基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统多点测量与能效分析

张晓虎 罗隆福 李 勇 宁志毫

（1.湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082 2.湖南文理学院电气工程系 常德 415000 3.湖南省电力公司科学研究院 长沙 410082）

1 引言

随着大功率电力电子器件的发展，可控硅整流系统已广泛应用于化工、冶金、城市轨道交通及高压直流输电等重大关键工程技术领域[1]。但是，这些领域都属于高耗能行业，每年的电能消耗量巨大[2,3]。例如，据国家工业与信息化部公布的数据，2012 年我国电解铝和电解铜产量分别达到1 565 万t和479 万t；而其中又以电解铝的能耗最大，若按每吨电耗1.5 万kW·h 计算，我国每年电解铝消耗的电能达到了2347.5 亿kW·h[4]。若将目前我国电解铝整流系统的运行效率提高1%，则每年可节约电能23 亿kW·h。

因此，对上述高能耗领域开展节能新技术的研究，哪怕是较少的节能措施对企业节能降耗以及提高效益和产品市场竞争力都十分重要。但是，目前国内外并没有大功率整流系统的各部件损耗实时监测仪器或平台，整流装备特别是整流变压器与整流器的效率无法核算，各部件供应商为追求高利润，降低原材料成本，增加了系统损耗，也无法追究其责任，给整流用户带来莫名的损失，同时也影响该领域节能新方法与新技术的应用与推广。

本文针对以上问题，提出了一种基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统多点测量与能效分析方法[5-7]，并以基于感应滤波技术的大功率工业整流系统能效分析系统为例，对能效分析系统的整体设计方案、同步监测机理以及能效分析算法进行了详细的阐述。工程实例表明该能效分析系统可以有效实现工业整流系统各供电装备与系统的效率核算，实现整流变压器及整流器的损耗与效率研究，从而为提高装备效率及系统节能提供必要的依据。

2 光纤以太网通信的多点测量同步监测工作原理

2.1 能效分析系统整体架构

基于感应滤波技术的大功率工业整流系统及其能效分析系统拓扑结构如图1 所示。大功率工业整流系统主要由三部分构成[8-10]：新型整流变压器及其配套全调谐感应滤波装置、三相全波晶闸管可控整流器、具有低电压大电流特性的直流工业负荷。新型整流变压器包括调压变压器和主变压器两个部分，对外整体表征为三相三绕组结构形式；根据基于感应滤波技术的大功率工业整流系统组成，能效分析系统主要对其交流网侧、滤波侧、低压阀侧及直流侧4 个测量点进行监测，与常规整流系统相比，其添加了一个滤波绕组及其感应滤波装置，可在接近谐波源处进行谐波抑制与无功功率补偿，对于测量方案本身没有本质区别。但由于各测量点之间通常相隔距离较远，特别是交流网侧测量点与其他测量点之间的距离有时会有100～200m 或更远，各测量点之间存在着非常大的磁场，且各测量点之间还需满足同步采集的要求，考虑到以上因素，设计了一种基于光纤以太网的多测量点数据同步采集方案，解决了监测系统中通信距离远、通信速度要求高、抗干扰能力要求高、数据需要同步采集分析等问题。

图1 大功率工业整流系统及其能效分析系统拓扑结构图Fig.1 Topological graph of the high-power rectifier system and its efficiency analytic system

基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统能效分析系统采用3 层B/S 模型，分为终端设备层、光纤以太网通信层、主站监测层3 个部分。终端设备层分别在交流网侧、低压阀侧、滤波侧、直流侧4 个测量点安装数据采集终端，实现各个测量点的数据同步采集及上传；光纤以太网通信层主要实现终端设备层与主站监测层的线路通信；主站监测层主要包括通信前置机、数据库服务器、Web 服务器以及监测计算机4 个部分，通信前置机实现终端设备层与主站监测层的数据交互，并将采集的数据进行算法分析后存入数据库服务器，供大功率工业整流系统能效分析平台分析调用，Web 服务器则完成数据库服务器与监测计算机的交互。

