CN103543329B - 一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法涉及检测领域，其步骤如下：a.选用并安装传感器；b.确定采样周期；c.采样；d.获得各测量点的总电能量；e.获取电能损耗值；f.输出。本发明选用电压互感器PT等较专业的传感器，获得测量位置较精确的电流、电压值，为提高电能损耗测量的精确度奠定了基础。然后利用较高频率的模数转换器采集数据，配合样条插值误差补偿算法，得出更加准确的测量值，进而计算出各测量点的总的电功率及电能量值，再根据电能损耗公式即可得出较精确的电能的损耗情况，便于操作，具有较高的市场推广和应用价值。

Description

一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法

技术领域

本发明涉及检测领域，具体涉及一种对高能耗冶炼系统使用电能的设备进行电能损耗测量的方法。

背景技术

电能损耗是使用电能作为动力或加热源时一定会产生的，但如能准确的测量用电设备的电能损耗，就可以有针对性的对电能的损耗原因进行分析，这对于降低损耗、节能减排，以及准确的对电能损耗进行测量进而改善电能损耗状况是非常有必要的。尤其是针对在高能耗冶炼设备中，对电能损耗进行测量，精确诊断损耗原因，进而改进系统，可大大降低生产中的成本。

对能耗进行监测，尤其是对高能耗设备的电能损耗进行精准测量，现有技术中还没有成熟的产品。在国家知识产权局网站进行了专利检索，与本发明比较相关的专利有如下几个：1.能耗监测与评估系统，公开号CN103366256A；2.一种能耗监测系统，公开号CN203012939U；3.企业能耗监测管理系统，公开号CN102856982A；4.能耗监测、分项计量及分析预警系统，公开号CN102879635A；5.综合能耗监测管理系统，公开号CN103051649A。对公开的专利文献进行技术分析后得出：上述发明或实用新型进行电能损耗检测的系统或装置，基本是以嵌入式系统为处理核心的模块化监测系统，有专用的采集模块，微处理器通过采集模块传输过来的信息进行能耗监控以及预警等功能。上述现有技术对一般设备或装置的电能损耗可进行测量，但在高能耗冶炼系统领域一类的大能量系统，其参数的测量需要用专业的电力互感器来完成，简单的采集模块达不到要求；再者，在做高能耗冶炼系统电能质量的频谱谐波分析时，对于多路待分析信号，基于微处理器的嵌入式系统的计算性能相对较差；第三，对于互感器，或者说采集模块获取的第一手数据，是需要进行误差补偿的。无论是电阻式、电磁式还是电感式的传感器，都存在误差，为了提高数据计算和处理精度，必须进行误差补偿。上述技术在实施时，都没有考虑这一部分，因此存在精度不够高的缺陷。

发明内容

为解决现有技术中以嵌入式系统为处理核心的模块化监测系统中简单的采集模块达不到高耗能设备电能损耗测量要求的问题，本发明提供了一种满足高耗能设备电能损耗测量的方法。

一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其步骤如下：

a.选用并安装传感器：采用电压互感器PT，感应并采集变压器高压侧的电压信号；采用电流互感器CT，采集变压器高压侧的电流信号；分别采用精密变压器，采集变压器低压侧和短网端的电压信号；采用大电流电子式电流互感器，采集变压器低压侧和短网端的大电流信号；

b.确定采样周期：通过谐波分析需求以及在线数据频谱分析、快速傅立叶变换，确定采样周期；将采样周期信号送入A/D转换模块控制器；

c.采样：在A/D转换模块控制器的控制下，分别对几路传感器所传送的信号进行模/数转换，电压信号通过电压采集A/D模块（5）转化为数字量、电流信号通过电流采集A/D模块（6）转化为数字量，各路数字量送入工控机（4）中；然后经工控机（4）中样条插值算法进行互感器采集误差补偿；

d.获得各测量点的总电能量：将变压器（1）高压侧的电压信号与变压器（1）高压侧的同步电流信号用工控机（4）中的计算器相乘，即可得到变压器（1）高压侧的该时刻该测量点的电功率，采用点积分的计算方式，即可得到变压器（1）高压侧的特定时间段通过该测量点的近似总电能量，所述的点积分的计算方式是指用该电功率乘以每一个测量点的测量时间间隔，此处的时间间隔即为采样周期，即可得到该时间间隔内通过该测量点的近似电能量；将每一个这样的电能量值相加，即可得到变压器（1）高压侧的特定时间段通过该测量点的近似总电能量；同样方法计算变压器（1）低压侧、短网（2）端的近似总电能量；

e.获取电能损耗值：用变压器（1）高压侧的功率减去低压侧的功率，就得到变压器（1）的损耗功率；用低压侧的功率减去短网（2）端的功率，就得到短网（2）铜排的损耗功率；

f.输出：将计算得到的电能损耗数值显示出来。

本发明选用电压互感器PT等较专业的传感器，获得测量位置较精确的电流、电压值，为提高电能损耗测量的精确度奠定了基础，再利用较高频率的模数转换器采集数据，以样条插值算法进行高精度的角差补偿，进而计算出各测量点的总的电能量值，再根据电能损耗公式得出较精确的电能的损耗情况，便于操作，具有较高的市场推广和应用价值。

