軋鋼工程供配電系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測及控制研究

張 晶，張 瑞，汲康康

（河鋼邯鋼大型軋鋼廠，河北 邯鄲 056000）

軋鋼是指通過旋轉(zhuǎn)軋輥改變鋼錠，而軋鋼工程就是通過壓力，加工軋鋼鋼坯形狀的過程。例如常見的鍋爐鋼、橋梁鋼、汽車板、螺紋鋼以及火車輪，都是通過軋鋼工程生產(chǎn)獲得的。電能是國家各部門和社會生產(chǎn)的主要動力，將各種形式的能力，轉(zhuǎn)化為電能，且電能的控制與分配是十分方便的，而軋鋼工程也離不開對電能的使用[1]。因此利用供配電系統(tǒng)，對不同距離、不同工程項目的軋鋼工藝進行控制，而為了更加精確地控制軋鋼工程供配電系統(tǒng)工作質(zhì)量，此次研究一個監(jiān)測策略和控制策略，實現(xiàn)對軋鋼工程供配電系統(tǒng)質(zhì)量的監(jiān)測和控制。

1 軋鋼工程概述

鋼軋改造項目軋鋼工程新建1條大型型鋼生產(chǎn)線。大型型鋼生產(chǎn)線主要工藝設(shè)備包括2座加熱爐、2架開坯軋機BD1BD2、2架可逆式萬能四輥軋機U1U2、1架二輥軋機E、1架萬能精軋機UF、冷床、矯直、鋼軌精整及型鋼精整等部分。本工程建成后，大型型鋼生產(chǎn)線達到年產(chǎn)138萬t/a。

在大型型鋼生產(chǎn)線內(nèi)設(shè)型鋼10KV變電所1座（1號電氣室），包括位于一層的10kV高壓配電室、高壓控制室和位于二層的濾波室等。向大型型鋼生產(chǎn)線設(shè)備提供10KV電源。其中型鋼10KV變電所的3條回路10kv電源引自新區(qū)鐵前變電站10kv不同段的母線。型鋼10kv變電所內(nèi)設(shè)1套10kv配電裝置，10kv配電裝置采用單母線分段結(jié)線方式，對應(yīng)每回電源受電設(shè)一段母線，其中，中間段受電的母線分為2個半段，通過2個分段斷路器分別與其它兩段母線連接。10kvI段母線主要向BD1BD2開坯軋機主傳動、E軋機主傳動、部分輔傳動整流變壓器、部分動力、照明、吊車變壓器以及水處理高壓電動機供電；10kvII段母線主要向部分水處理區(qū)域的負(fù)荷、部分照明變壓器以及所用電負(fù)荷供電；10kvIII段母線主要向U1U2萬能軋機主傳動、Uf萬能精軋機主傳動以及部分輔傳動整流變壓器、部分動力、吊車變壓器以及水處理高壓電動機供電。

2 軋鋼工程供配電系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測策略

假設(shè)供配電系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，均處于正常狀態(tài)，對四項基本參數(shù)進行監(jiān)測。選用的部分監(jiān)測儀器和監(jiān)測設(shè)備，如下表1所示[2]。

表1 監(jiān)測儀器設(shè)備表

利用表1所示的監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測表2所示的軋鋼工程中，供配電系統(tǒng)的各項基本參數(shù)。

表2 監(jiān)測參數(shù)

下面對軋鋼工程供配電系統(tǒng)，進行各個參數(shù)的在線監(jiān)測，每一監(jiān)測結(jié)果反饋，如下所示。

2.1 監(jiān)測日負(fù)荷率

供配電系統(tǒng)的日負(fù)荷率，就是軋鋼工程用電的日平均負(fù)荷，與日最大負(fù)荷之間的百分比，假設(shè)該值用F 來表示。在軋鋼工程運行過程中，監(jiān)測軋鋼工程在監(jiān)測周期內(nèi)的實際用電平均有功負(fù)荷H ，利用實際用電量除以用電時長，得到日平均負(fù)荷，單位為kW。再監(jiān)測固定監(jiān)測周期內(nèi)，軋鋼工程的最大小時平均有功負(fù)荷，用Hmax表示，該值即為日最大負(fù)荷。根據(jù)上述內(nèi)容監(jiān)測日負(fù)荷率，該值的監(jiān)測結(jié)果，通過下列公式反饋：

