基于光纖以太網通信的大功率工業整流系統多點測量與能效分析

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展，可控硅整流系統已廣泛應用于化工、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，每年的電能消耗量巨大[2,3]。例如，據國家工業與信息化部公布的數據，2012 年我國電解鋁和電解銅產量分別達到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的運行效率提高1%，則每年可節約電能23 億kW·h。

因此，對上述高能耗領域開展節能新技術的研究，哪怕是較少的節能措施對企業節能降耗以及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的各部件損耗實時監測儀器或平臺，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通信的大功率工業整流系統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整流系統能效分析系統為例，對能效分析系統的整體設計方案、同步監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可以有效實現工業整流系統各供電裝備與系統的效率核算，實現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節能提供必要的依據。

2 光纖以太網通信的多點測量同步監測工作原理

2.1 能效分析系統整體架構

基于感應濾波技術的大功率工業整流系統及其能效分析系統拓撲結構如圖1 所示。大功率工業整流系統主要由三部分構成[8-10]：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負荷。新型整流變壓器包括調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；根據基于感應濾波技術的大功率工業整流系統組成，能效分析系統主要對其交流網側、濾波側、低壓閥側及直流側4 個測量點進行監測，與常規整流系統相比，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區別。但由于各測量點之間通常相隔距離較遠，特別是交流網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的多測量點數據同步采集方案，解決了監測系統中通信距離遠、通信速度要求高、抗干擾能力要求高、數據需要同步采集分析等問題。

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

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

2.2 基于光纖以太網通信的多點同步測量機理

光纖以太網同步采集系統的硬件原理結構框圖如圖2 所示。各采集終端利用光纖發射器HFBR-1414 和光纖接收器 HFBR-2412 設計了串行口的TXD 發送端和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 間的通信穩定性。

圖2 光纖以太網同步采集系統結構框圖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：網側采集終端接收到前置機的采集命令后，統一向其他采集終端發送同步采集脈沖，同步脈沖的下降沿觸發各采集終端外部中斷進行同步數據采集。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，前置機與網側采集終端建立TCP/IP 連接并向其發送同步采集命令；網側采集終端收到命令后向所有其他采集終端發送同步脈沖信號，以觸發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 個周期的數據，并對其進行數據壓縮；當達到采樣時間間隔，則前置機依次向各個數據采集終端發送數據上傳命令；采集終端收到上傳命令后立即上傳壓縮的采樣數據；通信前置機對接收到的壓縮采樣數據進行數據重構，還原各監測點的采樣信息，并對其進行算法分析與處理后存入數據庫服務器，以供后臺能效分析系統顯示分析；接著通信前置機再次向主采集單元發送采集命令，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據壓縮與重構

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

（1）網側：采集三相電壓及電流共6 路信號，配置6 通道數據采集終端1 臺。

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

（3）低壓閥側：閥側繞組一般采用同相逆并聯或者雙反星聯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 通道數據采集終端4 臺。

（4）直流側：采集直流電壓、電流各1 路信號，配置6 通道數據采集終端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），且系統每采集10 個周期數據上傳一次，則系統每次需上傳256×2×10×38=194 560個字節；為了減少網絡傳輸的流量，增加網絡通信的能力，需要對上傳數據進行數據壓縮以提高系統的整體性能。

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，Fk、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。

根據式（3）可以求得各次諧波的幅值Fk及相位θk為

根據各次諧波的幅值Fk，可以求得交流電壓及電流的有效值：

交流側數據壓縮原理如下：所有交流側采集終端采集10 個周期電壓、電流信號并存儲，根據式（3）和式（4）可求得交流電壓及電流10 個周期的50 次以內諧波幅值及相位平均值，將其上傳給前置通信機，前置通信機根據式（1）進行傅里葉反變換對壓縮數據進行重構，從而還原測量點的交流電壓及電流波形數據；50 次以內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 數據，交流36 個通道只需上傳200×36=7 200B數據，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，因此根據這種數據壓縮方法，系統38 路信號同步采集10 個周期只需上傳7 200+4=7 204B 數據，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、冶金等行業中應用的變流系統容量越來越大，其中直流電流也在不斷增大，特別是在一些電解行業，直流電流已高達數十萬安培，而直流大電流測量的準確性一直是受到業界質疑，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）根據前面介紹的能效分析系統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，其數值與閥側繞組的接線方式有關；s 為采樣點個數），然后對in[s]數值進行判斷，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 大功率工業整流系統能效算法分析

本節以圖4 所示低壓閥側繞組聯結方式的12脈波整流系統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 整流系統各測量點有功功率的計算

對于交流網側和濾波側，采用的是三相四線制測量方法，引入的電壓信號為相電壓，根據式（7）可算得交流網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 節內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 整流系統各部件損耗的計算

整流機組總損耗即系統總損耗，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總損耗

PZ=變壓器損耗PT+整流器損耗PR

5.3 整流系統各部件效率的計算

通過測量網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

系統運行效率可通過以下公式計算。

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

能效分析平臺可以從數據庫中查詢任一時間段內的網側輸入電能WG及直流側輸出電能Wd為

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

任一時間段內的系統電能效率ηq

6 工程驗證

基于感應濾波技術的新型直流供電系統已成功應用于某電解錳整流系統實際項目中，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），采用同相逆并聯的結構形式，閥側輸出四個聯結組，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：采集系統的測量精度是保證系統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）數據同步采集問題：計算整流機組損耗及效率所需的各個參數（如網側輸入功率、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 系統同步性能測試與分析