2.2 基于光纤以太网通信的多点同步测量机理

光纤以太网同步采集系统的硬件原理结构框图如图2 所示。各采集终端利用光纤发射器HFBR-1414 和光纤接收器 HFBR-2412 设计了串行口的TXD 发送端和RXD 接收端的TTL 电平与光纤信号转换电路以及光纤信号转串口电路，无需购置市场上的串口转光纤设备；既提高了采集终端的集成度，又减小了系统的硬件成本；且对于采集终端而言其通信使用的是串行口通信，而对于后台PC 则使用的是TCP/IP 通信，既减轻了采集终端的通信电路复杂度，又提高了与后台PC 间的通信稳定性。

图2 光纤以太网同步采集系统结构框图Fig.2 Structure diagram of the optic fiber Ethernet synchronous acquisition system

多点同步测量机理可简单描述如下：网侧采集终端接收到前置机的采集命令后，统一向其他采集终端发送同步采集脉冲，同步脉冲的下降沿触发各采集终端外部中断进行同步数据采集。通信前置机的通信流程如图3 所示。首先，初始化设置定时采集时间间隔（10 个采集周期）；然后，前置机与网侧采集终端建立TCP/IP 连接并向其发送同步采集命令；网侧采集终端收到命令后向所有其他采集终端发送同步脉冲信号，以触发所有采集终端外部中断进行同步采集；所有采集终端采样10 个周期的数据，并对其进行数据压缩；当达到采样时间间隔，则前置机依次向各个数据采集终端发送数据上传命令；采集终端收到上传命令后立即上传压缩的采样数据；通信前置机对接收到的压缩采样数据进行数据重构，还原各监测点的采样信息，并对其进行算法分析与处理后存入数据库服务器，以供后台能效分析系统显示分析；接着通信前置机再次向主采集单元发送采集命令，重复以上过程。

图3 通信前置机通信流程图Fig.3 Flowchart of the communication front-end processor

3 基于傅里叶变换的数据压缩与重构

如图1 所示，能效分析系统分别在交流网侧、低压阀侧、滤波侧、直流侧4 个测量点安装数据采集终端，每个采集终端均可采集三相电压及电流6 路信号，根据各侧需监测的信号量个数可以确定系统需配置的采集终端台数。整个监测系统具体配置如下：

（1）网侧：采集三相电压及电流共6 路信号，配置6 通道数据采集终端1 台。

（2）滤波侧：采集三相电压及电流共6 路信号，配置6 通道数据采集终端1 台。

（3）低压阀侧：阀侧绕组一般采用同相逆并联或者双反星联结以消除大电流对外界的磁场干扰[11-13]。如图4 所示，采用同相逆并联的低压阀侧绕组在整流柜输入处一分为二，每根母排流过全波电流，因此需要采集12 路电压及12 路电流共24路信号，配置6 通道数据采集终端4 台。

（4）直流侧：采集直流电压、电流各1 路信号，配置6 通道数据采集终端1 台。

图4 12 脉波阀侧绕组与整流柜连接及其测量点接线图Fig.4Wiring diagram of the 12 pulse-wave valve side and rectifier cabinet and its measuring points

因此，对于图4 所示的12 脉波整流系统的能效分析，需要同步采集38 路信号（交流36 路，直流2 路），每路信号单周期采样256 个点（每个点均为16 位即2 个字节），且系统每采集10 个周期数据上传一次，则系统每次需上传256×2×10×38=194 560个字节；为了减少网络传输的流量，增加网络通信的能力，需要对上传数据进行数据压缩以提高系统的整体性能。