利用上述計算公式，反饋實時監(jiān)測的日負(fù)荷率，再對變壓器負(fù)載系數(shù)進行監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測變壓器負(fù)載系數(shù)

變壓器負(fù)載系數(shù)為變壓器運行期間，平均輸出視在功率與其額定容量的f 比值。假設(shè)變壓器負(fù)載系數(shù)用表示；系統(tǒng)運行期間，變壓器負(fù)載側(cè)的有功電量與無功電量，分別用E1和E2表示，單位為kW*h和kvar*h；變壓器投入運行的時間，用t 表示，單位為h。則變壓器負(fù)載系數(shù)的監(jiān)測結(jié)果，利用下列公式反饋到監(jiān)測頁面：

公式中：Pe表示變壓器額定容量； 表示變壓器平均輸出視在功率，單位為kVA[3]。該值獲取需要通過下列方程獲得：

根據(jù)變壓器負(fù)載系數(shù)，監(jiān)測得到系統(tǒng)運行過程中的線損率實時變化值。

2.3 監(jiān)測線損率

當(dāng)電量由體系受電端，經(jīng)變供配電系統(tǒng)傳輸至低壓供配電線路末端時，所損耗的電量和，占供配電系統(tǒng)總供給電量的百分?jǐn)?shù)，即為線損率q ，單位用%表示。則軋鋼工程內(nèi)的線損率監(jiān)測結(jié)果，通過下列公式反饋：

公式中 ：ΔQ1、ΔQ2分別表示每臺變壓器的損耗和每條線路的損耗；n 表示變壓器總數(shù)量；m 表示線路總條數(shù)。而其中每臺變壓器的損耗值，通過下列公式獲得：

公式中：ΔQ0表示變壓器空載損耗有功電量，ΔQ*表示變壓器負(fù)載損耗有功電量，兩個參數(shù)的單位均為kW*h。且這兩個數(shù)據(jù)，通過下列方程組獲得：

公式中：H0表示變壓器空載損耗；U1、U2表示變壓器運行電壓和額定電壓；t 表示軋鋼工程投入的運行時間。而線路損耗監(jiān)測結(jié)果，可通過下列公式進行實時反饋，公式為：

公式中：ε表示相數(shù)系數(shù)；I 表示系統(tǒng)供配電電流；R 表示每相導(dǎo)線的電阻，單位用Ω表示。則該值的計算公式為：

公式中：R′表示溫度一定時的導(dǎo)線電阻值；L 表示線路導(dǎo)線長度，單位為km；φ1、φ2表示環(huán)境溫度對電阻值的修正系數(shù)、導(dǎo)線負(fù)荷電流導(dǎo)致溫升后，對電阻值的修正系數(shù)[4]。

2.4 監(jiān)測軋鋼工程用電體系功率因數(shù)

最后軋鋼工程用電體系功率因數(shù)，為有功功率與視在功率之比，因此根據(jù)有功電量與無功電量，獲得量為參數(shù)計算而得的功率因數(shù)，即軋鋼工程用電體系功率因數(shù)的監(jiān)測反饋。假設(shè)軋鋼工程用電體系功率因數(shù)為，則該參數(shù)的監(jiān)測反饋結(jié)果，通過下列公式獲得：

