂算法，算法的基本原理為：首先根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的平均采集速率v、待估計正弦波頻率值f0以及待估計采樣序列信號周期數(shù)q，獲得Δfmax=f0/q，使得頻率f在[f0-Δfmax，f0+Δfmax]區(qū)間里，存在殘差平方和 ε（f）極值且唯一，即四參數(shù)正弦曲線擬合的四維非線性搜索轉變成了對頻率f形成的ε（f）進行一維線性搜索；然后在該區(qū)間內使用三參數(shù)正弦曲線擬合法進行運算，最終實現(xiàn)了正弦曲線擬合的絕對收斂，進而確定了各通道的幅度、頻率、相位及直流分量這4個參數(shù)，將其中的初始相位及信號頻率代入式（11）即可獲得各通道間延時時間。

為測試采集系統(tǒng)的同步性能，進行了同步性能測試實驗。如圖5所示，實驗采用ZX3030B型三相交直流高精度標準源（精度0.02級），為所有采集通道引入同一交流電壓信號（電壓有效值輸出范圍為0～100 V，頻率50 Hz），進行同步性能測試。 其中，TV為 2 mA /2 mA（變比 1∶1）精密電壓互感器（型號為TV1013-1M），其作用是實現(xiàn)外部信號與采集板的物理隔離，消除采集板對信號源的影響，并保護采集板弱電電路部分。

圖5 實驗原理圖Fig.5 Schematic diagram of experiment

表1給出了基于改進的四參數(shù)正弦曲線擬合的絕對收斂算法計算的通道1與另外6個通道間的同步性能測試結果。由表1可見，通道1與其他各通道間的通道延時均在16～22 ns之間，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Table 1 Results of synchronization performance test

4.2 多通道非線性自校準算法實驗驗證

實驗以電壓通道校準過程為例，驗證系統(tǒng)校準效果。采用ZX3030B型三相交直流高精度標準源（精度0.02級）輸出交流電壓信號（電壓有效值輸出范圍為0～100 V，頻率50 Hz），采集終端將轉換結果通過光纖以太網(wǎng)上傳給通信前置機，前置機軟件切換到校準狀態(tài)，對在線終端的通道進行非線性并行校準。具體步驟如下。

a.首先根據(jù)2.3節(jié)初始化線性校準算法對各通道進行初始化線性校準。表2給出了通道1、通道2初始化校準結果。其中，通道1和2的校準比例系數(shù)均為標準源輸出60 V電壓有效值校準獲得，該系數(shù)與A/D轉換模擬量的乘積即為測量值。由表2可見，初始化線性校準后各測量值的相對誤差均在0.7%～1.3%之間。

表2 初始化校準結果Table 2 Results of initialization calibration

b.根據(jù)2.4節(jié)的非線性校準算法，對步驟a獲得的測量結果進行非線性校準。利用表2給出的通道1、2的標準源標定值及相應的測量值，可以求得各通道反非線性特性曲線擬合方程的系數(shù)AS0、AS1、AS2，具體數(shù)值如表3所示。

表3 非線性擬合方程系數(shù)Table 3 Coefficients of nonlinear fitting equation

c.采用高精度標準源輸出電壓信號，根據(jù)步驟a求得的通道校準比例系數(shù)CNS可以求得初始測量值YSi，將其和步驟b求得的非線性常系數(shù) AS0、AS1、AS2，代入式（3），可以求得最終的測量值。表4給出了非線性校準后的最終測量結果。由表可見，初始化測量值的相對誤差較大，均在0.6%～1.1%之間；而最終非線性校準后的測量值相對誤差均在0.1%～0.4%之間，有效地驗證了本文非線性校準算法的精確性。