附图说明

本发明的附图的图面说明如下：

图1.运行电能损耗测量方法的硬件结构连接示意图；

图2.工控机主程序运行流程图；

图3.结束事件运行流程图。

图中：1.变压器2.短网3.冶炼电炉4.工控机5.电压采集A/D模块6.电流采集A/D模块

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其步骤如下：

a.选用并安装传感器：采用电压互感器PT，感应并采集变压器高压侧的电压信号；采用电流互感器CT，采集变压器高压侧的电流信号；分别采用精密变压器，采集变压器低压侧和短网端的电压信号；采用大电流电子式电流互感器，采集变压器低压侧和短网端的大电流信号；

b.确定采样周期：通过谐波分析需求以及在线数据频谱分析、快速傅立叶变换，确定采样周期；将采样周期信号送入A/D转换模块控制器；

c.采样：在A/D转换模块控制器的控制下，分别对几路传感器所传送的信号进行模/数转换，电压信号通过电压采集A/D模块5转化为数字量、电流信号通过电流采集A/D模块6转化为数字量，各路数字量送入工控机4中；然后经工控机4中样条插值算法进行互感器采集误差补偿；

d.获得各测量点的总电能量：将变压器1高压侧的电压信号与变压器1高压侧的同步电流信号用工控机4中的计算器相乘，即可得到变压器1高压侧的该时刻该测量点的电功率，采用点积分的计算方式，即可得到变压器1高压侧的特定时间段通过该测量点的近似总电能量，所述的点积分的计算方式是指用该电功率乘以每一个测量点的测量时间间隔，此处的时间间隔即为采样周期，即可得到该时间间隔内通过该测量点的近似电能量；将每一个这样的电能量值相加，即可得到变压器1高压侧的特定时间段通过该测量点的近似总电能量；同样方法计算变压器1低压侧、短网2端的近似总电能量；

e.获取电能损耗值：用变压器1高压侧的功率减去低压侧的功率，就可以得到变压器1的损耗功率；用低压侧的功率减去短网2端的功率，就可以得到短网2铜排的损耗功率；

f.输出：将计算得到的电能损耗数值显示出来。

虽然电压或电流测量板卡也就是A/D转换电路不同通道之间是同步的，即可以保证在同一时间点取到相对应的测量数据（这保证了功率计算的正确性），但是，同一板卡上各个通道不能同步，也就是说，不同的测量点在同一个测量循环中，不能取得严格意义上的同一时刻的测量数据。这种情况下，同一个测量循环内取得的各测量点的测量值是没有可比性的，原因就是他们不是严格的同一个时刻的数据。虽然在某一个特定的测量循环内取得的测算数据之间不能进行二次计算以求出损耗功率等结果，但是对每一个测量点的数据都进行一段时间（即时间窗）的点积分（由于采样是非常高速，保证了点积分的精确度），由于这样的点积分值与实际连续系统值之间的误差在高采样率和高精度的测量下可以忽略，于是该段时间（时间窗）的各个测量点之间的点积分值就具有了可比性和可计算性。

鉴于以上原因及原理，本发明步骤d中获得各测量点的总电能量时，为使各测量点的总电能量更精确，采用一个时间窗的高压侧、低压侧、短网2端各相的点积分能量值，该能量值除以该时间窗长度，就得到这个时间窗内的每一个测量点的平均功率，高压侧三相的该平均功率相加，即得到整个高压侧在该时间窗内的平均功率，各相时间窗点积分值相加，就得到高压侧在该时间窗内的总的电能量；相应可以得到低压侧、短网2端的时间窗内电能量和平均功率；同一测量点每一个时间窗的点积分值累加，就可以得到该测量点的总的电能量值。

本测量方法中，需要对各路传感器测得的模拟的数值进行采样实现模数转换，采样的频率越高，则测量并通过计算得出的炉体3各测量点的总的电能量值越接近实际值。

为了保证测量方法运行，本发明还在在每一个循环计算电损耗值后，会通过USB口向外部硬件看门狗系统发送一个喂狗信号。当测量方法在执行过程中因电磁干扰等原因出现失误时，看门狗会控制工控机4重启并开始新一轮的测量。

因电力互感器具有误差，具体体现在相位误差（角差）和比例误差（角差）。而且每一台互感器的误差是不同的，这就造成同一时间各互感器的测量数据都存在不一致的相位误差和比例误差，这样的数据是不能直接拿来计算的。因此，本发明中，利用互感器厂家提供的互感器的误差实验数据，然后通过当前各路互感器测量数据计算出高压侧的有效值，由该有效值到经线性插值后的互感器误差实验数据文件中查询互感器的当前误差值，得到角差和比差，再利用样条插值算法，输入角差，计算出补偿该角差后的数据，该数据再乘以当前比差系数，即可得到一个经过角差比差补偿后的精确数据。这个精确数据才能用于后续的能量功率计算。经过样条插值补偿的数据，精度可以达到一个非常高的水平。