由于电压和电流以工频为周期，且包含有以基波分量为主的丰富的谐波分量，因此对周期为T=2π/ω 的原始信号进行傅里叶分解，其表达式为

式中，Fk、θk分别为k 次谐波的幅值及相位；Ak、Bk分别为k 次谐波的实部与虚部，即

对式（2）作离散化处理可以得到

式中，M 为单周期采样点数。

根据式（3）可以求得各次谐波的幅值Fk及相位θk为

根据各次谐波的幅值Fk，可以求得交流电压及电流的有效值：

交流侧数据压缩原理如下：所有交流侧采集终端采集10 个周期电压、电流信号并存储，根据式（3）和式（4）可求得交流电压及电流10 个周期的50 次以内谐波幅值及相位平均值，将其上传给前置通信机，前置通信机根据式（1）进行傅里叶反变换对压缩数据进行重构，从而还原测量点的交流电压及电流波形数据；50 次以内谐波的幅值及相位平均值各为2B，则每个通道只需上传50×2×2=200B 数据，交流36 个通道只需上传200×36=7 200B数据，而直流侧只需上传10 个周期的直流电压及电流（各2B）平均值即可，因此根据这种数据压缩方法，系统38 路信号同步采集10 个周期只需上传7 200+4=7 204B 数据，远远小于原来的194 560B 的传输量。

4 直流大电流间接反演与计算新方法

在化工、冶金等行业中应用的变流系统容量越来越大，其中直流电流也在不断增大，特别是在一些电解行业，直流电流已高达数十万安培，而直流大电流测量的准确性一直是受到业界质疑，其准确测量一直以来都是尚未有效解决的技术难题[14,15]；目前测量直流大电流采用最多的为霍尔互感器，工作原理是将电流信号转化为磁场测量，进而测量磁通密度或磁通、磁动势等方法来测量电流，但整流环境具有强腐蚀性和电磁干扰、谐波污染严重以及直流电流大等特点，其测量精度一般不能满足要求，且具有其体积大、价格高以及安装不便等缺点[16]。针对上述直流测量方案的缺陷，本文提出了一种直流大电流反演与计算新方法。

忽略晶闸管阻容回路影响，通过阀侧正半波电流的叠加处理即可实现直流电流的反演与推算，图5 给出了交流电流到直流电流的反演示意图，阀侧叠加反演直流电流算法过程如下：

（1）根据前面介绍的能效分析系统采集方案同步采集阀侧绕组接出的所有交流电流信号，形成n个具有s 个采样点的电流序列(i1[s]i2[s]… in[s])（n为阀侧绕组接出的电流信号个数，其数值与阀侧绕组的接线方式有关；s 为采样点个数），然后对in[s]数值进行判断，若in[s]＜0，则将in[s]置0；若in[s]＞0，则保持in[s]数值不变。

（2）对步骤（1）重新获得的电流序列in[s]进行叠加计算，求得推算的直流电流序列id[s]：

图5 交流电流到直流电流的反演示意图Fig.5 Inverting graph of AC to DC

5 大功率工业整流系统能效算法分析

本节以图4 所示低压阀侧绕组联结方式的12脉波整流系统为例来介绍能效分析算法，所有公式所涉及的电压、电流量均为通信前置机重构后还原的电压及电流信号。

5.1 整流系统各测量点有功功率的计算

对于交流网侧和滤波侧，采用的是三相四线制测量方法，引入的电压信号为相电压，根据式（7）可算得交流网侧和滤波侧有功功率PG、PF（单位：kW）；Us、Is为重构后的相电压、电流采样序列。

对于低压阀侧，采用的是三相三线制测量方法，引入的电压信号为线电压，需进行线电压到相电压的转换，根据式（8）可计算其4 个桥的三相总有功功率 PV1、PV2、PV3、PV4，则阀侧总功率 PV=PV1+PV2+PV3+PV4；U12s、U23s、U31s均为重构后的线电压采样序列。

直流侧终端上传的直流电压、电流平均值可直接计算求得直流侧平均功率Pd，但由本文第4 节内容可知利用霍尔互感器测量的直流大电流精度较低，因此其计算的直流功率只能作为参考，本文采用阀侧叠加推算的直流电流平均值来计算直流侧平均功率Ptd。

5.2 整流系统各部件损耗的计算

整流机组总损耗即系统总损耗，主要包括变压器损耗PT和整流器损耗PR。变压器损耗PT=交流网侧输入有功 PG-低压阀侧输出有功(PV1+PV2+PV3+PV4) -滤波侧有功PF，即

