軋鋼工程供配電系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(guò)旋轉(zhuǎn)軋輥改變鋼錠，而軋鋼工程就是通過(guò)壓力，加工軋鋼鋼坯形狀的過(guò)程。例如常見(jiàn)的鍋爐鋼、橋梁鋼、汽車(chē)板、螺紋鋼以及火車(chē)輪，都是通過(guò)軋鋼工程生產(chǎn)獲得的。電能是國(guó)家各部門(mén)和社會(huì)生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿Γ瑢⒏鞣N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(kāi)對(duì)電能的使用[1]。因此利用供配電系統(tǒng)，對(duì)不同距離、不同工程項(xiàng)目的軋鋼工藝進(jìn)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(gè)監(jiān)測(cè)策略和控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)軋鋼工程供配電系統(tǒng)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和控制。

1 軋鋼工程概述

鋼軋改造項(xiàng)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(kāi)坯軋機(jī)BD1BD2、2架可逆式萬(wàn)能四輥軋機(jī)U1U2、1架二輥軋機(jī)E、1架萬(wàn)能精軋機(jī)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(dá)到年產(chǎn)138萬(wàn)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(hào)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(duì)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(gè)半段，通過(guò)2個(gè)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(kāi)坯軋機(jī)主傳動(dòng)、E軋機(jī)主傳動(dòng)、部分輔傳動(dòng)整流變壓器、部分動(dòng)力、照明、吊車(chē)變壓器以及水處理高壓電動(dòng)機(jī)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(wàn)能軋機(jī)主傳動(dòng)、Uf萬(wàn)能精軋機(jī)主傳動(dòng)以及部分輔傳動(dòng)整流變壓器、部分動(dòng)力、吊車(chē)變壓器以及水處理高壓電動(dòng)機(jī)供電。

2 軋鋼工程供配電系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(duì)四項(xiàng)基本參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選用的部分監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，如下表1所示[2]。

表1 監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備表

利用表1所示的監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)表2所示的軋鋼工程中，供配電系統(tǒng)的各項(xiàng)基本參數(shù)。

表2 監(jiān)測(cè)參數(shù)

下面對(duì)軋鋼工程供配電系統(tǒng)，進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，每一監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋，如下所示。

2.1 監(jiān)測(cè)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(lái)表示。在軋鋼工程運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)軋鋼工程在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的實(shí)際用電平均有功負(fù)荷H ，利用實(shí)際用電量除以用電時(shí)長(zhǎng)，得到日平均負(fù)荷，單位為kW。再監(jiān)測(cè)固定監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，軋鋼工程的最大小時(shí)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(cè)日負(fù)荷率，該值的監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)下列公式反饋：

利用上述計(jì)算公式，反饋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的日負(fù)荷率，再對(duì)變壓器負(fù)載系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)變壓器負(fù)載系數(shù)

變壓器負(fù)載系數(shù)為變壓器運(yùn)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(yùn)行期間，變壓器負(fù)載側(cè)的有功電量與無(wú)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(yùn)行的時(shí)間，用t 表示，單位為h。則變壓器負(fù)載系數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，利用下列公式反饋到監(jiān)測(cè)頁(yè)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(guò)下列方程獲得：

根據(jù)變壓器負(fù)載系數(shù)，監(jiān)測(cè)得到系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的線損率實(shí)時(shí)變化值。

2.3 監(jiān)測(cè)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(shí)，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(cè)結(jié)果，通過(guò)下列公式反饋：

公式中 ：ΔQ1、ΔQ2分別表示每臺(tái)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(tái)變壓器的損耗值，通過(guò)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(gè)參數(shù)的單位均為kW*h。且這兩個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)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(yùn)行電壓和額定電壓；t 表示軋鋼工程投入的運(yùn)行時(shí)間。而線路損耗監(jiān)測(cè)結(jié)果，可通過(guò)下列公式進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)算公式為：

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

2.4 監(jiān)測(cè)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(wú)功電量，獲得量為參數(shù)計(jì)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(cè)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(cè)反饋結(jié)果，通過(guò)下列公式獲得：

3 不同時(shí)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(cè)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(duì)主從控制，將一個(gè)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(diǎn)。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(guò)快速交換監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)主站對(duì)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(diǎn)越來(lái)越多、潮流復(fù)雜，以此利用主從控制策略，維護(hù)系統(tǒng)直流電壓的穩(wěn)定性。選取包含兩個(gè)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?yàn)檎瑒t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(yùn)行范圍；V表示電壓；A、B、C表示系統(tǒng)穩(wěn)定控制節(jié)點(diǎn)；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(yùn)行時(shí)，變換器1向變換器2提供有功功率，整個(gè)系統(tǒng)有統(tǒng)一的直流電壓V，此時(shí)供配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于A控制點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，通過(guò)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(shí)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(yùn)行，到達(dá)控制點(diǎn)B。也可能會(huì)出現(xiàn)變換器1和變換器2共同負(fù)擔(dān)的現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)運(yùn)動(dòng)到控制點(diǎn)C。主從控制策略對(duì)系統(tǒng)分布式電源、儲(chǔ)能裝置以及負(fù)荷單元進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間尺度，對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行分層控制。控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，需要同時(shí)考慮多種優(yōu)化目標(biāo)或多個(gè)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(shí)間以及控制層次，通過(guò)更為協(xié)調(diào)的配合方式，減小控制策略對(duì)互聯(lián)裝置的依賴(lài)程度。分層控制策略共包含三層，具體為：

第一層進(jìn)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(yùn)行；第二層控制是對(duì)系統(tǒng)各功率變換單元，進(jìn)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(duì)系統(tǒng)全局能量進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，維護(hù)供配電系統(tǒng)的整體運(yùn)行功能，在min級(jí)的時(shí)間長(zhǎng)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(cè)參數(shù)，生成系統(tǒng)能量?jī)?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(guò)三個(gè)時(shí)間尺度上，三個(gè)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(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，即實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，至此實(shí)現(xiàn)對(duì)軋鋼工程供配電系統(tǒng)的控制。

4 結(jié)語(yǔ)

供配電系統(tǒng)是控制電能的系統(tǒng)，對(duì)于軋鋼工程質(zhì)量具有極大的影響。而此次提出的監(jiān)測(cè)與控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)管，保證軋鋼工程可以順利進(jìn)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。