本发明中步骤f中所述的输出可以通过显示器显示。

本发明中电能质量是通过谐波分布情况体现的。对每一路电压电流原始波形进行离散快速傅里叶变换（DFFT），就可以得到该波形的频谱，即谐波分布，谐波分布可直观的在显示器上显示。

本发明中步骤f中所述的输出还可以通过打印机打印工控机4所需要输出的数据。

本发明中步骤f中所述的输出还可以是连接以太网端，以实现数据的远程传输与存储，为之后的能耗诊断提供精确的第一手资料。

Claims (8)

1.一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其步骤如下：

a.选用并安装传感器：采用电压互感器PT，感应并采集变压器（1）高压侧的电压信号；采用电流互感器CT，采集变压器（1）高压侧的电流信号；分别采用精密变压器，采集变压器（1）低压侧和短网（2）端的电压信号；采用大电流电子式电流互感器，采集变压器（1）低压侧和短网（2）端的大电流信号；

b.确定采样周期：通过谐波分析以及在线数据频谱分析、快速傅立叶变换，确定采样周期；将采样周期信号送入A/D转换模块控制器；

c.采样：在A/D转换模块控制器的控制下，分别对几路传感器所传送的信号进行模/数转换，电压信号通过电压采集A/D模块（5）转化为数字量、电流信号通过电流采集A/D模块（6）转化为数字量，各路数字量送入工控机（4）中；然后经工控机（4）中样条插值算法进行互感器采集误差补偿；

d.获得各测量点的总电能量：将变压器（1）高压侧的电压信号与变压器（1）高压侧的同步电流信号用工控机（4）中的计算器相乘，得到变压器（1）高压侧的电功率，采用点积分的计算方式，得到变压器（1）高压侧的特定时间段通过一测量点的近似总电能量，所述的点积分的计算方式是指用该电功率乘以该测量点的测量时间间隔，此处的时间间隔即为采样周期，得到该时间间隔内通过该测量点的近似电能量；将每一个这样的电能量值相加，得到变压器（1）高压侧的特定时间段通过该测量点的近似总电能量；同样方法计算变压器（1）低压侧、短网（2）端的近似总电能量；

e.获取电能损耗值：用变压器（1）高压侧的功率减去低压侧的功率，就得到变压器（1）的损耗功率；用低压侧的功率减去短网（2）端的功率，就得到短网（2）铜排的损耗功率；

f.输出：将计算得到的电能损耗数值显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其特征在于：步骤d中获得各测量点的总电能量时，利用一个时间窗的高压侧各相的点积分能量值，该能量值除以该时间窗长度，就得到这个时间窗内的每一个测量点的平均功率，高压侧三相的该平均功率相加，即得到整个高压侧在该时间窗内的平均功率，各相时间窗点积分值相加，就得到高压侧在该时间窗内的总的电能量；相应得到低压侧、短网（2）端的时间窗内电能量和平均功率；同一测量点每一个时间窗的点积分值累加，就得到该测量点的总的电能量值。

3.根据权利要求1或2所述的一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其特征在于：为了保证测量方法运行，在每一次计算电损耗值后，通过USB口向外部硬件看门狗系统发送一个喂狗信号；当测量方法在执行过程中因电磁干扰原因出现失误时，看门狗会控制工控机（4）重启并开始新一轮的测量。

4.根据权利要求1或2所述的一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其特征在于：获取互感器厂家提供的互感器的误差实验数据，然后通过当前各路互感器测量数据计算出高压侧的有效值，由该有效值到经线性插值后的互感器误差实验数据文件中查询互感器的当前误差值，得到角差和比差，再利用样条插值算法，输入角差，计算出补偿该角差后的数据，该数据再乘以当前比差系数，即可得到一个经过角差比差补偿后的精确数据；样条插值是三次插值，具有较好的曲线特性，适宜应用到以正弦波为基波的电力系统当中；利用当前存在误差的互感器输出的离散数据，由样条插值方法拟合出一条虚拟的连续的曲线，然后根据角差确定补偿数据的位移量，根据该位移量重新在上述连续曲线上获取一组与输入数据相对应的离散数据，即为经角差样条插值补偿后的离散数据。

5.根据权利要求1或2所述的一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其特征在于：步骤f中所述的显示通过显示器实现。

6.根据权利要求5所述的一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其特征在于：还包括对每一路电压电流原始波形进行离散快速傅里叶变换，得到谐波分布情况，谐波分布情况直观的在显示器上显示；电能质量是通过谐波分布情况体现的。

7.根据权利要求1或2所述的一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其特征在于：步骤f中所述的输出还通过打印机打印工控机（4）所需要输出的数据。

8.根据权利要求1或2所述的一种高能耗冶炼系统电能损耗测量方法，其特征在于：步骤f中所述的输出还包括工控机连接以太网端。