3 不同時間尺度下軋鋼工程供配電系統(tǒng)分層控制策略

為了保障軋鋼工程的工藝質(zhì)量，根據(jù)供配電系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果，提供出供配電系的主從控制策略。目前直流配電系統(tǒng)包括三種協(xié)同控制方法，分別為主從控制、下垂控制以及電壓裕度控制。此次研究針對主從控制，將一個換流站，設(shè)置為定直流電壓主站，以此作為供配電系的平衡節(jié)點。再將其它換流站，設(shè)置為定功率控制從站，需要注意，主從控制策略要求各換流站之間，一定要保證通信連接，通過快速交換監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)主站對軋鋼工程的控制與調(diào)節(jié)。目前的軋鋼工藝為了追求質(zhì)量，其操作流程和制備工藝非常復(fù)雜，導(dǎo)致直流供配電系統(tǒng)的控制節(jié)點越來越多、潮流復(fù)雜，以此利用主從控制策略，維護系統(tǒng)直流電壓的穩(wěn)定性。選取包含兩個變換器的供配電系，采用主從控制策略控制該系統(tǒng)。假設(shè)變換器注入直流網(wǎng)絡(luò)的功率參考方向為正，則主從控制下的變換器電壓、功率控制特性，如下圖1和圖2所示。

圖1 主從控制下變換器1的電壓功率控制特性

圖2 主從控制下變換器2的電壓功率控制特性

圖1 與圖2中，虛線表示變換器，功率與直流電壓的允許運行范圍；V表示電壓；A、B、C表示系統(tǒng)穩(wěn)定控制節(jié)點；L表示功率。根據(jù)上述兩組控制特性圖可知，當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，變換器1向變換器2提供有功功率，整個系統(tǒng)有統(tǒng)一的直流電壓V，此時供配電系統(tǒng)穩(wěn)定運行于A控制點。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾出現(xiàn)波動時，通過上層控制系統(tǒng)調(diào)整預(yù)定值，給出變換器1和變換器2的定值，此時根據(jù)系統(tǒng)容量，系統(tǒng)潮流變化，可能只由變換器1平衡，而變換器2還是按照原有恒定整定功率值運行，到達控制點B。也可能會出現(xiàn)變換器1和變換器2共同負(fù)擔(dān)的現(xiàn)象，此時會運動到控制點C。主從控制策略對系統(tǒng)分布式電源、儲能裝置以及負(fù)荷單元進行控制，實現(xiàn)對軋鋼工程的管理[5]。

在按照主從控制策略，控制軋鋼工程供配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用不同時間尺度，對供配電系統(tǒng)進行分層控制。控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，需要同時考慮多種優(yōu)化目標(biāo)或多個優(yōu)化方案，結(jié)合設(shè)備控制與系統(tǒng)調(diào)度，劃分系統(tǒng)的控制時間以及控制層次，通過更為協(xié)調(diào)的配合方式，減小控制策略對互聯(lián)裝置的依賴程度。分層控制策略共包含三層，具體為：

第一層進行底層控制，主要控制系統(tǒng)內(nèi)部各功率變換單元的正常運行；第二層控制是對系統(tǒng)各功率變換單元，進行協(xié)調(diào)控制，以此維持軋鋼工程供配電系的穩(wěn)定性；第三層控制，主要是對系統(tǒng)全局能量進行實時管理，維護供配電系統(tǒng)的整體運行功能，在min級的時間長度區(qū)間內(nèi)，考慮系統(tǒng)損耗以及能源利用率等參數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)自身監(jiān)測參數(shù)，生成系統(tǒng)能量優(yōu)化的最優(yōu)調(diào)度指令。此次研究在主從控制策略的應(yīng)用下，通過三個時間尺度上，三個不同層次之間的相互配合策略，使軋鋼供配電系統(tǒng)保證運行的穩(wěn)定性和安全性，即實現(xiàn)對系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，至此實現(xiàn)對軋鋼工程供配電系統(tǒng)的控制。

4 結(jié)語

供配電系統(tǒng)是控制電能的系統(tǒng)，對于軋鋼工程質(zhì)量具有極大的影響。而此次提出的監(jiān)測與控制策略，實現(xiàn)對系統(tǒng)質(zhì)量的實時監(jiān)管，保證軋鋼工程可以順利進行，降低企業(yè)用電損失和工藝損失，從而減少企業(yè)成本，為企業(yè)的良性發(fā)展，提供可靠的技術(shù)支持。