整流器损耗 PR=低压阀侧有功(PV1+PV2+PV3+PV4) -直流侧有功Ptd，即

因此，整流机组总损耗即系统总损耗

PZ=变压器损耗PT+整流器损耗PR

5.3 整流系统各部件效率的计算

通过测量网侧的输入功率及阀侧的功率可以计算变压器的效率ηT（%）；由阀侧的功率和直流侧功率可以计算与整流柜的效率ηR（%），计算表达式为

系统运行效率可通过以下公式计算。

整流系统在实际工况下的运行效率，可按照式（12）推算其额定效率。

式中，ηt为整流系统在额定工况下的推算效率（%）；η 为整流系统在实际工况下的运行效率（%）；Ud为整流系统测定运行效率时的实际输出电压（V）；Itd为整流系统测定运行效率时的实际输出电流（kA）；Udn为整流系统的额定输出电压（V）；Idn为整流系统的额定输出电流（kA）。

能效分析平台可以从数据库中查询任一时间段内的网侧输入电能WG及直流侧输出电能Wd为

式中，PGs、Pds分别为数据库中存储的网侧和直流侧有功功率记录（kW）；Δt 为相邻两个有功功率数据记录存入数据库的时间间隔。

任一时间段内的系统电能效率ηq

6 工程验证

基于感应滤波技术的新型直流供电系统已成功应用于某电解锰整流系统实际项目中，其额定直流输出600V、17.5kA，该工程于2012 年3 月投入运行考核。系统电气接线图如图6 所示，单机组为等效12 脉波（星形和三角形绕组共铁心），采用同相逆并联的结构形式，阀侧输出四个联结组，通过12根铜排分别与四个整流桥相连接，每套机组均配置了11 次和13 次单调谐滤波器，以作功率补偿和滤波，图6 中标出了3、4 号整流机组能效分析系统测量点位置。低压阀侧及直流侧测量点的具体施工如图7 所示，在整流柜侧面安放电气屏蔽柜1 个，内装阀侧采集终端4 台，直流侧采集终端1 台。在阀侧12 个铜排上安装金属钩直接引线将电压信号（电压等级500V）接入采集柜接线端子排；阀侧铜排上套装12 个罗氏线圈互感器（变比：5000A∶5V）用于检测阀侧电流，其积分器输出0～5V 信号接入采集柜接线端子排；直流侧电压（电压等级600V）直接从直流铜排引线接入采集柜接线端子排；直流铜排的直流霍尔互感器（变比：20kA∶5V）采集直流电流，其积分器输出0～5V 直流信号接入采集柜接线端子排。

图6 系统接线图Fig.6Wiring diagram for the system

图7 低压阀侧施工接线图Fig.7 Main-circuit topology of the system

6.1 影响整流机组损耗及效率分析的关键因素

（1）传感器精度问题：采集系统的测量精度是保证系统损耗及效率计算准确的关键因素，主要包括电压、电流互感器精度以及采集终端的测量精度。在测量前必须对传感器及测量装置进行校准工作。

（2）计算结果的误差修正：根据前面对传感器即测量终端的校准结果，对整流机组的损耗及效率计算结果进行修正。

（3）数据同步采集问题：计算整流机组损耗及效率所需的各个参数（如网侧输入功率、阀侧输出功率、滤波侧有功、直流侧有功等），必须是同步采集各个侧电压电流计算获得的。

6.2 系统同步性能测试与分析

采样通道间延时，是衡量系统同步性能的重要指标。通道间延时计算公式为

式中，θi和θj分别为两个不同的采集通道i 和j 对应的初始时刻Ti0和Tj0各自的初始相位；则两个通道间的通道延时Tij为

考虑不同通道数据计算的信号频率差异，取频率为两者均值，则式（16）变为

为了测试同步采集系统的同步性能，测试实验为所有采集板的三相电压及电流通道引入相同的交流标准源信号进行同步性能测试，表1 给出了网侧电压及电流通道1 与滤波侧所有电压及电流通道的同步性能测试结果，结果表明该同步采集方法完全符合能效分析系统的同步性能要求。