表4 非線性校準結果Table 4 Results of nonlinear calibration

4.3 工程實踐

本文介紹的大功率工業(yè)整流系統(tǒng)能效監(jiān)測方法已經(jīng)實際應用到某工業(yè)電解錳整流系統(tǒng)中，該電解錳整流系統(tǒng)電氣接線圖如圖6所示，其額定直流輸出為600 V、17.5 kA；單機組為等效12脈波（Y和△繞組共鐵芯），采用同相逆并聯(lián)的結構形式，閥側輸出4個聯(lián)結組，通過12根銅排分別與4個整流橋相連接，每套機組均配置了11次和13次單調諧濾波器，以進行功率補償和濾波。圖6中標出了3、4號整流機組測量點位置。

根據(jù)第1節(jié)介紹的基于光纖以太網(wǎng)多通道同步數(shù)據(jù)采集監(jiān)測機理，給出了該電解錳整流系統(tǒng)能效監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案如下。

電解錳整流系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與能效分析系統(tǒng)拓撲結構見圖7，系統(tǒng)采用3層B/S模型，分為監(jiān)測終端層、光纖以太網(wǎng)通信層、主站監(jiān)測層3個部分。監(jiān)測終端層分別在交流網(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，并設定網(wǎng)側終端為主采集終端，其他測量點終端均為從采集終端。通信前置機實現(xiàn)監(jiān)測終端層與主站監(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。

圖6 某電解錳整流系統(tǒng)電氣接線圖Fig.6 Electric connection diagram of an electrolytic manganese rectifier system

圖7 大功率工業(yè)整流系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與能效分析系統(tǒng)拓撲結構圖Fig.7 Topology of data acquisition and energy-efficiency analysis system for large-power industrial rectifier system

監(jiān)測系統(tǒng)需同步采集38路信息以滿足能效分析系統(tǒng)的分析需求，各測量點采集終端配置如下。

a.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（安裝于網(wǎng)側35 kV電氣開關柜中）。

b.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（安裝于10 kV感應濾波及功率補償裝置電氣控制柜中）。

c.低壓閥側：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。

d.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。

低壓閥側及直流側測量點的具體施工接線如圖2所示。在整流柜側面安放電氣屏蔽柜1個，內裝閥側采集終端4臺，直流側采集終端1臺；在閥側12根銅排上安裝金屬鉤直接引線將電壓信號接入采集柜接線端子排；閥側銅排上套裝12個羅氏線圈互感器用于檢測閥側電流，其積分器輸出0～5 V信號接入采集柜接線端子排；直流側電壓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采集直流電流，其積分器輸出0～5 V直流信號接入采集柜接線端子排。閥側上橋1采集的三相電壓及電流波形如圖8所示。由圖可見，由于閥側銅排與整流器件直接連接，受整流器件非線性影響，在閥側會產生大量諧波，閥側電壓及電流均會產生畸變，而電流畸變更為嚴重。

圖8 閥側三相電壓和三相電流波形Fig.8 Waveforms of valve-side three-phase voltages and currents

表5給出了3、4號整流機組的能效測量結果，表中閥側功率1、2、3、4分別為閥側4個整流橋的三相總功率。從表中可以看出：2套整流機組的變壓器效率均在98%以上，整流器效率均在99%以上，整流機組的總效率也是在98%以上。表5中的數(shù)據(jù)有效地驗證了該新型直流供電系統(tǒng)的高效性。

表5 能效測量結果統(tǒng)計Table 5 Results of energy-efficiency measuring

5 結論

本文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)能效監(jiān)測系統(tǒng)的整體設計方案及同步監(jiān)測機理；介紹了搭建在此監(jiān)測方法硬件基礎上的遠程校準系統(tǒng)的設計方案，其可以通過通信前置機的軟件設定，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)校準狀態(tài)與正常測量狀態(tài)的靈活切換；給出了一種多通道非線性并行自校準算法，該算法不但可以很好地減小非線性誤差，且可以實現(xiàn)多個通道并行在線校準功能；實驗結果驗證了該算法的精確性及實用性；通過某工業(yè)電解錳整流系統(tǒng)能效監(jiān)測系統(tǒng)的工程實例，詳細闡述了能效監(jiān)測系統(tǒng)的具體施工過程；監(jiān)測結果表明該方法可以有效實現(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)。