采樣通道間延時，是衡量系統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

考慮不同通道數據計算的信號頻率差異，取頻率為兩者均值，則式（16）變為

為了測試同步采集系統的同步性能，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據壓縮與重構工程驗證

數據壓縮性能指標的計算公式如下。

信號的壓縮比Rc

式中，Rnum為壓縮后數據總量；Fnum為待壓縮數據總量。

信號重構后的賦范方均誤差Fc

信噪比SNR：

根據式（18）～式（20）可以驗證基于傅里葉變換數據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交流網側、閥側電壓及電流原始信號的壓縮效果；根據式（5）可以計算壓縮后的電壓、電流有效值，表3 給出了交流網側、閥側電壓及電流原始信號有效值、壓縮后數據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據壓縮上傳及重構，既可以提高系統的通信性能，又可以保證系統的精度。

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各部件的損耗及效率。

表5 能效測量結果統計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仿真模型進行全面的能效分析。既可以驗證仿真模型的節能效果，又可以指導設計者對仿真模型的參數進行相應的修改，同時觀測修改后節能效果。

（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整流系統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。

（3）本文的能效分析方法對所有大功率工業整流系統均適用，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通信的大功率工業整流系統多點測量與能效分析系統的整體設計方案、同步監測機理以及能效算法。

（2）針對整流系統監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據壓縮與重構算法，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）給出了大功率工業整流系統的能效分析算法，并對能效分析系統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工業整流系統各供電裝備與系統的效率核算，實現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節能提供必要的依據。

[1]Aqueveque P E,Wiechmann E P,Burgos R P.On the efficiency and reliability of high-current rectifiers[C].Proceedings of IEEE Power Electronics Specialists Conference,Rhodes,Greece,2008:4509-4516.

[2]劉懺斌,馮公偉,崔督普,等.硅整流所電力設計[M].北京:冶金工業出版社,1983.

[3]Luo L F,Li Y,Nakamura K,et al.Harmonic characteristics of new hvdc transmission system based on new converter transformer[C].Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies,2008:1868-1872.

[4]Ning Z H,Luo L F,Xu J Z,et al.Technical analysis and synthesis energy saving design of the high power DC power supply system[C].2010 International Conference on Power System Technology,2010.

[5]張民,許進,黃學田,等.光以太網[M].北京:北京郵電大學出版社,2005.

[6]邱昆,王晟,等.光纖通信[M].成都:電子科技大學出版社,2008.

[7]汪強.基于 IEC61850 的光纖工業以太網交換機的設計及應用[J].電力系統保護與控制,2010,38(13):113-115.Wang Qiang.Design and application of fiber industrial Ethernet switch based on IEC61850[J].Power System Protection and Control,2010,38(13):113-115.

[8]寧志毫,羅隆福,李勇,等.基于感應濾波的大功率整流系統原理分析及綜合節能設計[J].電工技術學報,2009,24(3):223-228.Ning Zhihao,Luo Longfu,Li Yong,et al.Analysis and synthesis energy saving design of large power rectifier system based on inductive filtering technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(3):223-228.

[9]羅隆福,尚榮艷,李勇,等.交流系統等值電抗對新型直流輸電系統運行參數的影響[J].電工技術學報,2008,23(6):96-102,108.Luo Longfu,Shang Rongyan,Li Yong,et al.Impacts of the AC system equivalent reactance on operation parameters of a novel DC transmission system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(6):96-102,108.

[10]李勇,羅隆福,劉福生,等.變壓器感應濾波技術的發展現狀與應用前景[J].電工技術學報,2009,24(3):86-92.Li Yong,Luo Longfu,Liu Fusheng,et al.Application foreground of transformer inductive filtering technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(3):86-92.

[11]李勇.感應濾波理論及其在直流輸電系統中的應用研究[D].長沙:湖南大學,2010.

[12]Makram E B,Wright C L,Girgis A A.A harmonic analysis of the induction watthour meter's registration error[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1992,7(3):1080-1088.

[13]Feng G H,Zhang J,Zhao Y S,et al.Harmonic power detection and measurement device based on harmonic power flow analysis[C].2005 Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems,2005,3:2262-2265.

[14]Ren S Y,Zhang Z J,Hu W Y.Analysis and calculation of systemic error of voltage difference method in the calibration for heavy DC sensors[C].1998 Conference on Precision Electromagnetic Measurements Digest,1998:568-569.

[15]Ren Shiyan,Zhang Zhijie,Hu Wenyi.Analysis and calculation of systemic error of voltage difference method in the calibration for heavy DC sensors[C].Proceedings of Precision Electromagnetic Measurements Digest Conference,Washington,DC,USA,1998:568-569.

[16]張艷.光電式直流電流互感器的研制[D].武漢:華中科技大學,2005.