表1 同步性能测试结果Tab.1 Test results of synchronization performance

6.3 基于傅里叶变换的数据压缩与重构工程验证

数据压缩性能指标的计算公式如下。

信号的压缩比Rc

式中，Rnum为压缩后数据总量；Fnum为待压缩数据总量。

信号重构后的赋范方均误差Fc

信噪比SNR：

根据式（18）～式（20）可以验证基于傅里叶变换数据压缩算法的压缩效果，表2 给出了某实际12 脉波电解锰整流系统交流网侧、阀侧电压及电流原始信号的压缩效果；根据式（5）可以计算压缩后的电压、电流有效值，表3 给出了交流网侧、阀侧电压及电流原始信号有效值、压缩后数据计算的有效值及误差；阀侧电压、电流原始信号及压缩重构波形如图8 所示，原始信号的波形与重构后的波形幅值相位基本一致，因此利用傅里叶变换进行数据压缩上传及重构，既可以提高系统的通信性能，又可以保证系统的精度。

表2 真实电压、电流信号压缩效果Tab.2 Compression results by real data

表3 电压、电流有效值及误差Tab.3 Error and RMS of voltage and current

图8 阀侧电压、电流原始信号及压缩重构波形Fig.8 Voltage and current practical measurement waveforms in the grid winding before and after implementing inductive filtering

6.4 直流大电流间接反演仿真验证

本文针对该电解锰整流系统建立了仿真模型。图9 给出了相应的直流电流仿真波形及由阀侧交流电流叠加推算的直流电流波形，由图9 可见，两者波形基本重合。

图9 直流仿真波形与阀侧反演波形对比Fig.9 Comparison wave form of DC side and vavle side

表4 给出了本方法推算值与仿真值对比，可见阀侧叠加反演的直流电流推算值与仿真值十分接近，误差仅为0.053%，完全可以满足工程测试与计量的要求。

表4 推算值与仿真值对比Tab.4 Comparison of calculated value and simulation value

6.5 能效分析系统工程验证

表5 给出了3、4 号整流机组的能效测量结果，从表5 中可以看出

（1）3、4 号整流机组的直流侧实测的直流电流与利用阀侧交流电流叠加反推算法求得的直流电流大小差值分别为67.36A 和62.67A，进一步证明了阀侧交流电流叠加反推算法的可靠性及准确性，考虑到直流霍尔互感器的测量精度较低，实际测量值一般偏低，只能作为参考，这里主要以推算的直流电流计算的直流功率来计算整流系统各部件的损耗及效率。

表5 能效测量结果统计Tab.5 The measuring results of energy efficiency

（2）两套整流机组的变压器效率均在 98%以上，实测整流器效率及推算整流器效率也均在99%以上，作为参考的实测整流机组总效率也在97%以上，根据推算直流电流算得的整流机组总效率更是在98%以上，有效地证明了基于感应滤波技术的新型直流供电系统的高效性。

6.6 能效分析结果的指导意义

（1）对仿真模型的验证及修改指导：该能效分析方法，能够对仿真者设计的大功率整流系统仿真模型进行全面的能效分析。既可以验证仿真模型的节能效果，又可以指导设计者对仿真模型的参数进行相应的修改，同时观测修改后节能效果。

（2）对实际工程的能效分析及指导：该能效分析方法可以对实际已投入工程运行的工业整流系统进行全面的能效评估，使用户及设计者实时准确地了解被测整流机组损耗较大、效率较低的部件，从而为整流机组的改造提供依据。

（3）本文的能效分析方法对所有大功率工业整流系统均适用，通过对采用不同整流技术的整流机组的能效分析，可以对比不同整流技术的优缺点，使设计者能够取长补短。

7 结论

（1）给出了基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统多点测量与能效分析系统的整体设计方案、同步监测机理以及能效算法。

（2）针对整流系统监测信号量多且通信量巨大等问题，给出了一种基于傅里叶变换的数据压缩与重构算法，并用实例验证了此方法的正确性和工程实用性。

（3）提出了一种基于阀侧交流电流叠加反推直流电流的直流大电流间接反演与计算方法，通过仿真验证了此方法的正确性。

（4）给出了大功率工业整流系统的能效分析算法，并对能效分析系统的终端配置及施工方案进行了详细的阐述；工程实例表明该能效分析方法可以有效实现工业整流系统各供电装备与系统的效率核算，实现整流变压器及整流器的损耗与效率研究，从而为提高装备效率及系统节能提供必要的依据。

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